圖為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。本報記者 馮衛(wèi)東攝

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)器人與自動化大會最佳錄像決賽獎;Rise-Rover無損檢測機(jī)器人，獲得2015年第18屆爬壁和步行機(jī)器人國際會議實(shí)踐創(chuàng)新獎。

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、勞動強(qiáng)度大、危險性高。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，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，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)器人自動檢測極大地加快了檢測速度，降低了勞動強(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，是最先研究微型旋翼無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時感知、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，而且能計算出與目標(biāo)的距離。這項成果榮獲2011年IEEE國際機(jī)器人與自動化大會最佳視覺論文決賽獎。此外，他們提出的機(jī)器人實(shí)時姿態(tài)估計算法和實(shí)時密集地圖創(chuàng)建方法，分別榮獲2012年多傳感器和信息融合大會最佳論文決賽獎和2015年《機(jī)器人：科學(xué)和系統(tǒng)》大會最佳系統(tǒng)論文獎。

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)時處理/激光掃描匹配技術(shù)來估計自身運(yùn)動，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信號情況下準(zhǔn)確進(jìn)行自身運(yùn)動估計的技術(shù)難題。他們研發(fā)的視覺里程計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。谷歌公司主動提供科研資助給肖博士的團(tuán)隊，幫助谷歌公司的TANGO項目開發(fā)三維建模和實(shí)時定位軟件。

在向科技日報記者展示的視頻中，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。