张涛清华大学 “智能”领航下的“大机器人”——专访清华大学自动化系副主任张涛教授

科学技术的不断进步、产业升级需求不断增强,机器人正成为当前科技发展的重要方向之一。十年来,在中国,机器人技术也取得了长足发展。日前,记者就机器人的概念、核心技术及发展趋势等问题采访了清华大学自动化系副主任、博士生导师张涛教授。

记者:曾经听您多次提到“大机器人”的概念。什么是“大机器人”?

张涛:这是近年来我从事机器人研制工作慢慢得出的想法。自1999年我先后曾在日本国立佐贺大学、日本国立信息学研究所从事与机器人相关的研究工作。最初主要研究工业机械臂的高速精密控制问题,之后根据需要转向研究服务机器人,例如辅助吃饭机器人。

在日本国立信息学研究所期间,我参与了共生机器人的研究,即在人类家庭环境下,各种不同类型机器人协同控制问题。这一研究最终想要实现的目标是,不同类型机器人能够与人类社会相融合,形成一个共同存在、相互服务的社会。

由此看来,随着机器人领域研究的不断发展,机器人的概念是在慢慢扩大的。不管机器人的外形是怎样的,只要它是智能的,有一定的自主性,这样就符合我们的“大机器人”概念。

目前,国内一些研究者对机器人的认识还具有一定局限性,有的还只是停留在机械臂、人形机器人的层面。事实上,工业机器人、移动机器人、仿生机器人、医用机器人、空间机器人等都被涵盖在机器人的范畴内。甚至近年来,国内外发展势头非常强劲的无人机,也被纳入机器人概念的范畴,被称为“空中机器人”。

尽管目前无人机的智能性还不强,主要依赖遥控,但它的发展方向是智能自主化,即可以独立自主地完成任务,而不依赖于人们的指令。

记者:根据您的阐述,是不是可以认为机器人概念的核心之一是“智能”?机器人的智能性主要体现在哪些方面?

张涛:对,这一点很重要,现在我们研究机器人,强调的核心之一就是智能。从我们研究控制、研究智能的角度来讲,不局限于研究对象的形貌、类型,而是希望提出的概念能够涵盖所有机器人的范畴。机器人研究领域的智能技术就是让机器来模拟人对外在的认识以及独立思维能力。例如,当邮递员来时,机器人能够帮你收发信件;当家里来客人时,机器人帮你做一些简单的接待,它能做到跟人进行交流,甚至能够跟你说话,能看得懂你的指令。

从我自身的研究领域来看,智能有高、低两种,低级智能相当于是我为机器人编了一个程序,它按照程序的流程去执行任务。即便程序编得再好,它仍然是低级智能,因为只能靠程序来实现。而高级智能是我为机器人提供很多方法,然后它将这些方法自主运用于不同的场合。

比如,我为机器人制定了学习的机制,将来遇到不同的东西它能够采用这些方式去自主地增加知识。而这些不是通过程序教给它的,是它自己学到的。推理也是一样,一件事情的对错不是我告诉它的,是我给它一个推理方式,有了一定的信息后它能够自主判断。可以说,这是一种类似于人的智能。

具体到不同类型的机器人,其智能化水平是不同的。工业机器人主要是靠程序来控制,属于低级智能的机器人,它不需要太高的智能,只需要满足工厂中具体的工作就可以了。例如,组装一辆汽车,其工序是固定的,通过特定的程序告诉机器人如何完成任务即可,不需要机器人自身进行知识的更新。

相比较而言,服务机器人的智能性更高,因为它要跟所处的环境接触,跟周围的人交流。而环境和人的不确定性因素非常多,这就需要服务机器人自主地去了解环境,需要更高级的智能。

记者:您主要研究机器人的控制系统,在机器人中控制系统扮演着什么样的角色?

张涛:我们通常把控制系统比作机器人的大脑。所谓控制,实际上是让机器人自己具有自我控制的能力。这一领域是很广泛的,包括智能控制、自主控制、自适应控制等,统一起来可以构成机器人完整的“可以思维的大脑”,所以机器人智能性的高低也主要取决于它的控制系统。例如,在无人机中,它的核心就是飞控系统;空间机器人的中枢也是它的控制系统。

在控制系统的研究中,智能控制作为自动控制理论的前沿学科之一,受到了广泛的重视和研究。智能控制的产生源于被控系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高的控制性能,它利用自适应、自组织、自学习等方式来提高系统的自动化和智能化。尽管目前智能控制在理论上还不成熟,却是研究的主要方向。

记者:具体到中国自身的机器人研制状况,您认为与日本、欧美等发达国家的主要差距体现在那些方面?我们应当如何缩小差距?

张涛:首先必须明确的一点是,日本、美国、欧洲对于机器人的研究是各有侧重的。日本最开始发展工业机器人,如用在汽车生产线上的工业机器人,后来关注点转向服务机器人,像家庭机器人、宠物机器人等。美国除发展工业机器人之外,还做服务于军用的机器人,比如自主的排雷机器人;另一类是服务于航天的机器人,如火星探测车等。

而欧洲主要是工业机器人比较发达。中国相较于以上发达国家,起步晚。尽管近年来,中国开展了一系列的研发工作,研制了一批特种机器人,如焊接机器人、搬运机器人等。同时,近年来高校在国家863、973项目的推动下,做了一些比较有趣的机器人。但是目前真正能够实现产业化的机器人还没有。

要真正提升我们自身的实力,缩小与发达国家的差距,我认为应当立足于国内市场,挖掘国内的需求,研制具有自身特色的机器人。因为国外的工业机器人技术已经非常成熟,在市场上占有绝对的优势,想要抢占这部分市场是非常难的,另辟蹊径才是更好的方式。

例如,现代农民需要很多自主性的设备,我们可以开发一种装置,实现自主播种、收割,最终推动农业生产的自动化。总之,只有做出自己的特色,先把自己特有的市场扶植起来,才有可能转过来再去抢占原有的市场。

同时,机器人的研发是一个复杂的系统工程,要做一系列的工作,这就需要集中一切可以集中的力量来做。目前国内的研发力量还比较分散,研发工作主要依靠国家项目的推进,缺少真正有实力的企业来整合各方面的力量。就清华大学自动化系来看,主要从事控制研究,没有能力来完成整机的研发工作。以市场需求为导向,采用“产学研”相结合的方式,才有可能从根本上推动机器人研发的长足进步。