探索之路
——他和他的智能機(jī)器人——記俄羅斯工程院外籍院士、汕頭市機(jī)器人與智能制造研究院執(zhí)行院長范衠

《祖國》/王國勇 文/安迪

每個人都有擁抱夢想的權(quán)力，卻不是每個人都有擁抱夢想的勇氣。在智能機(jī)器人領(lǐng)域，就有這樣一位有夢想有勇氣的探索者，他在自動化軟件平臺、機(jī)器人設(shè)計(jì)輔助軟件、圖像處理、智能算法研究等領(lǐng)域，均取得了突破性成果，尤其是在智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動化、智能機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)、無人集群研究領(lǐng)域，更是成績斐然，他就是廣東省汕頭市機(jī)器人與智能制造研究院執(zhí)行院長——范衠教授。

時代在變，科技也在變。智能機(jī)器人變得越來越重要，越來越多的領(lǐng)域都需要智能機(jī)器人的參與，于是，走在探索前沿的范衠，更深刻地感受到了責(zé)任和使命的力量。所以，多年來，他，兢兢業(yè)業(yè)，披荊斬棘，在智能機(jī)器人領(lǐng)域，創(chuàng)下了一片創(chuàng)新的天地。

智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動化

在科研的世界里，范衠永遠(yuǎn)不缺深耕探索的勇氣。他的背后是榮譽(yù)，他不僅收獲了國家級高層次人才、廣東省“揚(yáng)帆計(jì)劃”緊缺急需人才、汕頭市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等榮譽(yù)，還入選2021、2022 年度美國斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家榜單；不僅主持了包括國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和中央軍委科技委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目在內(nèi)的國家和省部級科研項(xiàng)目30 項(xiàng)，還獲授權(quán)專利88 項(xiàng)，出版中文專著和英文專著各1 部；與此同時，他還榮獲中國圖像圖形學(xué)學(xué)會科技進(jìn)步獎、中國自動化學(xué)會科普獎、俄羅斯工程院工程勇士勛章、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)獎等多個獎項(xiàng)。

然而，一切榮譽(yù)的背后，都是付出。他從2000 年開始，就從事機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動化研究，經(jīng)過二十余年的深耕探索，終于有了自己的成果。

他，提出結(jié)合基因編程和鍵合圖的方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)的自動設(shè)計(jì)。該方法的優(yōu)勢在于借助鍵合圖強(qiáng)大的表示能力，實(shí)現(xiàn)把系統(tǒng)在多領(lǐng)域的能量流動關(guān)系統(tǒng)一用鍵合圖表征，再結(jié)合基因編程算法，實(shí)現(xiàn)鍵合圖的進(jìn)化優(yōu)化；提出用鍵合圖表示連續(xù)控制器，并用基因編程協(xié)同進(jìn)化出機(jī)電系統(tǒng)控制器和被控對象。該方法的優(yōu)勢在于采用基因編程和鍵合圖的方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)控制器和被控對象同時進(jìn)化設(shè)計(jì)；提出一種差分進(jìn)化算法，并成功地應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)的自動魯棒設(shè)計(jì)；提出用模型預(yù)測控制表示離散邏輯控制器，混合鍵合圖表示混合被控對象，并用基因編程協(xié)同進(jìn)化出混合機(jī)電系統(tǒng)控制器和被控對象。該工作把相關(guān)的方法擴(kuò)展應(yīng)用到了離散控制器自動化設(shè)計(jì)上。

每一次突破，都促進(jìn)了智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動化的發(fā)展與應(yīng)用。而這僅僅是他從事智能研究的一個領(lǐng)域或是一個方面。

智能機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)

智能機(jī)器人系統(tǒng)是人工智能與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合。有了它，智能機(jī)器人才能像人一樣去工作。范衠就是這項(xiàng)研究的踐行者。已在多個應(yīng)用領(lǐng)域取得了成果。

安全是人類最基本的需求，但有些工作雖然危險，但也需要人類去做，如果有一款智能機(jī)器人，可以替代人類完成危險工作，那么，它的出現(xiàn)，將是極具意義的?，F(xiàn)在這款機(jī)器人出現(xiàn)了。

范衠與華能汕頭海門電廠有限公司開發(fā)的在線管道修復(fù)智能機(jī)器人。就具備這樣的功能。這款機(jī)器人是國內(nèi)外第一臺用于熱力管道在線修復(fù)的帶壓堵漏智能機(jī)器人，可以使生產(chǎn)系統(tǒng)在不需要停機(jī)時便可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)修復(fù)；同時代替人進(jìn)入有高溫高壓泄漏物噴出的環(huán)境，保障維修人員的安全。

機(jī)器人在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)成為機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的重要組成。作為全國首款為全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)提供一種高精度三維手術(shù)導(dǎo)航與機(jī)器人控制技術(shù)的智能機(jī)器人。剛剛面世，便引發(fā)了關(guān)注。這款機(jī)器人就是范衠與汕頭大學(xué)第一附屬醫(yī)院共同合作研究開發(fā)全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)機(jī)器人。

它是一種集成智能診斷、校準(zhǔn)規(guī)劃、測量導(dǎo)航的多功能全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，達(dá)到提高人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)質(zhì)量，提升手術(shù)精度，降低手術(shù)難度的目的。項(xiàng)目所涉及的關(guān)鍵技術(shù)均申請了專利保護(hù)。

類似的系統(tǒng)開發(fā)還有很多，如，與汕頭市萬格文教科技實(shí)業(yè)有限公司合作開發(fā)的《卡片式編程機(jī)器人》和《EST 可視化編程機(jī)器人》兩款教育類編程機(jī)器人；與汕頭輕工裝備研究院合作開發(fā)的智能科教機(jī)器人等項(xiàng)目均已投入使用。

無人機(jī)集群研究

在無人機(jī)眾多技術(shù)中，無人機(jī)集群技術(shù)備受關(guān)注。如何在噪聲的影響、通信的不確定性、強(qiáng)電磁干擾以及個體自身行為的不確定性等復(fù)雜環(huán)境中，進(jìn)行穩(wěn)定的集群控制；如何在未知環(huán)境和無通信條件時，實(shí)現(xiàn)自主工作，成為無人機(jī)集群研究的重點(diǎn)所在。

于是，范衠課題組就此提出了一種通信拒止環(huán)境下僅基于視覺信息的無人機(jī)集群控制方法。主要創(chuàng)新點(diǎn)為無人機(jī)集群不需要通信，可以僅僅依靠視覺（沒有GPS信號或位置信息）進(jìn)行集群智能環(huán)境感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的搜索、穩(wěn)定跟蹤和無死角合圍，還可以模擬在通信拒止環(huán)境中無人機(jī)之間通信收到干擾的威脅后，僅僅依靠視覺進(jìn)行目標(biāo)搜索和穩(wěn)定跟蹤。項(xiàng)目的成果可以應(yīng)用于眾多民用領(lǐng)域，如城市反恐、目標(biāo)搜救、災(zāi)后搜救等。

在任務(wù)的多樣性和實(shí)際環(huán)境的多變性的情況下，群體形態(tài)需要在不同的任務(wù)和動態(tài)的環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如何實(shí)現(xiàn)？范衠課題針對此問題，提出一種用于群體形態(tài)自動生成的設(shè)計(jì)自動化框架，實(shí)現(xiàn)了群體形態(tài)動態(tài)地自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。

本項(xiàng)目可以有效突破諸如多無人平臺協(xié)同信息處理、無人集群組織協(xié)同、多無人平臺協(xié)同目標(biāo)跟蹤、集群目標(biāo)打擊等無人集群任務(wù)場景下的關(guān)鍵技術(shù)。

算法是智能化實(shí)現(xiàn)的“心臟?！币虼耍缎q開展了帶約束條件的多目標(biāo)進(jìn)化算法方面研究，而這項(xiàng)研究也是其實(shí)驗(yàn)室工作的一個特色，目前在國際學(xué)術(shù)界處于領(lǐng)先的地位。成果已很好地應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的《機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動化》軟件，在六自由度機(jī)械臂及平衡示教機(jī)械臂的開發(fā)方面已經(jīng)獲得了具體的應(yīng)用，其中，平衡示教機(jī)械臂已作為開發(fā)的產(chǎn)品銷售到企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用。

所有與智能機(jī)器人相關(guān)的領(lǐng)域，都是范衠的研究領(lǐng)域。比如，在圖像處理方面，他與汕頭市俊國機(jī)電科技有限公司合作開發(fā)了鋼坯字符識別系統(tǒng)和鋼筋端面識別系統(tǒng)；與廣東航宇衛(wèi)星科技有限公司合作開發(fā)了煙草植株自動檢測系統(tǒng)；自主研發(fā)一套融合圖像處理方法和深度學(xué)習(xí)算法對道路裂縫進(jìn)行自動檢測的系統(tǒng)；開發(fā)一套眼科疾病輔助診斷系統(tǒng)。

智能機(jī)器人的未來，無限廣闊。所以，范衠將繼續(xù)書寫他和他的機(jī)器人故事，于漫漫科研路他表示團(tuán)隊(duì)和家人長期大力支持是取得成功的保障。而我們，也將繼續(xù)期待后續(xù)的精彩......