推动先进机器人技术创新发展——访谈上海大学机电工程与自动化学院特种机器人研究中心雷静桃教授

雷静桃女，1970年生，北京航空航天大学博士，北京航空航天大学机器人研究所博士后，The University of Sheffield访问学者，现为上海大学机电工程与自动化学院教授、博士生导师，担任机器人工程专业教研室主任、机电工程与自动化学院特种机器人研究中心主任，兼任中国电子学会电子机械工程分会委员。从事机器人技术相关的人才培养和科研工作，主要研究方向为医疗机器人、仿生机器人和机器人模块化技术。主持国家863 计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划课题、上海市自然科学基金项目、企业委托技术服务项目等20余项，参与国家/国际标准制定工作。在国内外学术期刊和国际会议上发表学术论文80余篇，授权中国发明专利20余项，申请美国发明专利3项，发布国家标准1项，获上海技术发明二等奖1项。

编者按：随着机器人技术的快速发展，机器人在智能制造、特种服务、家用服务等方面得到广泛应用。其研发、制造和应用体现一个国家科技创新和高端制造业水平，世界各国将机器人产业列为战略性新兴产业并予以大力支持。在此背景下，《电子机械工程》编辑部对上海大学机电工程与自动化学院特种机器人研究中心主任雷静桃教授进行了专访。

编辑部：雷教授好，感谢您接受《电子机械工程》编辑部的访谈！首先请您介绍一下上海大学机电工程与自动化学院特种机器人研究中心科研团队（以下简称团队）在先进机器人技术方面的研究方向。

雷静桃：团队围绕先进机器人技术及机器人工程应用开展相关研究，主要包括仿生机器人、医疗机器人、特种管道机器人、航空薄壁件制孔机器人等，尤其是面向医疗大健康的骨折复位手术机器人、面向高端装备智能制造的大型薄壁结构件的制孔机器人，符合国家重点发展战略方向。

编辑部：在先进机器人技术中，仿生机器人技术的研究重点是什么呢？

雷静桃：仿生机器人技术研究获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金和上海市教委创新基金的大力资助，着重开展3个方面的研究：生物运动机理和腿式机器人的仿生机构、驱动与控制技术，仿人机器人面部表情与语音交互技术以及仿生触觉感知与电子皮肤技术方面的研究。

（1）仿生机构、驱动与控制技术

主要开展生物适应复杂环境的高机动性运动机理研究，为仿生机器人研发提供生物学借鉴。从仿生机构、仿生驱动与运动等角度，开展仿生机器人技术研究，研发面向非结构化环境的仿生移动机器人，包括多足仿生步行、仿生跳跃机器人等。

在仿生机构方面，借鉴四足生物躯体灵活弯曲的特点，研究多自由度、多向灵活弯曲的仿生机体机构，提高仿生机器人机体的运动灵活性，同时利用机体的运动，创新腿式机器人的移动步态方式，从而提高仿生腿式机器人适应非结构化环境的机动性。

在仿生驱动方面，研究新型气动人工肌肉、气动肌纤维及肌纤维束、负压式气动人工肌肉等机器人驱动方式，开展仿生驱动技术研究，包括仿生驱动机理、迟滞特性、变刚度动态特性及动态力输出特性等，并在此基础上开展新型驱动的仿生关节的位置与刚度控制技术，为提高仿生机器人柔顺性奠定基础。

（2）仿人机器人面部表情与语音交互技术

在仿人机器人技术方面，团队柯显信老师开展了有个性的仿人情感交互机器人研究，为提高仿人机器人情感交互能力奠定了重要基础。研究了情感状态变迁过程，并融入个性特征，建立了仿人表情机器人个性化情感模型。研制出了具有个性特点的仿人表情机器人系统，实现了惊奇、恐惧、厌恶、愤怒、高兴、悲伤等多种面部表情及连续表情。开展了机器人视觉交互技术研究，实现了目标跟踪、人脸表情识别及再现、人脸识别、性别识别等。总结出了不同汉语发音的口形视位，实现了嘴部运动和输出语音相协调。利用多传感器信息融合技术，实现了交互对象的实时精确定位。

（3）仿生触觉感知与电子皮肤技术

在仿生触觉感知与电子皮肤技术方面，开展了基于柔性传感器的电子皮肤、按摩手法特征提取及识别方法研究。研究了基于压阻原理和柔性电路板工艺的柔性触觉手套设计和制作、按摩数据实时高精度采集和可视化，基于条件变分自编码器原理和神经网络的按摩数据编码、解码和按摩数据集扩充技术。结合卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN)与长短时记忆（Long Short Term Memory, LSTM）网络提取按摩动作图组的空间域与时间域特征，引入注意力机制，赋予每张触觉图片不同的权重值，增强了网络对数据特征的提取，并有效解决了数据集复杂度低时网络的过拟合现象，实现了高精度按摩手法识别，如图1所示。

图1 仿生触觉感知与按摩手法识别算法

编辑部：在医疗机器人技术方面，团队开展了哪些特色研究工作？

雷静桃：机器人已融入医疗手术、康复、公共服务等多个领域，催生出包括手术机器人、康复机器人、导诊机器人、陪护机器人、外骨骼机器人等不同产品形态。关于骨科手术机器人，国内外着重围绕脊柱骨科、关节骨科、创伤骨科等三个方面开展了研究，取得了系列创新成果，研发了多款骨科手术机器人系统。

团队自2012年开始从事医疗机器人技术研究，与北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国人民解放军总医院、苏州大学等优势单位的科研团队围绕骨创伤机器人开展长期合作，相关科研工作获得了国家863计划、国家重点研发计划等科技部项目的大力资助。

针对传统骨折复位手术中存在的操作精度低、时间长、手术强度大、医患双方受辐射等问题，面向骨折复位的大负载、大运动范围、高精度、在狭小的手术作业空间配置骨折复位机器人等要求，基于环骨折骨肌组织的生物力学、术前规划研究，完成了复杂空间机器人构型设计及理论分析、新型手术器械研发。通过手术器械与复位机器人本体的一体化设计，满足了骨折复位对大负载和大运动范围的需求。突破了术前规划、损伤骨盆骨肌组织的生物力学、复位机器人安全控制策略、远程主从交互控制等关键技术。在模拟肌力骨折模型上对研发的骨折复位机器人进行了实验测试，并开展了尸体实验和临床实验。测试结果显示，该骨折复位机器人的复位力达300 N，复位精度达0.5 mm。该成果为推动骨折复位机器人技术进步和临床应用奠定了基础。今后将重点围绕制约临床应用的核心技术（术区环境多模态智能感知、人机交互与精确控制），开展深入研究，进一步提高机器人临床手术的精确度和安全性。

编辑部：团队在特种机器人技术和机器人应用工程方面突破了哪些关键技术？

雷静桃：在特种机器人技术和机器人应用工程方面，团队主要在管道机器人、高空爬绳载物机器人和大型薄壁结构件制孔机器人三个方面取得了突破。

（1）管道机器人

在管道机器人研究方面，团队研发了轮式移动打磨作业机器人、可变径履带式管道机器人。与上海大电器中央研究院合作，面向核电集箱内打磨作业，研发了一款轮式移动管道作业机器人。该机器人本体由打磨作业装置、打磨作业机构位姿调整装置、机器人定位夹紧装置和机器人移动装置等组成，适用于长30 m、内径Φ200 mm∼Φ450 mm的圆形管道，在管道内的最快移动速度为0.5 m/s。对于轮式管道机器人，精确的运动学模型是实现精确运动控制的基础。团队完成了结构优化设计、运动学建模、移动稳定性控制、打磨精度控制与误差补偿、偏心重力补偿技术等关键技术研究。该机器人代替人工进行焊缝打磨作业（图2），提高了打磨效率和质量，其原理样机曾在上海工业博览会上展览。

图2 机器人打磨集箱内壁焊瘤

针对弯管的通过性难题，采用主动变径机构研发了一款可变径履带式管道机器人（图3）。该机器人由本体支撑模块、履带行走模块以及径向伸缩模块组成。它适用不同的管道直径，突破了L型弯管和T型管道的弯道通过性、越障与差速转体避障等关键技术，实现了弯管中的快速通过。该管道机器人可配置视觉传感器，基于人工智能的图像识别技术，进行管内缺陷检测作业等，应用于油气管道检查等。

图3 可变径履带式管道机器人

（2）高空爬绳载物机器人

城市高楼大厦的消防救援难度非常大，为满足高楼消防救援对价格适中、安全可靠、简便易行的救援设施的迫切需求，团队陈勇老师研发了一种高空绳索消防系统（图4）。该系统包括无人机布绳、紧绳系统、自动水炮、高空爬绳载物机器人、遥控系统等。其中高空爬绳载物机器人作为辅助运动载体工具，可用于高山攀登、地震等抢险救灾、高建筑物的探伤维护等。机器人升降器的提升质量为250 kg，高于同类产品的150 kg提升质量。它能控制机器人在绳索上快速运行、稳定停止。

图4 高空爬绳载物机器人及其作业场景

（3）大型薄壁结构件制孔机器人

面向航空航天领域大型薄壁结构件的高精度制孔需求，由北京航空航天大学牵头组织，团队陈冬冬老师参与，研制了制孔机器人系统（图5），为飞机的数字化装配制孔提供了一种新的智能、精确的加工方法和思路。为提高机器人柔性化装配制孔精度和效率，重点突破了末端执行器轻量化设计技术、法线检测及姿态调整技术、双目视觉测量技术、视觉在线检测技术、离线编程技术、工业机械臂绝对定位精度补偿技术、锪窝深度控制及精准控制技术等关键技术。该航空制孔机器人系统适应平面及不同曲率的曲面，可用于铝合金、钛合金、复合材料及叠层等材料航空航天部件的数字化和智能化制孔。目前，制孔机器人的定位精度达±0.30 mm，孔径精度达H8级，高于人工制孔精度和效率。通过与航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司、上海飞机制造有限公司等优势单位合作，该系统已成功应用于ARJ21等型号飞机的研制，实现了航空结构件自动化制孔。

图5 大型薄壁结构件制孔机器人

总之，随着我国机器人技术的快速发展，机器人在智能制造、特种服务、家居服务等领域得到迅速推广。从能进入人体血管的纳米机器人到汽车自动化生产线上的工业机器人，从中国载人潜水器到中国空间站机械臂，无不体现先进机器人技术。机器人被誉为制造业皇冠上的明珠，其研发、制造和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，机器人产业已成为国民经济中一个重要的赛道。世界各国高度重视机器人技术发展，将其作为战略性新兴产业给予重点支持。今后，团队将在前期研究的基础上，推进机器人技术与人工智能技术的交叉与融合，加快突破核心关键技术，提高医疗机器人和特种服务机器人的智能化水平，推进机器人成果转化与应用，服务我国智能制造、健康中国等国家战略。