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国家技术发明奖宋爱国:“阿凡达”并不遥远 未来可通过脑电波控制机器人

导读: 在机器人领域就提出来了一个概念叫人机交互技术,就是让人和机器人互相协作来完成一些工作,也就是把人的智慧引进到机器人的控制回路当中,实现人和机器人的协同工作。

中国网:宋教授,欢迎您作客我们的演播室。

宋爱国:主持人您好,各位网友好。

中国网:首先恭喜您在今天上午国家科学技术奖励大会上,获得了国家技术发明奖二等奖,您研究的这个技术叫人机交互遥操作机器人技术,首先请您给我们大家介绍一下这项技术。

宋爱国:好的,我首先给大家简要介绍一下什么是人机交互遥操作机器人技术。机器人技术大家都很清楚,大家理解都认为机器人长得像人一样的机器,能够代替人从事各种各样的工作,人机交互遥操作机器人是怎么提出来呢?它是在80年代,当时由于传感技术,人工智能,还有控制技术的局限性,在很多环境下面,我们的机器人并没有达到像人这么高的智慧,那怎么办呢?我有很多的工作需要机器人去代替人完成,比方说核电站危险环境,人不能到的环境,深海等,那么这时候在80年代,在机器人领域就提出来了一个概念叫人机交互技术,就是让人和机器人互相协作来完成一些工作,也就是把人的智慧引进到机器人的控制回路当中,实现人和机器人的协同工作。

这里面的关键是什么呢?举一个简单的例子,就是通过各种各样的传感技术,首先检测人的肢体运动、头部的运动等等,让这些人的肢体运动的信息作为控制指令发送给机器人,机器人就跟踪人的各种肢体运动,也就是说人怎么动,机器人就怎么动,而机器人上面又装有视觉、力觉、触觉,把机器人所有的环境,交互的感觉信息反馈给人,在人周围产生相当于虚拟现实的环境,很多感觉直接作用于人,这样在很多复杂的环境当中,人就可以决策,该怎么走,该做什么样的动作,该怎么去完成这种复杂的任务。这种机器人就叫人机交互遥操作机器人,它实际上把人作为人机环路重要的决策部分,来实现人和机器人的统一。

像这种人机交互机器人技术,当时为什么提出来呢?因为是美国在空间探测当中,比方说火星探测、月球探测,在这么一个危险环境或者人很难到达的环境当中,机器人能大大降低成本,但是火星环境也好,月球环境也好,环境事先都不知道,非常非常复杂,机器人在这种环境当中,它无法做出正确的判断,就提出了地面的人和火星上的机器人或者月球上的机器人,通过人机交互技术,使得人就好像在月球环境当中,那个机器人就是我,我就是那个机器人,就有点类似电影《阿凡达》里面的效果,机器人就变成我的代理。比方我要去观测一个岩石或者搬动一个岩石,我在我这边,在地面上人去控制它搬动岩石,我做这么一个动作,机器人就做同样的动作,同时它搬到岩石的时候,抓取岩石的力觉、触觉所有感觉都反馈回来,我在这边就好像我身临其境在现场搬岩石或者说我就在月球上身临其境搬岩石。所以人机交互遥操作机器人它的应用面非常非常广。

另外一个应用是现在远程医疗,医生是很宝贵的资源,但是在很多小的城市,他可能缺少这样有经验的医生,但是医生如果他要到小城市去给病人开刀,路途也很辛苦,如果小城市的病人到大城市里来,那可能病房又不够,通过人机交互遥操作,医生在北京,那个病人可能在河北唐山,我通过这套系统控制唐山的机器人给他进行医疗手术。就好像医生在现场给他医疗手术,因为我有所有现场感觉,我有力觉,触觉,我好像身临其境给病人开刀,从而完成远程的医疗手术。

中国网:听您这么一说,觉得特别神奇,明明是两个相对独立的个体,而从另外一方面来看,又是人机合一的模式,说到机器人,不光我非常感兴趣,相信广大的网友也非常感兴趣,而且在我们生活领域,比如家里的扫地机器人,也应用得非常广泛,我们又非常好奇,中国的在机器人研究领域,目前是处于什么样的水平,在国际上又有什么样的发展状况?

宋爱国:目前中国的机器人研究是处于黄金的时期,因为我们国家政府的重视,企业的重视,而且各行各业都需要机器人来帮助人去提高工作效率,来完成危险的、复杂的,或者人不愿意做的事情。在20年前的时候,我们国家的机器人技术研究还是比较落后的,但是我们国家在863计划里面就把机器人技术作为关键技术进行跟踪,进行支持,所以在十年前我们国家的机器人技术有了很大的发展。特别是2010年以后,由于我们国家政府的重视,企业的大力投入,我们国家机器人技术发展非常迅速,在很多领域已经处于国际的先进,有些领域我们开始在领跑了。在一些技术理论上面也是做得非常好,比方说机器人技术里人工智能,人工智能的机器学习,我们国家目前已经在国际上处于领跑阶段了,你可以看到国际人工智能机器人学习发展的论文和引用情况,我们国家已经在稳居国际第一位。

中国网:特别想问您的是您今天上午获得了国家技术发明奖二等奖,肯定在人机交互遥操作机器人上有所攻克和突破。

宋爱国:对。我今天获奖的项目主要是在三个技术方面获得了一些突破。这个突破也是来之不易,实际上是差不多有20多年的积累,主要体现在三个方面。

第一个 人机交互遥操作,主要涉及到力触觉的传感器。力触觉的传感器原来在863计划实施的时候,国外对中国是禁运的,在第一批863计划当中就把机器人六位力传感器和触觉传感器作为机器人核心关键技术。所以在首批863计划当中就把这个研究内容交给我们实验室,20多年来,我们解决了高精度的多力传感器的设计、制造等问题,所以我们目前六位力传感器的精度,可靠性方面,目前是比美国ATI公司要先进的。从精度指标上,我们的精度,不解藕的情况能达到5%到7%,解藕能达到1%,比美国ATI公司大概高3到4个百分点。

第二个关键技术是我们解决了里面的力反馈技术,因为在人机交互遥操作机器人要把机器人的感觉不但测量出来,还要把它能够以自然的方式作用于人。我举个例子,比方说我在远程手术当中,我对医疗机器人进行遥操作,在遥操作过程当中,比方说我控制它用手术刀给病人切开一下,医生这边要能感觉到手术刀切开的力量,所以我可以判断这块组织切的是不是正常,有没有碰到其他组织,而这个时候除了要有准确测量的交互力以外,机器人切割的时候切割力以外,而且要把这个力反馈给手术医生,让他也能准确感觉到这个力,这个叫力反馈技术。在力反馈方面,我们现在的力反馈的精度也是比国外力反馈精度能够高两个百分点,我们能达到5%的准确度,国外的准确度大概是7%到8%。

第三个关键技术是力控制。针对人机交互力反馈遥操作机器人在通讯环节上存在的短时延(≤2 秒)造成的不稳定问题,提出了自适应阻抗匹配无源控制算法,解决了短时延情况下力反馈遥操作机器人的稳定性和操作性问题;针对人机交互力反馈遥操作机器人在通讯环节上存在的大时延(>2 秒)造成的不稳定难题,提出了基于虚拟预测环境在线建模和修正的力反馈遥操作控制技术,解决了大时延情况下力反馈遥操作机器人的稳定性和操作性难题。

中国网:您说的高两个百分点是什么样的概念,如果他们要突破这两个百分点,是不是需要下非常大的努力?

宋爱国:对,因为测量精度,提高两个百分点是非常不容易的。因为涉及到多维力的测量和多维力的反馈,一到多维就存在严重的未解耦合。我们当时通过十多年提出来了一个结构,一种机械结构以及控制算法实现了2%到3%的精度的提高,实际上也就是说把误差降低了2%到3%个点。降低一个点都是非常困难的。

我仍然可以用医疗手术机器人来举例,这个大家可能比较清楚,医生通过这个设备,那边有一个准确力触觉反馈,我就知道那个组织到底硬度怎么样,比方说在肿瘤手术当中,肿瘤要比周围组织要硬一点,良性肿瘤可能有一个包膜,恶性肿瘤一般没包膜,你通过力触觉反馈就可以让操作人员通过这个设备就知道,有没有包膜或者这个组织硬度怎么样,甚至温度怎么样,因为肿瘤的温度比周围温度也要高一点点,我就能够正确识别被操作对象或者说在医疗里面需要做手术的组织和器官的特点,所以力触觉反馈的精度是非常重要的,它对提高医生或者操作人员对远距离环境或者危险环境它的物理属性至关重要。

中国网:除了刚才您说的在探月的领域,在核电领域,在医疗手术领域,还有没有一些应用很广泛的领域,跟我们老百姓切身相关的,我们能够真真切切感受到的。

国家技术发明奖宋爱国:“阿凡达”并不遥远 未来可通过脑电波控制机器人

国家技术发明奖二等奖获得者宋爱国教授接受中国网专访  伦晓璇/摄影

宋爱国:它还有很多领域,比方说在教育领域。我们现在跟中兴公司联合研制一个具有力触觉感觉的摇控器,中兴公司有一套基于IPTV的教育系统,这套教育系统在江苏有十几万的用户,这里就有很多节目,不仅能够看得到,而且可以摸得到,可以在这里边做一些虚拟的实验,可以动手做,对于真实的力觉、触觉。

第二大家都喜欢网上购物,电子购物是最普通,最常见的,但是比方说我们看好了一件衣服,觉得很不错,在网络上我们都看得到,也可以通过触控笔把它翻过来覆过去看它的情况,也通过虚拟人来看衣服穿着的效果,但是可能寄过来以后你就发现,这个衣料可能很粗糙,很不光滑或者说这个料子不太好,我摸着不舒服,穿着不舒服,你再退货,我们这个技术让你在网上购物的时候,不仅能看到,还可以亲手摸摸这个衣服,这个布料是不是觉得手感很好,这个手感很软,也很舒服,这么你寄过来,你就不可能再去退货了。

中国网:也就是说我们通过这个技术,在网络上来辨别,这个是山寨货还是正牌货是吗?

宋爱国:可以这么说,关键是你不仅能看到,还能摸得到,能触摸到这个衣服的纹理。

中国网:可以说这项技术已经辐射到社会各个方面,它的未来发展方向又在哪里?

宋爱国:可以从两个方面,一个是技术本身的研究前沿,另外一个是技术的应用情况,应用的前景。

从人机交互遥操作机器人它的技术本身发展的前沿,未来的发展是以神经信号为媒介,大家看过《阿凡达》,最终我们要做成类似阿凡达。我们利用脑电波,利用神经电信号,直接来控制机器人,同时机器人所有感觉又通过神经电信号进入人的大脑,使得通过神经为媒介,实现对机器人的远程遥操作。举个例子,我只要戴上脑电帽,我只要想我人怎么动,实际上人并不怎么动,想我要怎么动,那个机器人按照我你的想法进行运动,你可以用脑电波直接控制机器人。

第二机器人所有感觉又通过脑电波的方式,进入你人的大脑,机器人看到什么,摸到什么,你我完全能够感觉到,而不用像现在我们用手控器,力反馈数据手套等等这些装置,这些物理装置给人以力和触觉刺激,以后直接通过电击这种刺激,它摸到东西,把传感信号检测出来,通过人神经通路上加电脉冲产生同样的感觉,最终实际上就像阿凡达一样。这就是学术上的研究前沿,就是以神经系统作为人和机器人的交互方式,人和机器人之间的交互全部是通过神经方式进行交互。

中国网:可以说这么多技术的研究成果让您非常地骄傲,也非常地自豪,您今天上午也获得了国家技术发明奖二等奖,您获奖之后最大的感受是什么?

宋爱国:因为获得技术发明奖实际上是对过去的20年工作的总结,一个肯定,这个获奖同时也是对今后工作的激励,但通过这次获奖,我感觉到我们做科研一定要注意两个方面,也就是当时做863里面讲的顶天立地。什么叫顶天?一定要做学术最前沿的,一定要有创新,就是瞄准学术前沿,做最前沿,引领学术前沿;立地是什么?你这个东西成熟以后,一定要应用,要有应用背景。最重要的是什么?我们的研究,要解决国家和国民经济当中一些重大需求的问题,只有解决了国家重大工程中的重大问题和国民经济中的一些重大需求问题,你的研究才能完全落地。所以我觉得做研究一定要顶天立地,这两个方面一定要抓住。但是顶天和立地,这个过程是非常漫长的,因为首先要做最前沿的,最新的东西,同时一步步把它做成熟,然后要攻破关键技术,最后进行实际应用。一般来讲,这个周期很长,对我们这技术,我们是花了十几年,所以这十几年当中还要去坚持,一定要坚持下去,瞄准一个方向,不能中途放弃。

中国网:做科研工作相对来说是比较枯燥的,也可能一半时间在家里,一半时间在实验室,有可能一大半时间都在实验室,也就是刚才您说的一定要坚持,相信这句话也是送给年轻的科研工作者的,最后还想请您总结几句话,对年轻的科研工作者的一些嘱托,一些寄语。

宋爱国:最主要的选准一个方向非常重要,这个方向要围绕国家重大工程,选准前沿学术方向,这是一个。第二,要能够耐得住寂寞,要能够长期坚持,就是不能有浮躁之心,可能这当中会碰到很多失败,包括我们研究当中都碰到很多失败,但是你一直坚持下去,很多难题慢慢都会攻破。    另外,我觉得还要有一些团队协作精神,一项研究,一项系统性的研究,实际上是要有很多人参加的,而且时间都很长,这里面的协作,我们团队也是十几年的协作,这里面一定要做好分工,一定要有团队协作精神。

中国网:耐的住寂寞,经得起失败,您今天的成功也是在一次一次的失败中积累起来的,再一次谢谢宋教授给我们带来这么多技术的分享,谢谢您!

宋爱国:也谢谢主持人。

中国网:也谢谢各位网友的收看,再见!

附录:人机交互遥操作机器人的力觉感知与反馈技术简介

随着我国空间探测、核能利用、远程制造等领域的快速发展,迫切需要可远程控制机器人完成未知或危险环境中复杂作业任务的人机交互遥操作系统。而力觉感知与反馈则是人机交互遥操作机器人系统极其关键的技术,它将机器人与环境相互作用的力觉信息检测并反馈给操作者,使操作者准确地感知与识别操作对象,有效地远程控制机器人完成复杂的操作任务。

该项目历时12年,在国家863项目、国家自然科学基金项目,以及航天科研院所合作项目的资助下,突破了人机交互遥操作机器人的力感知、力反馈、力控制三大关键技术,研制成功人机交互遥操作的关键支撑设备,填补了国内空白,丰富和发展了我国人机交互遥操作机器人技术及系统。

该项目获国家发明专利授权54项、计算机软件著作权12项。发表论文186篇,其中SCI收录96篇,论文被SCI他引820次。相关成果曾获2014年江苏省科技进步一等奖、2016年教育部技术发明一等奖、2010年国家知识产权局中国专利优秀奖、2012年与2013年日内瓦国际发明金奖等。

该成果在我国载人航天与探月工程中得到应用,为“嫦娥三号”月面巡视器遥操作任务和卫星在轨服务机器人遥操作任务提供了技术与设备保障,为我国未来空间站舱外大型机械臂的人机交互遥操作任务完成了全面的地面试验验证。

该成果还在核反应堆和核电站工程中得到应用,并且在工业机器人特种机器人、智能工程机械等领域得到应用或产业化,取得了重大的社会效益和经济效益,近三年新增销售额10.04亿元,新增利润2.07亿元。(中国网/佟静)

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