机器人的蜕变——记中国科学院沈阳自动化研究所研究员何玉庆

干思思

让我们假设这样一种情景：在如同迷宫一般的巷子中，一个机器人正在其中穿梭。它的目标是寻找躲藏在这片区域中的犯罪嫌疑人，但是面前的一道隔墙挡住了它的去路。就在大家以为它无计可施的时候，另一个机器人却突然腾空飞起，越过了隔墙，然后继续落回地面搜索着嫌疑人可能会藏身的角落。

这并不是只有漫威电影里钢铁侠出场才会出现的情景，近年来，中国科学院沈阳自动化研究所研究员何玉庆致力于集空中与陆地功能于一体的跨域机器人研究。“相比单种类机器人，这种跨域协同的空地机器人能够克服本体方面上的能力限制，完成更多场景下的任务。”何玉庆介绍道。而这也代表着何玉庆在机器人研发的道路上进入了一个新的阶段，在这之前，他已经走了20多年，经历了对陆地、水面、水下及空中等多个领域的机器人的研发历程。

误入藕花深处

22年前，何玉庆刚刚进入东北大学秦皇岛分校自动化专业。有一天下午他在图书馆无意中翻看到关于中国机器人之父蒋新松的书，书中关于我国机器人发展的历程以及蒋院士对机器人的研发理念让他印象深刻。就是这样一个普通而安静的下午，悄悄奠定了何玉庆未来的研究道路。在那之后，何玉庆开始关注蒋院士生前所在的沈阳自动化研究所，关注机器人的研究方向。2002年，本科毕业的他如愿进入了沈阳自动化研究所攻读硕士和博士学位，跟随老师深入学习机器人方面的理论与技术知识。

2007年，尚处于博士阶段的何玉庆跟随自动化所团队参与了南极科考机器人的装备研制项目。“当时科考团队十月份就要搭乘科考船出发，因此，我们必须在这之前将机器人装备研制完成并调试好。”但机器人的研制是一个相当复杂烦琐的过程，团队不同分工的成员需要一起合作，将所有的部件组装成一个整体，并且还要进行从软件到硬件的调试，工作量非常巨大。在紧张的赶制过程中，何玉庆真正体会到了如何将理论技术转变成真正的实用机器人，而这也是他第一次深入接触机器人研制。

那时的何玉庆尽可能地利用所有资源加深自己对机器人领域的认识。当时中国科学院有一个开放实验室，供从各个方向进行机器人研究的科研工作者开展实验。“地面机器人、飞行机器人、水面机器人以及各种仿生机器人等都在里面。”何玉庆经常在实验室里一待就是一天，在这期间他对不同种类机器人的特点都有了一定的了解。慢慢地，他咂摸出一些门道。“不同的机器人在能力上都有自己不同的局限。”据何玉庆说，他后来在跨域机器人领域所做的各种工作，经验应始于那间开放实验室。

2010年，何玉庆到中国科学院沈阳自动化研究所担任副研究员。当时沈阳自动化研究所认为无论是机器人的装备还是相关技术，都需要深厚的理论来支撑。而德雷斯顿作为世界顶尖的理工类大学，在机器人的理论研究方面造诣非常高。因此研究所便派何玉庆前往德雷斯顿大学进行关于先进的控制理论在机器人系统中的应用等理念的访问交流。“这次经历对后来回国后的科研工作有很大帮助。”

青岛海试

将人从恶劣环境中解放出来

“将技术突破和机器人系统相结合，最终应用在国家发展的实际需求中。”这是沈阳自动化所的研究理念，也是何玉庆多年来坚持的方向。因此，研制实用性机器人，让其代替人类进入艰苦或极端环境中开展工作，甚至将其应用于反恐等危险任务中，是他努力追求的目标。

2013年，何玉庆参与了面向城市公共安全事件响应机器人化系列的装备研制的项目，在这个项目中，他负责水面机器人的研制，将其应用于水面灾难的救援工作，包括水面的环境监控。“这是我第一次在项目中接触水面机器人。”何玉庆说道。而项目的最终成果也得到了消防部门的高度认可。

除了水面外，何玉庆及团队还参加了飞行机器人研制项目。2020年7月，他们和中国科学院青藏高原研究所合作，将机器人设备引入到科考工作中。巍峨广阔的青藏高原一直以来以绝美的风景吸引着世人前往，然而供氧不足、温度低、坎坷甚至遍布积雪的高山等难题也往往容易让人在前往途中出现各种意外。恶劣的环境极大地增加了科考人员完成任务的难度。“我们的机器人最高能够飞到6500米的高空，对恶劣环境也有一定的适应性。”因此机器人的加入能够在一定程度上将科考人员从恶劣的环境中解放出来，同时采集到人力难以获取到的数据，而这对于科研人员分析青藏高原的气候变化乃至全亚洲的气候变化具有重要作用。

除了单种类型的机器人，多年来，何玉庆也没有放弃对跨域机器人的研究工作。2015年，他主持了国家级项目“复杂环境中空中-水面子母机器人系统自主行为方法研究”。“空中-地面多移动机器人跨域协作，可通过两种机器人感知能力和行为能力的有机结合实现功能互补，大大提升其环境适应性和任务执行度。”何玉庆介绍道。但空中和地面机器人的感知数据和行为特性存在显著差异性，这为协作算法的设计与实现带来了极大挑战。在该项目中，何玉庆将和团队成员一起重点针对“跨域环境信息融合与协同定位”“基于跨域感知信息的实时环境建模、抽象与理解”“跨域环境约束下的单机器人实时行为优化”等基础科学问题，初步构建面向空中-地面多机器人跨域协作的共性方法体系，并研制实验系统，全面验证理论方法与技术的可行性和有效性，为多机器人跨域协作研究提供理论和方法指导，并为后续跨域协作机器人系统产品样机及装备研制提供技术。

避免单打独斗

机器人行业虽然在外行人眼里发展迅速，但是何玉庆很清楚在它的研制过程中，需要面对很多技术和合作方面的困难。毫无疑问，根据大数据训练研制出来的传统机器人已经越来越不能满足社会的需求了，大家需要的是有更强自主能力的机器人。“在技术层面上，我们提出了自主感知、自主控制等一系列的自主性方法和技术，希望它能够在一定程度上摆脱对人的依赖。”同时，他还和团队针对自主技术中的控制技术进行了一系列研究。“特别是飞行机器人对外界的干扰比较敏感，我们一直在致力于通过控制技术的突破，让它拥有较强的抗强风等抗干扰能力。”

在6000米高原考察

“除了技术，科研人员之间的协作也非常重要。”何玉庆介绍道。机器人特别是跨域机器人的研制需要计算机工程、电子工程、自动化工程等不同领域的科研人员互相协作，是一个特别复杂、工作量非常大的过程，团队之间的技术协作起着十分重要的作用。因此，何玉庆特别说道：“我们所有的成果只靠我自己的力量是无法完成的，从理论到应用的实现，靠的是我们整个团队的互相配合。”

正是因为知道其中的困难，何玉庆在和博士生进行专业交流的时候，除了会培养学生从实际应用中发现问题并解决相应问题的能力，还会着重培养他们沟通和协作的能力。“他们应该学会在研究过程中和别人进行交流合作，而不是一个人单打独斗。”

如今，从大学进入图书馆的那个下午算起，何玉庆已经在机器人领域研究了20多个年头。在这20多年里，他从研究单种类机器人发展到制备跨域协作机器人，这对他来说是之前道路的延续，也是新的征途的开始。他说：“随着科技的发展，在不久的将来，电影里出现的场景或许也会出现在我们的日常生活中。”