院士談共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群的創(chuàng)新發(fā)展和跨越發(fā)展

本文來自于第八屆中國機(jī)器人峰會上熊有倫院士題為《凝心聚力，實(shí)現(xiàn)共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群的創(chuàng)新發(fā)展、跨越發(fā)展》的報告，通過錄音整理而成。

文章首先從機(jī)器人的概念談起，介紹了機(jī)器人的分類及其對產(chǎn)業(yè)、科技、生產(chǎn)、教育等的影響；接著重點(diǎn)圍繞共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群的創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)行論述，一是要夯實(shí)科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、突破關(guān)鍵技術(shù)、解決“卡脖子”問題；二是要加強(qiáng)機(jī)器人科技人才教育與培養(yǎng)，支持高?？蒲性核囵B(yǎng)專業(yè)技術(shù)和復(fù)合型高端人才。此外，在夯實(shí)科技基礎(chǔ)部分，文章重點(diǎn)介紹了華中科技大學(xué)在機(jī)器人化智能制造、軟體機(jī)器人等方面開展的基礎(chǔ)研究工作及相關(guān)成果。

▍1.共融機(jī)器人

1.1 機(jī)器人的定義

教科書的序言對機(jī)器人提出了一個模糊定義，將機(jī)器人作為“操作”“海陸空”“人機(jī)共融”三個子類的合并。其中，“操作臂”為工業(yè)機(jī)器人和建筑機(jī)器人，包括焊接、噴漆、裝配機(jī)器人，工程機(jī)械等；海陸空主要包括無人機(jī)、智能駕駛、網(wǎng)聯(lián)汽車、水下機(jī)器人（AGV&AUV）等；人機(jī)共融意為擬人、仿生、類生機(jī)器人，包括：微納機(jī)器人、細(xì)胞操作機(jī)器人、軟體機(jī)器人等。根據(jù)機(jī)器人的定義，可以借用共融機(jī)器人來表示機(jī)器人的內(nèi)涵和外延，刻畫機(jī)器人的本質(zhì)和特征，描述機(jī)器人的演變。

如今，機(jī)器人制造、建造，機(jī)器人進(jìn)入海陸空，機(jī)器人用于康復(fù)醫(yī)療、微創(chuàng)手術(shù)等都對人類社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、日常生活產(chǎn)生巨大影響，共融機(jī)器人的發(fā)展離不開機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃、技術(shù)的進(jìn)步以及人才的培養(yǎng)。

1.2 機(jī)器人與汽車的完美結(jié)合

1.2.1 機(jī)器人與汽車早期結(jié)合

上世紀(jì)80年代，機(jī)器人與汽車的完美結(jié)合（圖1）不僅帶動工業(yè)機(jī)器人的迅猛發(fā)展，而且促進(jìn)汽車工業(yè)從自動化邁向數(shù)字化，成為20世紀(jì)的偉大科技成就。同時也是產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一，是先進(jìn)生產(chǎn)力的重要組成部分。

圖1 機(jī)器人與汽車的結(jié)合

羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）教授在其報告“自動化與社會”（Automation and Society）中批判了1979年以前英國工黨關(guān)于限制采用工業(yè)機(jī)器人的政策，導(dǎo)致英國的汽車工業(yè)長期處于落后的狀態(tài)，直至今日依舊落后于德國、日本、美國、法國、意大利、韓國。我國吸取了英國的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，大力發(fā)展汽車工業(yè)，三年疫情雖然導(dǎo)致五金出口普遍減少，但是汽車出口有所增加，這是現(xiàn)代工業(yè)體系建立的一個表現(xiàn)。

1.2.2 機(jī)器人與汽車的深度融合

本世紀(jì)以來，機(jī)器人與汽車逐漸實(shí)現(xiàn)深度融合，以新能源、新材料和電子信息等為代表的技術(shù)創(chuàng)新正在改變著制造業(yè)的要素配置方式、生產(chǎn)組織模式和產(chǎn)業(yè)發(fā)展形態(tài)。

新能源汽車、網(wǎng)聯(lián)汽車等的蓬勃發(fā)展將推進(jìn)汽車的輕量化、電動化、智能化。例如，2019年沃爾沃公司展示的概念車360c沒有駕駛室，只有工作空間跟生活空間，智能汽車（圖2）將不再只是一個交通運(yùn)輸工具，而是人類的移動工作空間和移動生活空間，將極大地改變?nèi)藗兊纳罘绞剑蔀閷?shí)體經(jīng)濟(jì)的重要載體并產(chǎn)生重大的社會經(jīng)濟(jì)效果。

1.2.3 機(jī)器人和汽車的融合發(fā)展對社會經(jīng)濟(jì)的影響

憑借機(jī)器人技術(shù)構(gòu)建萬物皆可自由移動的生態(tài)系統(tǒng)，使物體無論何種體積或形狀都可在2D和3D空間自由運(yùn)動。最終實(shí)現(xiàn)所有物體都被賦予移動性的“Mobility of Thing（MoT）”生態(tài)系統(tǒng)（圖3）。

現(xiàn)代汽車在2022年消費(fèi)電子展（Consumer Electronics Show，CES）上發(fā)布機(jī)器人愿景——機(jī)器人技術(shù)與元宇宙相結(jié)合的“Metamobility”將拓展移動出行的維度，實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)到虛擬世界的終極移動出行自由。

1.3 機(jī)器人學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

機(jī)器人學(xué)（Robotics）是研究機(jī)器人的學(xué)問，其概念、內(nèi)容不斷擴(kuò)大并逐漸衍生為一門交叉融合、綜合開放的機(jī)器人科學(xué)（Robotics Science。機(jī)器人學(xué)的產(chǎn)生是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展和跨越發(fā)展的引擎。機(jī)器人學(xué)幾乎和第一代工業(yè)機(jī)器人同時產(chǎn)生，機(jī)器人的發(fā)展使得機(jī)器人學(xué)內(nèi)容更加豐富。

1.3.1 從力學(xué)角度看機(jī)器人學(xué)

從力學(xué)的角度看，機(jī)器人學(xué)是研究剛體、多體、軟體、人體（動物）的運(yùn)動（規(guī)劃與控制）和接觸作用（形封閉和力封閉），并且要實(shí)現(xiàn)智能化。對于剛體而言，運(yùn)動的描述不能采用線性代數(shù)，要采用力學(xué)代數(shù)；多剛體涉及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、指數(shù)積、雙臂協(xié)調(diào)等問題；軟體作為無限維的多體，需要運(yùn)用偏微分方程、半群、有限元等方式；對于人體的研究更為復(fù)雜，包括腦模型、思維認(rèn)知、人體組織結(jié)構(gòu)等（圖4）。因此，機(jī)器人學(xué)的發(fā)展同時也促進(jìn)了力學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、人工智能、生物智能等多學(xué)科的發(fā)展。

圖4 機(jī)器人的“四體”研究

1.3.2 從其他角度看機(jī)器人學(xué)

機(jī)器人是關(guān)于“形”的科學(xué)問題，研究工作空間圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、曲面重構(gòu)、幾何造型，以及在形位空間（C-Space）（圖5）中機(jī)器人的約束和運(yùn)動之間的關(guān)系。

圖5 C-Space

機(jī)器人還是關(guān)于“性”的科學(xué)問題，研究過程中需要解決機(jī)器人在建模、仿真、規(guī)劃、控制、設(shè)計、離線編程、導(dǎo)航等問題，包括問題的可行性、最優(yōu)性和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法。

同時，人—機(jī)—環(huán)境共融（圖6）也是機(jī)器人學(xué)的關(guān)注重點(diǎn)，人與機(jī)器人之間的通訊、控制、合作與協(xié)調(diào)等，以及相互交流、相互影響、相互作用的耦合關(guān)系。人類的終極目標(biāo)是建立和諧社會，包括人與人之間的和諧，人與自然的和諧，人與機(jī)器人之間的和諧。

圖6 人—機(jī)—環(huán)境共融

▍2.機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群

2.1 產(chǎn)生與發(fā)展

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要載體，其發(fā)展極大加快了實(shí)體經(jīng)濟(jì)數(shù)字化、智能化和柔性化的進(jìn)程，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的重要組成部分。從中央政治局會議到二十屆中央財經(jīng)委員會第一次會議，“加快建設(shè)以實(shí)體經(jīng)濟(jì)為支撐的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系”多次出現(xiàn)在中國頂層部署之中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群的發(fā)展應(yīng)當(dāng)引起更大的重視。

按照機(jī)器人的定義，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群也能夠分為三個子類，操作類（工業(yè)機(jī)器人和建筑機(jī)器人）、海陸空類、人機(jī)共融類。操作類的產(chǎn)業(yè)群要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，提升傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)靈活生產(chǎn)、提升安全性，并利用數(shù)字驅(qū)動的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，從而提升企業(yè)競爭力和可持續(xù)發(fā)展。海陸空類的產(chǎn)業(yè)群要逐步實(shí)現(xiàn)智能化，包括行為智能與產(chǎn)品智能，智能化的機(jī)器人具備自主感知、決策和執(zhí)行能力，能夠應(yīng)用于海陸空多個領(lǐng)域（如制造業(yè)、物流業(yè)、醫(yī)療等），推動科技進(jìn)步創(chuàng)新，提高工作效率與生產(chǎn)力，增強(qiáng)安全性并降低風(fēng)險，改善人類生活質(zhì)量，為人類社會帶來巨大的價值和影響。人機(jī)共融類不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化，還要實(shí)現(xiàn)柔性化。柔性化的機(jī)器人能夠快速適應(yīng)不同任務(wù)和工作環(huán)境的需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的高效靈活運(yùn)作，提高生產(chǎn)線的靈活性和效率，拓展應(yīng)用領(lǐng)域和增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作能力，通過與人類進(jìn)行緊密的協(xié)作和交互，實(shí)現(xiàn)更高效、安全和多樣化的生產(chǎn)和服務(wù)，目前，柔性電池的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)柔性化的一個重要途徑。

共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群（圖7）涵蓋5類產(chǎn)業(yè)，電子信息產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、高技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)、民生支柱產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)。作為工程科學(xué)最活躍的領(lǐng)域，共融機(jī)器人催生了許多新技術(shù)、新理論、新軟件、新方法，是構(gòu)建現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系的基礎(chǔ)，也是勞動密集型產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，對此，要給予機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群發(fā)展極大的重視。

圖7 共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群

2.2 國際發(fā)展戰(zhàn)略

國際方面，美國在2011-2013年間相繼推出“國家機(jī)器人計劃”及2.0版機(jī)器人發(fā)展路線圖，2016年制定新的路線圖，旨在占據(jù)美國在下一代機(jī)器人的領(lǐng)先地位。歐盟及歐洲機(jī)器人協(xié)會于2014年聯(lián)合啟動“火花計劃”，到2020年已投入28億歐元用于研發(fā)基于大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的高級機(jī)器人。

未來，機(jī)器人與新能源汽車的深度融合，將帶動汽車沿著智能、綠色和安全的方向發(fā)展，智能汽車與無人機(jī)、水下機(jī)器人（圖8）一起，形成共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，這將是今后30年各國爭奪的戰(zhàn)略高地。

2.3 機(jī)器人與制造業(yè)發(fā)展

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群實(shí)質(zhì)是機(jī)器人與制造業(yè)發(fā)展之間的關(guān)系，中國各大產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程通常有五個階段，從中國制造到中國智造，到產(chǎn)品，到品牌，最后是服務(wù)（圖9）。從中國高鐵的發(fā)展中可以汲取一定的經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)消化、自主研發(fā)、創(chuàng)建品牌、服務(wù)世界要逐步進(jìn)行。

圖9 中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程

▍3.機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群的創(chuàng)新發(fā)展

機(jī)器人是制造業(yè)重要的支柱，已成為第三次工業(yè)革命和第四次工業(yè)革命的一個重要增長點(diǎn)，影響全球制造格局。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群的創(chuàng)新發(fā)展一是要夯實(shí)科技基礎(chǔ)，二是要加強(qiáng)人才培養(yǎng)與教育

3.1 夯實(shí)科技基礎(chǔ)

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展首先要夯實(shí)科技基礎(chǔ)（圖10），習(xí)近平總書記指出，“要針對創(chuàng)新鏈的前端和終端，加強(qiáng)科技基礎(chǔ)研究”，而在機(jī)器人核心技術(shù)方面只有加強(qiáng)科技基礎(chǔ)研究，才能突破顛覆性技術(shù)?？ú弊訂栴}是目前面臨的最大難題，其實(shí)質(zhì)是基礎(chǔ)原理、基礎(chǔ)性研究，包括理論研究和事業(yè)研究的缺乏，因此夯實(shí)基礎(chǔ)顯得更為重要。

近年來，華中科技大學(xué)圍繞機(jī)器人化智能制造開展基礎(chǔ)研究，并取得了較好的效果。

3.1.1 機(jī)器人化智能制造

所謂機(jī)器人化智能制造，其本質(zhì)是利用機(jī)器人靈巧、順應(yīng)和協(xié)同等特點(diǎn)，將人類智慧和知識經(jīng)驗(yàn)融入制造過程，實(shí)現(xiàn)不確定性非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的機(jī)器人自律制造。圍繞機(jī)器人化智能制造，華中科技大學(xué)提出三大科學(xué)問題（圖11），第一個是機(jī)器人化加工的靈巧性和線性調(diào)控，用于解決復(fù)雜空間；第二個是機(jī)器人加工多模態(tài)感知行為順應(yīng)，重點(diǎn)解決大范圍高精度的加工難題；第三個是人—機(jī)—環(huán)境共融制造系統(tǒng)的進(jìn)化，是一種知識的積累、加工方法的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)工藝知識學(xué)習(xí)和制造系統(tǒng)的進(jìn)化。

圖11 機(jī)器人化智能制造

3.1.1.1 機(jī)器人加工創(chuàng)新系統(tǒng)開發(fā)

機(jī)器人加工創(chuàng)新系統(tǒng)（圖12）的開發(fā)，提升了機(jī)器人對于任務(wù)環(huán)境的適應(yīng)性以及可加工的尺度。面對固定的機(jī)床，機(jī)器人從一維移動到二維移動到如今爬壁加工機(jī)器人的三維移動。兩棲/多棲加工機(jī)器人跨介質(zhì)環(huán)境的能力，能夠突破加工尺度、地域、時間的三重約束，利用無處不在的機(jī)器人、傳感（感知）和人工智能，實(shí)現(xiàn)無處不在的制造。

圖12 機(jī)器人加工創(chuàng)新系統(tǒng)

3.1.1.2 大型構(gòu)件多機(jī)器人協(xié)同加工模式創(chuàng)新

在突破加工尺度、地域和時間約束的基礎(chǔ)上，大型構(gòu)件多機(jī)器人協(xié)同加工能夠?qū)崿F(xiàn)“隨時隨地五軸原位加工”，通過大范圍移動定位和局部精雕細(xì)琢，把“機(jī)床”舉起來；另外“螞蟻噬骨”式集群加工通過曲面順應(yīng)吸附、力位柔順控制、自律集群加工實(shí)現(xiàn)吸附式移動加工（圖13）。

圖13 大型構(gòu)件多機(jī)器人協(xié)同加工模式

3.1.1.3 機(jī)器人加工全域精度可控理論

工業(yè)機(jī)器人要求低精度、低剛度，目前剛度隨姿態(tài)改變產(chǎn)生非線性變化，全域精度的保持非常困難。筆者及其研究團(tuán)隊提出了“機(jī)器人加工全域精度可控理論”（圖14），建立了超大尺度空間機(jī)器人移動加工誤差順應(yīng)補(bǔ)償機(jī)制與精度可控理論，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜構(gòu)件（＞50m）全域高精度磨拋加工（精度優(yōu)于±50um，Ra1.6um）。

圖14 機(jī)器人加工全域精度可控理論

3..1.1.4機(jī)器人測量—操作—加工一體化技術(shù)

（1）全場景跨尺度測量

目前大型加工件在拼接測量方面存在許多問題，如加工件無標(biāo)記點(diǎn)導(dǎo)致的初始拼接基準(zhǔn)缺乏、缺乏幾何特征和紋理特征導(dǎo)致拼接精度低等，對此，筆者及其團(tuán)隊成員提出了全場景跨尺度測量（圖15），建立了“局部精掃—鄰域拼接—全局優(yōu)化”的大型構(gòu)件拼接測量方法，突破了工件表面非朗伯高光反射、弱結(jié)構(gòu)特征對拼接測量的影響。

圖15 全場景跨尺度測量

（2） 自律跟蹤控制

基于操作過程中超大范圍在線自/互定位缺乏加工基準(zhǔn)，移動平臺平動誤差＞5mm、轉(zhuǎn)動誤差＞1等現(xiàn)存問題，筆者及其團(tuán)隊建立了基于“點(diǎn)云伺服+最優(yōu)剛度”約束的單機(jī)器人動態(tài)尋位策略，提出了基于同名點(diǎn)空間定位的多機(jī)器人動態(tài)尋位方法（圖16）。

圖16 自律跟蹤控制

3.1.1.5 自適應(yīng)加工

在加工技術(shù)方面，通過探索—學(xué)習(xí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自適應(yīng)加工（圖17）?；趧?cè)釋ε?、非線性阻抗控制，實(shí)現(xiàn)了弱剛性構(gòu)件雙機(jī)器人互為支撐加工，極大地提升了精度，磨削精度≤±20um。

圖17 自適應(yīng)加工

3..1.1.6 大型復(fù)雜構(gòu)件吸附式移動機(jī)器人集群制造

爬壁加工機(jī)器人是具備變曲率曲面主動順應(yīng)吸附與自適應(yīng)恒力磨拋的機(jī)器人，目前正在上海飛機(jī)制造公司進(jìn)行工藝驗(yàn)證（圖18）。飛機(jī)蒙皮表面多爬壁機(jī)器人協(xié)同蒙皮活化，變曲率曲面吸附力穩(wěn)定大于1000N，軌跡追蹤精度為4mm，有望突破大飛機(jī)蒙皮活化產(chǎn)能瓶頸。

圖18 大型復(fù)雜構(gòu)件吸附式移動機(jī)器人集群制造

3..1.1.7 大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人集群跨介質(zhì)制造

兩棲吸附式移動機(jī)器人集群（圖19）不僅可以在陸地作業(yè)，也可以在水下作業(yè)，為海工裝備在役運(yùn)維提供了變革思路。該吸附式移動機(jī)器人具有吸得“穩(wěn)”、定得“準(zhǔn)”、作業(yè)“快”的特點(diǎn)，可見大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人的制造也逐漸呈現(xiàn)出突破制造尺度、地域、時間的約束。

圖19 大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人集群跨介質(zhì)制造

3.1.1. 8規(guī)劃、控制、避障，2D—3D一體化方法

海陸空機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人在學(xué)科上的共同之處在于運(yùn)動規(guī)劃、軌跡控制與實(shí)時避障，且都要采取二維、三維統(tǒng)一的方法（圖20）。意大利熱那亞大學(xué)Antonio Sgorbissa發(fā)表于《國際機(jī)器人研究雜志》（International Journal of Robotics Research）的文章二維度和三維集成機(jī)器人規(guī)劃、路徑跟蹤和避障：輪式機(jī)器人、水下機(jī)器人和多旋翼（Integrated robot planning， path following， and obstacle avoidance in two and three dimensions： wheeled robots， underwater vehicles， and multicopters），提出了一種創(chuàng)新的、集成的解決方案，用于路徑規(guī)劃、路徑跟蹤和避障，適用于2D和3D導(dǎo)航。該方法以連接起點(diǎn)和目標(biāo)位置的通用曲線作為輸入，即使在沒有全局信息的情況下，也能在迷宮環(huán)境中找到從起點(diǎn)到目標(biāo)的對應(yīng)路徑，最終避免了局部感知障礙。

圖20 規(guī)劃、控制、避障，2D—3D一體化方法

3.1.1.9 手眼系統(tǒng)與ADAS車載系統(tǒng)

海陸空機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的另一共同之處可以視為“手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)”，不同之處在于道路環(huán)境與上面的加工環(huán)境。智能汽車也是一種具備視覺、雷達(dá)和超聲測量的機(jī)器人，駕駛安全作為汽車領(lǐng)域研究的重要問題，駕駛安全監(jiān)控系統(tǒng)主要分為車載系統(tǒng)和路側(cè)系統(tǒng)（圖21）。

圖21 車載系統(tǒng)與路側(cè)系統(tǒng)

手眼系統(tǒng)的研究很早，可以追溯到20世紀(jì)80年代，現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用多達(dá)幾百種，目前逐漸發(fā)展為車與萬物（Vchicle-to-Everything， V2X）通信技術(shù)，成為解決安全問題的新方案，車載系統(tǒng)和路側(cè)系統(tǒng)就是基于手眼系統(tǒng)的V2X萬物互聯(lián)（圖22），因海量數(shù)據(jù)難以在云端完全處理，路側(cè)設(shè)備成為重要的處理單元，實(shí)現(xiàn)“車—邊端—云”的分級架構(gòu)。此外，手眼系統(tǒng)可以進(jìn)一步發(fā)展成為手眼腦系統(tǒng)，從而為擬人機(jī)器人、仿生機(jī)器人和類生機(jī)器人的研究提供技術(shù)支撐。

圖22 基于手眼系統(tǒng)的V2X萬物互聯(lián)

3.1.1.10 自主無人艇集群協(xié)同控制

自主無人艇集群協(xié)同控制技術(shù)要求同步“快”、調(diào)控“靈”、種類“多”，能夠充分利用局部信息加快同步，高效精準(zhǔn)調(diào)控集群構(gòu)型應(yīng)對突發(fā)狀況，在多重約束下協(xié)同多類無人艇，即實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無人艇集群的協(xié)同捕獲（圖23）。無人艇集群在突破異構(gòu)動力學(xué)約束的情況下，實(shí)現(xiàn)分布式航道測量和穩(wěn)定模態(tài)漸進(jìn)耦合的協(xié)同控制。

圖23 異構(gòu)無人艇集群協(xié)同捕獲

3.1.1.11無人艇—無人機(jī)集群跨域協(xié)同

無人艇、無人機(jī)集群的協(xié)同是一種跨領(lǐng)域的協(xié)同方式（圖24），通過研究訓(xùn)練，能夠提高協(xié)同無人艇—無人機(jī)種類，以及降低無人艇—無人機(jī)協(xié)同降落的誤差。

圖24 無人艇—無人機(jī)集群跨域協(xié)同

同時，筆者及其團(tuán)隊自主研發(fā)了系列感知、驅(qū)動、調(diào)控部件，從1.2米到10米20噸的系列十余類巡邏、偵查、警戒等無人艇裝備（圖25）。

圖25 無人艇裝備、核心功能部件及應(yīng)用系統(tǒng)

3.1.2 軟體機(jī)器人

中國國家自然基金委“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”重大計劃與科技部“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項都將剛?cè)彳浫诤霞夹g(shù)列為重點(diǎn)指南方向。軟體機(jī)器人（圖26）憑借柔順、大變形，友好交互等特征，在醫(yī)療、勘探、制造、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。作為材料學(xué)、仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)等多學(xué)科深度交叉的產(chǎn)物，由于其基于軟材料和大變形特性，完全顛覆了原來以硬質(zhì)材料和小變形為主的設(shè)計方法和加工體系。目前國際上新的軟體機(jī)器人設(shè)計方法和加工工藝不斷涌現(xiàn)，使得軟體機(jī)器人研究成為機(jī)器人研究的最前沿。

圖26 軟體機(jī)器人

微小軟體機(jī)器人（圖27）是將材料通過加工做成有用的結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生動作，這些動作構(gòu)成的一些功能就是機(jī)器人的功能，更重要的是該機(jī)器人不僅有動作、功能，而且具有生物智能。微小軟體機(jī)器人從材料、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、功能和智能（智慧）多層次的制備與性能的集成工藝，概括新軟體機(jī)器人的設(shè)計方法，為進(jìn)一步揭示微小軟體機(jī)器人的人工進(jìn)化、人工選擇提供理論依據(jù)和技術(shù)手段，將人工智能和生物智能結(jié)合起來，用人工進(jìn)化代替自然進(jìn)化。

圖27 微小軟體機(jī)器人

3.1.2.1 機(jī)器人電子皮膚與類人觸覺感知

機(jī)器人電子皮膚（圖28）是將各種電子元器件集成在柔性基板上而形成的皮膚狀的電路板，具有和人體皮膚一樣的柔韌性和彈性，以及類人觸覺感知。筆者及其團(tuán)隊研發(fā)的電子皮膚最小檢測力為0.1Pa，靈敏度為9500KPa-1，1032通道大面積檢測，響應(yīng)時間小于30ms，目前已經(jīng)大面積應(yīng)用于KUKA機(jī)器人末端軸，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場碰撞檢測與人機(jī)交互。

圖28 機(jī)器人電子皮膚

3.1.2 .2人機(jī)交互與人體意圖識別

通過同步采集多通道肌電信號和運(yùn)動信號，能夠?qū)崿F(xiàn)21種手勢的識別（圖29）且準(zhǔn)確率高達(dá)97.56%，在肌電控制、人機(jī)交互方面有著廣泛的應(yīng)用場景，憑借低延遲的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對多種智能設(shè)備的實(shí)時、無線、非接觸式控制。

圖29 人機(jī)交互與人體意圖識別

3.1.2.3 柔性混合電子系統(tǒng)應(yīng)用于人體狀態(tài)檢測

通過開發(fā)可貼附于皮膚表面的傳感系統(tǒng)，采集生理電、血氧、體溫等信號，綜合反映人體生理和心理狀態(tài)，可用于術(shù)后游離皮瓣與再植斷指血運(yùn)檢測系統(tǒng)、智能水凝膠電極精確診斷周圍神經(jīng)病變（圖30）。

圖30 柔性混合電子系統(tǒng)應(yīng)用于人體狀態(tài)檢測

▍4.人才培養(yǎng)與教育

人才培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵，《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，“到2025年我國成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造聚集地和集成應(yīng)用新高地”，“加強(qiáng)機(jī)器人科技人才培養(yǎng)，支持高校和科研院所培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)和復(fù)合型高端人才。鼓勵校企聯(lián)合開展產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，推行訂單培養(yǎng)、現(xiàn)代學(xué)徒制等模式，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需人才”。

對此，筆者認(rèn)為人才的培養(yǎng)與教育應(yīng)該關(guān)注三點(diǎn)內(nèi)容，第一，共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群的跨越發(fā)展已推動新工科與新醫(yī)科的發(fā)展與融合（圖31）；第二，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，將產(chǎn)學(xué)研三者結(jié)合，多學(xué)科融合交叉（STEM+），能夠產(chǎn)生聚集效應(yīng)；第三，要培養(yǎng)多模式（研究型大學(xué)/普通高校/職業(yè)學(xué)校）、多層次（研究生/本科生/?？粕?技工）復(fù)合型創(chuàng)新人才。

4.1 復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)

培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才（圖32）要注重理想視野、理論技術(shù)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維等多方面的培養(yǎng)內(nèi)容。通過學(xué)術(shù)前沿、學(xué)術(shù)難題引發(fā)學(xué)生對于科學(xué)研究的興趣，啟發(fā)科學(xué)研究的思維，同時以教學(xué)夯實(shí)理論技術(shù)基礎(chǔ)，積極參與研究項目，訓(xùn)練科研能力，實(shí)現(xiàn)不斷創(chuàng)新。

圖32 復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)

4.2 機(jī)器人科學(xué)的性質(zhì)與發(fā)展

復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)對于機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展同樣重要。機(jī)器人科學(xué)與制造科學(xué)一樣，是一門工程科學(xué)，維納的控制論和錢學(xué)森的工程控制論是工程科學(xué)產(chǎn)生的兩個重要里程碑。1988年以前，Michael Brady前瞻性的預(yù)測機(jī)器人科學(xué)的九大問題（圖33），本世紀(jì)以來，共融機(jī)器人的發(fā)展所提出的科學(xué)問題越來越多，越來越廣泛，越來越深刻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象，已經(jīng)成為一門內(nèi)容豐富的工程科學(xué)。如今，機(jī)器人科學(xué)大致可以分為三大部分：CZB、HLK、RJGR，具有與制造科學(xué)相似的性質(zhì)。

圖33 機(jī)器人科學(xué)的九大問題

隨著機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)教材（圖34）建設(shè)也取得了巨大的成績，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的教材（圖35）。筆者認(rèn)為，一本優(yōu)秀的教材應(yīng)該考慮以下幾個方面，一是要明確機(jī)器人學(xué)是一門工程科學(xué)，工程科學(xué)跟原來的科學(xué)不一樣，要從數(shù)理化、天地生里面找出跟這門工程科學(xué)有關(guān)的融合在一起；二是要明確對象是共融機(jī)器人，包括操作臂類、海陸空類和人機(jī)共融類；三是內(nèi)容要精細(xì)；四是教學(xué)與科研要實(shí)現(xiàn)結(jié)合；五是內(nèi)容要不斷更新、與時俱進(jìn)。

圖34 機(jī)器人學(xué)教材

圖35 《機(jī)器人學(xué)：建模、控制與視覺》

教材的優(yōu)化需要領(lǐng)域?qū)＜覀兡木哿Α⒐餐懻?、群策群力。近些年，華中科技大學(xué)召開了多次關(guān)于機(jī)器人學(xué)教學(xué)、教材和實(shí)驗(yàn)課的研討會議（圖36），得到了眾多機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的大力幫助和支持。為進(jìn)一步提高機(jī)器人學(xué)教學(xué)質(zhì)量，需要推動機(jī)器人從選修課到必修課到主干課的轉(zhuǎn)變，同時可以在不同學(xué)院進(jìn)行多學(xué)科交叉教學(xué)的嘗試。

▍5.結(jié)束語

綜上所述，筆者認(rèn)為，共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要載體以及建設(shè)科技強(qiáng)國和制造強(qiáng)國的重要組成部分，要實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)新發(fā)展，必須要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，實(shí)施人才強(qiáng)國戰(zhàn)略；面向國家重大需求，突破關(guān)鍵技術(shù)，解決“卡脖子”問題，培養(yǎng)科技領(lǐng)軍人才。高等院校作為發(fā)現(xiàn)知識和傳授知識的場所，如何發(fā)現(xiàn)與傳授機(jī)器人科學(xué)這一發(fā)展迅速的工程科學(xué)的知識，激發(fā)創(chuàng)新活力、弘揚(yáng)創(chuàng)新精神、營造創(chuàng)新文化等問題都值得其關(guān)注。各領(lǐng)域要協(xié)同發(fā)力，建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈；凝心聚力，實(shí)現(xiàn)共融機(jī)器人產(chǎn)業(yè)群的創(chuàng)新發(fā)展、跨越發(fā)展。