未來機器人的展望

人類的未來什麽樣？站在此刻暢想未來，機器人一(yī)定是這幅圖景中(zhōng)的一(yī)抹濃彩。這種以自動化技術和計算機技術爲主體(tǐ)、有機融合各種現代信息技術和制造技術的産品，經過了半個多世紀的發展，如今已經在國防、航空航天、工(gōng)業生(shēng)産、服務、醫療康複、教育甚至普通家庭生(shēng)活中(zhōng)都得到了廣泛的應用。現在，科學家還在構想類人腦機器人，未來，也許每個家庭都會有一(yī)台外(wài)形和思維都與人一(yī)樣的機器人。

作爲高技術領域中(zhōng)重要的前沿技術之一(yī)，機器人技術具有前瞻性、先導性的特點，對學術研究、産業升級、培養創新意識、保障國家安全、引領未來經濟社會的發展有着十分(fēn)重要的作用。目前，機器人相關領域的技術突破，爲機器人的應用範圍拓寬了道路，已涵蓋國防、航空航天、工(gōng)業生(shēng)産、服務、醫療康複、教育甚至普通家庭生(shēng)活，一(yī)場新的機器人技術研究高潮和發展契機業已到來。

那麽，未來機器人會是什麽樣？我(wǒ)們認爲，仿生(shēng)機器人和類人機器人或将成爲機器人研發的重點領域。在國家自然科學基金傑出青年基金、重大(dà)儀器專項、重點基金、面上基金、國家863計劃項目、國家重大(dà)科技專項項目等科技項目的支持下(xià)，我(wǒ)國針對智能機器人系統領域的科學前沿問題和國家重大(dà)需求，圍繞智能機器人技術開(kāi)展了一(yī)系列研究。

在機器人研究方面，首先要提到的是機器人的視覺能力。機器人的視覺傳感器是機器人感知(zhī)外(wài)界的重要手段，是機器智能的核心标志(zhì)之一(yī)，具有視覺能力是實現機器人自主作業的重要保障，是機器人智能化的核心支撐。中(zhōng)國科學院自動化研究所在視覺系統标定、視覺測量和定位、實時視覺、主動視覺和多模視覺控制等方面進行了深入研究，取得了一(yī)系列創新性的理論方法，并形成多個視覺原型和實驗系統，在工(gōng)業和醫療康複等領域得到應用。來自于自然界的啓發和靈感對于機器人學的發展具有特殊的意義，是解決機器人學所面臨難題的重要途徑，也是機器人智能的主要源泉。仿生(shēng)機器人通過對生(shēng)物(wù)結構、内在機制的模仿創新來形成新方法和新技術，以适應複雜(zá)作業需求和極端工(gōng)作環境，其系統設計與控制是關鍵。在仿生(shēng)機器人方面的研究内容包括仿生(shēng)機器魚、打乒乓球機器人等。

仿生(shēng)機器魚建立在将魚類的推進運動簡化爲理想條件下(xià)，魚類身體(tǐ)連續的、周期性的形變基礎之上。而通過魚類運動的觀察和仿生(shēng)機器魚遊動試驗，研究人員(yuán)發現魚體(tǐ)質心在水平面内繞前進方向軸的波動将增大(dà)側向擾動力、降低推力和方向穩定性，即魚類自身線密度分(fēn)布對其運動性能存在較大(dà)影響。因此，提出了包含形變描述和線密度描述的“基波”概念，并依據“基波”建立了魚體(tǐ)波動運動模型，在充分(fēn)考慮線密度影響的基礎上，提出了仿生(shēng)機器魚的穩定遊動推進控制方法。

除了仿生(shēng)機器魚，研究人員(yuán)還針對快速運動的乒乓球，設計了會打乒乓球的機器人。這種機器人是建立在一(yī)種有效的乒乓球跟蹤算法基礎上的。這種算法将差幀法、動态窗口、遊程編碼等方法有機組合在一(yī)起，使算法的實時性得到保證。并針對乒乓球差幀後可能出現的月牙形，提出了GSP算法，準确定位乒乓球的中(zhōng)心坐标，保證了三維坐标的精度。其他代表性的成果還包括醫療康複機器人、機器人協調與控制、巡線機器人等。

雖然随着信息技術的發展，部分(fēn)現代機器人具有了類人動作，但還不具備人類的思維。對人腦信息處理機制的研究，特别是以思維爲中(zhōng)心的人腦認知(zhī)機制的研究，将啓發未來智能機器人與智能控制的發展，使智能機器人更像人，能夠爲人類提供更好的服務。未來對機器人的研究應該是結合對人腦信息處理機制與人類思維的探索和腦模拟研究，發展神經機器人。以模拟人腦系統爲中(zhōng)央神經系統，以機器人爲載體(tǐ)，實現多通道類人信息處理的協調與控制，啓發并推動下(xià)一(yī)代類人機器人。

類人機器人的研究是将人腦模拟系統、電(diàn)子神經網絡，類腦計算技術與具有類人動作的機器人平台深度無縫融合。以具有人體(tǐ)外(wài)觀（包括肢體(tǐ)和肌肉組織等）和動作的機器人平台爲載體(tǐ)，實踐、應用視覺、聽(tīng)覺、思維和運動多通道的信息處理與協同，實現全新類人神經計算與控制。以腦神經模拟系統爲核心的類人神經機器人将在認知(zhī)能力、信息處理能力、推理決策能力、肢體(tǐ)動作等諸多方面突破性地接近真實人類，在處理複雜(zá)任務時将表現出高精度、快速智能反應的特性，将有助于突破傳統控制理論。類人機器人之間的互動還将有助于研究和應用以思維爲中(zhōng)心的人類群體(tǐ)行爲。類人神經機器人的實現不但可以對人類及其行爲的本質進行模拟與揭示，還将推動類人機器人在工(gōng)業、國防、家用等領域的廣泛應用。

通過此項研究，将産出具有模拟人腦系統的類人神經機器人平台。該機器人平台具有類人視覺、類人聽(tīng)覺、類人思維、類人動作的協同處理能力，并能夠在關鍵領域取得應用。具體(tǐ)将根據人體(tǐ)的肌肉和關節的實際布局，建立人體(tǐ)運動控制仿真平台，以人腦模拟器爲核心控制系統，實現對複雜(zá)任務的快速、精确的決策與運動反應。此外(wài)還将發展并實現神經機器人之間的互動學習、協同解決複雜(zá)任務的能力。

服務機器人是我(wǒ)國應對老齡化社會、促進民生(shēng)科技發展的技術支撐。我(wǒ)國在醫療、助老助殘等領域已經研發出了系列機器人樣機，進入示範應用階段。根據國際機器人聯盟統計，2011年度全球服務機器人銷量約爲250萬台，市場總值超過42億美元，正在以20%-30%速度增長，到2015年銷售額将達到85億美元。服務機器人有望成爲機器人領域最具潛力的增長點之一(yī)。

下(xià)肢康複機器人：這是一(yī)台坐卧式下(xià)肢康複機器人系統，設計了包括踏車(chē)和蹬踏訓練在内的被動訓練，既可以由腿部機械帶動患者下(xià)肢進行被動的運動訓練，也能讓患者進行主動康複訓練。

微創血管介入手術機器人：這套用于血管介入的專科手術機器人系統主要包括遞送裝置、醫生(shēng)操控端、定位把持機械臂和三維圖像導航四個部分(fēn)，可輔助醫生(shēng)以遙控操作方式實現成套介入手術器械的精準輸送與放(fàng)置，使醫生(shēng)在手術過程中(zhōng)免受X射線輻射，具有精度高、操控性好、有效降低手術操作難度等特點。同時，針對微創血管介入手術機器人圖像導航，實現了傳統C臂的實時圖像采集、C臂系統标定與圖像校正、基于雙視角的血管模型三維重建等關鍵技術。

工(gōng)業機器人是我(wǒ)國制造業産業升級、由制造大(dà)國向強國轉變的技術手段。當前我(wǒ)國制造業發展模式遇到了嚴峻的挑戰，一(yī)方面以美歐爲代表的西方大(dà)國着手進行制造業回流，另一(yī)方面在我(wǒ)國經濟持續增長同時，勞動力供給逐漸減少，勞動力成本快速上漲；同時，我(wǒ)國制造業深受高能耗、高污染、低技術含量、低産品附加值的束縛，人均勞動生(shēng)産率僅爲美國的1/6，單位GDP能耗爲世界平均水平2倍多。工(gōng)業機器人代替勞動力已從“備選”成爲“必選”。打乒乓球機器人:這是一(yī)個具有五個自由度的直角坐标機器人。利用智能攝像機和PC機構成視覺測量系統，利用另一(yī)台PC機和運動控制卡構成機器人的控制系統。目前已實現與人50個回合的連續對打。

視覺機器人：在視覺神經感知(zhī)計算方面，通過引入聯想記憶和學習等機制，初步建立了視覺的神經計算模型。在運動神經協調控制計算方面，以人體(tǐ)上肢爲基礎，初步建立了神經-肌肉-關節的生(shēng)物(wù)力學仿真模型，并進行了相關的生(shēng)物(wù)學仿真實驗。

高壓輸電(diàn)線路巡檢機器人：可以代替人工(gōng)執行輸電(diàn)線路檢測、維護等任務，上還可以實現線路除冰等工(gōng)作。

仿生(shēng)機器魚：針對機器海豚的躍水控制，研究了機器海豚躍水過程的水動力學和空氣動力學分(fēn)析與建模方法、最優形體(tǐ)結構和驅動系統設計方法、機器海豚的高速運動和精确姿态控制方法、基于傳感器反饋的躍水控制方法、空中(zhōng)姿态估計與調整控制方法、入水姿态控制方法等。最終實現了機器海豚的躍水控制，使機器海豚隻依靠自身動力，完全跳出水面，并實現了3倍體(tǐ)長/秒的最高遊速。

人腦模拟器：這是類人神經機器人的“中(zhōng)樞神經系統”。它與具有類人動作的機器人系統深度協同與融合，以機器人爲載體(tǐ)，協同視覺、聽(tīng)覺等感知(zhī)輸入，實現以思維爲中(zhōng)心的感知(zhī)、思維、動作的協同控制。

具體(tǐ)而言，将實現機器人視覺、聽(tīng)覺感知(zhī)信息的整合，以此爲思維階段提供整合後的感知(zhī)輸入。根據機器人接收到的命令請求和感知(zhī)輸入，協同思維模拟系統，實現基于感知(zhī)信息、背景知(zhī)識、邏輯思維的協同處理，最終思維結果将通過協同類人動作子系統實現動作輸出。