2021年3月26-27日中國(guó)人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域開發(fā)者的年度盛會(huì)——中國(guó)人工智能與機(jī)器人開發(fā)者大會(huì)(CAIRDC)在上海舉行，大會(huì)主題為“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，科技引領(lǐng)未來”，1300多名國(guó)內(nèi)外專家、政企代表匯集。大會(huì)由中共上海市科學(xué)技術(shù)工作委員會(huì)、上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)和上海市松江區(qū)人民政府指導(dǎo)，上海市松江區(qū)洞涇鎮(zhèn)人民政府、睿慕課和G60科創(chuàng)走廊AI產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合主辦。
浙江大學(xué)熊蓉教授
受邀出席并做主題報(bào)告
浙江大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家科技部智能機(jī)器人專家組專家，浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任，迦智科技創(chuàng)始人熊蓉女士受邀參會(huì)，并做《智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》的主題演講。
浙江大學(xué)熊蓉教授團(tuán)隊(duì)從2000年開始從事智能移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)研究工作，主要研究方向?yàn)橹悄芨兄瓦\(yùn)動(dòng)控制。會(huì)議期間，熊蓉教授向各位與會(huì)嘉賓分享了團(tuán)隊(duì)近幾年最新技術(shù)研究和應(yīng)用成果，并與各與會(huì)專家和代表就中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和未來前景，進(jìn)行了誠(chéng)摯交流和圓桌討論。
熊蓉教授報(bào)告全文內(nèi)容精選
移動(dòng)是機(jī)器人的重要基礎(chǔ)功能，可以幫助我們搬運(yùn)重物，也能夠到達(dá)人類難以達(dá)到或者危險(xiǎn)的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)、搜索、救援等系列工作;移動(dòng)和操作結(jié)合，可以有效擴(kuò)大作業(yè)臂的作業(yè)范圍，從而實(shí)現(xiàn)大型部件的加工、在車間的移動(dòng)作業(yè)等。近年來，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從規(guī)?；瘧?yīng)用較多的生產(chǎn)制造、電商物流、家庭清潔、港口碼頭、變電站巡檢、安防特種等領(lǐng)域，到農(nóng)業(yè)、林業(yè)、建筑、科考探測(cè)、地質(zhì)救援、消防等領(lǐng)域。
在很多領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人并不像我們所期待的那樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的原因，從技術(shù)角度來說，我們發(fā)現(xiàn)這些應(yīng)用環(huán)境各式各樣，地形地貌各不同，有空中、水下、不平整地面、存在各種動(dòng)態(tài)變化等，如何讓機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期魯棒的自主移動(dòng)，是技術(shù)層面面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)需要解決兩個(gè)核心的難點(diǎn)問題，一個(gè)是移動(dòng)方式，這決定了機(jī)器人是否能適應(yīng)在這樣的復(fù)雜環(huán)境下靈巧運(yùn)動(dòng)的問題;另一個(gè)是導(dǎo)航方式，主要回答在哪里、到哪里和怎么去的關(guān)鍵問題，這決定了機(jī)器人的智能性，是否能適應(yīng)各種環(huán)境以及環(huán)境里的動(dòng)態(tài)變化，擺脫人的遙控等實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)的主要問題。
從移動(dòng)的方式來講，陸地上有多種的移動(dòng)方式，輪式、履帶式、軀干式等，其中腿足式可以說是地面運(yùn)動(dòng)方式里最具靈活性和地形適應(yīng)性的移動(dòng)方式，它不僅可以適應(yīng)不平整的地面，也可以適應(yīng)不連續(xù)的地形，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題，需要解決難建模、易失穩(wěn)、能耗高等諸多挑戰(zhàn)性難題。
浙大自2006年關(guān)注仿人機(jī)器人的挑戰(zhàn)，并開展一系列這方面的研究，2008-2011年在國(guó)家863重點(diǎn)課題的支持下，開發(fā)了兩個(gè)大型仿人機(jī)器人，身高165，重56公斤，全身有30個(gè)自由度，可以跟人或雙機(jī)器人進(jìn)行乒乓球?qū)Υ?，跟人最大回合?shù)是有145個(gè)回合，雙機(jī)器人也有140多個(gè)回合，可以去適應(yīng)不同的球速，包括對(duì)快速旋轉(zhuǎn)飛行乒乓球的準(zhǔn)確識(shí)別、定位和軌跡的預(yù)測(cè)，以及實(shí)時(shí)在線的全身協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、手臂快速運(yùn)動(dòng)下的平衡控制等，該成果得到了美聯(lián)社、路透社、國(guó)家地理頻道等專題報(bào)道，美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)把該項(xiàng)成果做長(zhǎng)篇幅介紹并寫進(jìn)給奧巴馬政府的工作報(bào)告內(nèi)。但當(dāng)時(shí)機(jī)器人的行走速度只有1.2公里/小時(shí)，難以適應(yīng)打球的快速度。
從2012年開始，我們主要圍繞著如何提高機(jī)器人運(yùn)行速度，以及如何從室內(nèi)走向室外，去適應(yīng)室外不平整的地面來開展研究。我們通過在關(guān)節(jié)柔順控制、全身協(xié)調(diào)控制、未知外力擾動(dòng)下的柔順平衡控制等技術(shù)突破，成功研制在室外可以適應(yīng)草地鋼管等不平整地面、以及適應(yīng)未知外力推動(dòng)的雙足仿人機(jī)器人，行走速度最快可以達(dá)到4.5公里/小時(shí)。利用相關(guān)技術(shù)，“絕影”機(jī)器人由我們團(tuán)隊(duì)畢業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了創(chuàng)業(yè)，打造了四足機(jī)器人“絕影”。這個(gè)機(jī)器人具有多種步態(tài)，并能完成跳躍、上下30°的斜坡、適應(yīng)不平整地面、適應(yīng)各種外力的擾動(dòng)，目前在變電站巡檢等方面進(jìn)行推廣應(yīng)用。
除了這樣大型的腿足式機(jī)器人，我們團(tuán)隊(duì)新引進(jìn)的研究員陸博士，他的研究方向是在人體內(nèi)進(jìn)行送藥的機(jī)器人，把微型、軟體和多足結(jié)合起來。應(yīng)用腿足對(duì)不平整應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性，來適應(yīng)人體器官內(nèi)的不平整性。利用微納加工的技術(shù)，來給機(jī)器人安裝了數(shù)以百計(jì)的、非常柔軟纖細(xì)的腿，加上磁性的物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)在磁場(chǎng)控制下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多種步態(tài)，包括波形拍打式步態(tài)與搖擺切換式步態(tài)。它可以靈活適應(yīng)人體內(nèi)的不平整及液態(tài)等復(fù)雜環(huán)境，攜帶藥物精確送達(dá)病變處，該微型多足軟體機(jī)器人自重只有4克，但能夠搬運(yùn)42克的藥丸，搬運(yùn)重量是自身重量的幾十倍，搬運(yùn)的速度和重量都達(dá)到了一個(gè)很高的指標(biāo)，并在模擬的人體胃環(huán)境里做了實(shí)驗(yàn)，獲得了2018年中國(guó)十大學(xué)術(shù)進(jìn)展獎(jiǎng)。
從導(dǎo)航方式來講，它決定了機(jī)器人在環(huán)境中的自主能力，我們需要解決三個(gè)方面的問題，一是要構(gòu)建環(huán)境的地圖，然后根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的感知，在地圖上確定機(jī)器人的位置，也就是解決在哪里這個(gè)問題，然后根據(jù)要到哪里來實(shí)現(xiàn)，通過導(dǎo)航規(guī)劃來解決怎么去這個(gè)問題。由于這幾個(gè)問題的復(fù)雜性，特別是地圖構(gòu)建和定位問題的復(fù)雜性，所以業(yè)內(nèi)之前的移動(dòng)機(jī)器人雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)，實(shí)際上是在技術(shù)方面做了簡(jiǎn)化，比如RGV是用了軌道導(dǎo)引，AGV是用了磁釘、磁條、二維碼這樣的標(biāo)識(shí)去減少定位難題，通過傳感器對(duì)這些標(biāo)識(shí)的檢測(cè)，來完成定位;另外我們的家庭清潔作業(yè)機(jī)器人也是自主導(dǎo)航，但降低了對(duì)效率和定位精度的要求。但現(xiàn)在，很多像工業(yè)領(lǐng)域、港口碼頭等領(lǐng)域，對(duì)如何擺脫這些人工標(biāo)識(shí)物、實(shí)現(xiàn)高可靠高精度的自然導(dǎo)航提出了重要需求。目前我們已經(jīng)通過一些技術(shù)突破推動(dòng)了在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用。
地圖構(gòu)建問題在95年就被定義了，由于定位和地圖構(gòu)建形成了一個(gè)雞與蛋的問題，被稱為一個(gè)難的問題。2001年研究人員用擴(kuò)展卡曼濾波，在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確的情況下，可以進(jìn)行一致性求解。2007年提出的粒子濾波方法，使得我們能夠?qū)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)做多種假設(shè)，來容忍可能的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤。2006至2011年，研究人員提出了圖優(yōu)化方法，通過構(gòu)建圖模型、建立節(jié)點(diǎn)之間的位置約束和觀測(cè)約束，通過形成約束最大一致性來求解問題;并通過形成圖優(yōu)化問題的求解工具，來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模最優(yōu)問題的快速求解。在這個(gè)框架下，我們也做了一系列工作，特別是如何正確建立節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。我們做的主要工作包括，怎么對(duì)三維的點(diǎn)云進(jìn)行快速匹配，怎么在大范圍的環(huán)境建立對(duì)點(diǎn)云的描述，能夠快速檢索到我們又回到了這個(gè)位置，從而實(shí)現(xiàn)正確的位置識(shí)別。同時(shí)近幾年我們還研究了面向像腿足式機(jī)器人，它要用到的不是激光地圖，也不是視覺特征地圖，而是稠密的高度地圖，這樣的地圖構(gòu)建會(huì)涉及大量的計(jì)算，而且我們現(xiàn)在一致性地圖的構(gòu)建主要面向的是稀疏特征的地圖一致性構(gòu)建，那我們要怎樣去解決這個(gè)問題，來實(shí)現(xiàn)大范圍一致的稠密高層地圖的構(gòu)建。
還有一個(gè)工作，在我們建立的大范圍地圖內(nèi)，還要能夠滿足高精度定位的要求，大范圍、高精度伴隨的數(shù)據(jù)量非常大，在工業(yè)、航空航天等應(yīng)用中，機(jī)器人能夠帶的計(jì)算設(shè)備往往是有限的，特別是像航空航天方面，就是486的水平，那么這樣大的數(shù)據(jù)量對(duì)存儲(chǔ)和計(jì)算都提出了很高要求，我們?cè)谶@里做的就是怎么去對(duì)地圖做精準(zhǔn)的壓縮，做到了可以壓縮30倍，同時(shí)還能達(dá)到同樣的定位精度。在地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)上，第二個(gè)關(guān)鍵問題就是定位。定位也是有多種的技術(shù)途徑，在室外像無人駕駛等很多在用的是GPS，但是在室內(nèi)包括在園區(qū)、綠化建筑物比較密集的地方，GPS的信號(hào)是非常不穩(wěn)定的，室內(nèi)根本是沒法使用的，所以在室內(nèi)應(yīng)用中，一般用的是磁釘、磁條、二維碼標(biāo)識(shí)的方法。對(duì)于自然導(dǎo)航來講，我們要去解決的就是當(dāng)前環(huán)境感知發(fā)生變化時(shí)，怎么去找到環(huán)境和地圖之間的正確匹配。特別是如果是用視覺的話，會(huì)面臨季節(jié)性變化，氣候變化等，雪前雪后的圖像是完全不一樣的。
我們近幾年的工作就主要圍繞著怎么去適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，特別是這種長(zhǎng)周期的、季節(jié)性的、氣候性的變化，來實(shí)現(xiàn)在環(huán)境中的長(zhǎng)期魯棒精確定位。我們提出了新的地圖表示方式，當(dāng)環(huán)境變化的時(shí)候，解決把新的環(huán)境特征如何加入到地圖里，使得它下次能夠被使用來進(jìn)行定位，從而避免光照、氣候、季節(jié)變化帶來的紋理上的影響;同時(shí)我們解決了異構(gòu)傳感器信息匹配問題，可以在激光地圖里進(jìn)行視覺定位，能適應(yīng)春天構(gòu)建的地圖，夏天、秋天、冬天，特別是冬天雪后圖像發(fā)生極大變化，也能正確定位;也解決了純視覺定位，即在視覺特征地圖中進(jìn)行視覺定位，實(shí)現(xiàn)了在大雪前后存在大概90%的錯(cuò)誤視覺特征匹配的情況下，機(jī)器人也能魯棒估計(jì)定位的結(jié)果。
在導(dǎo)航規(guī)劃方面，已經(jīng)有了豐富的研究成果，形成了經(jīng)典的導(dǎo)航規(guī)劃方法，在工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了很大作用。但是傳統(tǒng)的方法，在環(huán)境適應(yīng)性方面、人機(jī)共融方面，都有很多的局限性，同時(shí)強(qiáng)依賴于前面所講到的定位，如果定位準(zhǔn)確性不高的話，也將直接影響到導(dǎo)航規(guī)劃的結(jié)果。近幾年我們從如何去模擬人的角度上來進(jìn)行導(dǎo)航規(guī)劃及行為決策上的研究。一個(gè)工作是能否學(xué)習(xí)人的行為，人在駕駛車時(shí)依靠手機(jī)APP的粗定位以及告訴你是前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的粗規(guī)劃，就能夠根據(jù)眼前的場(chǎng)景，來實(shí)現(xiàn)安全的駕駛。我們利用行車記錄儀的數(shù)據(jù)，利用他的行車軌跡，對(duì)視覺圖像進(jìn)行自動(dòng)的標(biāo)注，然后利用所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)了同樣的效果，在我們的校園環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，即使是到一個(gè)新的環(huán)境里，機(jī)器人靠這樣的粗定位和粗規(guī)劃，也能夠?qū)崿F(xiàn)安全的駕駛，并且能夠適應(yīng)環(huán)境中動(dòng)態(tài)移動(dòng)的障礙物。同時(shí)我們也在無人駕駛加速、減速、變道等行為決策，以及如何學(xué)習(xí)人的社交性規(guī)則進(jìn)行導(dǎo)航規(guī)劃方面，做了一些工作。
目前我們一些技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證，包括我們2017年和京東聯(lián)合發(fā)布的618校園送貨機(jī)器人，我們是唯一一臺(tái)不依賴于GPS定位，在校園里可長(zhǎng)周期自主移動(dòng)的機(jī)器人，也用到了奇瑞的園區(qū)自動(dòng)停車方面，園區(qū)內(nèi)GPS信號(hào)非常不穩(wěn)定，通過我們的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了平滑的準(zhǔn)確定位，也實(shí)現(xiàn)了從室外到地下車庫(kù)的自動(dòng)駕駛，同時(shí)在雙足、四足機(jī)器人上均有應(yīng)用。
我們也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，孵化了迦智科技，提供面向智能制造行業(yè)自然導(dǎo)航搬運(yùn)機(jī)器人，依靠自身的感知實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，可以有效適應(yīng)像半導(dǎo)體、電子制造工廠的柔性制造需求，應(yīng)用在中興通訊、中車、天馬等3C、半導(dǎo)體企業(yè)的工廠里，最近在兩會(huì)期間的CCTV-2報(bào)道里也出現(xiàn)了我們機(jī)器人的身影。
在園區(qū)級(jí)中低速重載無人駕駛的應(yīng)用方面，我們的定位精度和對(duì)精度都達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)室外的通用，不依賴于GPS，在園區(qū)環(huán)境里實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行，目前已經(jīng)在幾個(gè)單位運(yùn)行了1年多，經(jīng)歷了雨雪等各種氣候以及高磁環(huán)境的考驗(yàn)。
目前，我們也在做一些新的研究，一個(gè)是異構(gòu)的多機(jī)器人協(xié)同，結(jié)合5G實(shí)現(xiàn)的大帶寬通信，我們可以有更加豐富的信息交互，如何融合5G進(jìn)行多機(jī)器人的規(guī)劃、多機(jī)器人的信息交融等，我們也做到了通過空中機(jī)器人圖像來實(shí)現(xiàn)地面機(jī)器人的定位。
針對(duì)機(jī)器人操作學(xué)習(xí)方面，我們也進(jìn)行了一些攻關(guān)。包括在動(dòng)作上如何進(jìn)行擬人化的學(xué)習(xí)，利用我們所提出的機(jī)器人學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)YUMI機(jī)器人學(xué)習(xí)人的手語(yǔ)動(dòng)作，并保障機(jī)器人動(dòng)作的流暢性、仿人性和安全性。我們之前做的是對(duì)乒乓球這樣一個(gè)快速飛行球的識(shí)別和軌跡預(yù)測(cè)，在現(xiàn)實(shí)中還有很多物體是不均勻的、是異形的，我們很難去對(duì)每一個(gè)都建立準(zhǔn)確的模型，然后來進(jìn)行觀測(cè)、預(yù)測(cè)，在這里我們也是設(shè)計(jì)了新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)從一個(gè)物體的學(xué)習(xí)遷移到不同物體上面。目前做到了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)位置，下一步還要做到去預(yù)測(cè)它的姿態(tài)，來能夠?qū)崿F(xiàn)抓取，我們也從對(duì)物體的抓取拓展到抓推等多種動(dòng)作的融合上，從而適應(yīng)更為復(fù)雜的場(chǎng)景。
另外，我們也研究了任務(wù)級(jí)的操作學(xué)習(xí)。通過識(shí)別操作人員是用了什么樣的動(dòng)作、操作了什么樣的物體，達(dá)到了怎么樣的裝配效果，部件之間的裝配關(guān)系和裝配的精度要求，來生成機(jī)器人的程序，可以實(shí)現(xiàn)避免人工對(duì)作業(yè)的編程，而是用演示的方式自動(dòng)生成相關(guān)的程序。
同時(shí)，我們也在把移動(dòng)和操作結(jié)合起來，并且考慮人機(jī)的協(xié)同。通過人稍微施一點(diǎn)點(diǎn)力，機(jī)器人能夠感知人的搬運(yùn)意圖，跟人來形成協(xié)作，以及在協(xié)同搬運(yùn)的過程中，實(shí)現(xiàn)協(xié)同、避障、搬運(yùn)等更為復(fù)雜的多級(jí)任務(wù)。
熊蓉教授研究團(tuán)隊(duì)成員
王 越 副教授 研究方向：自主移動(dòng)、無人駕駛
朱秋國(guó) 博士 研究方向：腿足機(jī)器人陸豪健 百人計(jì)劃研究員研究方向：微型軟體機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人
（轉(zhuǎn)載）
