空间智能机器人研究的领先者--北京理工大学蒋志宏教授

  随着学会的队伍持续不断的发展壮大，分支机构的发展愈发完善，丰富多彩的分支活动也频频呈现。CAAI认知系统与信息处理专业委员会在助力学会发展的工作中积极开展学术交流，打造了“认知系统和信息处理国际会议”等多个颇具特色的活动，创办了“Cognitive Computation and Systems”国际期刊。在营造学术氛围的同时，CAAI认知系统与信息处理专业委员会十分注重人才教育培训，吸纳了一批优质专家的加入。学会选取了该专委会的优质栏目“专委会专家风采及成果推介”进行推送，今天，让我们大家一起走近空间智能机器人研究的领先者--北京理工大学蒋志宏教授。

  工学博士，北京理工大学智能机器人与系统高精尖创新中心教授、博导，中国人工智能学会高级会员，中国自动化学会平行控制与管理专业委员会委员，中国空间站机械臂技术评估专家，国家重点研发计划智能机器人重点专项和军委科技委等项目技术专家，研究方向为空间智能机器人。主持有国家重点研发计划智能机器人重点专项项目、国家自然科学基金重点项目、载人航天项目等重要项目，突破了智能机器人自主/安全/灵巧作业等核心关键技术，研究成果在我国空间站和天宫2号空间实验室机器人系统中得到了应用，向国家领导人进行了在轨作业演示，新闻联播进行了重点报道。部分成果实现了产业化，获得了省部级科学技术进步二等奖1项。在IEEE会刊TRO、TIE 、TSMC、等发表SCI相关论文40多篇、授权智能机器人系统、感知及运动控制等中国发明专利20项。主编的十三五规划教材《机器人学基础》1年内销售了近3000本，已被10余所知名大学选择作为本科生及研究生的教材。

  人类航天员空间站作业存在极大的安全风险，每次出舱作业都是以健康和生命安全为代价，用机器人宇航员辅助或代替人类航天员是欧美俄等航天大国重点发展趋势，更是我国未来空间站发展的重要战略。由于微重力下机器人运动状态对惯性力和接触力异常敏感，导致机器人宇航员空间动力学特性很复杂，如何在空间站特殊环境下，使机器人宇航员具有与人类航天员相似的运动性能，对现有机器人理论和方法提出了巨大挑战。鉴于此，瞄准空间智能机器人在空间站重大工程应用，聚焦机器人宇航员辅助或代替航天员的核心科学问题，提出人体粘弹性动力学特性建模方法，揭示人类复杂运动作业背后蕴含的核心机理，创建机器人宇航员系统和机器人空间三维动力学验证系统，形成了机器人宇航员空间站运动作业的完整研究体系，如图1所示。核心研究成果在中国重大航天工程空间站和天宫二号空间实验室机器人系统中得到了成功应用。

  下面从机器人宇航员仿人运动作业、系统研发与验证两方面介绍近5年的学术创新与贡献：

  1. 创建了机器人宇航员空间站仿航天员复杂运动作业控制新方法，解决了机器人宇航员空间站大范围仿人运动作业的技术瓶颈问题，国际上首次实现了机器人宇航员与人类航天员高相似的空间站稳定驻停运动，成果发表于国际顶尖期刊IEEE Transactions on Robotics

  针对机器人宇航员空间站大范围运动作业模态多且动力学特性复杂导致的巨大挑战，提出并创建了一种人体粘弹性复杂耦合动力学模型，可以准确描述人体运动的复杂动力学特性，揭示了人体结构的高效率、自稳定核心运动机理，为研究机器人宇航员空间站复杂环境高运动适应性奠定了理论基础。依据提出的人体粘弹性动力学模型理论，准确地描述人体与环境接触的动态过程和运动机理，即实现人在空间站环境下运动的动力学特性量化数据表达，并以此作为机器人宇航员的期望控制模型，提出采用力匹配与速度补偿的机器人宇航员与航天员动力学映射方法，国际上首次实现了机器人宇航员与人类航天员高相似空间站稳定驻停运动与评价，解决了机器人宇航员空间站大范围运动产生的接触力对系统运动稳定性和安全性的复杂扰动问题。2018年获得了近年来唯一的机器人宇航员的国家自然基金重点项目资助；2019年在机器人领域顶尖期刊IEEE Transactions on Robotics上发表了该成果，获得了国际会议IEEE ISR 2018最佳论文提名奖。

  针对空间存在杂散光、阳照区与阴影区光照亮度对比强烈及包覆层类似镜面对光线折反射等恶劣环境对机器人宇航员视觉感知带来的巨大挑战，提出LAB-Gretinex算法，在与人视觉原理更接近的颜色空间采用广义高斯密度函数实现图像亮度信息的准确估计，去除非均匀光照影响获得目标本质特性信息；提出基于广义最大相关熵的GMCKF滤波算法，采用广义最大相关熵准则替代传统的最小均方误差准则，能适应重尾、轻尾等多种非高斯噪声实现复杂噪声的有效评价与滤除，解决了传感器、目标图像分割与模型配准等带来的复杂非高斯噪声干扰问题，为机器人宇航员空间站大范围运动与灵巧作业提供前提。该成果发表于国际TOP期刊IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems和Science China Technological Sciences，并成功应用于天宫2号空间实验室机械臂终端在轨维修试验项目的双目视觉精确引导系统中，精确引导了机器人支持两名航天员完成了我国首次在轨人机协同试验。特别是2016年11月，该系统配合航天员向习成功演示了在轨人机协同试验，新闻联播进行了重点报道。

  2. 提出基于关节部件深层次地融合的机器人宇航员轻量化设计，解决了空间机器人大负载、高刚度、轻量化之间的矛盾，研发了两代机器人宇航员系统和国内最大真空高低温空间机器人动力学性能验证系统，在国内首次完成了机器人宇航员模拟空间站舱内外稳定运动验证

  提出了机器人关节电机、谐波、轴承、力矩传感器、关节外壳多部件深度融合及臂杆多层覆叠设计方法，解决了机器人宇航员高刚度、大负载、轻量化难以同时满足的难题，得到了国家重点研发计划智能机器人重点专项项目的资助。依此，提出了一种适应空间站环境运动的仿生多臂机器人宇航员构型，在国内首次完成了模拟空间站舱内外多臂多模态稳定行走验证，在国际TOP期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics和Science ChinaTechnological Sciences上发表了相关成果，获得了国际会议IEEE CYBER 2019最佳论文提名奖，撰写了《空间站多臂机器人运动控制研究》专著。在载人航天项目资助下，针对空间机器人地面三维运动验证难问题，研制了轴距近3m、国内最大的±3000Nm真空高低温机器人动力学性能测试与验证系统，对中国空间站大型机械臂的电性件、鉴定件、正样件的动力学性能进行了成功测试与验证，有效保障并提高了我国空间站大型机械臂的运动性能和可靠性，支撑了我国空间站重大航天工程建设。主持了“京津冀成果转化”重点项目，实现了研究成果产业化应用，革新了落后的生产模式，年产值上亿元，获得了天津市科学技术进步二等奖。

  非常感谢孙富春主任和专委会委员们的指导、支持与鼓励。在这里，衷心希望在孙富春主任的引领下，认知系统与信息处理专委会的成员们能够相互学习、交流与合作，专委会队伍越来越壮大，并在领域内取得更多好成绩！

  “CAAI认知系统与信息处理专委会” 2014年成立，每年组织中国科学热点论坛、机器人工程赛、人工智能热点研讨会等多项特色活动，成功召开了多届认知系统和信息处理国际会议(ICCSIP)。第五届认知系统和信息处理国际会议(ICCSIP 2020)将于2020年12月18-20号在中国珠海横琴岛召开，希望推动认知、心理、智能、机器人等领域的融通交汇。此外，还将特别设立科学技术抗击疫情专题，欢迎各界人士依托此平台为全球科学技术抗疫贡献力量。