熊蓉：我們的智能移動(dòng)機(jī)器人思維
熊蓉教授，系國(guó)家科技部重點(diǎn)專項(xiàng)智能機(jī)器人專家組專家，RoboCup國(guó)際理事會(huì)理事，浙江省機(jī)器換人專家組專家，浙江大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任。日前，她被世界機(jī)器人大會(huì)邀請(qǐng)，做了題為《智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》的主題演講，提出的智能移動(dòng)機(jī)器人自然無(wú)軌導(dǎo)航等研究，格外引人關(guān)注。
在長(zhǎng)達(dá)十多分鐘的發(fā)言中，熊蓉教授為我們梳理了我國(guó)制造業(yè)機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀和重要節(jié)點(diǎn)，其中既有她對(duì)于國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度理解，亦有對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景和重點(diǎn)方向的思考分析，干貨非常多，值得您花時(shí)間閱讀。
以下為演講全文：
尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位嘉賓，大家下午好！感謝組委會(huì)的邀請(qǐng)，我來(lái)自于浙江大學(xué)控制學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，今天主要為大家介紹我們?cè)跈C(jī)器人方面所做的一些工作，其中將重點(diǎn)介紹智能移動(dòng)機(jī)器人的有關(guān)技術(shù)。
之前關(guān)于機(jī)器人的背景，各位嘉賓已經(jīng)講得很多了，這里我只做一個(gè)簡(jiǎn)要介紹。基于市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)與技術(shù)發(fā)展，目前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。我是從2000年開(kāi)始從事機(jī)器人研究，當(dāng)時(shí)有讀到2001年《世界周刊》的一篇報(bào)道，文中卡耐基梅隆大學(xué)的教授預(yù)測(cè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)會(huì)超越IT資訊產(chǎn)業(yè)，而那時(shí)還是IT非常熱的時(shí)候。之后很快到了2013年，中國(guó)就迎來(lái)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)。從1956年的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生并應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，到現(xiàn)在我們已經(jīng)有了非常多不同類型的機(jī)器人，且已經(jīng)應(yīng)用到了包括工業(yè)、外空探測(cè)、軍事、醫(yī)療手術(shù)、康復(fù)等各行各業(yè)里，機(jī)器人已經(jīng)逐漸向社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域不斷滲透。
但是我們發(fā)現(xiàn)，這些機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中無(wú)論是形態(tài)上還是智能上，仍有很多局限性，因而現(xiàn)在很多的研究機(jī)構(gòu)與機(jī)器人企業(yè)都在研究各種各樣的輕型機(jī)器人。如工業(yè)中能夠與人交互協(xié)作的機(jī)器人，或?qū)⒃瓉?lái)人車分離的結(jié)合在一起，以及一些仿生機(jī)器人。關(guān)于這些機(jī)器人，除了它們的外部形態(tài)外，還有一個(gè)非常重要的問(wèn)題，就是內(nèi)部的智能性。智能化是新一代機(jī)器人的核心特征，對(duì)于腿足機(jī)器人來(lái)說(shuō)，不管是讓它適應(yīng)不平整的地面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的移動(dòng)控制；還是在家庭服務(wù)中，不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)任務(wù)的移動(dòng)，以及對(duì)物體的操作；或是在人機(jī)交互中，對(duì)人臉、人體進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而識(shí)別人的情緒，開(kāi)展對(duì)應(yīng)的自然交互；以及在工業(yè)中的人機(jī)協(xié)同作業(yè)和康復(fù)、助殘中的人機(jī)協(xié)同作業(yè)，還有如何讓機(jī)器人自主地學(xué)習(xí)技能，并在泛化的作業(yè)內(nèi)容中實(shí)現(xiàn)以上這些都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但就整體來(lái)說(shuō)，其中最關(guān)鍵的還是如何讓機(jī)器人變得智能。
關(guān)于智能，我們提到兩個(gè)核心問(wèn)題：一是感知，一是控制。獲得環(huán)境和自身的信息，然后基于感知進(jìn)行伺服的控制，兩者之間相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)這兩個(gè)作業(yè)，我們要使得機(jī)器人系統(tǒng)有很好的適應(yīng)性，能夠適應(yīng)各種不同的環(huán)境，適應(yīng)各種不同的操作對(duì)象以及各種不同的地形等等。
基于本人的計(jì)算機(jī)背景，我們的實(shí)驗(yàn)室從2000年開(kāi)始，主要關(guān)注于機(jī)器人的智能化方面。在17年的發(fā)展過(guò)程中，我們的發(fā)展方向主要概括為三個(gè)：如何進(jìn)行智能的操作、智能的移動(dòng)和智能的運(yùn)動(dòng)。下面我先簡(jiǎn)要地介紹一下實(shí)驗(yàn)室在智能操作和智能運(yùn)動(dòng)方面的一些成果，然后再重點(diǎn)介紹一下在智能移動(dòng)方面所做的各項(xiàng)工作。
首先是智能操作。
操作是工業(yè)機(jī)器人最基本的功能需求。但是從工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入到現(xiàn)在，就需要滿足柔性制造的發(fā)展來(lái)看，也對(duì)機(jī)器人的智能性提出了需求，即能否通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知其作業(yè)對(duì)象并進(jìn)行在線作業(yè)；而對(duì)于服務(wù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它更是一個(gè)必備的技術(shù)要求。因而不管是工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)機(jī)器人，人機(jī)協(xié)作是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。這同樣意味著，我們的機(jī)器人需要具有感知的能力，去感知它的交互對(duì)象及意圖，然后來(lái)規(guī)劃自己的運(yùn)動(dòng)。于是，在2008年到2011年間，我們?cè)趪?guó)家863重點(diǎn)課題的支持下，做了一個(gè)乒乓球?qū)Υ驒C(jī)器人，其實(shí)質(zhì)是在解決智能操作的問(wèn)題。它主要通過(guò)對(duì)某個(gè)對(duì)象的快速識(shí)別、定位，來(lái)考慮如何安排自己的運(yùn)動(dòng)，即對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后規(guī)劃出機(jī)器人的全身運(yùn)動(dòng)，這是在線、實(shí)時(shí)的規(guī)劃，并且要保證這個(gè)手臂在快速作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡控制。該成果于2011年10月發(fā)布，得到了國(guó)內(nèi)外的很大肯定。包括英國(guó)的路透社、美國(guó)的美聯(lián)社，以及美國(guó)國(guó)家地理頻道在去年開(kāi)設(shè)的一個(gè)名為NothingImpossible的節(jié)目,都來(lái)到實(shí)驗(yàn)室做了專題報(bào)道，更有很多的人慕名前來(lái)和這款機(jī)器人對(duì)打。（看圖）這就是第一位來(lái)和它對(duì)打的老先生，某雙蛇發(fā)球器的老總，從小打乒乓球。我們當(dāng)時(shí)生產(chǎn)了兩款這樣的機(jī)器人，他們之間可以進(jìn)行對(duì)打。但是機(jī)器人間的對(duì)打難度不及于他們與人類的對(duì)打，這是因?yàn)闄C(jī)器人是比較可控的，不像人類會(huì)有忽快、忽慢的速度，甚至所打的球會(huì)帶有旋轉(zhuǎn)性。同時(shí)，由于我們最初的定義就是制造一款仿人機(jī)器人，所以這款乒乓球?qū)Υ驒C(jī)器人也能走路，只不過(guò)它的速度和國(guó)際上相比還有較大差距。這款機(jī)器人主要解決的是如何利用它全身的關(guān)節(jié)，來(lái)保證穩(wěn)定的平衡控制及作業(yè)的精確性。（看圖）這是工博會(huì)上，萬(wàn)鋼部長(zhǎng)和它的對(duì)打，這些是在863成果20周年匯報(bào)上的一些照片。
這個(gè)作業(yè)完成后，我們將這一技術(shù)應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域。在該領(lǐng)域里，涉及到對(duì)不同物品的分揀。（看圖）這是我們給某企業(yè)做的幾套自動(dòng)化單元，當(dāng)中有涉及到耳機(jī)這樣很小且沒(méi)有什么紋理的物品，我們要快速地識(shí)別它的位置，然后規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取，進(jìn)而去適應(yīng)不同的對(duì)象、插件等等。（看圖）我們把一個(gè)工作臺(tái)臨時(shí)推到機(jī)械臂面前，它能夠在1分鐘內(nèi)完成標(biāo)定，然后開(kāi)始精確作業(yè)（ICT的焊接對(duì)精度要求挺高），這解決了原來(lái)在工業(yè)上人機(jī)標(biāo)定作業(yè)和機(jī)械臂標(biāo)定時(shí)需要大量專業(yè)人員和大量時(shí)間的問(wèn)題。
另外我們還開(kāi)展了進(jìn)一步研究，即原先我們針對(duì)的是有相對(duì)少量旋轉(zhuǎn)的球，但其實(shí)在很多現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域里，都會(huì)涉及到有大量旋轉(zhuǎn)的事物，比如在軍事對(duì)抗、航空航天領(lǐng)域里都有這樣對(duì)象作業(yè)的需求。那么在帶有高速旋轉(zhuǎn)的情況下，如何預(yù)測(cè)它的軌跡，就變得非常重要。因此，在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，我們于2012年開(kāi)始了這方面的工作。從最初對(duì)球（我們還是以球作為一個(gè)對(duì)象）上自然標(biāo)志的識(shí)別、跟蹤來(lái)估計(jì)它的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，第一次實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)高速旋轉(zhuǎn)球的接打；到后來(lái)我們對(duì)模型進(jìn)行肌理分析，再結(jié)合視覺(jué)學(xué)習(xí)，建立準(zhǔn)確的模型，目前大家看到的就是不用看球上的任何標(biāo)示，完全只根據(jù)它的位置，就能做出精確的軌跡預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)球的接打。而眼下，我們正在進(jìn)一步研究的是如何能讓機(jī)器人把球打回到我們需要的地方，目前我們已經(jīng)完成了對(duì)球的旋轉(zhuǎn)建模即能夠接住球，下一步是要把球打到需要的位置上。