機(jī)器人的蛻變
——記中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員何玉慶

干思思

讓我們假設(shè)這樣一種情景：在如同迷宮一般的巷子中，一個(gè)機(jī)器人正在其中穿梭。它的目標(biāo)是尋找躲藏在這片區(qū)域中的犯罪嫌疑人，但是面前的一道隔墻擋住了它的去路。就在大家以為它無(wú)計(jì)可施的時(shí)候，另一個(gè)機(jī)器人卻突然騰空飛起，越過(guò)了隔墻，然后繼續(xù)落回地面搜索著嫌疑人可能會(huì)藏身的角落。

這并不是只有漫威電影里鋼鐵俠出場(chǎng)才會(huì)出現(xiàn)的情景，近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員何玉慶致力于集空中與陸地功能于一體的跨域機(jī)器人研究?！跋啾葐畏N類機(jī)器人，這種跨域協(xié)同的空地機(jī)器人能夠克服本體方面上的能力限制，完成更多場(chǎng)景下的任務(wù)。”何玉慶介紹道。而這也代表著何玉慶在機(jī)器人研發(fā)的道路上進(jìn)入了一個(gè)新的階段，在這之前，他已經(jīng)走了20多年，經(jīng)歷了對(duì)陸地、水面、水下及空中等多個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人的研發(fā)歷程。

誤入藕花深處

22年前，何玉慶剛剛進(jìn)入東北大學(xué)秦皇島分校自動(dòng)化專業(yè)。有一天下午他在圖書(shū)館無(wú)意中翻看到關(guān)于中國(guó)機(jī)器人之父蔣新松的書(shū)，書(shū)中關(guān)于我國(guó)機(jī)器人發(fā)展的歷程以及蔣院士對(duì)機(jī)器人的研發(fā)理念讓他印象深刻。就是這樣一個(gè)普通而安靜的下午，悄悄奠定了何玉慶未來(lái)的研究道路。在那之后，何玉慶開(kāi)始關(guān)注蔣院士生前所在的沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，關(guān)注機(jī)器人的研究方向。2002年，本科畢業(yè)的他如愿進(jìn)入了沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所攻讀碩士和博士學(xué)位，跟隨老師深入學(xué)習(xí)機(jī)器人方面的理論與技術(shù)知識(shí)。

2007年，尚處于博士階段的何玉慶跟隨自動(dòng)化所團(tuán)隊(duì)參與了南極科考機(jī)器人的裝備研制項(xiàng)目?！爱?dāng)時(shí)科考團(tuán)隊(duì)十月份就要搭乘科考船出發(fā)，因此，我們必須在這之前將機(jī)器人裝備研制完成并調(diào)試好?！钡珯C(jī)器人的研制是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜煩瑣的過(guò)程，團(tuán)隊(duì)不同分工的成員需要一起合作，將所有的部件組裝成一個(gè)整體，并且還要進(jìn)行從軟件到硬件的調(diào)試，工作量非常巨大。在緊張的趕制過(guò)程中，何玉慶真正體會(huì)到了如何將理論技術(shù)轉(zhuǎn)變成真正的實(shí)用機(jī)器人，而這也是他第一次深入接觸機(jī)器人研制。

那時(shí)的何玉慶盡可能地利用所有資源加深自己對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)中國(guó)科學(xué)院有一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，供從各個(gè)方向進(jìn)行機(jī)器人研究的科研工作者開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。“地面機(jī)器人、飛行機(jī)器人、水面機(jī)器人以及各種仿生機(jī)器人等都在里面?！焙斡駪c經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室里一待就是一天，在這期間他對(duì)不同種類機(jī)器人的特點(diǎn)都有了一定的了解。慢慢地，他咂摸出一些門(mén)道?！安煌臋C(jī)器人在能力上都有自己不同的局限。”據(jù)何玉慶說(shuō)，他后來(lái)在跨域機(jī)器人領(lǐng)域所做的各種工作，經(jīng)驗(yàn)應(yīng)始于那間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。

2010年，何玉慶到中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所擔(dān)任副研究員。當(dāng)時(shí)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所認(rèn)為無(wú)論是機(jī)器人的裝備還是相關(guān)技術(shù)，都需要深厚的理論來(lái)支撐。而德雷斯頓作為世界頂尖的理工類大學(xué)，在機(jī)器人的理論研究方面造詣非常高。因此研究所便派何玉慶前往德雷斯頓大學(xué)進(jìn)行關(guān)于先進(jìn)的控制理論在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用等理念的訪問(wèn)交流。“這次經(jīng)歷對(duì)后來(lái)回國(guó)后的科研工作有很大幫助。”

青島海試

將人從惡劣環(huán)境中解放出來(lái)

“將技術(shù)突破和機(jī)器人系統(tǒng)相結(jié)合，最終應(yīng)用在國(guó)家發(fā)展的實(shí)際需求中?！边@是沈陽(yáng)自動(dòng)化所的研究理念，也是何玉慶多年來(lái)堅(jiān)持的方向。因此，研制實(shí)用性機(jī)器人，讓其代替人類進(jìn)入艱苦或極端環(huán)境中開(kāi)展工作，甚至將其應(yīng)用于反恐等危險(xiǎn)任務(wù)中，是他努力追求的目標(biāo)。

2013年，何玉慶參與了面向城市公共安全事件響應(yīng)機(jī)器人化系列的裝備研制的項(xiàng)目，在這個(gè)項(xiàng)目中，他負(fù)責(zé)水面機(jī)器人的研制，將其應(yīng)用于水面災(zāi)難的救援工作，包括水面的環(huán)境監(jiān)控。“這是我第一次在項(xiàng)目中接觸水面機(jī)器人?！焙斡駪c說(shuō)道。而項(xiàng)目的最終成果也得到了消防部門(mén)的高度認(rèn)可。

除了水面外，何玉慶及團(tuán)隊(duì)還參加了飛行機(jī)器人研制項(xiàng)目。2020年7月，他們和中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所合作，將機(jī)器人設(shè)備引入到科考工作中。巍峨廣闊的青藏高原一直以來(lái)以絕美的風(fēng)景吸引著世人前往，然而供氧不足、溫度低、坎坷甚至遍布積雪的高山等難題也往往容易讓人在前往途中出現(xiàn)各種意外。惡劣的環(huán)境極大地增加了科考人員完成任務(wù)的難度?！拔覀兊臋C(jī)器人最高能夠飛到6500米的高空，對(duì)惡劣環(huán)境也有一定的適應(yīng)性?！币虼藱C(jī)器人的加入能夠在一定程度上將科考人員從惡劣的環(huán)境中解放出來(lái)，同時(shí)采集到人力難以獲取到的數(shù)據(jù)，而這對(duì)于科研人員分析青藏高原的氣候變化乃至全亞洲的氣候變化具有重要作用。

除了單種類型的機(jī)器人，多年來(lái)，何玉慶也沒(méi)有放棄對(duì)跨域機(jī)器人的研究工作。2015年，他主持了國(guó)家級(jí)項(xiàng)目“復(fù)雜環(huán)境中空中-水面子母機(jī)器人系統(tǒng)自主行為方法研究”?！翱罩?地面多移動(dòng)機(jī)器人跨域協(xié)作，可通過(guò)兩種機(jī)器人感知能力和行為能力的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，大大提升其環(huán)境適應(yīng)性和任務(wù)執(zhí)行度?！焙斡駪c介紹道。但空中和地面機(jī)器人的感知數(shù)據(jù)和行為特性存在顯著差異性，這為協(xié)作算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。在該項(xiàng)目中，何玉慶將和團(tuán)隊(duì)成員一起重點(diǎn)針對(duì)“跨域環(huán)境信息融合與協(xié)同定位”“基于跨域感知信息的實(shí)時(shí)環(huán)境建模、抽象與理解”“跨域環(huán)境約束下的單機(jī)器人實(shí)時(shí)行為優(yōu)化”等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，初步構(gòu)建面向空中-地面多機(jī)器人跨域協(xié)作的共性方法體系，并研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全面驗(yàn)證理論方法與技術(shù)的可行性和有效性，為多機(jī)器人跨域協(xié)作研究提供理論和方法指導(dǎo)，并為后續(xù)跨域協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品樣機(jī)及裝備研制提供技術(shù)。

避免單打獨(dú)斗

機(jī)器人行業(yè)雖然在外行人眼里發(fā)展迅速，但是何玉慶很清楚在它的研制過(guò)程中，需要面對(duì)很多技術(shù)和合作方面的困難。毫無(wú)疑問(wèn)，根據(jù)大數(shù)據(jù)訓(xùn)練研制出來(lái)的傳統(tǒng)機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越不能滿足社會(huì)的需求了，大家需要的是有更強(qiáng)自主能力的機(jī)器人?！霸诩夹g(shù)層面上，我們提出了自主感知、自主控制等一系列的自主性方法和技術(shù)，希望它能夠在一定程度上擺脫對(duì)人的依賴?！蓖瑫r(shí)，他還和團(tuán)隊(duì)針對(duì)自主技術(shù)中的控制技術(shù)進(jìn)行了一系列研究?！疤貏e是飛行機(jī)器人對(duì)外界的干擾比較敏感，我們一直在致力于通過(guò)控制技術(shù)的突破，讓它擁有較強(qiáng)的抗強(qiáng)風(fēng)等抗干擾能力?！?/p>

在6000米高原考察

“除了技術(shù)，科研人員之間的協(xié)作也非常重要?！焙斡駪c介紹道。機(jī)器人特別是跨域機(jī)器人的研制需要計(jì)算機(jī)工程、電子工程、自動(dòng)化工程等不同領(lǐng)域的科研人員互相協(xié)作，是一個(gè)特別復(fù)雜、工作量非常大的過(guò)程，團(tuán)隊(duì)之間的技術(shù)協(xié)作起著十分重要的作用。因此，何玉慶特別說(shuō)道：“我們所有的成果只靠我自己的力量是無(wú)法完成的，從理論到應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，靠的是我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)的互相配合?！?/p>

正是因?yàn)橹榔渲械睦щy，何玉慶在和博士生進(jìn)行專業(yè)交流的時(shí)候，除了會(huì)培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決相應(yīng)問(wèn)題的能力，還會(huì)著重培養(yǎng)他們溝通和協(xié)作的能力?！八麄儜?yīng)該學(xué)會(huì)在研究過(guò)程中和別人進(jìn)行交流合作，而不是一個(gè)人單打獨(dú)斗?！?/p>

如今，從大學(xué)進(jìn)入圖書(shū)館的那個(gè)下午算起，何玉慶已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域研究了20多個(gè)年頭。在這20多年里，他從研究單種類機(jī)器人發(fā)展到制備跨域協(xié)作機(jī)器人，這對(duì)他來(lái)說(shuō)是之前道路的延續(xù)，也是新的征途的開(kāi)始。他說(shuō)：“隨著科技的發(fā)展，在不久的將來(lái)，電影里出現(xiàn)的場(chǎng)景或許也會(huì)出現(xiàn)在我們的日常生活中?！?/p>