龐紅碩

左國玉

2015年，在北京國家會(huì)議中心舉辦的首屆世界機(jī)器人大會(huì)上，一款遙操作隨動(dòng)機(jī)器人與日本大阪大學(xué)的情感機(jī)器人、韓國科學(xué)技術(shù)院的類人機(jī)器人等作品一起作為先進(jìn)研究成果在大會(huì)的未來展區(qū)進(jìn)行了展出，出席大會(huì)的國家領(lǐng)導(dǎo)人先后觀摩了遙操作隨動(dòng)機(jī)器人的展演。這款機(jī)器人就是北京工業(yè)大學(xué)教授左國玉的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)世界機(jī)器人前沿技術(shù)歷時(shí)多年研究的成果。

科研筑夢路

27年前，左國玉從安徽大學(xué)畢業(yè)后，進(jìn)入安徽電子科學(xué)研究所工作?！?0世紀(jì)八九十年代，人們學(xué)知識學(xué)文化的熱情特別高，工作也都非常認(rèn)真努力?！币彩潜е@份對工作的執(zhí)著和熱情，他潛心研究，成功開發(fā)了很多智能檢測儀器，廣泛應(yīng)用到工礦企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)中。“在研究所工作的這幾年，我積累了很多實(shí)際工程中的經(jīng)驗(yàn)，這對我后來從事機(jī)器人技術(shù)研究幫助非常大?！弊髧裾f。后來，隨著新課題新問題的不斷出現(xiàn)，盡管工作方法上已經(jīng)駕輕就熟，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)也相當(dāng)深厚豐富，左國玉卻時(shí)常感到自己的工作好像已經(jīng)進(jìn)入了“瓶頸期”。一次，同事因工作需要，竟從安徽跑到北京的一家圖書館查閱資料，這對左國玉觸動(dòng)很大?！爱?dāng)時(shí)就覺得北京科技氛圍應(yīng)該很濃厚，技術(shù)資料也很齊全，科技水平高，研究環(huán)境好?！痹偌由?0世紀(jì)90年代的中國處處都透露著“改革轉(zhuǎn)型”的氣息。這讓左國玉意識到，技術(shù)研究同樣要面臨升級轉(zhuǎn)型，這就意味著不能只局限于眼前的現(xiàn)有成果，要去探索更新更前沿的未知領(lǐng)域。漸漸地，他萌生了到北京學(xué)習(xí)的念頭。

1999年，左國玉來到北京工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)位，畢業(yè)后他一頭扎進(jìn)了智能機(jī)器人技術(shù)的研究領(lǐng)域，直到今天。在學(xué)習(xí)和工作期間，為了提高自己的專業(yè)能力和研究水平，左國玉分別在中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、北京航空航天大學(xué)、美國馬里蘭大學(xué)進(jìn)行了訪修工作，對人工技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后開發(fā)了仿生跳躍機(jī)器人、兩輪自平衡機(jī)器人、遙操作隨動(dòng)機(jī)器人和全向移動(dòng)式人形機(jī)器人系統(tǒng)等，并多次參加國際工業(yè)博覽會(huì)、國際科技博覽會(huì)、世界機(jī)器人及智能裝備大會(huì)等，受到了業(yè)界和媒體的廣泛關(guān)注。

“遙”出新動(dòng)能

當(dāng)今世界各國，機(jī)器人技術(shù)研究受到了前所未有的重視，美國多次修訂了“國家機(jī)器人計(jì)劃”，我國也將機(jī)器人和智能制造納入了國家科技創(chuàng)新的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。但是在可預(yù)見的未來，由于全自主機(jī)器人發(fā)展還將受到機(jī)構(gòu)、控制、傳感器和人工智能技術(shù)的制約，機(jī)器人的自主作業(yè)能力還將受到極大的限制，因此機(jī)器人還不能代替人類進(jìn)入到人不能進(jìn)入的復(fù)雜甚至是未知的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。例如，在地震、泥石流、山體塌方等自然災(zāi)害發(fā)生后，由于救援作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務(wù)都極其復(fù)雜，即使是當(dāng)今最先進(jìn)的自主機(jī)器人也不能夠勝任這類任務(wù)。帶著這樣的問題，左國玉組建了知行智能技術(shù)團(tuán)隊(duì)，自2010年開始了遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究，期望研制出一種基于“人在環(huán)中”控制策略的主從式機(jī)器人系統(tǒng)，能結(jié)合人類智能和機(jī)器人作業(yè)能力的優(yōu)勢，更好地執(zhí)行機(jī)器人作業(yè)任務(wù)，提高機(jī)器人的作業(yè)效率。在左國玉的指導(dǎo)下，僅僅第二年，團(tuán)隊(duì)就成功開發(fā)了這種新型的遙操作隨動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，并獲得了當(dāng)年舉辦的第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎(jiǎng)，這是北京工業(yè)大學(xué)乃至北京市屬高校首個(gè)“挑戰(zhàn)杯”全國賽特等獎(jiǎng)。

在隨后的幾年中，遙操作隨動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究受到了各方資金的支持，同時(shí)北京工業(yè)大學(xué)也將其納入學(xué)校智能制造領(lǐng)域大科研推進(jìn)計(jì)劃，進(jìn)行深度研究和開發(fā)，因此左國玉的團(tuán)隊(duì)得以對系統(tǒng)不斷地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。他們以同構(gòu)式遙操作為設(shè)計(jì)理念，對機(jī)器人從端系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其在外觀上不僅更像人類，各個(gè)部位的動(dòng)作靈活度也與人類相差無幾。例如，7自由度的機(jī)器人手臂具有與人手臂相似的運(yùn)動(dòng)構(gòu)型和作業(yè)空間，頭部和腰部分別有2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)上下和左右轉(zhuǎn)動(dòng)。手部使用10自由度的仿生設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多樣的手部姿態(tài)。經(jīng)過優(yōu)化升級的遙操作機(jī)器人，其從端可以完全實(shí)時(shí)復(fù)制主端的操作者人體動(dòng)作，因此系統(tǒng)能在人體和從端機(jī)器人動(dòng)作的物理形態(tài)和作業(yè)時(shí)間上很好地體現(xiàn)了“隨動(dòng)”特性。同構(gòu)式遙操作方法也使機(jī)器人的控制更符合操作者的人體工程學(xué)和日常動(dòng)作習(xí)慣，便于操作者根據(jù)直覺和經(jīng)驗(yàn)控制機(jī)器人。因此，整個(gè)遙操作控制過程簡便直觀，可以大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作失誤率，提高控制效率。

遙操作機(jī)器人不僅在遠(yuǎn)距離的太空作業(yè)及危險(xiǎn)環(huán)境下的災(zāi)后救援等領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景，而且還可以作為智能輔助系統(tǒng)在助老助殘中發(fā)揮重要的作用。例如，在我國人力勞動(dòng)成本日益提高，老齡化問題日益顯著的情況下，遙操作機(jī)器人可以作為一種遠(yuǎn)程護(hù)理機(jī)器人的解決方案，完成老人或病患的翻身、喂藥等類人護(hù)理作業(yè)以及肢體康復(fù)訓(xùn)練工作，因而可以用相對低的成本對有輕度護(hù)理需求的病患實(shí)施遠(yuǎn)程集中護(hù)理，左國玉說。

學(xué)習(xí)新技能

AlphaGo是世界上第一個(gè)擊敗人類職業(yè)圍棋選手、第一個(gè)戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的人工智能機(jī)器人，它能主動(dòng)地學(xué)習(xí)圍棋的對弈策略。目前研究人員對實(shí)物機(jī)器人的控制還主要停在通過編寫范式程序讓機(jī)器人按照固有規(guī)范進(jìn)行動(dòng)作這一層面上，而不是像AlphaGo一樣能夠主動(dòng)“學(xué)習(xí)”，主動(dòng)“思考”。同樣，盡管遙操作機(jī)器人在人的參與下能一定程度上進(jìn)行有效的工作，甚至已在航空航天和遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，但是機(jī)器人研究的終極目標(biāo)應(yīng)該是讓機(jī)器人擁有自主學(xué)習(xí)和作業(yè)能力，希望機(jī)器人能夠自主學(xué)習(xí)人類的動(dòng)作技能，真正融入家庭、醫(yī)療、公共服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域?！拔覀兏P(guān)注‘機(jī)器人’這個(gè)詞中‘人’的屬性，這也是我們研究的重點(diǎn)方向?！弊髧裾f。

對于智能機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)可以說是它的基本任務(wù)，智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)技能也主要依賴于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力。讓人形機(jī)器人自主學(xué)習(xí)人類的動(dòng)作技能也是當(dāng)前人形機(jī)器人研究的核心問題。這項(xiàng)研究的難點(diǎn)在于如何才能使機(jī)器人具有像人類一樣的智能。因此，提升機(jī)器人自主適應(yīng)新環(huán)境、自主學(xué)習(xí)新技能和自主作業(yè)的能力就成為左國玉團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

在自然界中，無論人類還是其他生物，模仿都是其能夠掌握運(yùn)動(dòng)技能最直接、最有效的學(xué)習(xí)方式，機(jī)器人同樣可以通過嘗試模仿學(xué)習(xí)機(jī)制獲取新的技能。于是，基于模仿學(xué)習(xí)的理論和方法，左國玉團(tuán)隊(duì)以人形機(jī)器人為研究對象，利用人工智能新技術(shù)，重點(diǎn)研究了人形機(jī)器人類人動(dòng)作學(xué)習(xí)的生成模型，并構(gòu)建了自主類人行為模仿學(xué)習(xí)的智能機(jī)器人系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，人形機(jī)器人能夠具有類似人的模仿學(xué)習(xí)能力和類人動(dòng)作技能，更友好地與環(huán)境進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人自主類人行為的應(yīng)用。他們的這項(xiàng)研究受到了國家自然科學(xué)金基金和北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，部分研究成果已經(jīng)發(fā)表在國內(nèi)外的權(quán)威期刊上。

科研絕不是單槍匹馬就可以完成的。左國玉極為重視團(tuán)隊(duì)的力量，有時(shí)為了一個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)，他甚至和團(tuán)隊(duì)成員一起通宵達(dá)旦進(jìn)行討論和修改，不曾有絲毫懈怠。在指導(dǎo)學(xué)生研究時(shí)，他也特別注意學(xué)生的獨(dú)立思考能力的科學(xué)探索精神的培養(yǎng)。工作之余，左國玉還經(jīng)常找學(xué)生談心。在他看來，育人遠(yuǎn)比授業(yè)重要得多，也難得多?！耙獞{興趣做事，摒棄獲獎(jiǎng)、排名等功利心，這樣才能做好科研工作?！彼麖?qiáng)調(diào)。

習(xí)近平總書記曾在中國科學(xué)院和中國工程院兩院大會(huì)上重點(diǎn)指出，機(jī)器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。如今，智能服務(wù)機(jī)器人已成為備受關(guān)注的新型研究領(lǐng)域，這場“機(jī)器人革命”無疑正影響著全球制造業(yè)的格局，將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展推向國家級戰(zhàn)略層面。在這場革命的洪流中，左國玉為我國的智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展不斷貢獻(xiàn)著技術(shù)力量，在這項(xiàng)科研使命面前，他一直在堅(jiān)守著自己的初心，并從未止步！