潜心机器人,智享新未来
时间：2021-01-23 16:05:29 来源：达达文档网 本文已影响 人 
庞红硕
2015年，在北京国家会议中心举办的首届世界机器人大会上，一款遥操作随动机器人与日本大阪大学的情感机器人、韩国科学技术院的类人机器人等作品一起作为先进研究成果在大会的未来展区进行了展出，出席大会的国家领导人先后观摩了遥操作随动机器人的展演。这款机器人就是北京工业大学教授左国玉的机器人团队瞄准世界机器人前沿技术历时多年研究的成果。
科研筑梦路
27年前，左国玉从安徽大学毕业后，进入安徽电子科学研究所工作。“20世纪八九十年代，人们学知识学文化的热情特别高，工作也都非常认真努力。”也是抱着这份对工作的执着和热情，他潜心研究，成功开发了很多智能检测仪器，广泛应用到工矿企业的自动化生产中。“在研究所工作的这几年，我积累了很多实际工程中的经验，这对我后来从事机器人技术研究帮助非常大。”左国玉说。后来，随着新课题新问题的不断出现，尽管工作方法上已经驾轻就熟，技术经验也相当深厚丰富，左国玉却时常感到自己的工作好像已经进入了“瓶颈期”。一次，同事因工作需要，竟从安徽跑到北京的一家图书馆查阅资料，这对左国玉触动很大。“当时就觉得北京科技氛围应该很浓厚，技术资料也很齐全，科技水平高，研究环境好。”再加上20世纪90年代的中国处处都透露着“改革转型”的气息。这让左国玉意识到，技术研究同样要面临升级转型，这就意味着不能只局限于眼前的现有成果，要去探索更新更前沿的未知领域。渐渐地，他萌生了到北京学习的念头。
1999年，左国玉来到北京工业大学攻读博士学位，毕业后他一头扎进了智能机器人技术的研究领域，直到今天。在学习和工作期间，为了提高自己的专业能力和研究水平，左国玉分别在中国科学院自动化研究所、北京航空航天大学、美国马里兰大学进行了访修工作，对人工技术系统进行了深入而系统的研究。他带领团队先后开发了仿生跳跃机器人、两轮自平衡机器人、遥操作随动机器人和全向移动式人形机器人系统等，并多次参加国际工业博览会、国际科技博览会、世界机器人及智能装备大会等，受到了业界和媒体的广泛关注。
“遥”出新动能
当今世界各国，机器人技术研究受到了前所未有的重视，美国多次修订了“国家机器人计划”，我国也将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先发展领域，机器人技术进入了蓬勃发展的阶段。但是在可预见的未来，由于全自主机器人发展还将受到机构、控制、传感器和人工智能技术的制约，机器人的自主作业能力还将受到极大的限制，因此机器人还不能代替人类进入到人不能进入的复杂甚至是未知的环境中进行作業。例如，在地震、泥石流、山体塌方等自然灾害发生后，由于救援作业环境和作业任务都极其复杂，即使是当今最先进的自主机器人也不能够胜任这类任务。带着这样的问题，左国玉组建了知行智能技术团队，自2010年开始了遥操作机器人技术的研究，期望研制出一种基于“人在环中”控制策略的主从式机器人系统，能结合人类智能和机器人作业能力的优势，更好地执行机器人作业任务，提高机器人的作业效率。在左国玉的指导下，仅仅第二年，团队就成功开发了这种新型的遥操作随动机器人系统，并获得了当年举办的第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖，这是北京工业大学乃至北京市属高校首个“挑战杯”全国赛特等奖。
在随后的几年中，遥操作随动机器人技术研究受到了各方资金的支持，同时北京工业大学也将其纳入学校智能制造领域大科研推进计划，进行深度研究和开发，因此左国玉的团队得以对系统不断地进行改进和优化。他们以同构式遥操作为设计理念，对机器人从端系统的机械结构进行了重新设计，使其在外观上不仅更像人类，各个部位的动作灵活度也与人类相差无几。例如，7自由度的机器人手臂具有与人手臂相似的运动构型和作业空间，头部和腰部分别有2个自由度，可以实现上下和左右转动。手部使用10自由度的仿生设计，可以实现多样的手部姿态。经过优化升级的遥操作机器人，其从端可以完全实时复制主端的操作者人体动作，因此系统能在人体和从端机器人动作的物理形态和作业时间上很好地体现了“随动”特性。同构式遥操作方法也使机器人的控制更符合操作者的人体工程学和日常动作习惯，便于操作者根据直觉和经验控制机器人。因此，整个遥操作控制过程简便直观，可以大大降低操作者的劳动强度和操作失误率，提高控制效率。
遥操作机器人不仅在远距离的太空作业及危险环境下的灾后救援等领域中具有很好的应用前景，而且还可以作为智能辅助系统在助老助残中发挥重要的作用。例如，在我国人力劳动成本日益提高，老龄化问题日益显著的情况下，遥操作机器人可以作为一种远程护理机器人的解决方案，完成老人或病患的翻身、喂药等类人护理作业以及肢体康复训练工作，因而可以用相对低的成本对有轻度护理需求的病患实施远程集中护理，左国玉说。
学习新技能
AlphaGo是世界上第一个击败人类职业围棋选手、第一个战胜围棋世界冠军的人工智能机器人，它能主动地学习围棋的对弈策略。目前研究人员对实物机器人的控制还主要停在通过编写范式程序让机器人按照固有规范进行动作这一层面上，而不是像AlphaGo一样能够主动“学习”，主动“思考”。同样，尽管遥操作机器人在人的参与下能一定程度上进行有效的工作，甚至已在航空航天和远程手术等领域进行了应用，但是机器人研究的终极目标应该是让机器人拥有自主学习和作业能力，希望机器人能够自主学习人类的动作技能，真正融入家庭、医疗、公共服务等各个领域。“我们更关注‘机器人这个词中‘人的属性，这也是我们研究的重点方向。”左国玉说。
对于智能机器人，运动可以说是它的基本任务，智能机器人运动技能也主要依赖于机器人的运动学习能力。让人形机器人自主学习人类的动作技能也是当前人形机器人研究的核心问题。这项研究的难点在于如何才能使机器人具有像人类一样的智能。因此，提升机器人自主适应新环境、自主学习新技能和自主作业的能力就成为左国玉团队的关键挑战。
在自然界中，无论人类还是其他生物，模仿都是其能够掌握运动技能最直接、最有效的学习方式，机器人同样可以通过尝试模仿学习机制获取新的技能。于是，基于模仿学习的理论和方法，左国玉团队以人形机器人为研究对象，利用人工智能新技术，重点研究了人形机器人类人动作学习的生成模型，并构建了自主类人行为模仿学习的智能机器人系统。利用该系统，人形机器人能够具有类似人的模仿学习能力和类人动作技能，更友好地与环境进行交互，从而实现人形机器人自主类人行为的应用。他们的这项研究受到了国家自然科学金基金和北京市自然科学基金等项目的支持，部分研究成果已经发表在国内外的权威期刊上。
科研绝不是单枪匹马就可以完成的。左国玉极为重视团队的力量，有时为了一个项目的推进，他甚至和团队成员一起通宵达旦进行讨论和修改，不曾有丝毫懈怠。在指导学生研究时，他也特别注意学生的独立思考能力的科学探索精神的培养。工作之余，左国玉还经常找学生谈心。在他看来，育人远比授业重要得多，也难得多。“要凭兴趣做事，摒弃获奖、排名等功利心，这样才能做好科研工作。”他强调。
习近平总书记曾在中国科学院和中国工程院两院大会上重点指出，机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。如今，智能服务机器人已成为备受关注的新型研究领域，这场“机器人革命”无疑正影响着全球制造业的格局，将机器人产业发展推向国家级战略层面。在这场革命的洪流中，左国玉为我国的智能机器人技术发展不断贡献着技术力量，在这项科研使命面前，他一直在坚守着自己的初心，并从未止步！
