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智能機(jī)器人送你一雙眼睛 讓生活更加便利

肖繼忠博士向記者展示其研制的微型四旋翼機(jī)器人模型。

說起紐約的大學(xué),國人可能首先想到哥倫比亞大學(xué)。但在曼哈頓,有一所不為國人熟知的紐約城市大學(xué),這里曾先后培養(yǎng)出13位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。在掛滿名人肖像的學(xué)校榮譽(yù)墻上,一位華人科學(xué)家的面孔顯得格外突出,他就是在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域取得重大成就的肖繼忠博士。

爬壁機(jī)器人能看穿“豆腐渣”工程

現(xiàn)任紐約城市大學(xué)感知機(jī)器人與智能儀器研究中心主任的肖繼忠博士,從1999年開始涉足機(jī)器人研究,其發(fā)明的爬壁機(jī)器人系列產(chǎn)品樣機(jī),在國際機(jī)器人比賽中屢獲殊榮,引領(lǐng)了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。其中,City-Climber視覺檢測機(jī)器人,獲得2006年IEEE國際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)最佳錄像決賽獎(jiǎng);Rise-Rover無損檢測機(jī)器人,獲得2015年第18屆爬壁和步行機(jī)器人國際會(huì)議實(shí)踐創(chuàng)新獎(jiǎng)。

隨著現(xiàn)代城市高速發(fā)展,摩天大樓越來越多,依靠“蜘蛛人”清洗玻璃幕墻曾是紐約這類大城市的一道亮麗風(fēng)景。但人工清洗高樓大廈的玻璃幕墻,效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高。而爬壁機(jī)器人最簡單的應(yīng)用,是解放“蜘蛛人”,讓這項(xiàng)清潔城市的工作變得更安全易行。

肖博士介紹說,他發(fā)明的爬壁機(jī)器人更重要的用武之地在于建筑、水壩、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的無損檢測,費(fèi)用僅為人工檢測的1%。如紐約市法律規(guī)定,7層以上的建筑每5年必須進(jìn)行一次外表面的強(qiáng)制檢查,使用爬壁機(jī)器人進(jìn)行檢測,僅搭建腳手架一項(xiàng),每年即可節(jié)約8000萬美元。美國有8.4萬座大壩,平均使用年齡已達(dá)52年,政府每年投入的檢修費(fèi)用高達(dá)210億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國現(xiàn)有的7.2萬座橋梁中,約有12%具有結(jié)構(gòu)缺陷,每年用于檢修的費(fèi)用也將高達(dá)203億美元。

由于省去了搭建腳手架的時(shí)間和費(fèi)用,免除了調(diào)度車輛載具占據(jù)道路進(jìn)行人工檢測引起的交通堵塞等麻煩,機(jī)器人自動(dòng)檢測極大地加快了檢測速度,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了安全性,而且成本更低。

除了利用搭載的攝像頭進(jìn)行表面缺陷檢測,肖博士研發(fā)的大載荷模塊化檢測機(jī)器人還搭載有雙頻穿地/穿墻雷達(dá),可檢測鋼筋混凝土的厚度,發(fā)現(xiàn)和定位混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷(砂眼、孔洞、分層等),基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的“豆腐渣”工程在機(jī)器人的“火眼金睛”下將無所遁形。

微型旋翼機(jī)器人不靠GPS也能導(dǎo)航

肖博士領(lǐng)導(dǎo)的紐約城市大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究團(tuán)隊(duì),是最先研究微型旋翼無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)感知、自主導(dǎo)航和三維地圖創(chuàng)建等關(guān)鍵技術(shù)的團(tuán)隊(duì)之一,而且,他們?nèi)〉昧素S碩的研究成果。他們創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出單相機(jī)全景立體視覺系統(tǒng),不但能夠獲取360度的圖象信息,而且能計(jì)算出與目標(biāo)的距離。這項(xiàng)成果榮獲2011年IEEE國際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)最佳視覺論文決賽獎(jiǎng)。此外,他們提出的機(jī)器人實(shí)時(shí)姿態(tài)估計(jì)算法和實(shí)時(shí)密集地圖創(chuàng)建方法,分別榮獲2012年多傳感器和信息融合大會(huì)最佳論文決賽獎(jiǎng)和2015年《機(jī)器人:科學(xué)和系統(tǒng)》大會(huì)最佳系統(tǒng)論文獎(jiǎng)。

大中型無人駕駛直升機(jī)或高速飛行的固定翼無人機(jī),主要依靠全球定位系統(tǒng)(GPS)在開闊的高中層空間實(shí)現(xiàn)遙控,或基于航點(diǎn)規(guī)劃的自主導(dǎo)航以執(zhí)行各種軍事和民用任務(wù)。而微型旋翼機(jī)器人由于具有垂直起降、高機(jī)動(dòng)性、體積小、噪音低、不易被發(fā)現(xiàn)等特性,特別適合在近地面的低空環(huán)境(GPS信號(hào)較弱的室內(nèi)、高樓林立的市區(qū)、山洞和叢林)執(zhí)行偵察、監(jiān)視、證據(jù)搜集、洞穴搜索、交通監(jiān)控、火災(zāi)搜救及航空攝影等任務(wù)。

肖博士主持研發(fā)的CityFlyer微型四旋翼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)環(huán)境自主飛行,并繪制三維地圖的能力。其利用圖像實(shí)時(shí)處理/激光掃描匹配技術(shù)來估計(jì)自身運(yùn)動(dòng),綜合利用RGB-D傳感器/小型激光測距儀提供的距離信息,設(shè)計(jì)信息融合算法,以實(shí)現(xiàn)壁障、軌跡規(guī)劃和自主飛行控制,解決了在沒有GPS信號(hào)情況下準(zhǔn)確進(jìn)行自身運(yùn)動(dòng)估計(jì)的技術(shù)難題。他們研發(fā)的視覺里程計(jì)快速解算方法具有理論創(chuàng)新和技術(shù)突破,得到業(yè)界的廣泛關(guān)注。谷歌公司主動(dòng)提供科研資助給肖博士的團(tuán)隊(duì),幫助谷歌公司的TANGO項(xiàng)目開發(fā)三維建模和實(shí)時(shí)定位軟件。

在向科技日報(bào)記者展示的視頻中,CityFlyer微型四旋翼飛行器一邊自主導(dǎo)航,一邊創(chuàng)建三維地圖,并安全地到達(dá)了預(yù)先設(shè)定的室內(nèi)目標(biāo)。肖博士介紹說,微型旋翼機(jī)器人在反恐執(zhí)法、軍事偵察、城市巷戰(zhàn)、治安和民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如,裝備有攝像頭的警用微型旋翼機(jī)器人可以低空飛入危險(xiǎn)小巷,近距離監(jiān)視和拍攝犯罪分子的行為;也可以從窗戶飛入高層建筑物內(nèi)部,幫助消防隊(duì)員開展搜救工作。

此外,肖博士還演示了他的最新研究成果:一位盲人患者攜帶智能手機(jī),利用他們開發(fā)的輔助導(dǎo)航軟件獲得語音提示,從多層辦公樓的前廳,穿走廊、坐電梯順利地走到了位于8層樓的會(huì)議室,完全不需要人工幫助——這一技術(shù)必將為全球285萬視障患者帶來福音。

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