“人機交互遙操作機器人”走進日常生活

來源：環(huán)球時報

【環(huán)球時報報道 記者 馬俊】近年來，中國航天領(lǐng)域的突飛猛進令世界矚目，同時它帶動的高新技術(shù)進步也在不斷推動社會進步。近日在中國科協(xié)創(chuàng)新融合學(xué)會聯(lián)合體舉辦的第一屆創(chuàng)新融合發(fā)展論壇上，東南大學(xué)首席教授、空間科學(xué)與技術(shù)研究院院長宋愛國接受《環(huán)球時報》記者專訪時，介紹了用于中國空間站機械臂的先進技術(shù)是如何走進我們熟悉的日常生活。

盡管隨著近年人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，不少人都在暢想自主機器人何時能投入使用。但宋愛國表示，受到人工智能現(xiàn)有水平的制約，工作在未知環(huán)境下的全自主式智能機器人是目前乃至今后幾十年內(nèi)都難以達到的目標(biāo)，因此“人機交互遙操作機器人”是當(dāng)前機器人的重要發(fā)展方向之一。通俗地說，“人機交互遙操作機器人”就是指依托于高速通信網(wǎng)絡(luò)的機器人工作在遠端，人在本地。通過各種傳感設(shè)備，測量人肢體的運動信息，并作為控制指令，去控制機器人的運動與操作；同時，再將機器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺反饋給人，實現(xiàn)人與機器人的深度耦合。

由于“人機交互遙操作機器人”結(jié)合了人的知識智慧和機器人的適應(yīng)性，可以在危險或未知環(huán)境中完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，因此它已經(jīng)被廣泛用于深空探測、載人航天、水下勘探等領(lǐng)域。宋愛國介紹說，國際空間站最早采用這種技術(shù)用于艙內(nèi)的科學(xué)實驗任務(wù)和艙外的維護任務(wù)，美國國家航空航天局還專門研制用于機器人遙操作的力反饋手控器。中國空間站擁有的三條機械臂也采用“人機交互遙操作機器人”技術(shù)，其中天和核心艙的機械臂展開長度為10.2米，承載能力25噸，有7個自由度，能按照自動操作和遙操作兩種模式進行工作。“通過實際使用證明，我們的空間機械臂在多臂協(xié)同作業(yè)和先進性上都超過了國際空間站的同類設(shè)備”。中國空間站航天員還配備了在軌操作力測量傳感器與測量設(shè)備，它們能精確測量航天員在軌指捏力、手握力、推拉力、雙手插拔力、雙手旋轉(zhuǎn)力矩、單臂/雙臂/手輪旋轉(zhuǎn)力矩、手部多維力和足部多維力等在微重力環(huán)境下人的操作力和生物力學(xué)等重要測量數(shù)據(jù)。此外，嫦娥三號月面巡視器、衛(wèi)星在軌服務(wù)機器人等也都用上了這套先進技術(shù)。

“人機交互遙操作機器人”的技術(shù)原理聽起來簡單，但要實現(xiàn)的難度卻相當(dāng)高。宋愛國表示，這項技術(shù)的核心就是臨場感——機器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺第一時間能反饋給人，使人“身臨其境”；同時也要通過各種傳感設(shè)備收集人的動作、力度等數(shù)據(jù)，控制遠端機器人的運動。他介紹說，傳感器的安裝位置不同，測量的數(shù)據(jù)就會有不同的干擾影響，需要克服多維力測量不準(zhǔn)確問題；空間站與地面通信存在時延，尤其是空間站與地面中心的距離在不斷變化，時延也在相應(yīng)隨時改變，都會影響機器人的力反饋、力感知和力控制問題。但經(jīng)過宋愛國團隊對算法和硬件的精心設(shè)置，目前這些問題都已經(jīng)有了一套成熟的解決方案。

宋愛國還透露，“人機交互遙操作機器人”技術(shù)的應(yīng)用范圍并不限于航天領(lǐng)域。例如在醫(yī)療的康復(fù)機器人方面，它可以牽引偏癱患者，通過人機交互帶動患者活動，進行康復(fù)性訓(xùn)練。利用“人機交互遙操作機器人”技術(shù)制成的假肢密布力覺、觸覺傳感器，通過機電信號進行控制。這種假肢能夠向身體傳輸觸覺、力覺甚至溫度等信號，讓大腦認為“這是身體的一部分”，從而能夠更好地感知和控制。例如我們?yōu)槭ルp臂、雙眼的“排雷英雄”杜富國研制這種力觸覺感知反饋假肢。“杜富國看不見，力觸覺感知的反饋就尤其重要，需要通過它才能了解假肢在哪里，是否接觸到物體，該使多大的力氣抓”。宋愛國表示，經(jīng)過熟悉訓(xùn)練后，目前杜富國已經(jīng)能初步利用假肢，完成自己拿起水杯喝水等動作。此外，現(xiàn)在血管介入手術(shù)、腦外科手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)等很多手術(shù)都已經(jīng)運用了醫(yī)療手術(shù)機器人，它們也需要“人機交互遙操作機器人”技術(shù)的支持。

“人機交互遙操作機器人”技術(shù)還可以通過虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)更深層次的人機交互，它在虛擬現(xiàn)實中達到了“不僅能看得到，而且摸得到”的效果。例如現(xiàn)在利用力反饋技術(shù)的新一代虛擬現(xiàn)實人機交互設(shè)備已經(jīng)被用于醫(yī)療培訓(xùn)，“用這套設(shè)備在虛擬現(xiàn)實中訓(xùn)練中醫(yī)針灸手法，手能感覺到虛擬針扎到虛擬骨頭和血管時，得到不同的力覺反饋。”

宋愛國還展望說，未來在農(nóng)業(yè)、維修、巡檢等領(lǐng)域，“人機交互遙操作機器人”技術(shù)也都有用武之地，包括完成農(nóng)業(yè)工廠的果實采摘、鐵路的日常巡檢、船舶的維護和維修等。他舉例說，目前各國遠洋船舶的海上檢測和維修成本很高，也不可能為每艘遠洋船只都配備專業(yè)檢修人員。這個問題的解決方案之一就是在遠洋船舶上配備智能巡檢機器人，可以定期自行對船體進行檢查。