高峰：人机交互和机器人自律二者协同该怎么实现？

　　新浪科技讯 8月20日消息，2018世界机器人大会拟于8月15日至19日在北京亦创国际会展中心举行。大会以“共创智慧新动能 共享开放新时代”为主题，由“论坛”、“博览会”、“大赛”、“地面无人系统展示活动”四大版块构成。 本届大赛汇聚了来自美国、俄罗斯、德国、日本、以色列等全球近20个国家和地区的1万余支赛队和数百名顶尖专家，共计超过5万多名参赛选手同台竞技。

　　上海交通大学教授、国家973计划首席科学家高峰发表了题为“智能行走作业机器人的市场应用前景”的主题演讲。

　　以下是演讲全文：

　　感谢大会邀请我和大家分享一些研究成果，为什么中国汉语当中把Robot用机器人来表达？中文这个词非常有意思，机器没有什么说的，就是由机械组成的装备系统，人也没有问题，我们都是人，但是这两个词放在一起就非常奇妙，它是机械系统，但有类人的行为。智能的机器人和人工智能是有很大区别的，因为机器人表达的是行为智能，不是思维，不是语言，也不是视觉。因为行为要智能，所以机器人这个词含义非常丰富。下面就从这两个方面谈一谈机器系统怎么设计，它的拟人行为怎么产生，以及机器人具体有什么应用。

　　自然界当中有很多生命，机器人有两足、四足和六足。最近波士顿动力开发了很多两足、四足的机器人，使全世界对机器人的发展有了很高的兴趣，无疑是行为表达出类人的智能。既然这样，腿式、轮式和履带式机器人在很多救灾场合使用。福岛事件以后美国举行了机器人大赛，一共有八项任务，2017年在国际机器人杂志上发表了一篇长文，总结这次比赛的结果，如果大家有兴趣可以看一看。论文的结论是现有的机器人技术远不能满足执行救灾任务的需求，人机交互和自律协同的模式是救灾机器人非常好的模式，因为机器人没有需求，需要人告诉它要做什么，但又不能完全听人的，机器人又不能自主，所以人、命令和机器人的自主如何平衡是一个很重要的问题。如何把复杂的任务变成若干个任务链，把机器人的行为变成为链，机器人的行为和任务链有什么关系，这就是救灾机器人的控制系统。

　　如何开发机器人？我们来看步行机器人的设计，其中很重要的就是腿的设计。一般的串联腿是很容易设计的，关节上装三四个电机就可以，通常是一个腿至少三个电机，平面腿是两个电机就可以，还有混联和并联，如果想把电机装在身上一般采用并联结构。这里举了一些案例，可以看到要想发明新的步行机器人，研究腿的设计是很有意思的一件事情，可以设计不同的步行机器人，也就是骡子机构的原始创新。

　　有了腿以后就可以开发步行器了，包括很多机构，但这里还有一个核心问题，就是如何设计机器人使其具有智能感知的驱动，如何把编码器、伺服电机、减速器以及传感器复合成一个系统，自己开发成了智能驱动单元。有了这个单元以后我们就可以进行这种实验，三个电机装在一条腿上就可以弹跳，比如负重几十公斤，也可以做柔性控制，这样机器人能够走、能够跳、能够跑， 我们研究腿式机器人来做这件事情。

　　我们正在开发有一定动力性能的机器人，这是机器人的系统，场外也有一个机器人比赛，要求机器人在各种环境下行走，因为有力觉机器人才能适应各种环境，基本上具有一定的环境智能。

　　控制系统应该怎么设计呢？腿式机器人和轮式机器人的区别是什么？轮式机器人有方向盘和轮驱动，通过这两个自由度来控制，不懂机器人的都会做这些，全世界搞无人驾驶汽车都很热，尤其是从事计算机对人工智能都非常感兴趣。腿式机器人就不一样了，虽然知道环境的信息，但无法告诉机器人腿怎么动，六条腿有十八个电机，由于人是双腿，很难知道到底是迈左腿还是迈右腿，有人左撇子上来就用左手，双手为什么不同时用？还是要一开始约定好，但六条腿就无法确定哪条腿要动，腿式机器人必须要智能化。

　　人机交互是人给指令，自律就是机器人自主，二者协同是怎么实现的呢？就是由机器人从现场把信息通过网络传到人，人感知到了就要做决定，告诉机器人要做什么，通过这种方式再传回来。我们用的几个中文词叫做知和行、行和知，最后执行还是要靠机器人自主完成。

　　机器人是通过行为表达智能，体现拟人行为特征，这种行为特征是怎么出现的呢？就是躯体和灵魂两个部分构成，这是搞心理学的人研究的结果。我们有身体、大脑和头部，但灵魂就很难说了，谈到灵魂我们自己都害怕，因为我们不知道灵魂是哪里来的。灵魂当中分为性格和知识，性格就是天生的欲望和情感，中国足球有的时候踢得不好并不一定是别的问题，可能就是我们的体能天生不行，但中国杂技玩得很好，乒乓球打得好，这是我们的强项，不能让打乒乓球的运动员都去踢足球。知识就包括很多了，比如习俗、记忆、文化和意识等等。

　　这是柏拉图在2000多年之前说过的，人的行为包括三个部分：理智和大脑有关，情绪来自于心脏，心脏跳得快情绪就高昂，受到惊吓也会跳得快，再就是欲望，来自于本能。如何设计机器人，使它有这样三种行为？理智、情绪还是本能？所以这是我们需要研究的一个问题。既然这样，创建机器人具有拟人行为是设计步行机器人的智能需要面临的长期任务，不是一天两天可以讨论完的，人类只要存在这个问题就值得研究。

　　我们想构造一个框架，也就是一个类脑系统。首先是人机交互部分，针对人的指令和信息现场感知，融合起来以后就叫人机交互部分。其次是机器人的行为，可以分成三个部分组成：四肢到底应该用哪个，运动特征和轨迹特征，这些构成了机器人的行为特征，我们研究人机交互和机器人行为之间的关系。

　　任务信息来源可以表达出各种信息，包括外部的需求和内部的需求。机器人也有需求，没有电了还有饥饿感，自己知道了要充电，什么命令都不干了。稳定性就是爬山路如何稳定，自己不用决定，安全不安全，怎么去避火，这些都是机器人需要给定的任务需求。人机交互部分就是很难用语言告诉机器人，机器人理解人的语言是很难的，但可以给出简单的命令。人有些简单的话狗可以听懂，但对马来说就是通过响声、频率和次数让马加速，机器人应该也可以这样，简单的声音实现复杂的指令。这是一个六足机器人，如果断掉一足或多足如何行走，有很丰富的机械原理研究内容。

　　有了这些以后，可以看到左边讲的是人机交互部分，可以用模型表达，关键在于研究A矩阵，有了这个A矩阵就可以智能化了。当然，按照机械的角度可以建模，使它与任务指令和感知信息有逻辑关系，有了这种关系就可以有逻辑判断能力。这是很重要的矩阵，具体是什么形式我们可以探讨。B矩阵就比较简单了，就是几何代数的关系，有了逻辑关系几何代数关系就会产生。

　　我们的机器人要上45度的楼梯，最后一层是53度，走的过程当中使用动态行为，右边通过这么多的动态保证53度不倒，也很安全。可以看出机器人爬坡能力还是很强的，53度都可以上去，当然是越上越艰难，和研究机器人的科学家是一样的，经历了很多爬不上去的坡。《机器人学报》邀请我们写了一篇文章，最近也有在网上发表，就是今天介绍的详细内容。

　　智能行走作业机器人应该怎么应用？谁距离市场近，谁就可以取胜。这里有很多大的零件，比如高铁的车厢、核电站、化工厂，这些都是现场制造，都是在定制。这些行业当中很少有机器人，因为它不重复，所以工业机器人是做大批量生产的。腿式机器人可以移动，装配的时候可以扛着东西去做，也希望车厢制造有这种东西。

　　应该怎么设计呢？这是一条腿的设计，也可以构成身体，上面还要精准，确实很复杂，但也有它的特点，这样就可以做很多不同的工作，比如身体的自由度，很精准也很灵活，能走能加工，我们希望用机器人定位来做。目前已开始付诸实施，机器人可承载500公斤，身体的自由度很灵活，我们也可以用它切割，其它场合也会用到，视觉可以跨越障碍，身体六个自由度的体现等等。

　　移动制造系统包括高铁制造、轮船、潜艇甚至飞机上都希望做这件事情。飞机和高铁当中装配是一个很重要的问题，现在是人和机器在一起，我们想做得更先进一些。机器人身上放一个球，应该怎么平稳控制？我们要感知这个球的位置，机器人运动时球不会乱跑，控制理论当中称为“球拍问题”，感知球在哪里，就像把球顶在头上面，人可以做，机器人也可以做。

　　我们在中广核做了由人用力觉直接配备机器人插孔的实验，装配的时候就非常好了，六个姿态都可以用机器人调整，人机交互方式就可以出现。机器人也可以用力觉来测轴线，这里讲的是机器人通过力觉测试轴心，自动插孔，就是智能化在机器人当中是非常有意义的。

　　极端环境比较包罗万象，比如太空站建设和火星探测，可以用机器人来做这些事情。哪些机器人可以胜任呢？必须要能走。当然还有海底，我们国家的以前在月球是着陆不能行走，未来我们希望做得既能着陆又能够行走，月球空间站可以用它作业。我们要用腿式机器人和飞机结合，也可以扔到某个地方作业，就是无人机着陆腿的实际项目。

　　海洋作业开发当中腿式机器人大有用武之地，这是我们做的一些机器人，包括大会现场的比赛。这些机器人非常灵活，六个自由度，加上简单的手臂就可以作业，这是腿式机器人的好处，就是行走作业一体化，不用很多手臂，刚度很低，50公斤体重的机器人可以负重25公斤以上。

　　一个机器人作业没问题，两个机器人在一起怎么办？可以协作，比如这里有一个障碍物，机器人过不去就找兄弟们帮忙，没有手就用腿，直接把它搬走。四条腿没有六条腿走得灵活，来回挪身体。四条腿走路的机器人比较费劲，一步一步地挪，要是在月球的话这样算快的，另一台机器人就开始完成它的任务，自己看着来找这个楼梯。楼梯是45度，左右很窄，通过视觉自己找到以后就可以上去。

　　刚才讲的是极端环境，核电站是我们的主流任务，国家有973项目，我本人是首席科学家，叫做“核电救灾机器人”，去年通过了科技部的验收。核电站有现场探测任务，就是根据福岛事件，然后是灵巧作业和重载清障。做过以后我们的团队去年7月在中广核进行应用，主要是拧阀门。机器人负重是500公斤，再就是动力学扰动，自己就能够通过力觉平衡，这是扰动系统的抗干扰能力。机器人通过视觉避障跨障，上楼梯和下楼梯，楼梯都是45度，下楼梯靠记忆，整个过程都是靠机器人的大脑实现。

　　这是刚才说的中广核实验，可以上下楼梯、自主避障和拧阀门，我们是靠身体，一种是垂直的阀门，一种是水分的阀门，这个门是可以打开的，而且还有复压。这些实验都是为核电救灾机器人做准备，上楼梯、开门和拧阀门是它的基本功。

　　再讲一讲消防机器人，这也是我们在做的一件事情。设计的时候要根据环境、任务和复杂的地形，包括耐高温、耐水、耐湿度、轻量化、重载和各种适应性，这些都是设计本体的时要遵循的内容。比如上楼梯消防和协作开门消防，拉门和推门都不一样，机器人拉开以后要站在一侧才能完成任务，另一个机器人过去以后找到火源灭火。机器人进入火场以后代替消防员完成任务，还是比较强大的。这是机器人在喷水，将来消防员可以离开火场，机器人用消防管可以喷得很远。

　　总的来说，设计、感知和脑控是这种机器人的核心，这样才能出现智能步行机器人。应用也是很广泛的，很多方面都可以完成，感谢我们团队和973计划的支持。

　　二战期间，一个部队在瑞士的森林当中迷路了，大雪封天，后来他们找到了一个小屋子，里面有一个很破的地图，上面是拉丁文，谁也不认识，指挥官就说这个地图告诉我们朝着哪个方向走，然后就按照地图走出去了，过了若干年那张地图给别人看，别人说这不是这里的地图，而是别的国家某个山区的地图，我今天的报告就是这张拉丁文地图，没有结果，只靠大家去探讨。