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| 本文作者： camel | 2018-05-03 17:02 |
“我們這個(gè)重大研究計(jì)劃能夠在整個(gè)機(jī)器人發(fā)展歷程中留下什么樣的痕跡呢？”
——華中科技大學(xué)丁漢院士
2018 年 4 月 26-27 日，首屆國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃「共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究」學(xué)術(shù)交流會(huì)在中國(guó)北方車輛研究所舉行，有 200 多名國(guó)內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域的頂級(jí)專家與會(huì)。
雷鋒網(wǎng)注：中國(guó)北方車輛研究所位于北京豐臺(tái)區(qū)槐樹嶺社區(qū)
會(huì)議開幕式中，丁漢院士表示，共融機(jī)器人將是未來機(jī)器人發(fā)展中重要代表方向之一。所謂「共融機(jī)器人」（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robots, Tri-Co Robots）是指能與作業(yè)環(huán)境、人和其它機(jī)器人自然交互、自主適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境并協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人。
雷鋒網(wǎng)了解到，在 2016 年 7 月，經(jīng)過百名國(guó)內(nèi)外學(xué)者近兩年的討論、論證、匯報(bào)和咨詢后，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)「共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究」的重大研究計(jì)劃獲得批準(zhǔn)。該計(jì)劃擬投入直接經(jīng)費(fèi) 2 億元，歷時(shí) 8 年（2017 年 1 月～2024 年 12 月），瞄準(zhǔn)國(guó)際機(jī)器人研究前沿，圍繞人-機(jī)-環(huán)境共融的機(jī)器人基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法，希望在剛-柔-軟耦合柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)、人-機(jī)-環(huán)境多模態(tài)感知與自然交互、機(jī)器人群體智能與操作系統(tǒng)架構(gòu)等方面取得創(chuàng)新性成果。
自重大項(xiàng)目啟動(dòng)以來，共有兩批 20 項(xiàng)重點(diǎn)支持項(xiàng)目（2016 年 8 項(xiàng)，2017 年 12 項(xiàng)）和 53 項(xiàng)培育項(xiàng)目（2016 年 22 項(xiàng)；2017 年 31 項(xiàng)），投入經(jīng)費(fèi) 3395 萬元。
本次學(xué)術(shù)交流會(huì)議作為該項(xiàng)目的首屆會(huì)議，主要是針對(duì) 2016 年度批準(zhǔn)項(xiàng)目的實(shí)施情況和進(jìn)展進(jìn)行檢查與交流，與會(huì)專家圍繞項(xiàng)目進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)，并指出問題以及提出改進(jìn)措施，同時(shí)也啟動(dòng)了 2018 年「世界機(jī)器人大賽——共融機(jī)器人挑戰(zhàn)賽」。
這里對(duì)八項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目作以簡(jiǎn)單介紹：
該項(xiàng)目是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙杰教授承擔(dān)，主要為針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域?qū)f(xié)作型雙臂機(jī)器人的重大需求，圍繞相應(yīng)的基礎(chǔ)科學(xué)問題而開展的一系列研究。
趙杰教授在「研究進(jìn)展和成果」環(huán)節(jié)中，介紹了其在平臺(tái)研制和理論方面的研究工作。平臺(tái)研制方面包括驅(qū)控一體化關(guān)節(jié)、7 自由度協(xié)作型機(jī)械臂、協(xié)作性雙機(jī)械臂、軟件系統(tǒng)、仿真平臺(tái)等工作；理論方面，趙杰教授研究了運(yùn)動(dòng)學(xué)自建模、關(guān)節(jié)剛度在線辨識(shí)、無傳感器隨動(dòng)控制方法、基于肌電信號(hào)反饋的操作剛度映射、人機(jī)技能傳遞等創(chuàng)新性工作。目前針對(duì)這些研究工作，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文 7 篇。
該項(xiàng)目由上海交通大學(xué)的朱利民教授承擔(dān)，項(xiàng)目針對(duì)長(zhǎng)厚比大于 1000 的「極端」弱剛性大型蒙皮構(gòu)件的壁厚加工精度保障難題，旨在將混聯(lián)機(jī)器人裝備技術(shù)和數(shù)字化加工技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建雙機(jī)器人「切削加工與誤差補(bǔ)償+隨動(dòng)支撐與壁厚測(cè)量」協(xié)同作業(yè)的鏡像加工新原理與新裝備。
項(xiàng)目圍繞機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制三方面開展研究，具體內(nèi)容包括：（1）高軸向剛度緊湊型混聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與雙機(jī)器人同步控制；（2）工件形狀自適應(yīng)的隨動(dòng)支撐頭設(shè)計(jì)與變剛度控制；（3）加工壁厚雙機(jī)器人協(xié)同實(shí)時(shí)跟隨測(cè)量與預(yù)測(cè)補(bǔ)償；（4）機(jī)器人鏡像加工系統(tǒng)構(gòu)建與試驗(yàn)驗(yàn)證。預(yù)期將建立加工機(jī)器人-薄壁零件-支撐機(jī)器人交互過程的主動(dòng)順應(yīng)與協(xié)調(diào)控制理論，通過支撐頭的變剛度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備-零件交互過程的主動(dòng)順應(yīng)，通過雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則變形零件加工壁厚的閉環(huán)控制。該項(xiàng)目目前共發(fā)表 SCI 論文 11 篇，國(guó)際會(huì)議 ICIRA 2017 最佳論文 1 篇，申請(qǐng)專利 4 項(xiàng)。
該項(xiàng)目由華中科技大學(xué)的熊蔡華教授承擔(dān)，項(xiàng)目主要解決當(dāng)前機(jī)器人外骨骼無法在自然環(huán)境中按照人的運(yùn)動(dòng)意圖和節(jié)律協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致穿戴者代謝能消耗巨大、倍感疲勞等挑戰(zhàn)性難題。
熊蔡華教授在該項(xiàng)目的研究中，主要聚焦于「下肢自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律解析」、「運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別與自然交互」和「下肢自然運(yùn)動(dòng)的機(jī)械復(fù)現(xiàn)」三個(gè)科學(xué)問題，研究?jī)?nèi)容包括：下肢在內(nèi)部肌力作用下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的在線感知與運(yùn)動(dòng)意圖的實(shí)時(shí)識(shí)別，下肢運(yùn)動(dòng)降維與機(jī)械復(fù)現(xiàn)原理，人機(jī)自然交互與機(jī)器人外骨骼的協(xié)調(diào)控制，以及理論與方法的驗(yàn)證平臺(tái)等。
目前熊蔡華教授的研究成果包括：
揭示了下肢特征運(yùn)動(dòng)的構(gòu)成規(guī)律，為下肢運(yùn)動(dòng)智能的機(jī)械化做了初步探索；
建立了被動(dòng)外骨骼設(shè)計(jì)理論與方法，為減少行走中代謝能消耗找到了新的解決辦法；
創(chuàng)立了動(dòng)力背包設(shè)計(jì)的新原理，為以極少的代謝能消耗負(fù)重行走提供了科學(xué)原理。
該項(xiàng)目目前發(fā)表 SCI 論文 8 篇，EI 論文 5 篇；獲授權(quán)發(fā)明專利 2 項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利 12 項(xiàng)；或第 45 屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明博覽會(huì)金獎(jiǎng)（2017 年）。
該項(xiàng)目由國(guó)防科技大學(xué)易曉東教授所承擔(dān)，項(xiàng)目主要研究群體智能機(jī)器人操作系統(tǒng)的機(jī)理、架構(gòu)和技術(shù)，解決自主行為與群體智能涌現(xiàn)機(jī)理和多態(tài)體系與分布架構(gòu)兩大科學(xué)問題。
群體智能是人工智能領(lǐng)域的前沿發(fā)展方向，而實(shí)現(xiàn)群體智能的載體則是軟件。易曉東教授在報(bào)告中首先介紹了他們基于「角色」的控制抽象以及基于「語義態(tài)勢(shì)圖」的數(shù)據(jù)抽象，面對(duì)群體智能中三個(gè)挑戰(zhàn)所搭建的體系架構(gòu)。三個(gè)挑戰(zhàn)分別為：
如何設(shè)計(jì)即管理資源又管理行為的操作系統(tǒng)架構(gòu)？
如何設(shè)計(jì)管理群體無人系統(tǒng)的操作系統(tǒng)架構(gòu)？
如何設(shè)計(jì)支撐「適應(yīng)環(huán)境人工智能」的操作系統(tǒng)架構(gòu)？
針對(duì)這三個(gè)挑戰(zhàn)，易曉東教授提出了縱向看的層次式架構(gòu)、橫向看的分布式架構(gòu)和深向看的平行學(xué)習(xí)架構(gòu)。
隨后易曉東教授還介紹了他們基于 OODA 的群體智能行為管理、群體感知數(shù)據(jù)管理、群體協(xié)同任務(wù)管理等 6 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)還介紹了群體智能機(jī)器人操作系統(tǒng)原型、大規(guī)模群體動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境原型、集成開發(fā)工具集原型、機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)自動(dòng)化建模工具等系統(tǒng)研發(fā)工作，并演示了其在無人機(jī)群體協(xié)作等方面的工作。易曉東教授同時(shí)還開源了 10 多項(xiàng)工作的源代碼，發(fā)表論文 15 篇。
該項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所喬紅研究員承擔(dān)，項(xiàng)目針對(duì)無人機(jī)與有人機(jī)共融博弈中面對(duì)瞬息萬變的敵對(duì)機(jī)群須實(shí)現(xiàn)快速、智能博弈的問題進(jìn)行展開。
本項(xiàng)目通過提升無人機(jī)認(rèn)知智能和人-機(jī)認(rèn)知共融（包括特征融合與快速分類、深度學(xué)習(xí)、類腦認(rèn)知模型深入研究和融合），提升無人機(jī)決策智能和人-機(jī)決策共融（包括深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)、類腦決策模型深入研究和融合），保障系統(tǒng)的智能性、快速性與可靠性。研究?jī)?nèi)容具有前沿性，三種方法層層遞進(jìn)，保證了可靠性，同時(shí)，通過搭建大型的軟硬件結(jié)合的模擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證。
該項(xiàng)目由東南大學(xué)宋愛國(guó)教授所承擔(dān)，項(xiàng)目主要面向「生機(jī)電一體化靈巧操作假肢」開展共融機(jī)器人共性的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，這包括：（1）基于生物信號(hào)的動(dòng)作意圖理解；（2）力觸覺等多模態(tài)感知信息的獲?。唬?）力觸覺多模態(tài)感知信息的反饋；（4）多感知增強(qiáng)神經(jīng)系統(tǒng)控制能力的機(jī)理；（5）基于生物信號(hào)的靈巧操作假肢協(xié)調(diào)控制方法。
該項(xiàng)目 2017 年按計(jì)劃完成了調(diào)研、資料檢索和分析、制定研究方案，探索了基于柔性陣列式肌電電極獲取高密度、高冗余 EMG 信號(hào)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，基于高密度 EMG 信號(hào)發(fā)展精細(xì)動(dòng)作識(shí)別的特征提取算法，以及基于深度學(xué)習(xí)構(gòu)造腦電與離散運(yùn)動(dòng)圖模式之間的映射模型。具體研究進(jìn)展如下圖所示：
目前該項(xiàng)目共發(fā)表 10 篇論文，申請(qǐng)發(fā)明專利 7 項(xiàng)。
該項(xiàng)目由北京大學(xué)王啟寧承擔(dān)，該項(xiàng)目研究重點(diǎn)包括智能肢體的設(shè)計(jì)與控制、基于多傳感器融合的人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別兩個(gè)方面。
作為共融機(jī)器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的典型代表，智能下肢假肢與人和環(huán)境的有效融合是亟待解決的關(guān)鍵問題。這里面臨著以下幾個(gè)問題：多關(guān)節(jié)的智能動(dòng)力下肢假肢結(jié)構(gòu)仿生與控制、下肢運(yùn)動(dòng)意圖感知與識(shí)別以及復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下人-智能假肢感知運(yùn)動(dòng)融合。
本項(xiàng)目首先突破傳統(tǒng)的生物信號(hào)來源，創(chuàng)新性的探索電容傳感在人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別中的機(jī)理和假肢控制中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)柔性可延展的電容傳感測(cè)量前端，使殘疾人的皮膚不接觸金屬電極，克服現(xiàn)有生物信號(hào)測(cè)量方法的局限，并保證穩(wěn)定測(cè)量的同時(shí)不干涉殘疾人運(yùn)動(dòng)。
其次，研制一款具有柔性可控踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的智能動(dòng)力下肢假肢，研究在不同的地形下依靠運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別的決策實(shí)現(xiàn)對(duì)智能假肢的控制，以實(shí)現(xiàn)殘疾人穩(wěn)定流暢的行走；實(shí)現(xiàn)當(dāng)外部環(huán)境和條件變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別算法和假肢控制算法的自適應(yīng)。
另外，他們還開展樣本量不少于 20 人的殘疾人穿戴實(shí)驗(yàn)，研究膝-踝智能假肢在多種地形和不同行走速度下行走對(duì)殘疾人運(yùn)動(dòng)能耗、步態(tài)對(duì)稱性、假肢功耗等關(guān)鍵性能的影響。
最后，王啟寧教授還介紹了基于外周神經(jīng)接口的觸覺補(bǔ)償機(jī)制及其對(duì)下肢殘疾人步態(tài)性能的影響。
目前該項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)表論文 18 篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利 2 項(xiàng)。
該項(xiàng)目由西安交通大學(xué)陳霸東教授承擔(dān)，該項(xiàng)目針對(duì)人機(jī)共融的靈巧柔順下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中「運(yùn)動(dòng)意圖實(shí)時(shí)準(zhǔn)確判讀」和「人機(jī)協(xié)同控制」等核心挑戰(zhàn)性問題開展研究工作。
康復(fù)機(jī)器人的核心問題是研究人機(jī)共融的靈巧柔順下肢康復(fù)機(jī)器人，包括如何利用多模態(tài)神經(jīng)信號(hào)解碼人體運(yùn)動(dòng)意圖以及如何實(shí)現(xiàn)患者與康復(fù)機(jī)器人高度融合與協(xié)同控制。這些關(guān)鍵問題的解決將能夠有效提升康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)人-機(jī)融合程度，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。項(xiàng)目擬基于信息論學(xué)習(xí)、核自適應(yīng)濾波以及深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)建模方法，構(gòu)建多模態(tài)神經(jīng)信號(hào)與人體運(yùn)動(dòng)意圖之間內(nèi)在時(shí)空動(dòng)態(tài)映射關(guān)系，讓機(jī)器人主動(dòng)感知人的運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)更加自然的人機(jī)交互，最終形成患者與康復(fù)機(jī)器人協(xié)同交互的智能康復(fù)系統(tǒng)，并研發(fā)一套面向臨床應(yīng)用的靈巧柔順坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人原型系統(tǒng)。
目前該項(xiàng)目的主要研究進(jìn)展如下圖所示：
會(huì)議當(dāng)天除了 8 項(xiàng)重點(diǎn)支持項(xiàng)目外，還有 22 項(xiàng)培育項(xiàng)目的匯報(bào)和點(diǎn)評(píng)。列表如下，內(nèi)容詳見 2016 年度資助項(xiàng)目。
除了學(xué)術(shù)研討會(huì)外，26 日下午，為期一天半的第一階段的 2018 年「世界機(jī)器人大賽——共融機(jī)器人挑戰(zhàn)賽」也正是啟動(dòng)。來自全國(guó)各地的 78 支參賽隊(duì)參與共融機(jī)器人仿真組、機(jī)器人創(chuàng)新路演組以及機(jī)器人青年創(chuàng)意組三個(gè)組別的比賽。除青年創(chuàng)意組的比賽采取幻燈片、視頻等技術(shù)開展問辯匯報(bào)形式外，另外兩組的比賽均采取實(shí)物實(shí)地角逐方式進(jìn)行。
仿真組主要考核共融機(jī)器人的多模感知、自主避障、規(guī)劃決策、雙臂協(xié)同、靈巧作業(yè)、牽引載荷等綜合技術(shù)能力，此次共有 28 支隊(duì)伍參與角逐。其中
一等獎(jiǎng)：華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院隊(duì)
二等獎(jiǎng)：NPU5V5 隊(duì)、西安交通大學(xué) SKLIR 隊(duì)
三等獎(jiǎng)：RobotCNC 隊(duì)、蘿卜火箭隊(duì)、簡(jiǎn)鋒戰(zhàn)隊(duì)
路演組是面向智能制造、醫(yī)療康復(fù)、國(guó)防安全等領(lǐng)域?qū)踩跈C(jī)器人的需求，重點(diǎn)聚焦對(duì)剛-柔-軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與可控性、人-機(jī)-環(huán)境多模態(tài)感知與自然交互、機(jī)器人群體智能與操作系統(tǒng)架構(gòu)等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，此次共 34 支隊(duì)伍參賽。其中
一等獎(jiǎng)：上海加大智能步行機(jī)器人隊(duì)
二等獎(jiǎng)：南大圖客隊(duì)、cothink robotics 隊(duì)
三等獎(jiǎng)：VicRoB 全自由度移動(dòng)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué) DDM 生物組團(tuán)隊(duì)、climbing robot-SWPU 隊(duì)
青年創(chuàng)意組的比賽，旨在促進(jìn) 1983 年 1 月 1 日之后出生的青年學(xué)者的積極，以瞄準(zhǔn)國(guó)際機(jī)器人研究前沿，重點(diǎn)圍繞人-機(jī)-環(huán)境共融的機(jī)器人基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法，通過機(jī)械、信息、力學(xué)和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉，從創(chuàng)意新穎性、主題契合度、方案可行性、內(nèi)容完整性四個(gè)維度，提出原理原創(chuàng)、技術(shù)前沿的創(chuàng)意比賽，此次共 16 支隊(duì)伍參賽。其中
一等獎(jiǎng)：燕山大學(xué)軟體機(jī)器人科研團(tuán)隊(duì)
二等獎(jiǎng)：上海交大智能步行機(jī)器人團(tuán)隊(duì)
三等獎(jiǎng)：翱翔四海隊(duì)
據(jù)雷鋒網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)了解，2018 年「世界機(jī)器人大賽——共融機(jī)器人挑戰(zhàn)賽」第二階段的比賽將于今年 8 月舉行。這個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)或許將代表中國(guó)機(jī)器人研究的未來。
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