喬紅：讓機器人成為人類親密朋友

楊琴冬子

目前使用機器人制造企業正日益增多，中國機器人產業已經開始進入爆發式增長期。在珠三角地區，機器人使用年增速已達到30%到60%，不少制造企業掀起了一股機器人使用熱潮。

喬紅 ，1964年8月出生，上海人，九三學社社員。1995年畢業于英國De Montfort大學，工學博士。現任中科院自動化所機器人中心副主任、中科院自動化所-中科大聯合實驗室副主任，博士生導師。

工廠內，從事各種工作的不再是穿著沾滿油污工裝的工人，而是干凈整潔的機器人。如今，這一經常出現在科幻大片里的場景，正逐漸變為現實。未來機器人將會怎樣？中國科學院自動化研究所機器人理論與應用團隊負責人、九三學社社員喬紅帶領的研究團隊給出了答案。他們“基于環境約束和多空間分析的機器人操作理論研究”，因在機器人操作上提出一系列原創思想，獲得2014年國家自然科學二等獎。

喬紅及其團隊從機器人“手、眼、腦”三個方面互補開展研究，層層遞進。“手、眼、腦”的融合提高了機器人操作精度和智能水平，對機器人技術研究具有重要意義。這三部分的研究連起來才能真正了解機器人的操作原理，做到精密感知，不僅是工業操作上，還體現在智能應用上，并為未來機器人發展打開了一個窗口。

“手、眼、腦”的融合

工業機器人通過“手”完成抓取、裝配、定位等操作，借助靈敏的傳感器，機器手實現較高精度的操作。雖然工業級裝備標準已經將誤差控制在0.02～0.04毫米內，但在一些要求極高的操作中，精度仍然不夠。一次實驗時，喬紅發現，傳感器開關并沒有打開，而機器人的“手”還是準確地實現了裝配。這是偶然，還是某種理論上的必然？

這次發現，讓喬紅琢磨，是否能不用傳感器，也讓機器人照常工作。反復實驗后，喬紅發現將機器人的系統映射到另外一個空間，約束對系統形成了廣泛存在的“吸引域”，可以設置出一個不依賴于傳感器的精確裝配、抓取和定位的解決方案。就此，喬紅提出了“環境吸引域”的概念、存在條件以及相應的依賴吸引域，實現高精度計算結果。

進一步研究后，喬紅意識到要提高機器人的智能性和可靠性，不能只關注“手”，還需要有視覺與“手”的聯動。為此，基于模式識別技術，喬紅發現相關的“吸引域”。喬紅說，“吸引域”的理念，使我們同時關注到機器人操作時觀察物體的視覺“吸引”和它運動時抓取動作的“吸引”，這就像人的活動，手和眼是融合的，而不是割裂開的。“環境吸引域就是在新的空間，約束對被控制對象形成了一個部分凸起的‘域，被控制對象好比是‘豆子。在新的空間，不管‘豆子的初始狀態怎樣，只要它掉在‘域里，它都會落在‘域的最底部。舉一個形象的例子，在熟悉的黑暗環境下，人看不到鎖孔卻依然能夠把鑰匙準確地插到鎖孔里，而這個動作發生之前并沒有經過準確測量，這個動作是具有某種柔性特質的。我們利用‘吸引域概念研究智能機器人就是模仿人類不需要精確測量卻能準確做出動作的過程。黑暗中不管機器人初始的動作是什么樣子，經過幾次練習之后，就可以正確地把鑰匙插進鑰匙孔里。”喬紅說，這樣，我們只要在新的空間設計出機器人策略，就可以在物理空間實現一系列不依賴傳感器的高精度操作，關鍵是如何尋找這樣的空間和給出存在這樣“域”的物理系統條件。這樣的系統的確存在，尤其是在制造業廣泛需求的裝配、抓取和定位中。更加有趣的是，“吸引域”同樣存在于機器人的視覺分析中，通過多個“吸引域”的融合，可實現機器人的“手”“眼”融合，既可降低對視覺信息精度的要求，也可提高機器人操作的智能和效率。他們進一步開展了機器人“腦”的研究，同樣發現了“吸引域”。同時，機器人與生物學的交叉和融合形成了本項目另一重要線索，并引領著喬紅向更遠的方向發展。

1999年她的這一“無傳感器吸引域”概念被美國媒體稱為“喬的概念”廣泛報道，并且認為“這個工作是現有自動裝配技術的重要發展，因為它第一次提供了不用傳感器和其他設備在三維空間實現高精度的裝配，同時它也是在計算機和機器人領域的重要研究課題—不確定性系統研究的重要發展”。

基于計算機算法、軟件操作的機器人活動，在新情境下的反應有一定局限，而人類行為則完全不同。“以打羽毛球為例，人類每次的接發球都可能不同，但在經過一段時間練習后，雖然來球的方向和路徑變化多樣，我們卻一般能夠越打越好，同時不影響反應速度。”喬紅解釋說，其中很重要的一個原因是，人和機器人在學習和理解上有重大區別：人是基于神經系統認知和反應的。那么，能否研究機器人的“大腦”，并由此來實現對機器人本體的融合控制？為此，研究團隊與多學科合作，開展機器人“神經計算和類人神經系統”的理論研究。喬紅對未來機器人的研究有一個大膽設想，即通過對“類人神經系統”的理解，提出如何提高機器人學習能力的理論途徑。

喬紅說，機器人研究的“手、眼、腦”三部分連起來，能夠進一步了解機器人操作原理。“機器人未來發展的一個重要趨勢是越來越接近生物，有包括認知、情緒、邏輯、動作在內的一系列類人化的特征。機器人不再是冰冷的機器，而將擁有人類的優美特性。”

學術既要“沉下去”，

又要“走出來”

喬紅，這個生在上海、長在西安的女人，既有著上海女人吳儂軟語的溫柔， 又有著西北女子那種堅忍不拔的毅力。她的學術生涯掛滿了一張張漂亮的成績單……

1997～2002年受聘為香港城市大學助教授；

2002～2004年在英國曼徹斯特大學獲永久教職；

2004年通過中科院海外杰出人才計劃引進回國，中科院“百人計劃”研究員，精密感知與控制中心首席科學家；

2007年獲得“國家杰出青年基金”；

2009年入選“新世紀百千萬人才工程國家級人選”；

2011年獲《科學中國人》年度人物；

2012年獲北京市科學技術一等獎、國務院政府特殊津貼。

2013年作為首位大陸學者入選國際IEEE機器人與自動化學會行政委員會；

2015年，獲得國家自然科學二等獎……

沉甸甸的獎項背后是辛勤的汗水。2014年度國家科學技術獎從立項到結題總平均時間要10.7年，喬紅團隊的項目達到12年。但是，理論研究的成功就是終點了嗎？喬紅的回答是“不”。她說，“‘機器人革命有望成為‘第三次工業革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業格局，而且我國將成為全球最大的機器人市場。目前使用機器人制造企業正日益增多，中國機器人產業已經開始進入爆發式增長期。在珠三角地區，機器人使用年增速已達到30%到60%，制造企業掀起了一股機器人使用熱潮。”同時，她還看到機器人的未來，在2014年九三學社中央第三次科學座談會上，她說，“現在大部分的機器人還不像電影中演示的那樣超智能，但是它們已經應用于生產和生活，并已經作出了一定貢獻。”

2014年，習近平在兩院院士大會上說：“國際上有輿論認為，機器人是‘制造業皇冠頂端的明珠，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。機器人主要制造商和國家紛紛加緊布局，搶占技術和市場制高點。我國將成為機器人的最大市場，但我們的技術和制造能力能不能應對這場競爭，我們不僅要把我國機器人水平提高上去，而且要盡可能多地占領市場。這樣的新技術新領域還很多，我們要審時度勢、全盤考慮、抓緊謀劃、扎實推進。”

這番話鼓舞著喬紅在產、學、研“無縫對接”的道路上越走越遠，逐步開始把機器人智能化研究成果向產業化轉變。在應用方面喬紅團隊與汽車制造廠商、大型機床集團開展了廣泛合作，關鍵技術成果已經在汽車關鍵零部件裝配、機器人核心部件制造以及深海探測領域進行了應用，努力推進國產機器人實現可靠、快速的高精度操作。

在喬紅當前的機器人隊伍中，既有人形模樣的“安保機器人”，也有工業化設計的“汽車零部件高精度裝配機器人”等。“安保機器人比人高一點，可以跟蹤人，如果認識你就會說‘請進，如果不認識會請你配合跟他去登記，不配合還會報警。”喬紅微笑著介紹，“機器人最大的問題是協調反應的準確性，目前最大的難點還是精度，更難的是又快又精，還有人無意識的快速反應能力，怎么引入機器人系統，讓其更加智能。”從工業機器人到信息化機器人再到智能機器人，喬紅的研究團隊將三者結合，讓機器人的手、眼和大腦越來越像人。

對于未來，喬紅充滿了憧憬。她有兩個夢想：一個是開展引入人的生物認知機制的機器人系統的基礎研究，使人和機器人能夠同感合作，并逐步向機器人成為人的朋友的夢想靠近；另一個是把多年的工業機器人理論研究推向廣闊的現代制造業。

（作者為九三學社中央宣傳部干部）