【科技日报】仿人机器人诞生在学科特区

  在去年9月中旬举办的国家“十五”重大科学技术成果展上，两台如人形大小的仿人机器人憨态可掬，它们不仅能回答观众提出的问题，而且上演的太极拳和刀术表演刚柔相济、挥洒自如，俨然一对“武林高手”，令人叫绝———

  由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的仿人机器人名叫“汇童”，它们大多数来源于于科技部“十五”863计划和科工委基础研究重点项目的资助。据主要研制者黄强教授介绍，通过短短几年技术攻关，我国已掌握了集机构、控制、传感器、电源于一体的高度集成技术，研制出具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的仿人机器人，具有自主知识产权，在国际上处于领先水平；而且“汇童”在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作，是在仿人机器人复杂动作设计与控制技术上的突破。由于仿人机器人具有人类的外形特征，更容易适应人类的生活环境及服务于人类，具有广阔的应用前景，同时仿人机器人已成为机器人技术发展的制高点。

  谈起当初为何选择研制仿人机器人，北京理工大学首席教授李科杰很自然地把话题引向了学校的学科特区建设。

  本着“建设一流大学的关键是要建立一流学科”的宗旨，北理工尝试以学科特区的方式，对少数能特别迅速地产生标志性成果，对学校建设和发展能起到很重要作用，对国家与北京等地区经济建设、社会持续健康发展、科学技术进步服务能起到特别作用的学科给予特殊政策，包括对人、财、物给予特殊支持，同时允许这些学科能采用超常规的措施、办法、手段等，以取得特殊的建设成果。并且提出，通过学科特区建设组建大团队、构筑大平台、争取大项目、创造大成果。在2003年11月20日的校长办公会议上，学校决定在3至5年内建成化学物理、雷达、智能车辆、智能机器人、生命科学5个学科特区。

  把“智能机器人”列入5个学科特区之内，用李科杰教授的话来说，首先是因为它符合国家的发展需要。未来的智能机器人既能成为家庭保姆、医院护士、危险作业能手，以至进行太空探险去登陆月球，又能以较大的威慑力代替人作战于军事战场，驾驶坦克、飞机，或者在战场上冲锋陷阵。因此，发展智能机器人无疑成为北京理工大学的理想选择。第二，智能机器人学科特区是建立在该校机械电子工程这一个国家重点学科（全国院校5个重点学科之一）以及在国内率先成立的仿生技术、微小型系统学科的基础之上，有着坚实的学科基础。同时，智能机器人又是机电工程中最有意义的代表，属于光、机、电一体化系统。第三，由于引进了黄强教授，从而确定了发展仿人机器人这一既前沿又崭新的学科方向。

  聘请在国外高水平研究机构有学习工作经历的知名教授担任“特首”是学科特区的人才政策，黄强作为在日本有机器人之父称谓的加藤一郎的弟子，成为“特首”的最好人选。黄强在日本早稻田大学获得了博士学位，后又到日本通产省工业技术研究院从事机器人的研究。黄强在日本的工作环境和待遇都很完满，但无论条件多么优越，总还是有一种客人的感觉。所以黄强抱定“为国家作贡献，推动中国仿人机器人发展”的愿望，在北京理工大学求贤之时，毅然举家回到了祖国。

  黄强的到来为仿人机器人的成功奠定了坚实的一步。为了让“事业留人、感情留人、环境留人”，曾任系主任的李科杰教授早就在为仿人机器人项目的启动和经费的筹措而上下奔走，所以在黄强到任之际，就已经在科工委“基础科研计划”中争取到了280万元的项目经费，紧接着又立项于“863”项目，经费到位1280万元。

  学科特区的运行体制和政策扶植，也是使仿人机器人脱颖而出的雨露。学校建有学科特区建设领导小组，校长任组长，直接负责学科特区建设重大事项的决策。如果特区在人、财、物上有什么困难，可直接反映到领导小组帮助解决，而不必按照学校原来的规矩通过教研室、系、院、学校的层层申报和审批。

  “除了办事效率加快，学校对特区环境建设的支持力度也很大。在大学扩招、校区内寸土寸金，许多教师不得不在校外租用宾馆、地下室解决科研用房的情形下，学校为我们这个特区及时解决了四五百平方米的用房，在运行费和建设费上学校投入了500万元，通过211工程二期微小型系统重点学科建设项目，学校又拨了近千万元，从而使该特区从白手起家到目前已拥有了价值上千万的科研设备，这在一般的情况下是不可想象的事情！”李教授一再地感慨道。

  作为长江学者特聘教授的黄强，一年10万元的年薪，可以说无法与在国外的收入相比，也不及国内多家单位每年几十万元收入的聘请；相反他肩负的担子却是蛮重的。“国内一流、国际知名”是学科特区建设的目标，也是作为一届“特首”的必要承诺，否则将面临被罚的风险。但黄强还是婉言谢绝了一些单位的好意，他更看重的是北理工学科特区搭建好的这一舞台，也坚信，在这个舞台上能轻松实现自己的抱负：为祖国打造出一种高水平的仿人机器人来。

  黄强果然不负众望，带领科研团队三年攻关，在去年9月国家“十五”重大科学技术成果展上一举推出了会打拳舞刀的仿人机器人，引起了强烈反响。

  按照仿人机器人之父加藤一郎的定义，把有视觉、听觉、平衡觉并能双足直立行走、有着人的形态的机器人叫做仿人机器人。日本虽然是仿人机器人的“故乡”，但是随着“汇童”的诞生，中国已变成全球上第二个能制造光机电一体化的、没有外接电缆的仿人机器人的国家。10几项专利，特别是7项发明专利的获得，标志着“汇童”完全拥有自主知识产权。

  实际上，人们在成果展上看到的会打太极拳的机器人仅是北理工创新成果的一部分，现在黄强带领的学科特区已经打造出了8种地面移动机器人，其中既有能处理危险品的机器人，也有“反恐型”和“保姆型”机器人，并开展了对空间机器人的研究。其中4种已经通过了验收或鉴定。

  李教授介绍说，仿人机器人是移动机器人中最前沿的东西，所以要面对许多技术难题，比如，遥操作技术、驱动技术、微型化技术，特别是微小型化机器人，它们的每个关节都要装有电机，难度很大。以黄强为主完成的自主创新大多数表现了两个创新点：一是建立了虚拟机器人的动力学仿真模型。即在完成了机器人模型设计的基础上，首先要在计算机里“塑造”一个虚拟机器人。让它在各种条件和环境下进行行走试验，比如草地上、砂石上以及考验它会不会被落下的重锤击倒，由此来验证其机构设计的合理性。如果虚拟机器人达到了预期的效果，再制造真实的机器人。二是复杂动作的设计与控制。比如机器人击剑舞刀等快动作，速度变化快，如何让机器人在快速运动中保持平衡，其中就体现了在控制上的技术创新，特别是这种创新把中国传统的武术与现代高科技在“汇童”身上，实现了完美的结合，这在世界上也是首次。

  “三年来，有80多篇论文伴随着仿人机器人的打造而发表，其中的50篇被著名的索引SCI、EI收录，由于学科特区仿人机器人的研究进展，智能机器人系统国际学术会议将于今年10月在北京召开，并由北京理工大学承办。此前这个著名的国际机器人大会还从未在中国召开过呢！”李教授欣喜地说。

  “组织联合攻关，鼓励自主申请，项目分工负责，经费统筹管理，业绩决定奖酬，开展竞争上岗”，智能机器人学科特区实行的是一套崭新的管理体制，它完全不同于“单干户”式的管理模式。

  “所谓‘单干户’就是某个教授争取来项目后，带几个学生组成项目组，经费支出由他一人说了算。而项目中涉及的专业，不管是不是他的专长都得硬着头皮去干。可想而知，对自己不熟悉的领域勉强为之又怎会干得好？关键是人的能力和智慧有限，单干不易产生较大的成果。对这种单干户式的做法，虽然大家都知道问题很多，但是在原来老的系里、院里却难以得到改变。因为尽管教授们争取到的科研经费不多，但毕竟自己支配起来方便，而且每个人争取项目的能力不同，如果把自己争取到的资金与那些争取不到什么项目的人‘分享’，不免会有吃亏的感觉。”曾经担任过系主任的李教授以自己的亲身体会分析着旧体制的弊端。

  “新体制的意义是变‘单干户’为‘学科带头人+创新团队’。在打造机器人的过程中，我是传感器方面的专家，所有传感器的难题由我来解决，黄强在控制方面是行家里手，控制方面由他去攻关。通过这种联合攻关，发挥每个人的智慧和特长，在创新团队的共同协作下来干大事，不会再出现去干自己不懂的事情的情况；对于项目的分配、经费的管理和业绩的奖酬，由学科特区设立的教授委员会进行统筹管理，这样使钱花得更科学合理。如果某个年轻人有新的想法和思路，为了鼓励探索，就会拿出一部分项目资金资助他去从事更前沿的研究，实现技术创新的可持续发展。”

  “为打造创新团队，学科特区在人才管理上实行固定编制和流动编制，固定编制20人左右。虽然学科特区的待遇比较高，但任务也重，如果你干得不好，两次考核不合格就可能下岗；流动编制主要是聘请在国外有成就的人作为客座教授，比如刘云辉老师，是北理工的毕业生，也是国际电子电机工程师协会高级会员以及2006年国际智能机器人与系统学术大会的主席，曾在日本通产省电工研究所工作，现聘为香港中文大学的教授。像刘云辉这样的人才，有10几个都要引进学科特区。他们每年来两三个月，带博士生，指导创新团队解决难题，同时带来新的思路，以致使我们的研究走向更高的水平。”

  除了建有特区的决策机构———教授委员会外，学科特区还成立了顾问委员会和学术委员会，聘请了国际机器人协会的几任会长以及国内的知名专家作为顾问，帮助特区谋划发展大计。

  有了优秀的人才、精良的团队和好的机制，让机器人真正走进家庭、登陆太空的那天将为期不远。北理工智能机器人研究所学科特区正为此奋斗着！

  仿人机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中存在广泛的用途。由于仿人机器人具有人类的外观特征，因而能适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业。它不但可以在有辐射、粉尘、有毒的环境中代替人们作业，还能够在康复医学上形成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。将来它可以在医疗、生物技术、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输、农林水产等多个领域得到普遍应用。目前，我国仿人机器人研究与世界领先水平相比还有差距。我们国家科技工作者正在为赶超世界领先水平而努力奋斗。据《计算机世界报》