【科技日報】仿人機器人誕生在學科特區
發布日期：2006-06-08 閱讀次數：
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《科技日報》2006年6月1日 第七版
本報記者李凝
在去年9月中旬舉辦的國家“十五”重大科技成果展上，兩臺如人形大小的仿人機器人憨態可掬，它們不僅能回答觀眾提出的問題，而且上演的太極拳和刀術表演剛柔相濟、揮灑自如，儼然一對“武林高手”，令人叫絕———
由北京理工大學牽頭、多個單位參加歷經三年攻關打造的仿人機器人名叫“匯童”，它們主要來自于科技部“十五”863計劃和科工委基礎研究重點項目的資助。據主要研制者黃強教授介紹，通過短短幾年技術攻關，我國已掌握了集機構、控制、傳感器、電源于一體的高度集成技術，研制出具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能的仿人機器人，具有自主知識產權，在國際上處于先進水平；而且“匯童”在國際上首次實現了模仿太極拳、刀術等人類復雜動作，是在仿人機器人復雜動作設計與控制技術上的突破。由于仿人機器人具有人類的外形特征，更容易適應人類的生活環境及服務于人類，具有廣闊的應用前景，同時仿人機器人已成為機器人技術發展的制高點。
近日記者走進北京理工大學，進一步了解“匯童”誕生的奧秘。
學科特區的超常規發展
談起當初為何選擇研制仿人機器人，北京理工大學首席教授李科杰很自然地把話題引向了學校的學科特區建設。
本著“建設一流大學的關鍵是要建立一流學科”的宗旨，北理工嘗試以學科特區的方式，對少數能特別迅速地產生標志性成果，對學校建設和發展能起到特別重要作用，對國家與北京等地區經濟建設、社會發展、科技進步服務能起到特別作用的學科給予特殊政策，包括對人、財、物給予特殊支持，同時允許這些學科可以采取超常規的措施、辦法、手段等，以取得特殊的建設成果。并且提出，通過學科特區建設組建大團隊、構筑大平臺、爭取大項目、創造大成果。在2003年11月20日的校長辦公會議上，學校決定在3至5年內建成化學物理、雷達、智能車輛、智能機器人、生命科學5個學科特區。
把“智能機器人”列入5個學科特區之內，用李科杰教授的話來說，首先是因為它符合國家的發展需要。未來的智能機器人既能成為家庭保姆、醫院護士、危險作業能手，以至進行太空探險去登陸月球，又能以較大的威懾力代替人作戰于軍事戰場，駕駛坦克、飛機，或者在戰場上沖鋒陷陣。因此，發展智能機器人無疑成為北京理工大學的理想選擇。第二，智能機器人學科特區是建立在該校機械電子工程這個國家重點學科（全國院校5個重點學科之一）以及在國內率先成立的仿生技術、微小型系統學科的基礎之上，有著堅實的學科基礎。同時，智能機器人又是機電工程中最有意義的代表，屬于光、機、電一體化系統。第三，由于引進了黃強教授，從而確定了發展仿人機器人這一既前沿又嶄新的學科方向。
聘請在國外高水平研究機構有學習工作經歷的知名教授擔任“特首”是學科特區的人才政策，黃強作為在日本有機器人之父稱謂的加藤一郎的弟子，成為“特首”的最好人選。黃強在日本早稻田大學獲得了博士學位，后又到日本通產省工業技術研究院從事機器人的研究。黃強在日本的工作環境和待遇都很完滿，但無論條件多么優越，總還是有一種客人的感覺。所以黃強抱定“為國家作貢獻，推動中國仿人機器人發展”的愿望，在北京理工大學求賢之時，毅然舉家回到了祖國。
黃強的到來為仿人機器人的成功奠定了堅實的一步。為了讓“事業留人、感情留人、環境留人”，曾任系主任的李科杰教授早就在為仿人機器人項目的啟動和經費的籌措而上下奔走，所以在黃強到任之際，就已經在科工委“基礎科研計劃”中爭取到了280萬元的項目經費，緊接著又立項于“863”項目，經費到位1280萬元。
學科特區的運行體制和政策扶植，也是使仿人機器人脫穎而出的雨露。學校建有學科特區建設領導小組，校長任組長，直接負責學科特區建設重大事項的決策。如果特區在人、財、物上有什么困難，可直接反映到領導小組幫助解決，而不必按照學校原來的規矩通過教研室、系、院、學校的層層申報和審批。
“除了辦事效率加快，學校對特區環境建設的支持力度也很大。在大學擴招、校區內寸土寸金，許多教師不得不在校外租用賓館、地下室解決科研用房的情形下，學校為我們這個特區及時解決了四五百平方米的用房，在運行費和建設費上學校投入了500萬元，通過211工程二期微小型系統重點學科建設項目，學校又撥了近千萬元，從而使該特區從白手起家到目前已經擁有了價值上千萬的科研設備，這在正常情況下是不可想象的事情！”李教授一再地感慨道。
學科特區讓學科帶頭人有所作為
作為長江學者特聘教授的黃強，一年10萬元的年薪，可以說無法與在國外的收入相比，也不及國內多家單位每年幾十萬元收入的聘請；相反他肩負的擔子卻是蠻重的。“國內一流、國際知名”是學科特區建設的目標，也是作為一屆“特首”的必要承諾，否則將面臨被罰的風險。但黃強還是婉言謝絕了一些單位的好意，他更看重的是北理工學科特區搭建好的這一舞臺，也堅信，在這個舞臺上可以實現自己的抱負：為祖國打造出一種高水平的仿人機器人來。
黃強果然不負眾望，帶領科研團隊三年攻關，在去年9月國家“十五”重大科技成果展上一舉推出了會打拳舞刀的仿人機器人，引起了強烈反響。
按照仿人機器人之父加藤一郎的定義，把有視覺、聽覺、平衡覺并能雙足直立行走、有著人的形態的機器人叫做仿人機器人。日本雖然是仿人機器人的“故鄉”，但是隨著“匯童”的誕生，中國已成為世界上第二個能夠制造光機電一體化的、沒有外接電纜的仿人機器人的國家。10幾項專利，特別是7項發明專利的獲得，標志著“匯童”完全擁有自主知識產權。
實際上，人們在成果展上看到的會打太極拳的機器人僅是北理工創新成果的一部分，現在黃強帶領的學科特區已經打造出了8種地面移動機器人，其中既有可以處理危險品的機器人，也有“反恐型”和“保姆型”機器人，并開展了對空間機器人的研究。其中4種已經通過了驗收或鑒定。
李教授介紹說，仿人機器人是移動機器人中最前沿的東西，所以要面對許多技術難題，比如，遙操作技術、驅動技術、微型化技術，特別是微小型化機器人，它們的每個關節都要裝有電機，難度很大。以黃強為主完成的自主創新主要體現了兩個創新點：一是建立了虛擬機器人的動力學仿真模型。即在完成了機器人模型設計的基礎上，首先要在計算機里“塑造”一個虛擬機器人。讓它在各種條件和環境下進行行走試驗，比如草地上、砂石上以及考驗它會不會被落下的重錘擊倒，由此來驗證其機構設計的合理性。如果虛擬機器人達到了預期的效果，再制造真實的機器人。二是復雜動作的設計與控制。比如機器人擊劍舞刀等快動作，速度變化快，如何讓機器人在快速運動中保持平衡，其中就體現了在控制上的技術創新，特別是這種創新把中國傳統的武術與現代高科技在“匯童”身上，實現了完美的結合，這在世界上也是首次。
“三年來，有80多篇論文伴隨著仿人機器人的打造而發表，其中的50篇被著名的索引SCI、EI收錄，由于學科特區仿人機器人的研究進展，智能機器人系統國際學術會議將于今年10月在北京召開，并由北京理工大學承辦。此前這個著名的國際機器人大會還從未在中國召開過呢！”李教授欣喜地說。
學科特區培育創新團隊
“組織聯合攻關，鼓勵自主申請，項目分工負責，經費統籌管理，業績決定獎酬，開展競爭上崗”，智能機器人學科特區實行的是一套嶄新的管理體制，它完全不同于“單干戶”式的管理模式。
“所謂‘單干戶’就是某個教授爭取來項目后，帶幾個學生組成項目組，經費支出由他一人說了算。而項目中涉及的專業，不管是不是他的專長都得硬著頭皮去干。可想而知，對自己不熟悉的領域勉強為之又怎會干得好？關鍵是人的能力和智慧有限，單干不易產生較大的成果。對于這種單干戶式的做法，雖然大家都知道問題很多，但是在原來老的系里、院里卻難以得到改變。因為盡管教授們爭取到的科研經費不多，但畢竟自己支配起來方便，而且每個人爭取項目的能力不同，如果把自己爭取到的資金與那些爭取不到什么項目的人‘分享’，不免會有吃虧的感覺。”曾經擔任過系主任的李教授以自己的親身體會分析著舊體制的弊端。
“新體制的意義是變‘單干戶’為‘學科帶頭人+創新團隊’。在打造機器人的過程中，我是傳感器方面的專家，所有傳感器的難題由我來解決，黃強在控制方面是行家里手，控制方面由他去攻關。通過這種聯合攻關，發揮每個人的智慧和特長，在創新團隊的共同協作下來干大事，不會再出現去干自己不懂的事情的情況；對于項目的分配、經費的管理和業績的獎酬，由學科特區設立的教授委員會進行統籌管理，這樣使錢花得更科學合理。如果某個年輕人有新的想法和思路，為了鼓勵探索，就會拿出一部分項目資金資助他去從事更前沿的研究，實現技術創新的可持續發展。”
“為打造創新團隊，學科特區在人才管理上實行固定編制和流動編制，固定編制20人左右。雖然學科特區的待遇比較高，但任務也重，如果你干得不好，兩次考核不合格就可能下崗；流動編制主要是聘請在國外有成就的人作為客座教授，比如劉云輝老師，是北理工的畢業生，也是國際電子電機工程師協會高級會員以及2006年國際智能機器人與系統學術大會的主席，曾在日本通產省電工研究所工作，現聘為香港中文大學的教授。像劉云輝這樣的人才，有10幾個都要引進學科特區。他們每年來兩三個月，帶博士生，指導創新團隊解決難題，同時帶來新的思路，以致使我們的研究走向更高的水平。”
除了建有特區的決策機構———教授委員會外，學科特區還成立了顧問委員會和學術委員會，聘請了國際機器人協會的幾任會長以及國內的知名專家作為顧問，幫助特區謀劃發展大計。
有了優秀的人才、精良的團隊和好的機制，讓機器人真正走進家庭、登陸太空的那天將為期不遠。北理工智能機器人研究所學科特區正為此奮斗著！
科技詞典
仿人機器人不僅是一個國家高科技綜合水平的重要標志，也在人類生產、生活中有著廣泛的用途。由于仿人機器人具有人類的外觀特征，因而可以適應人類的生活和工作環境，代替人類完成各種作業。它不僅可以在有輻射、粉塵、有毒的環境中代替人們作業，而且可以在康復醫學上形成動力型假肢，協助癱瘓病人實現行走的夢想。將來它可以在醫療、生物技術、教育、救災、海洋開發、機器維修、交通運輸、農林水產等多個領域得到廣泛應用。目前，我國仿人機器人研究與世界先進水平相比還有差距。我國科技工作者正在為趕超世界先進水平而努力奮斗。據《計算機世界報》
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