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系統(tǒng)地研發(fā)和掌握了智能自主機(jī)器人高精度運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境感知與地圖構(gòu)建、多視角目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、自主定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、儀表智能識(shí)別以及自動(dòng)報(bào)警、高效人機(jī)交互等核心技術(shù)和整套系統(tǒng)集成能力。 一、項(xiàng)目分類 重大科學(xué)前沿創(chuàng)新 二、成果簡(jiǎn)介 系統(tǒng)地研發(fā)和掌握了智能自主機(jī)器人高精度運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境感知與地圖構(gòu)建、多視角目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、自主定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、儀表智能識(shí)別以及自動(dòng)報(bào)警、高效人機(jī)交互等核心技術(shù)和整套系統(tǒng)集成能力。主持研制的鐵路牽引變電站巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工程化，在西成客專成功、北京地鐵試運(yùn)行并輻射到地鐵牽引供電、動(dòng)力發(fā)電等設(shè)施的安全監(jiān)控與運(yùn)營(yíng)維護(hù)和智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用。鐵路變電所智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要由智能巡檢機(jī)器人、鐵路變電所智能機(jī)器人監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)的智能處理和機(jī)器人充電房等部分組成，具備完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);具有與鐵路牽引供電SCADA系統(tǒng)無(wú)縫連接功能，是引領(lǐng)無(wú)人值守牽引變電站新模式的核心裝備之一，該機(jī)器人系統(tǒng)解決了鐵路變電站巡檢自動(dòng)化程度低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，同時(shí)譜系化該機(jī)器人可為城市軌道變電站巡檢提供新模式。

南開(kāi)大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所從1992年開(kāi)始研制用于生物工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，完成國(guó)內(nèi)第一臺(tái)樣機(jī)，此后的系列樣機(jī)，均取得較好的應(yīng)用效果。此項(xiàng)成果于1999年獲得國(guó)內(nèi)最早的微操作機(jī)器人系統(tǒng)整體發(fā)明專利，并于2001年12月獲2000年度天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，2003年3月獲2002年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。近年來(lái)，針對(duì)我國(guó)在生命科學(xué)研究中對(duì)自動(dòng)化精密儀器與設(shè)備的迫切需求，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，機(jī)器人所致力于開(kāi)發(fā)“面向批量細(xì)胞轉(zhuǎn)基因及克隆操作的顯微注射系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有顯微鏡全局視野

1.痛點(diǎn)問(wèn)題 在食品、醫(yī)藥、新能源、物流及3C等諸多行業(yè)，需要大量對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行高速揀選、理料和包裝的機(jī)器人。高速機(jī)器人已成為分揀和包裝領(lǐng)域中提高效率、降低成本和提升質(zhì)量的核心裝備。國(guó)際機(jī)器人巨頭ABB和FANUC等引入并聯(lián)構(gòu)型，憑借基礎(chǔ)零部件優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)的Delta高速并聯(lián)機(jī)器人一直處于市場(chǎng)壟斷地位。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的高性能伺服驅(qū)動(dòng)和減速器等依賴進(jìn)口，面臨中低端鎖定的困局。 面向輕量化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)、及日益復(fù)雜多樣的生產(chǎn)需求，剛性機(jī)器人在性能方面存在效率低、成本高、功耗高等亟待突破的瓶頸。 2.解決方案 本項(xiàng)目引入高性能索驅(qū)動(dòng)技術(shù)，建立了剛?cè)崛诤蠘?gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了一類具有高效率、低成本、低功耗和高精度特性的高速索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了索驅(qū)動(dòng)與剛性支鏈的并聯(lián)融合；建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，形成了從構(gòu)型設(shè)計(jì)到性能匹配的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，保證了機(jī)器人本體的優(yōu)異性能；突破了軌跡規(guī)劃和精度保證等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了基于開(kāi)放構(gòu)架的高性能控制軟硬件平臺(tái)，形成系列化機(jī)器人裝備。 基于本項(xiàng)目技術(shù)可以建立系列化索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人產(chǎn)品，突破剛性機(jī)器人面臨的瓶頸問(wèn)題，極大降低裝備成本，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人性能和市場(chǎng)占有率提升。 合作需求 1）市場(chǎng)對(duì)接：自動(dòng)化系統(tǒng)集成公司、分揀碼垛需求迫切的大型企業(yè)集團(tuán)； 2）資本對(duì)接：具有高端裝備和智能制造背景的投資機(jī)構(gòu)，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈整合； 3）技術(shù)合作：具備輕量化高速、超大空間重載、接觸力控制等工況需求的企業(yè)，可與本團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)或共同申報(bào)、承接國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目。

1.痛點(diǎn)問(wèn)題 擬人化的智能體，在人類生活中開(kāi)始起到越來(lái)越重要的輔助工作、提升生產(chǎn)力和情感交流等作用。具體形式包括實(shí)體化的機(jī)器人和虛擬的數(shù)字人形象兩種形式。 在實(shí)體化的機(jī)器人技術(shù)中，由于各行業(yè)場(chǎng)景范圍的多樣性，移動(dòng)機(jī)器人的避障問(wèn)題是阻礙機(jī)器人廣泛應(yīng)用的一大痛點(diǎn)。 （1）基于視覺(jué)信息和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)解決移動(dòng)機(jī)器人避障問(wèn)題，會(huì)因?yàn)榉抡鏀?shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的較大差別而導(dǎo)致泛化性能不足，使得真實(shí)場(chǎng)景下的避障的成功率下降。 （2）目前避障問(wèn)題中的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)往往需要針對(duì)不同復(fù)雜程度的場(chǎng)景重新訓(xùn)練或者再訓(xùn)練模型，難以訓(xùn)練出適用各種密度場(chǎng)景的通用模型。 （3）基于雷達(dá)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)避障方法受限于成本、功耗和仿真的難度等，往往使用單線雷達(dá)。但單線雷達(dá)僅能對(duì)某個(gè)固定的平面進(jìn)行檢測(cè)，如果移動(dòng)機(jī)器人具有較高的高度，只對(duì)某個(gè)平面檢測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完美的避障。 此外，隨著虛擬形象在金融、文旅、醫(yī)療、零售等領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，數(shù)字虛擬形象產(chǎn)業(yè)應(yīng)用路線逐漸清晰，但仍存在產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)割裂、產(chǎn)品與需求匹配度低、生產(chǎn)成本高效率低、虛擬形象交互能力弱的問(wèn)題。 2.解決方案 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本成果的解決方案從兩方面入手。首先，在移動(dòng)機(jī)器人避障方面，本成果設(shè)計(jì)了一種同時(shí)結(jié)合單線雷達(dá)與單目相機(jī)的避障方法框架，并設(shè)計(jì)了新的更有效的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型。其次，本成果還提供一種虛擬形象說(shuō)話視頻生成方法及系統(tǒng)，使用深度學(xué)習(xí)方法，基于訓(xùn)練好的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音模型,對(duì)預(yù)設(shè)音頻文件進(jìn)行預(yù)測(cè)處理,通過(guò)在說(shuō)話視頻生成過(guò)程中引入三維人臉信息,并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型生成頭部姿勢(shì)自然轉(zhuǎn)動(dòng)且具有個(gè)性化說(shuō)話習(xí)慣的說(shuō)話視頻。上述算法可搭載于通用硬件平臺(tái)，構(gòu)建低成本高效的虛擬形象視頻生成系統(tǒng)。 基于以上科研成果，本項(xiàng)目將致力于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各主流行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等領(lǐng)域持續(xù)積累智能場(chǎng)景應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)合優(yōu)秀的前沿技術(shù)整合與應(yīng)用開(kāi)發(fā)融合能力和深厚的市場(chǎng)推廣能力，全力打造智能巡檢/服務(wù)/協(xié)作機(jī)器人和虛擬人平臺(tái)等軟硬件一體化解決方案。以實(shí)體機(jī)器人并搭載虛擬說(shuō)話人虛體，通過(guò)實(shí)體、虛體相結(jié)合的方式打造獨(dú)一無(wú)二、具有全新體驗(yàn)的智能巡檢/服務(wù)/協(xié)作機(jī)器人，提高智能巡檢/服務(wù)/協(xié)作過(guò)程中交互的效率與質(zhì)量。 合作需求 尋求在清潔能源、儲(chǔ)能、新能源等行業(yè)智能運(yùn)維部門(mén)和相關(guān)企業(yè)合作，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，在清潔能源、儲(chǔ)能、新能源等行業(yè)中部署巡檢/服務(wù)/協(xié)作機(jī)器人以及虛擬人服務(wù)平臺(tái)，打造無(wú)人值守范例，賦能智能化運(yùn)維，共同推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。

靜脈穿刺采血機(jī)器人的創(chuàng)新萌芽在疫情期間誕生。大量的靜脈穿刺操作給一線臨床醫(yī)護(hù)人員帶來(lái)了不小的工作負(fù)擔(dān)，甚至可能造成醫(yī)患交叉感染。疫情期間，醫(yī)護(hù)人員都穿著厚厚的防護(hù)服、帶著雙層手套，還有護(hù)目鏡容易起霧，使得扎針難成為一個(gè)棘手而普遍的問(wèn)題，而且近距離接觸，更會(huì)極大增加扎針過(guò)程醫(yī)護(hù)人員感染的可能性。

本項(xiàng)目基于薈萃分析的光源顏色品質(zhì)量化方法研究（國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目），團(tuán)隊(duì)所提出的MCPI, CDM指標(biāo)在量化光照顏色喜好與光照顏色分辨效果方面，經(jīng)百余組國(guó)內(nèi)外視覺(jué)實(shí)驗(yàn)案例（本領(lǐng)域最大視覺(jué)樣本集）驗(yàn)證，優(yōu)于領(lǐng)域現(xiàn)有全部30余種光品質(zhì)指標(biāo)，相關(guān)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)且技術(shù)壁壘堅(jiān)固。 一、項(xiàng)目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、技術(shù)分析 截至目前，我國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已逾萬(wàn)億。在白光照明領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)際業(yè)界均將顯色指數(shù)作為行業(yè)衡量光源光色品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于顯色指數(shù)的提出遠(yuǎn)早于LED照明技術(shù)普及，導(dǎo)致此項(xiàng)陳舊指標(biāo)在評(píng)價(jià)LED光源顯色效果時(shí)，存在著嚴(yán)重的與視覺(jué)不匹配的問(wèn)題。為此，2015年，國(guó)際照明委員會(huì)發(fā)表官方聲明，對(duì)于顯色指數(shù)在衡量LED光源顯色效果方面存在的缺陷進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。隨后，2019年，該組織將“LED光源顯色性量化問(wèn)題”設(shè)定為國(guó)際照明委員會(huì)全球戰(zhàn)略研究熱點(diǎn)問(wèn)題，號(hào)召全球?qū)W者共同深入，共同推進(jìn)白光LED光色效果量化技術(shù)發(fā)展。 本研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于本領(lǐng)域的研究工作，目前承擔(dān)LED光色品質(zhì)研究領(lǐng)域唯一國(guó)家級(jí)研究課題：基于薈萃分析的光源顏色品質(zhì)量化方法研究（國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目），團(tuán)隊(duì)所提出的MCPI, CDM指標(biāo)在量化光照顏色喜好與光照顏色分辨效果方面，經(jīng)百余組國(guó)內(nèi)外視覺(jué)實(shí)驗(yàn)案例（本領(lǐng)域最大視覺(jué)樣本集）驗(yàn)證，優(yōu)于領(lǐng)域現(xiàn)有全部30余種光品質(zhì)指標(biāo)，相關(guān)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)且技術(shù)壁壘堅(jiān)固。 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉強(qiáng)副教授為武漢大學(xué)圖像傳播與印刷包裝研究中心副主任，顏色與圖像研究所所長(zhǎng)、兼任國(guó)際照明委員會(huì)CIE-JTC 16 (D1/D8)技術(shù)工作組委員，國(guó)際照明委員會(huì)CIE-RF03技術(shù)工作組委員（該技術(shù)委員會(huì)為國(guó)際照明委員會(huì)針對(duì)LED光色問(wèn)題專門(mén)設(shè)立的國(guó)際聯(lián)合研究組織），中國(guó)照明學(xué)會(huì)室內(nèi)照明專業(yè)委員會(huì)委員，湖北省照明學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)等職，擁有豐富的光品質(zhì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)高壓/超高壓電場(chǎng)的嚴(yán)酷電磁環(huán)境，仿生機(jī)器人與控制實(shí)驗(yàn)室將前沿軟體機(jī)器人技術(shù)與電力行業(yè)的運(yùn)檢需求相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了耐壓增強(qiáng)型先進(jìn)軟體機(jī)器手。該機(jī)器手采用柔性聚合物（乙烯/醋酸乙烯酯）和剛性聚合物（聚乳酸）等日常普遍采用的非金屬材料制造，通過(guò)低壓氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)（3DOF）靈活運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)采用耐壓增強(qiáng)處理，該機(jī)器手的驅(qū)動(dòng)控制箱可以承受±1000kV特高壓電壓的嚴(yán)酷環(huán)境，并且能夠保持自身運(yùn)作和與外界通訊的穩(wěn)定。

在國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃的資助下，面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、顯微圖像處理與深度辨識(shí)、超微量定量注射等方面取得了數(shù)項(xiàng)原創(chuàng)性研究成果，獲天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。該系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)獲得多項(xiàng)專利成果，ZL2005 1 0016296.7：基于顯微圖像處理的微操作工具深度信息提取方法及裝置，ZL2004 1 0018840.7：微量注射自動(dòng)控制系統(tǒng)，ZL03 1 29924.5：全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，ZL97121702.5：用于生物醫(yī)學(xué)工程的

設(shè)計(jì)了三維真彩色噴繪機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了全真地形模塊加工和噴墨全過(guò)程的整套核心技術(shù)，為大幅面三維真彩色噴繪系統(tǒng)產(chǎn)品化提供了有力支撐。 通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，利用機(jī)器人的柔性加工將虛擬三維場(chǎng)景如實(shí)地在復(fù)雜三維模型上進(jìn)行噴繪，從根本上改變目前噴繪行業(yè)僅限于二維彩色噴繪的局限性。由于三維真彩色噴繪機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求復(fù)雜，同時(shí)三維模型的復(fù)雜性也對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)條件下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求很高，國(guó)際上只有少數(shù)公司和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行原理性的研究和小規(guī)模試驗(yàn)，尚未形成生產(chǎn)力和產(chǎn)業(yè)鏈。

本發(fā)明公開(kāi)了一種兩棲仿生龜機(jī)器人，它具有四條相同結(jié)構(gòu)的腿模塊單元，十六個(gè)獨(dú)立可控關(guān)節(jié)通過(guò)冗余驅(qū)動(dòng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)陸地及水中運(yùn)動(dòng)，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。陸地運(yùn)動(dòng)步態(tài)以髖關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)冗余；水下運(yùn)動(dòng)步態(tài)則以髖關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)冗余。機(jī)器人還配備浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠自由控制整機(jī)在水中的上浮下潛。機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)放置在機(jī)身密封艙內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，關(guān)鍵部件的防水密封則采用浸油密封與接縫處涂抹密封膠的方法。本發(fā)明具有運(yùn)動(dòng)形式豐富，承載能力強(qiáng)、關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度大，機(jī)