AIR 030 | 中国科学院院士丁汉:共融机器人就是未来的发展方向

2016-08-15 10:31:40     作者:恒亮      来源:雷锋网

什么是共融机器人?共融机器人有什么特点?丁汉教授在这里做了详细解答。

CCF-GAIR大会进行到第二天,我们迎来了“机器人与无人机专场”。作为今天的首位演讲嘉宾,中国科学院院士,华中科技大学机械科学与工程学院院长、数字制造装备与技术国家重点实验室主任,长期从事数字制造理论与技术研究的丁汉教授为我们带来了题为《共融机器人基础理论与关键技术》的主题演讲。

丁汉教授以2016年度国家重点研究计划,共融机器人项目为背景,首先介绍了共融机器人的内涵:能够与作业环境、人和其它机器人自然交互、自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人。并强调,该项目的重要目的一方面在于引领我国在机器人学科中的未来发展,另一方面也要兼顾国家的重大战略发展需求。

此后,丁汉教授从机器人领域的发展思考、问题研究、具体实施等方面对共融机器人做了详细阐述,并在最后进行了总结与展望。

丁汉教授讲到,机器人领域从50年代开始发展,从最初的工业化生产开始,随着行业内各种传感器和计算机软硬件的协同发展,目前已经逐渐转向了智能化领域。但是,目前的发展现状其实与人们的期望值还相差甚远。然而,随着各种机器人在国民经济和个人生产生活中扮演的角色越来越重要,机器人研究正在成为全球各国高科技竞争中新的战略制高点。

除了具备高速度、高精度、高负载和高性能等特点之外,丁汉教授认为,未来机器人的重要特征就是“共融”。这其中包括了三层含义:

1.机器人与环境高度适应:例如在雪地行走,狭窄腔道里作业等。

2.机器人与机器人之间高度适应:多机器人合同协作和规模化集群机器人的互助互补。

3.机器人与人类高度适应:人机之间高度共融,机器人将能够理解人类的思维和动作。

面对这三个共融层面,丁汉教授从结构、感知和操作系统这三个层面阐述了共融机器人的研究内容和方向。其中具体包括:

具备刚-柔-软结构的行为顺应与可控性;

具备多模态感知的交流沟通能力;

兼具自主性和群体合作性的智能分布式操作系统构架。

最终,联合这三个层面的研究内容,通过“能工巧匠”、“聪明体贴”和“分工合作”等类型机器人的具体实现,形成一个共融机器人的系统集成与验证平台。

具体实施方面,丁汉教授表示共融机器人项目将预计投入2亿元人民币,历时8年时间完成。在激励原创、注重前沿科技和学科交叉、加强人才培养和全局统筹等大的原则框架下,通过与各国际组织的交流、合作和相互学习,推动我国自主研发的机器人技术不断取得突破。

最后丁汉教授展示了美国哥伦比亚大学熨烫机器人、韩国首尔国立大学刚柔软耦合机器人等国际领先的研究成果,并号召大家积极投入机器人研发这个充满想象和探索空间,未来具有无限应用可能的新兴领域。

以下是演讲实录:

女士们、先生们,各位来宾,上午好!首先非常荣幸受到大会主席的邀请,刚才主持人提到我们重大计划的相关内容,我的报告主要讲一下“共融机器人基础理论与关键技术”。

刚才主持人也提到了,我们发了两个重大计划,一个是机器委的重大计划,一个是共融机器人基础理论与关键技术,还有一个是机器委和深圳联合资助的计划,这两个计划很多内容相互之间还是有相互交叉、相互补充,但是深圳这个计划可能更加面向深圳地方的一些实际的需求,当然将来这两个计划可能会形成共识,前面提到我们会主办在国际有影响的机器人大赛,大家知道机器人这个方向创意其实很多方面需要大家的智慧,所以能够在深圳主办机器人大赛,一方面是激发大家的兴趣,同时也提高我国机器人的水平。我觉得对激发对机器人的兴趣是非常大的。这两个计划截止时间基本都是9月15日,所以希望同行都能够参加这个计划,为我国机器人发展多多贡献。

我今天报告的内容应该不能代表我个人的意见,我们在2013年习总书记在两院院士大会上讲话,怎么样把我国的机器人水平搞上去,怎么让机器人占领更多的市场,2014年10月在大连有一个论坛,主要是研讨未来的发展,2015年10月我们在哈尔滨有一个论坛,进一步论证未来的发展,大家知道机器人现在真的很热,很多方面机器人的研究到底将来如何支撑行业的发展,在这样的行业形势下,机器委就说思考一下怎么样才能支撑机器人的发展,我们今年刚刚通过机器人的委务会,在这个过程中,很多专家和单位的智慧,我们想怎么需求引领,怎么前沿引领,怎么样科学民主指导思想。

大家知道机器人的基础研究定位在什么地方以及未来机器人发展的趋势到底是什么,它的特点是什么,我们归纳出来机器人在发展出来,从工业机器人到智能机器人,我们提出共融机器人概念到底是什么?人和机、环境达到共融,下面会仔细讲一下。

学科的发展,我觉得机器人的发展一方面在结构、感知和控制要有新的理论和方法,同时在一些重点的方面要有突破,就是说我们要掌握未来机器人核心的一些技术,包括柔性的结构、多模态感知以及分布式系统,我觉得机器人的发展要前沿和国家的重大需求二者要并重,我们大家知道机器人的前沿,大家知道,很多文章都是关于软柔体机器人的,我们国家也面临着转型升级,我们人口红利也在消失,我觉得高端制造还是非常重要的。制造强,国家强。制造业机器人在里面扮演很重要的角色。还有我们人口老龄化、康复医疗以及在国防安全方面。

这里主要思考一下机器人的脉络以及主要的特点。我们提到机器人发展,50年代MIT出现机器人,机器人过程中出现几个阶段,工业机器人大家家喻户晓,随着信息技术、传感技术的发展,机器人慢慢有一些智能,那么由于人工智能的发展,所以机器人的智能实际上慢慢会变得比较强大,当然现在目前机器人的水平,它的期望值和人们想像还是有很大差别,比如我们工业机器人目前都在一个固定化结构里面工作,我们讲智能机器人都有简单的传感,我们提到康复机器人都是被动式康复,所以机器人的水平和我们人类的期望值差距还是很大的。可以这样讲,机器人现在能做的事情占的比还是比较小的。不管怎么说,从第一代机器人到今天,机器人在国民发展都发挥了重要作用。

提到工业机器人,它主要在结构化环境下执行,服务机器人基本上都是一些简单的迎宾工作,特种机器人大家知道,主要还是靠遥控操作进行工作,所以工业机器人、服务机器人、特种机器人基本上就是这三大类。它的功能与实用性与人们期望值还有很大的差距。

机器人大家知道将来会带来一场变化,这个包括达沃斯论坛等都提出来有可能会带来一场变化,具体带来什么变化还有赖于具体学科的突破。这个实际上我们提到各个国家对机器人都高度重视,美国有一个国家机器人发展战略,怎么从网络机器人,以及欧盟强调机器人在制造中的应用,他们提出精度比较低一点,我们国家提出,尤其最近提出2025整个迎来非常好的机遇,特别是深圳市委市政府对机器人的研究高度关注,率先成立机器人的联合制作计划,我觉得这样非常好,因为机器人是多学科的融合,对各个学科都说非常有帮助的。

大家知道,我们最早看到的机器人都是从搬运开始,简单的搬运工作慢慢发展到喷涂再到焊接,将来可能做一些其他工作,之前的工作都在做一些简单的、重复的、笨重的、变化比较少的,将来的机器人可能做一些灵巧的、能工巧匠的工作,当然这个有赖于技术的发展。慢慢发展到有一些个体的智能,今年有群体的智能,可以看到机器人的发展过程中,可能以前是零件的简单交互,慢慢发展到人与环境的复杂交互,什么叫复杂交互,后面解释。

机器人永恒的主题,我觉得第一点还是很重要的,高速、高精、重载、高可靠、高安全性。我们应该看到我们机器人有很好的机遇,但是我们确实还是有差距,具体体现在速度等。其二是人机环境共融,除了性能好之外,机器人怎么样与作业环境与和其他机器人之间自然交互,自主适应复杂性任务。大家可以看出来,这是美国行走机器人,怎么样能够在这种环境里面自立行走,这是英国的机器人,怎么样在狭窄的环境里面工作,包括雪地、冰面、爬山。第二,连体机器人怎么在狭窄的空间里面工作,怎么样与环境适应。第二个特点,将来肯定是机器人与机器人之间的多集群的互助互补,举个例子,一个是瑞士的工作结果,还有是《Science》杂志上发的文章,同时群体之间有感知、博弈等特征,第二个更重要的特点就是我认为机器人与人的协同作用,现在机器人还是单个人工作,现在机器人的合作可能有一个刚性的增长,将来怎么样人发挥人的优势,人机合作、人机共融还是非常重要的,这里面需要的结构可能就是它们提供人体的所需运动,还有肢体的放大,另外要精确理解人体的行为意图,就是所思即所达,这里讲的是英国仿生的手怎么系鞋带,一个手系鞋带是可以的,两个手怎么系鞋带,这是一个难题。我们认为,未来的机器人发展方向之一,我们认为就是这三个共融,当然这个概念我这里有一个,像我们认为将来机器人一个方向就是共融机器人,一方面它的结构可能是灵巧的结构,是刚和软的,有可能有无限多的自由度,感知是多模态的,相互理解,个体行为自立以及群体的智能与协作。

我觉得中国机器人未来的发展,我觉得必须基础理论先行,一个行业的发展离开基础的引领,可能你做出来的机器人在国际上很难有竞争力。一个我觉得很重要的以前都是刚体的结构,将来可能有弹性的结构,有软体的结构,它就非常复杂,所以这里面,我也是1986年开始读博士,那时候我们国家863计划都是刚刚执行,基本上都是刚体以后慢慢发展到有柔性的,今年我觉得是刚、柔加软,理论和计算量变得非常突出,刚和柔就非常难,你想想一个厂家连机器人的动力学都不清楚,它怎么可能造出来重载的机器人。所以机器人能够在国际有一席之地,这次会议我看到邀请到很多国际上知名的教授一起交流。第二,像这种刚和软里面有很多问题,包括机理,变刚之后怎么适应和控制。

第二个问题,就是人的信号,怎么相互了解。第三个讲的在多智能体之间的相互协同,大家看到有1000多个自主体它每个自主体有自己的功能,同时整个智能可以利用简单的规则。这是他们一些结果。

刚才提到三个问题,一个可能机器人最主要它的结构可能将来刚和软的结构,第二在传感方面是多模态的,尤其是人体的机电信号和脑电信号,第三怎么使机器人有群体的机器人,怎么样通过简单的规则,个体能自主,群体也能合作,这个是跟计算机研究方向是非常相关的,我们一个研究计划是四大学部交叉的结果,机器人里面交叉的内容还是非常多的。

第二个科学问题,主要是结构方面,结构方面将来的趋势,很多地方的操作可能你加一个软体物质以后,机器人应用打开很多局面。这里面也是国际上的一篇文章,它有1024个个体能够自主,群体之间能协同,感知和信息的传播机理,建立模型以及方法。

还有一个问题,机器人的操作系统,就是有没有这样一个机器人操作系统能够对多态发布系统的信息进行管理,这一块也是很重要的研究方向,所以机器人的研究除了结构、传感,还有一个操作系统,这个应该是未来机器人的核心。未来机器人发展的主要趋势可能是在跟环境、跟人之间的共融,这是我们经过专家论证的发展的方向。我们只是论证了未来机器人的一个侧面,我们对这里面最主要的问题进行了阐述。

那么这里面我们研究计划里面,将来怎么样使刚和软的结构合作者能够适应,刚+柔+软,这里面牵扯到很多,尤其是很重要一个方向,就是这种材料、结构和驱动可能一体化,将来的驱动有可能不是电机,很多方面人还是暂时很难能够预测得非常准。第二个内容,主要是对环境内容的自然感知,这里面主要是多模态的感知,可能很重要的一个意图,如果与人合作的话,怎么样对人的信号进行了解,这是第二个研究内容这里面牵扯到很多信息的实时获取、理解以及怎么样自主学习,达到主动感知和自然交互。第三个,自主行为,我觉得群体智能应该是一个很重要的方向,还有操作系统,通过这些操作系统能够对不同的机器人能够实现操作,实现群体智能,群体分布协作。最后,我觉得很重要一个,代表共融机器人的特点的,要建立系统集成和验证平台,我们的软件特别很重要的是数据库、知识库、规则库。我们企业买了机器人,买了机器人很重要,实际上知识库的积累很重要,还有我们的验证平台,这是我们计划的三个主要研究内容。第一个内容主要是结构方面,刚和软方面,多模态。

前面提到机器人多学科的交叉,这次我也非常荣幸参加机器人的会,前不久我参加自动化的会议,自动化跟计算机,我读书的时候最早的文章都是人工智能先体验出来的,数理、工材等四个学部交叉。

最后结果,我国的机器人的发展能够建立起刚柔耦合的机器人设计理论,整个重大研究计划是5-8年时间,总共8年,机器委是5年,我们希望能够建立起人机共融的基础理论和方法。

我觉得机器人是应用的载体,它最后集成的效果很重要,我觉得一方面在高端制造方面,在怎么样形成多机器人智能加工,在康复机器人方面以及在集群方面能够有相应的集群平台,展示我们这样的成果。我们第一个成果就是我们将来可能会有一些能工巧匠的机器人,我觉得我们古代的灿烂文明都是一些能工巧匠的传承,所以我们古代我们的祖先,实际上他们的能工巧匠干出很多大型的工程,那么将来的机器人随着传感、人工智能的突破,我觉得会有一些能工巧匠的机器人。那么什么叫人工呢?人工就是本体性能要高,整个结构设计要非常好。第二个就是巧匠,就是工业知识与智能,日本和德国对工艺知识看得非常重,对将来的转型升级都会有很大的帮助,怎么样能够把它表述,能够变成一些规则,把它效果能够提高上去,第一我们将来希望在重大研究计划里面能够出现一些能工巧匠的机器人,这里面我觉得还是有可能的。第二个就是要展示一些聪敏体贴的康复机器人,我们现在康复机器人都是被动式的,用的都是刚性结构、指令控制,我觉得聪敏的意思就是能够感知人的意图,对人的意图能够理解,体贴就是能够顺应,现在有可穿戴,很不舒服,感觉穿得不合身。第三个方向就是分工合作的特种机器人,特种机器人就是不同种类的机器人能够完成工作,我们讲的分工合作机器人就是分工,每个机器人能够有自主的控制,同时能够合作,所以这是我们重大研究计划希望在这三类能够在未来取得实际性的进展。

这里介绍一下整个计划的实施方案。我们投资了2个亿的经费,分成三类,一种是培育项目,可能是70-80万,还有重点支持项目,深圳支持力度更加大一点,可能5个亿,将来这两个方面会出现比较好的成果。参加两个计划的申报,我们这个计划可能将来会做一些动态的管理,可能会一些有创意的,想法比较有创新的一些项目通过大赛的形式,可以优先支持、重点支持,真正激发大家对机器人的兴趣,虽然机器人的研究这个创意很重要,那么有了这个创意以后,怎么样把你的创意变成载体,我觉得是很重要的一个方面。

这里面我们整个研究计划可能顶层设计做得比较多一点,经理原创,对一些探索型的项目可能要重点支持,通过一些竞赛,我们提到两个计划设立一个机器人大赛,争取在国内外产生影响,能够有展示的平台,大赛的地点就放在深圳,可能跟会连在一起。我觉得很重要还是学科交叉,我到德国去看它们的交叉做得非常好,他们团队里有做机器人的厂家,还有机构的,团队6、7个人都是不同的背景,我们讲学科交叉都是不同背景的人在一起围绕着共同的目标,背景不一样能够起到非常好的效果,我觉得这个计划最好还是鼓励青年学者,另外很重要的就是深圳的计划进行互助互补,深圳的这个计划名字取得非常好,深圳机器人基础研究中心,离开了基础就没有了动力,我们导师说,制造科学才是先进制造的源泉,一直教导我们怎么把科学作为引领,最后技术突破,形成很好的补充,所以我们跟深圳的计划进行互补、衔接,共同把我国的机器人研究推上一个台阶。也希望主办高层的论坛,我们将来也会研究一些这样的方式,未来机器人国际高层论坛,还有刊物展示我们的成果,还有另外一个方面是通过竞赛,能够把整个研究氛围能够把它提升。

这是我们项目的情况。

最后简单总结和展望。现在来讲,工业机器人是未来发展方向之一,机器人门类很多,它的发展跟学科的交叉非常突出,所以机器人的研究问题非常多,我们展示的应该是整个机器人里面其中一个部分,不管怎么样,将来机器人要能够取得突破的话,一定要和人、环境、机器人之间达到共融,为了实现共融,在结构、感知等方面要做出大的突破,这样才能有真正的发展后备力量。我们整个研究计划的目标还是建立起人机共融的基础理论和实际方法。

这里面展示一下我今年刚参加瑞典的斯哥哥尔摩的大会,我们看到MIT的刚和软的3D,可以看出这些小的方面体现很大难点的解决,还有韩国的首尔国立大学副,这些概念都非常好,你看有软的,我们通过竞赛的方式把这些想象释放出来。

最后可能讲一讲,我觉得将来机器人发展,大家知道机器人这个词最早出现是一个科幻小说家写出来的,所以机器人将来的发展应该来讲对想象的空间还是大的,探索的空间也非常大,应用的空间也非常大,将来我希望在机器委的支持下,能够激发学者广泛的兴趣,能够在各自的领域有想象的空间,这是展示未来太空里面机器人和宇航员的合作,所以机器人的研究方向它想像空间非常大,它探索空间也非常大,它应用空间也非常大,所以我们这里提到的应该是整个机器人里的冰山一角,真正有哪些问题需要我们研究,我想再通过交流和实施不断发现问题,最后让机器人的水平能够上一个台阶,能够出一些丰硕成果,我想应该是指日可待,尤其是深圳这样的城市,机器人的研究是非常有前景的。我的演讲到此为止。

主持人:谢谢丁汉先生的了解,我们都理解了什么机器人,机器人跟环境跟人的共融。下面观众提了一个问题,我想用一个案例的方式提出来,我们知道香港都是推山建岛建起来了,前面是钢筋铺的地面,尤其机器人需要定位,钢筋对机器人有很大影响,最后把钢筋变成玻璃钢,为了机器人适应环境,成本是非常高的,我们现在用共融的方式,如何通过做一个更好的机器人,来适应一个通常的环境,能不能把共融机器人的成本如何降低能不能讲解一下。

丁汉:这个问题提得非常好。实际上也是一个阶段,改变环境让机器人能够适应,这种成本以及很多方面带来一些变化还是不太方便,我们讲功能机器人,我们这里讲的不是改变环境,而是增加机器人感知的功能和它熟悉的能力,最后能够对这个环境适应变化,经历几个阶段,有被动的,有主动的,我认为自主的、主动的是更加关键的研究方向。

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