智能机器人送你一双“火眼金睛” 让生活更加便利

科技日报 2017-11-10

　　肖继忠博士向记者展示其研制的微型四旋翼机器人模型。（冯卫东/《科技日报》）

　　说起纽约的大学，国人可能首先想到哥伦比亚大学。但在曼哈顿，有一所不为国人熟知的纽约城市大学，这里曾先后培养出13位诺贝尔奖获得者。在挂满名人肖像的学校荣誉墙上，一位华人科学家的面孔显得格外突出，他就是在机器人技术领域取得重大成就的肖继忠博士。

　　爬壁机器人能看穿“豆腐渣”工程

　　现任纽约城市大学感知机器人与智能仪器研究中心主任的肖继忠博士，从1999年开始涉足机器人研究，其发明的爬壁机器人系列产品样机，在国际机器人比赛中屡获殊荣，引领了爬壁机器人技术的发展。其中，City-Climber视觉检测机器人，获得2006年IEEE国际机器人与自动化大会最佳录像决赛奖；Rise-Rover无损检测机器人，获得2015年第18届爬壁和步行机器人国际会议实践创新奖。

　　随着现代城市高速发展，摩天大楼越来越多，依靠“蜘蛛人”清洗玻璃幕墙曾是纽约这类大城市的一道亮丽风景。但人工清洗高楼大厦的玻璃幕墙，效率低、劳动强度大、危险性高。而爬壁机器人最简单的应用，是解放“蜘蛛人”，让这项清洁城市的工作变得更安全易行。

　　肖博士介绍说，他发明的爬壁机器人更重要的用武之地在于建筑、水坝、桥梁等基础设施的无损检测，费用仅为人工检测的1%。如纽约市法律规定，7层以上的建筑每5年必须进行一次外表面的强制检查，使用爬壁机器人进行检测，仅搭建脚手架一项，每年即可节约8000万美元。美国有8.4万座大坝，平均使用年龄已达52年，政府每年投入的检修费用高达210亿美元。据统计，美国现有的7.2万座桥梁中，约有12%具有结构缺陷，每年用于检修的费用也将高达203亿美元。

　　由于省去了搭建脚手架的时间和费用，免除了调度车辆载具占据道路进行人工检测引起的交通堵塞等麻烦，机器人自动检测极大地加快了检测速度，降低了劳动强度，提高了安全性，而且成本更低。

　　除了利用搭载的摄像头进行表面缺陷检测，肖博士研发的大载荷模块化检测机器人还搭载有双频穿地/穿墙雷达，可检测钢筋混凝土的厚度，发现和定位混凝土结构内部缺陷（砂眼、孔洞、分层等），基础设施建设中的“豆腐渣”工程在机器人的“火眼金睛”下将无所遁形。

　　微型旋翼机器人不靠GPS也能导航

　　肖博士领导的纽约城市大学机器人学研究团队，是最先研究微型旋翼无人机在复杂环境中实时感知、自主导航和三维地图创建等关键技术的团队之一，而且，他们取得了丰硕的研究成果。他们创造性地设计出单相机全景立体视觉系统，不但能够获取360度的图象信息，而且能计算出与目标的距离。这项成果荣获2011年IEEE国际机器人与自动化大会最佳视觉论文决赛奖。此外，他们提出的机器人实时姿态估计算法和实时密集地图创建方法，分别荣获2012年多传感器和信息融合大会最佳论文决赛奖和2015年《机器人：科学和系统》大会最佳系统论文奖。

　　大中型无人驾驶直升机或高速飞行的固定翼无人机，主要依靠全球定位系统（GPS）在开阔的高中层空间实现遥控，或基于航点规划的自主导航以执行各种军事和民用任务。而微型旋翼机器人由于具有垂直起降、高机动性、体积小、噪音低、不易被发现等特性，特别适合在近地面的低空环境（GPS信号较弱的室内、高楼林立的市区、山洞和丛林）执行侦察、监视、证据搜集、洞穴搜索、交通监控、火灾搜救及航空摄影等任务。

　　肖博士主持研发的CityFlyer微型四旋翼机器人实现了在室内环境自主飞行，并绘制三维地图的能力。其利用图像实时处理/激光扫描匹配技术来估计自身运动，综合利用RGB-D传感器／小型激光测距仪提供的距离信息，设计信息融合算法，以实现壁障、轨迹规划和自主飞行控制，解决了在没有GPS信号情况下准确进行自身运动估计的技术难题。他们研发的视觉里程计快速解算方法具有理论创新和技术突破，得到业界的广泛关注。谷歌公司主动提供科研资助给肖博士的团队，帮助谷歌公司的TANGO项目开发三维建模和实时定位软件。

　　在向科技日报记者展示的视频中，CityFlyer微型四旋翼飞行器一边自主导航，一边创建三维地图，并安全地到达了预先设定的室内目标。肖博士介绍说，微型旋翼机器人在反恐执法、军事侦察、城市巷战、治安和民用等领域具有广阔的应用前景。例如，装备有摄像头的警用微型旋翼机器人可以低空飞入危险小巷，近距离监视和拍摄犯罪分子的行为；也可以从窗户飞入高层建筑物内部，帮助消防队员开展搜救工作。

　　此外，肖博士还演示了他的最新研究成果：一位盲人患者携带智能手机，利用他们开发的辅助导航软件获得语音提示，从多层办公楼的前厅，穿走廊、坐电梯顺利地走到了位于8层楼的会议室，完全不需要人工帮助——这一技术必将为全球285万视障患者带来福音。（记者冯卫东）