乔红：让机器人成为人类亲密朋友

杨琴冬子

目前使用机器人制造企业正日益增多，中国机器人产业已经开始进入爆发式增长期。在珠三角地区，机器人使用年增速已达到30%到60%，不少制造企业掀起了一股机器人使用热潮。

乔红 ，1964年8月出生，上海人，九三学社社员。1995年毕业于英国De Montfort大学，工学博士。现任中科院自动化所机器人中心副主任、中科院自动化所-中科大联合实验室副主任，博士生导师。

工厂内，从事各种工作的不再是穿着沾满油污工装的工人，而是干净整洁的机器人。如今，这一经常出现在科幻大片里的场景，正逐渐变为现实。未来机器人将会怎样？中国科学院自动化研究所机器人理论与应用团队负责人、九三学社社员乔红带领的研究团队给出了答案。他们“基于环境约束和多空间分析的机器人操作理论研究”，因在机器人操作上提出一系列原创思想，获得2014年国家自然科学二等奖。

乔红及其团队从机器人“手、眼、脑”三个方面互补开展研究，层层递进。“手、眼、脑”的融合提高了机器人操作精度和智能水平，对机器人技术研究具有重要意义。这三部分的研究连起来才能真正了解机器人的操作原理，做到精密感知，不仅是工业操作上，还体现在智能应用上，并为未来机器人发展打开了一个窗口。

“手、眼、脑”的融合

工业机器人通过“手”完成抓取、装配、定位等操作，借助灵敏的传感器，机器手实现较高精度的操作。虽然工业级装备标准已经将误差控制在0.02～0.04毫米内，但在一些要求极高的操作中，精度仍然不够。一次实验时，乔红发现，传感器开关并没有打开，而机器人的“手”还是准确地实现了装配。这是偶然，还是某种理论上的必然？

这次发现，让乔红琢磨，是否能不用传感器，也让机器人照常工作。反复实验后，乔红发现将机器人的系统映射到另外一个空间，约束对系统形成了广泛存在的“吸引域”，可以设置出一个不依赖于传感器的精确装配、抓取和定位的解决方案。就此，乔红提出了“环境吸引域”的概念、存在条件以及相应的依赖吸引域，实现高精度计算结果。

进一步研究后，乔红意识到要提高机器人的智能性和可靠性，不能只关注“手”，还需要有视觉与“手”的联动。为此，基于模式识别技术，乔红发现相关的“吸引域”。乔红说，“吸引域”的理念，使我们同时关注到机器人操作时观察物体的视觉“吸引”和它运动时抓取动作的“吸引”，这就像人的活动，手和眼是融合的，而不是割裂开的。“环境吸引域就是在新的空间，约束对被控制对象形成了一个部分凸起的‘域，被控制对象好比是‘豆子。在新的空间，不管‘豆子的初始状态怎样，只要它掉在‘域里，它都会落在‘域的最底部。举一个形象的例子，在熟悉的黑暗环境下，人看不到锁孔却依然能够把钥匙准确地插到锁孔里，而这个动作发生之前并没有经过准确测量，这个动作是具有某种柔性特质的。我们利用‘吸引域概念研究智能机器人就是模仿人类不需要精确测量却能准确做出动作的过程。黑暗中不管机器人初始的动作是什么样子，经过几次练习之后，就可以正确地把钥匙插进钥匙孔里。”乔红说，这样，我们只要在新的空间设计出机器人策略，就可以在物理空间实现一系列不依赖传感器的高精度操作，关键是如何寻找这样的空间和给出存在这样“域”的物理系统条件。这样的系统的确存在，尤其是在制造业广泛需求的装配、抓取和定位中。更加有趣的是，“吸引域”同样存在于机器人的视觉分析中，通过多个“吸引域”的融合，可实现机器人的“手”“眼”融合，既可降低对视觉信息精度的要求，也可提高机器人操作的智能和效率。他们进一步开展了机器人“脑”的研究，同样发现了“吸引域”。同时，机器人与生物学的交叉和融合形成了本项目另一重要线索，并引领着乔红向更远的方向发展。

1999年她的这一“无传感器吸引域”概念被美国媒体称为“乔的概念”广泛报道，并且认为“这个工作是现有自动装配技术的重要发展，因为它第一次提供了不用传感器和其他设备在三维空间实现高精度的装配，同时它也是在计算机和机器人领域的重要研究课题—不确定性系统研究的重要发展”。

基于计算机算法、软件操作的机器人活动，在新情境下的反应有一定局限，而人类行为则完全不同。“以打羽毛球为例，人类每次的接发球都可能不同，但在经过一段时间练习后，虽然来球的方向和路径变化多样，我们却一般能够越打越好，同时不影响反应速度。”乔红解释说，其中很重要的一个原因是，人和机器人在学习和理解上有重大区别：人是基于神经系统认知和反应的。那么，能否研究机器人的“大脑”，并由此来实现对机器人本体的融合控制？为此，研究团队与多学科合作，开展机器人“神经计算和类人神经系统”的理论研究。乔红对未来机器人的研究有一个大胆设想，即通过对“类人神经系统”的理解，提出如何提高机器人学习能力的理论途径。

乔红说，机器人研究的“手、眼、脑”三部分连起来，能够进一步了解机器人操作原理。“机器人未来发展的一个重要趋势是越来越接近生物，有包括认知、情绪、逻辑、动作在内的一系列类人化的特征。机器人不再是冰冷的机器，而将拥有人类的优美特性。”

学术既要“沉下去”，

又要“走出来”

乔红，这个生在上海、长在西安的女人，既有着上海女人吴侬软语的温柔， 又有着西北女子那种坚忍不拔的毅力。她的学术生涯挂满了一张张漂亮的成绩单……

1997～2002年受聘为香港城市大学助教授；

2002～2004年在英国曼彻斯特大学获永久教职；

2004年通过中科院海外杰出人才计划引进回国，中科院“百人计划”研究员，精密感知与控制中心首席科学家；

2007年获得“国家杰出青年基金”；

2009年入选“新世纪百千万人才工程国家级人选”；

2011年获《科学中国人》年度人物；

2012年获北京市科学技术一等奖、国务院政府特殊津贴。

2013年作为首位大陆学者入选国际IEEE机器人与自动化学会行政委员会；

2015年，获得国家自然科学二等奖……

沉甸甸的奖项背后是辛勤的汗水。2014年度国家科学技术奖从立项到结题总平均时间要10.7年，乔红团队的项目达到12年。但是，理论研究的成功就是终点了吗？乔红的回答是“不”。她说，“‘机器人革命有望成为‘第三次工业革命的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局，而且我国将成为全球最大的机器人市场。目前使用机器人制造企业正日益增多，中国机器人产业已经开始进入爆发式增长期。在珠三角地区，机器人使用年增速已达到30%到60%，制造企业掀起了一股机器人使用热潮。”同时，她还看到机器人的未来，在2014年九三学社中央第三次科学座谈会上，她说，“现在大部分的机器人还不像电影中演示的那样超智能，但是它们已经应用于生产和生活，并已经作出了一定贡献。”

2014年，习近平在两院院士大会上说：“国际上有舆论认为，机器人是‘制造业皇冠顶端的明珠，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。机器人主要制造商和国家纷纷加紧布局，抢占技术和市场制高点。我国将成为机器人的最大市场，但我们的技术和制造能力能不能应对这场竞争，我们不仅要把我国机器人水平提高上去，而且要尽可能多地占领市场。这样的新技术新领域还很多，我们要审时度势、全盘考虑、抓紧谋划、扎实推进。”

这番话鼓舞着乔红在产、学、研“无缝对接”的道路上越走越远，逐步开始把机器人智能化研究成果向产业化转变。在应用方面乔红团队与汽车制造厂商、大型机床集团开展了广泛合作，关键技术成果已经在汽车关键零部件装配、机器人核心部件制造以及深海探测领域进行了应用，努力推进国产机器人实现可靠、快速的高精度操作。

在乔红当前的机器人队伍中，既有人形模样的“安保机器人”，也有工业化设计的“汽车零部件高精度装配机器人”等。“安保机器人比人高一点，可以跟踪人，如果认识你就会说‘请进，如果不认识会请你配合跟他去登记，不配合还会报警。”乔红微笑着介绍，“机器人最大的问题是协调反应的准确性，目前最大的难点还是精度，更难的是又快又精，还有人无意识的快速反应能力，怎么引入机器人系统，让其更加智能。”从工业机器人到信息化机器人再到智能机器人，乔红的研究团队将三者结合，让机器人的手、眼和大脑越来越像人。

对于未来，乔红充满了憧憬。她有两个梦想：一个是开展引入人的生物认知机制的机器人系统的基础研究，使人和机器人能够同感合作，并逐步向机器人成为人的朋友的梦想靠近；另一个是把多年的工业机器人理论研究推向广阔的现代制造业。

（作者为九三学社中央宣传部干部）