推動(dòng)先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展
——訪談上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院特種機(jī)器人研究中心雷靜桃教授

雷靜桃女，1970年生，北京航空航天大學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所博士后，The University of Sheffield訪問(wèn)學(xué)者，現(xiàn)為上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，擔(dān)任機(jī)器人工程專業(yè)教研室主任、機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院特種機(jī)器人研究中心主任，兼任中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)委員。從事機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的人才培養(yǎng)和科研工作，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療機(jī)器人、仿生機(jī)器人和機(jī)器人模塊化技術(shù)。主持國(guó)家863 計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、企業(yè)委托技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目等20余項(xiàng)，參與國(guó)家/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利20余項(xiàng)，申請(qǐng)美國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)，發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，獲上海技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

編者按：隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人在智能制造、特種服務(wù)、家用服務(wù)等方面得到廣泛應(yīng)用。其研發(fā)、制造和應(yīng)用體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平，世界各國(guó)將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)并予以大力支持。在此背景下，《電子機(jī)械工程》編輯部對(duì)上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院特種機(jī)器人研究中心主任雷靜桃教授進(jìn)行了專訪。

編輯部：雷教授好，感謝您接受《電子機(jī)械工程》編輯部的訪談！首先請(qǐng)您介紹一下上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院特種機(jī)器人研究中心科研團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱團(tuán)隊(duì)）在先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)方面的研究方向。

雷靜桃：團(tuán)隊(duì)圍繞先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)及機(jī)器人工程應(yīng)用開(kāi)展相關(guān)研究，主要包括仿生機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種管道機(jī)器人、航空薄壁件制孔機(jī)器人等，尤其是面向醫(yī)療大健康的骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人、面向高端裝備智能制造的大型薄壁結(jié)構(gòu)件的制孔機(jī)器人，符合國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略方向。

編輯部：在先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)中，仿生機(jī)器人技術(shù)的研究重點(diǎn)是什么呢？

雷靜桃：仿生機(jī)器人技術(shù)研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金和上海市教委創(chuàng)新基金的大力資助，著重開(kāi)展3個(gè)方面的研究：生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理和腿式機(jī)器人的仿生機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)，仿人機(jī)器人面部表情與語(yǔ)音交互技術(shù)以及仿生觸覺(jué)感知與電子皮膚技術(shù)方面的研究。

（1）仿生機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)

主要開(kāi)展生物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究，為仿生機(jī)器人研發(fā)提供生物學(xué)借鑒。從仿生機(jī)構(gòu)、仿生驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)等角度，開(kāi)展仿生機(jī)器人技術(shù)研究，研發(fā)面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的仿生移動(dòng)機(jī)器人，包括多足仿生步行、仿生跳躍機(jī)器人等。

在仿生機(jī)構(gòu)方面，借鑒四足生物軀體靈活彎曲的特點(diǎn)，研究多自由度、多向靈活彎曲的仿生機(jī)體機(jī)構(gòu)，提高仿生機(jī)器人機(jī)體的運(yùn)動(dòng)靈活性，同時(shí)利用機(jī)體的運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)新腿式機(jī)器人的移動(dòng)步態(tài)方式，從而提高仿生腿式機(jī)器人適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的機(jī)動(dòng)性。

在仿生驅(qū)動(dòng)方面，研究新型氣動(dòng)人工肌肉、氣動(dòng)肌纖維及肌纖維束、負(fù)壓式氣動(dòng)人工肌肉等機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式，開(kāi)展仿生驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，包括仿生驅(qū)動(dòng)機(jī)理、遲滯特性、變剛度動(dòng)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)力輸出特性等，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展新型驅(qū)動(dòng)的仿生關(guān)節(jié)的位置與剛度控制技術(shù)，為提高仿生機(jī)器人柔順性奠定基礎(chǔ)。

（2）仿人機(jī)器人面部表情與語(yǔ)音交互技術(shù)

在仿人機(jī)器人技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)柯顯信老師開(kāi)展了有個(gè)性的仿人情感交互機(jī)器人研究，為提高仿人機(jī)器人情感交互能力奠定了重要基礎(chǔ)。研究了情感狀態(tài)變遷過(guò)程，并融入個(gè)性特征，建立了仿人表情機(jī)器人個(gè)性化情感模型。研制出了具有個(gè)性特點(diǎn)的仿人表情機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了驚奇、恐懼、厭惡、憤怒、高興、悲傷等多種面部表情及連續(xù)表情。開(kāi)展了機(jī)器人視覺(jué)交互技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤、人臉表情識(shí)別及再現(xiàn)、人臉識(shí)別、性別識(shí)別等?？偨Y(jié)出了不同漢語(yǔ)發(fā)音的口形視位，實(shí)現(xiàn)了嘴部運(yùn)動(dòng)和輸出語(yǔ)音相協(xié)調(diào)。利用多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了交互對(duì)象的實(shí)時(shí)精確定位。

（3）仿生觸覺(jué)感知與電子皮膚技術(shù)

在仿生觸覺(jué)感知與電子皮膚技術(shù)方面，開(kāi)展了基于柔性傳感器的電子皮膚、按摩手法特征提取及識(shí)別方法研究。研究了基于壓阻原理和柔性電路板工藝的柔性觸覺(jué)手套設(shè)計(jì)和制作、按摩數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高精度采集和可視化，基于條件變分自編碼器原理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的按摩數(shù)據(jù)編碼、解碼和按摩數(shù)據(jù)集擴(kuò)充技術(shù)。結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks, CNN)與長(zhǎng)短時(shí)記憶（Long Short Term Memory, LSTM）網(wǎng)絡(luò)提取按摩動(dòng)作圖組的空間域與時(shí)間域特征，引入注意力機(jī)制，賦予每張觸覺(jué)圖片不同的權(quán)重值，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)特征的提取，并有效解決了數(shù)據(jù)集復(fù)雜度低時(shí)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)擬合現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了高精度按摩手法識(shí)別，如圖1所示。

圖1 仿生觸覺(jué)感知與按摩手法識(shí)別算法

編輯部：在醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了哪些特色研究工作？

雷靜桃：機(jī)器人已融入醫(yī)療手術(shù)、康復(fù)、公共服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域，催生出包括手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、導(dǎo)診機(jī)器人、陪護(hù)機(jī)器人、外骨骼機(jī)器人等不同產(chǎn)品形態(tài)。關(guān)于骨科手術(shù)機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外著重圍繞脊柱骨科、關(guān)節(jié)骨科、創(chuàng)傷骨科等三個(gè)方面開(kāi)展了研究，取得了系列創(chuàng)新成果，研發(fā)了多款骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)自2012年開(kāi)始從事醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)研究，與北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院、蘇州大學(xué)等優(yōu)勢(shì)單位的科研團(tuán)隊(duì)圍繞骨創(chuàng)傷機(jī)器人開(kāi)展長(zhǎng)期合作，相關(guān)科研工作獲得了國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科技部項(xiàng)目的大力資助。

針對(duì)傳統(tǒng)骨折復(fù)位手術(shù)中存在的操作精度低、時(shí)間長(zhǎng)、手術(shù)強(qiáng)度大、醫(yī)患雙方受輻射等問(wèn)題，面向骨折復(fù)位的大負(fù)載、大運(yùn)動(dòng)范圍、高精度、在狹小的手術(shù)作業(yè)空間配置骨折復(fù)位機(jī)器人等要求，基于環(huán)骨折骨肌組織的生物力學(xué)、術(shù)前規(guī)劃研究，完成了復(fù)雜空間機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)及理論分析、新型手術(shù)器械研發(fā)。通過(guò)手術(shù)器械與復(fù)位機(jī)器人本體的一體化設(shè)計(jì)，滿足了骨折復(fù)位對(duì)大負(fù)載和大運(yùn)動(dòng)范圍的需求。突破了術(shù)前規(guī)劃、損傷骨盆骨肌組織的生物力學(xué)、復(fù)位機(jī)器人安全控制策略、遠(yuǎn)程主從交互控制等關(guān)鍵技術(shù)。在模擬肌力骨折模型上對(duì)研發(fā)的骨折復(fù)位機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并開(kāi)展了尸體實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，該骨折復(fù)位機(jī)器人的復(fù)位力達(dá)300 N，復(fù)位精度達(dá)0.5 mm。該成果為推動(dòng)骨折復(fù)位機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步和臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。今后將重點(diǎn)圍繞制約臨床應(yīng)用的核心技術(shù)（術(shù)區(qū)環(huán)境多模態(tài)智能感知、人機(jī)交互與精確控制），開(kāi)展深入研究，進(jìn)一步提高機(jī)器人臨床手術(shù)的精確度和安全性。

編輯部：團(tuán)隊(duì)在特種機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用工程方面突破了哪些關(guān)鍵技術(shù)？

雷靜桃：在特種機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用工程方面，團(tuán)隊(duì)主要在管道機(jī)器人、高空爬繩載物機(jī)器人和大型薄壁結(jié)構(gòu)件制孔機(jī)器人三個(gè)方面取得了突破。

（1）管道機(jī)器人

在管道機(jī)器人研究方面，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了輪式移動(dòng)打磨作業(yè)機(jī)器人、可變徑履帶式管道機(jī)器人。與上海大電器中央研究院合作，面向核電集箱內(nèi)打磨作業(yè)，研發(fā)了一款輪式移動(dòng)管道作業(yè)機(jī)器人。該機(jī)器人本體由打磨作業(yè)裝置、打磨作業(yè)機(jī)構(gòu)位姿調(diào)整裝置、機(jī)器人定位夾緊裝置和機(jī)器人移動(dòng)裝置等組成，適用于長(zhǎng)30 m、內(nèi)徑Φ200 mm～Φ450 mm的圓形管道，在管道內(nèi)的最快移動(dòng)速度為0.5 m/s。對(duì)于輪式管道機(jī)器人，精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、移動(dòng)穩(wěn)定性控制、打磨精度控制與誤差補(bǔ)償、偏心重力補(bǔ)償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究。該機(jī)器人代替人工進(jìn)行焊縫打磨作業(yè)（圖2），提高了打磨效率和質(zhì)量，其原理樣機(jī)曾在上海工業(yè)博覽會(huì)上展覽。

圖2 機(jī)器人打磨集箱內(nèi)壁焊瘤

針對(duì)彎管的通過(guò)性難題，采用主動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)研發(fā)了一款可變徑履帶式管道機(jī)器人（圖3）。該機(jī)器人由本體支撐模塊、履帶行走模塊以及徑向伸縮模塊組成。它適用不同的管道直徑，突破了L型彎管和T型管道的彎道通過(guò)性、越障與差速轉(zhuǎn)體避障等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了彎管中的快速通過(guò)。該管道機(jī)器人可配置視覺(jué)傳感器，基于人工智能的圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行管內(nèi)缺陷檢測(cè)作業(yè)等，應(yīng)用于油氣管道檢查等。

圖3 可變徑履帶式管道機(jī)器人

（2）高空爬繩載物機(jī)器人

城市高樓大廈的消防救援難度非常大，為滿足高樓消防救援對(duì)價(jià)格適中、安全可靠、簡(jiǎn)便易行的救援設(shè)施的迫切需求，團(tuán)隊(duì)陳勇老師研發(fā)了一種高空繩索消防系統(tǒng)（圖4）。該系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)布繩、緊繩系統(tǒng)、自動(dòng)水炮、高空爬繩載物機(jī)器人、遙控系統(tǒng)等。其中高空爬繩載物機(jī)器人作為輔助運(yùn)動(dòng)載體工具，可用于高山攀登、地震等搶險(xiǎn)救災(zāi)、高建筑物的探傷維護(hù)等。機(jī)器人升降器的提升質(zhì)量為250 kg，高于同類產(chǎn)品的150 kg提升質(zhì)量。它能控制機(jī)器人在繩索上快速運(yùn)行、穩(wěn)定停止。

圖4 高空爬繩載物機(jī)器人及其作業(yè)場(chǎng)景

（3）大型薄壁結(jié)構(gòu)件制孔機(jī)器人

面向航空航天領(lǐng)域大型薄壁結(jié)構(gòu)件的高精度制孔需求，由北京航空航天大學(xué)牽頭組織，團(tuán)隊(duì)陳冬冬老師參與，研制了制孔機(jī)器人系統(tǒng)（圖5），為飛機(jī)的數(shù)字化裝配制孔提供了一種新的智能、精確的加工方法和思路。為提高機(jī)器人柔性化裝配制孔精度和效率，重點(diǎn)突破了末端執(zhí)行器輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)、法線檢測(cè)及姿態(tài)調(diào)整技術(shù)、雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)、視覺(jué)在線檢測(cè)技術(shù)、離線編程技術(shù)、工業(yè)機(jī)械臂絕對(duì)定位精度補(bǔ)償技術(shù)、锪窩深度控制及精準(zhǔn)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。該航空制孔機(jī)器人系統(tǒng)適應(yīng)平面及不同曲率的曲面，可用于鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料及疊層等材料航空航天部件的數(shù)字化和智能化制孔。目前，制孔機(jī)器人的定位精度達(dá)±0.30 mm，孔徑精度達(dá)H8級(jí)，高于人工制孔精度和效率。通過(guò)與航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、上海飛機(jī)制造有限公司等優(yōu)勢(shì)單位合作，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于ARJ21等型號(hào)飛機(jī)的研制，實(shí)現(xiàn)了航空結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化制孔。

圖5 大型薄壁結(jié)構(gòu)件制孔機(jī)器人

總之，隨著我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人在智能制造、特種服務(wù)、家居服務(wù)等領(lǐng)域得到迅速推廣。從能進(jìn)入人體血管的納米機(jī)器人到汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人，從中國(guó)載人潛水器到中國(guó)空間站機(jī)械臂，無(wú)不體現(xiàn)先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)。機(jī)器人被譽(yù)為制造業(yè)皇冠上的明珠，其研發(fā)、制造和應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)重要的賽道。世界各國(guó)高度重視機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)給予重點(diǎn)支持。今后，團(tuán)隊(duì)將在前期研究的基礎(chǔ)上，推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)與人工智能技術(shù)的交叉與融合，加快突破核心關(guān)鍵技術(shù)，提高醫(yī)療機(jī)器人和特種服務(wù)機(jī)器人的智能化水平，推進(jìn)機(jī)器人成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，服務(wù)我國(guó)智能制造、健康中國(guó)等國(guó)家戰(zhàn)略。