“人机交互遥操作机器人”走进日常生活
【环球时报报道 记者 马俊】近年来，中国航天领域的突飞猛进令世界瞩目，同时它带动的高新技术进步也在不断推动社会进步。近日在中国科协创新融合学会联合体举办的第一届创新融合发展论坛上，东南大学首席教授、空间科学与技术研究院院长宋爱国接受《环球时报》记者专访时，介绍了用于中国空间站机械臂的先进技术是如何走进我们熟悉的日常生活。
尽管随着近年人工智能技术的快速发展，不少人都在畅想自主机器人何时能投入使用。但宋爱国表示，受到人工智能现有水平的制约，工作在未知环境下的全自主式智能机器人是目前乃至今后几十年内都难以达到的目标，因此“人机交互遥操作机器人”是当前机器人的重要发展方向之一。通俗地说，“人机交互遥操作机器人”就是指依托于高速通信网络的机器人工作在远端，人在本地。通过各种传感设备，测量人肢体的运动信息，并作为控制指令，去控制机器人的运动与操作；同时，再将机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉反馈给人，实现人与机器人的深度耦合。
由于“人机交互遥操作机器人”结合了人的知识智慧和机器人的适应性，可以在危险或未知环境中完成复杂的作业任务，因此它已经被广泛用于深空探测、载人航天、水下勘探等领域。宋爱国介绍说，国际空间站最早采用这种技术用于舱内的科学实验任务和舱外的维护任务，美国国家航空航天局还专门研制用于机器人遥操作的力反馈手控器。中国空间站拥有的三条机械臂也采用“人机交互遥操作机器人”技术，其中天和核心舱的机械臂展开长度为10.2米，承载能力25吨，有7个自由度，能按照自动操作和遥操作两种模式进行工作。“通过实际使用证明，我们的空间机械臂在多臂协同作业和先进性上都超过了国际空间站的同类设备”。中国空间站航天员还配备了在轨操作力测量传感器与测量设备，它们能精确测量航天员在轨指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力、双手旋转力矩、单臂/双臂/手轮旋转力矩、手部多维力和足部多维力等在微重力环境下人的操作力和生物力学等重要测量数据。此外，嫦娥三号月面巡视器、卫星在轨服务机器人等也都用上了这套先进技术。
“人机交互遥操作机器人”的技术原理听起来简单，但要实现的难度却相当高。宋爱国表示，这项技术的核心就是临场感——机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉第一时间能反馈给人，使人“身临其境”；同时也要通过各种传感设备收集人的动作、力度等数据，控制远端机器人的运动。他介绍说，传感器的安装位置不同，测量的数据就会有不同的干扰影响，需要克服多维力测量不准确问题；空间站与地面通信存在时延，尤其是空间站与地面中心的距离在不断变化，时延也在相应随时改变，都会影响机器人的力反馈、力感知和力控制问题。但经过宋爱国团队对算法和硬件的精心设置，目前这些问题都已经有了一套成熟的解决方案。
宋爱国还透露，“人机交互遥操作机器人”技术的应用范围并不限于航天领域。例如在医疗的康复机器人方面，它可以牵引偏瘫患者，通过人机交互带动患者活动，进行康复性训练。利用“人机交互遥操作机器人”技术制成的假肢密布力觉、触觉传感器，通过机电信号进行控制。这种假肢能够向身体传输触觉、力觉甚至温度等信号，让大脑认为“这是身体的一部分”，从而能够更好地感知和控制。例如我们为失去双臂、双眼的“排雷英雄”杜富国研制这种力触觉感知反馈假肢。“杜富国看不见，力触觉感知的反馈就尤其重要，需要通过它才能了解假肢在哪里，是否接触到物体，该使多大的力气抓”。宋爱国表示，经过熟悉训练后，目前杜富国已经能初步利用假肢，完成自己拿起水杯喝水等动作。此外，现在血管介入手术、脑外科手术、腹腔镜手术等很多手术都已经运用了医疗手术机器人，它们也需要“人机交互遥操作机器人”技术的支持。
“人机交互遥操作机器人”技术还可以通过虚拟现实实现更深层次的人机交互，它在虚拟现实中达到了“不仅能看得到，而且摸得到”的效果。例如现在利用力反馈技术的新一代虚拟现实人机交互设备已经被用于医疗培训，“用这套设备在虚拟现实中训练中医针灸手法，手能感觉到虚拟针扎到虚拟骨头和血管时，得到不同的力觉反馈。”
宋爱国还展望说，未来在农业、维修、巡检等领域，“人机交互遥操作机器人”技术也都有用武之地，包括完成农业工厂的果实采摘、铁路的日常巡检、船舶的维护和维修等。他举例说，目前各国远洋船舶的海上检测和维修成本很高，也不可能为每艘远洋船只都配备专业检修人员。这个问题的解决方案之一就是在远洋船舶上配备智能巡检机器人，可以定期自行对船体进行检查。