“中、俄、芬、德”四国机器人技术联合体发展历程

冯石柱

（中国北方车辆研究所，北京，100072）

编者按：

在民用上，无人驾驶如今最火热的是无人驾驶汽车，除却传统汽车企业，谷歌、百度等新兴高科技企业也在大举切入。在军事上，无人驾驶技术涉入最多的是星球车、地面无人系统等。从技术角度看，不论是民用还是军事，无人驾驶原理都是相通的。因此，军民技术融合没有阻扰。

中国北方车辆研究所（简称北方车辆所）隶属于中国兵器工业集团公司，在地面无人平台领域一直成绩不俗，为我国探月计划提供过月球车行走系统技术，是国内此领域的佼佼者。2013年，北方车辆所成功召开了“地面无人平台技术国际(中、俄、芬、德)研讨会”，邀请了来自俄罗斯、芬兰、德国专家对地面移动机器人的研究进展进行学术报告和交流。此后，北方车辆所与俄罗斯无人移动科学与技术公司、芬兰通用智能机器有限公司、德国移动技术有限公司3家单位开展了多项技术合作。2014年9月， 4家单位在俄罗斯圣彼得堡市签署协议，“中、俄、芬、德”四国机器人技术联合体（简称四国联合体）正式成立。

经过几年合作，四方发挥各自的技术优势，快速融合，形成了一股强大的技术力量，在机器人行业异军突起，引发各界关注。

本期专题报道栏目主要对四国联合体的发展历程、4家单位的优势技术以及取得的成果、四国联合体未来的发展规划进行详细介绍，以飨读者。

1 国际合作

自2005年始，中国北方车辆研究所（简称北方车辆所）开展了有关月球车、星球车行走系统技术等多项研究，并在国家有关部门的大力支持下，采取自主研发与技术合作结合的途径，在国际上与俄罗斯全俄运输车辆研究所(简称全俄所)、俄罗斯无人移动科学与技术公司等建立战略合作关系，共享月球车开发和实验资源，联合开展地面无人平台关键技术的研究。

1.1 自主引进月球车

2005年9月，北方车辆所引进全俄所生产的新型月球车行走系统—XMAL样机（见图1），该样机是当时全俄所最新研制、功能性能最为完善的模型产品，具有空间19个自由度的运动功能和超强的越障、行驶能力，为北方车辆所自主开展月球车行走技术研究奠定基础。

图1 月球车行走系统—XMAL样机

1.2 支援国家重点工程

为了支援我国“嫦娥工程”探月计划，2005年12月，北方车辆所与全俄所联合在北京举办了一场月球车行走系统展览，展示了5款月球车（星球车）模型和1款专用土壤探测设备，共吸引80余家单位观展。展览期间，进行月球车模型动态演示64场，专题项目汇报17次，全面展示、汇报了中俄双方近年来的合作成果。

此次展览得到国防科学技术工业委员会等上级机关的高度重视，以及中国航天科技集团五院、清华大学等研究机构、院校的极大关注，众多国家有关部委领导亲自观看了月球车动态演示，听取项目汇报，中国人民解放军总装备部、中国兵器工业集团公司的领导、专家等对项目发展做出相关指示。

1.3 助力国家星球探测计划

星球车是深空探测任务中不可或缺的重要环节。2004年，我国启动 “嫦娥工程”探月计划，到2016年已经成功开展3期，实现了“绕”和“落”的目标；预计到2020年前，中国研制的火星车也将整装待发，奔赴遥远的火星执行移动巡视考察任务。

北方车辆所紧密围绕我国星球探测计划和地面国防、安全、防暴、探测任务等需求，以建立健全我国星球车/地面小型无人平台研究、设计、实验/试验和评估体系，掌握国际前沿关键技术成果为目标，开展了星球车/地面小型无人平台技术合作项目研发，通过引进和吸收俄罗斯先进的星球车技术，突破星球车地面小型无人平台研制的瓶颈技术难题，形成了独特的星球车/地面小型无人平台研究方法、体系和核心技术群，为我国星球探测计划提供了重要的技术支撑。

在嫦娥工程玉兔号月球车项目中，北方车辆所作为该项目移动系统副主任设计师单位，与中国航天科技集团公司第八研究院、哈尔滨工业大学联合共同承担月球车移动系统构型设计任务，并牵头承担了月球车轮壤作用研究和车轮结构设计、低重力模拟月壤研制和月球车动力学、运动学建模三项任务。

北方车辆所通过开展国际项目合作，重点引进了模拟月球实验/试验环境、根据实验结果对月球车在月球上的移动性能分析评估2项关键技术，并成功应用在玉兔号月球车的研制中。图2所示为玉兔号月球车移动系统。

图2 玉兔号月球车移动系统

1.4 播下四国合作的种子

在中俄合作的《星球车(地面轻小型无人平台)技术引进与研发》项目研发过程中，俄罗斯无人移动科学与技术公司作为参研团队，表现出较强的研发能力。随着双方合作的深入，一些有关前沿技术问题的探讨还引起了芬兰通用智能机器有限公司、德国移动技术有限公司的兴趣。于是，四家单位通过项目合作，团队之间良好的沟通、交流，以及对科学探索的好奇、对科技力量的敬畏，大家有了共同合作研发的愿望，种下了四国合作的种子。

2 首届国际会议

在星球车研发项目成功引进的基础上，为了在地面无人平台领域获得更广阔的国际技术资源，北方车辆所与俄罗斯、芬兰、德国等国家技术领先的研发机构或知名专家进一步建立合作关系，促进无人平台技术和产品的快速提升。其中，召开国际会议成为提升无人平台技术和产品的重要举措之一。

2.1 研讨会成功举办

2013年10月28日－11月3日，首届“地面无人平台技术国际(中、俄、芬、德)研讨会”在北方车辆所成功召开，会议主要围绕地面移动机器人的研究进展作学术交流。中国兵器工业集团公司（以下简称集团公司）副总经理杨卓、集团公司科技部副主任沙天兵，中国兵器科学研究院副院长曹晖（现任北方车辆所所长）等上级机关领导以及来自俄罗斯、芬兰、德国的9名专家以及学者代表等60余名嘉宾出席会议。

北方车辆研究所时任所长王玉林在会上致辞，他指出，地面无人平台技术已成为当今世界最前沿、最活跃的领域之一，推动着先进制造、资源开发和科学探测技术发展，越来越受到各国政府和相关企业、科研院所的重视。我国幅员辽阔，有许多高温、高寒、荒漠地区需要地面无人平台去探索、开发，与此同时，高速的经济发展对交通运输、工业制造、农耕作业和抢险救灾提出了智能化、无人化的要求，地面无人平台技术拥有光明的应用前景。推进地面无人平台技术发展，需要了解、掌握世界地面无人平台技术发展现状和趋势，需要学习和借鉴国际同行的先进理念和方法，需要建立一个自由、包容、开放的技术交流与合作平台。相信通过相互交流、相互学习，碰撞思想、启发智慧，会议一定会取得丰硕学术成果，推动地面无人平台技术的快速发展。

俄罗斯无人移动科学技术公司总经理谢尔盖·马特洛索夫、圣彼得堡州立电信大学副校长奥列格·佐洛托克雷凌、芬兰通用智能机器有限公司主任阿尔纳·哈尔姆、德国移动技术有限公司总裁厄尔文·普雷斯勒教授等专家分别做大会发言。他们表示，此次研讨会为各国无人平台技术专家沟通交流搭建了平台，在这里集中了先进的技术、成功的经验和科学的方法，是一次共同研究探讨地面无人平台技术发展难得的机遇，将在世界无人平台技术领域产生非常重要的影响。各国的专家们将以包容的心态、创新的意识、合作的态度、吸纳消化会议的真知灼见，共同推动地面无人平台技术快速发展。

杨卓副总经理指出，无人化、智能化技术已成功应用于交通运输、科学考察和星际探索等领域，并日益展现出广阔的应用前景。但这些技术的发展仍然面临诸多挑战，需要开展广泛的国际交流与合作，集团公司非常支持开展此次研讨会，希望为四国交流合作搭建良好平台，共同促进地面无人平台技术发展。对于此次研讨会，他提出三点建议：一是以开放的思想研讨交流；二是高度重视前沿技术的开发应用；三是合作推进地面无人平台技术进展，以研讨会为契机充分交流、深度沟通、密切合作、共同努力，迎接地面无人平台技术发展的美好明天。

2.2 精彩报告内容

在这次大会上，中国、俄罗斯、芬兰、德国四国的11名专家就地面移动机器人的研究进展分别做了精彩演讲，具体内容包括地面无人平台总体研究、核心软件编程、主要部件设计、工程仿真手段、应用前景探索等，这些极具深度的内容和前沿技术为无人平台的发展指明方向，也推动着地面无人平台技术快速发展。

芬兰通用智能机器有限公司高级研究员Jari Saarinen博士向大家详细介绍了使用正态分布变换（Normal Distribute Transform）进行环境三维重建，并通过视频展示了环境三维重建及在该环境下的定位结果，这种方法有助于解决三维环境建模时存在环境地图大、内存需求多、精度低等问题。

厄尔文·普雷斯勒教授是移动机器人系统的知名专家，他向与会者主要介绍了移动机械手在服务机器人领域的应用情况，比如，物流、调试、医疗保健和康复、农业、排雷和清除爆炸物等领域，并指出，机械手虽然已有重要应用，未来也有巨大发展潜力，但其在某些技术上仍存在不足，需要加强完善。他具体阐述了欧洲的BRICS（机器人的最佳实践）项目的研究成果，其中，BRICS已经在改善移动操作软件方面迈出了第一步，它通过引入模型驱动工程的概念，协调接口和可重构的软件库的设计来实现最佳实用原则。

普雷斯勒教授还指出，自主移动操纵系统的发展带来了各种特殊的挑战，包括机动性和操纵性等问题如何解决等。例如，这些系统通常是多自由度的，而传统上将机器人作为一个整体考虑的路径规划方法已不再适用，基于采样的路径规划算法作为随机算法被认为是最先进的，因为它可以处理高维状态空间，并在机械手工作的许多真实场景中非常有效。

来自俄罗斯的多名专家也做了十分精彩的报告，他们主要对星球车和地面机器人高移动性行走系统（RHMLS）的研究情况进行阐述，提出典型的系统/任务要求、主要任务和RHMLS的功能；论述基本运动的原理及其设计内容，解释现代RHMLS的重点和关键技术，例如包括：车载机械臂的主要任务和功能，车载机械手基本配置内容，现代车载机械手的关键技术等；其他介绍包括机器人领域的无线通信解决方案，展示机器人采用无线网络、无线通信的位置跟踪系统，关注现代机器人智能电子系统，其将立体和视觉系统、燃料电池电源装置及人工智能引入到机器人系统中。

2.3 国际领先水平

参加此次会议的专家们都在各自从事的领域里取得了骄人成绩。其中，阿尔纳·哈尔姆教授是阿尔托大学名誉教授，自2008年起担任芬兰通用智能机器有限公司主任，从事的领域涉及基础和高级层面的自动化科技、控制工程和系统理论等。他主持了30多个由TEKES（芬兰国家技术创新局）、芬兰科学院等支持的研究项目，并取得丰硕成果。他所设计的智能机器人WorkPartner在国际上影响力巨大，并因此获得了IMECO奖和工业机器人创新奖（2003）。

厄尔文·普雷斯勒教授曾担任IEEE 机器人与自动化社团会议活动委员会成员、奖项提名委员会成员、欧洲机器人研究网络关键领域副主席、德国机器人协会创始会员等；曾获IEEE/IFR 发明和企业家奖、 IEEE 机器人与自动化最佳学生会议论文奖以及Inaba 创新技术奖等。

乌拉基米尔博士是来自圣彼得堡州立通讯学院的专家，该学院有专门从事通信研究的团队，他们在多信号传输的无线系统搭建、无线通信的新技术、无线组网技术、多传感器集成的观察装置等方面十分擅长。

假设攻击节点j在前55个信任评价周期内表现为正常节点,在56到115信任周期内表现为恶意节点,以0.7～1.0的几率展开选择性转发与发送虚假监测数据。从116信任周期开始停止攻击,又表现为正常节点,j的信任变化曲线如图5所示。

阿利克斯·波盖切夫作为俄罗斯无人移动科学与技术公司总工程师，曾参与了切尔诺贝利机器人、法国国家太空研究中心行星探测器底盘展示样机、火星车底盘概念机、反恐遥操作移动机器人等众多项目的设计与研发，在底盘设计方面很有造诣。

2.4 收获

通过召开此次研讨会，北方车辆所了解了国外地面无人平台重点技术相关研究领域的现状，国际专家对未来地面无人平台的发展预测、对多项核心技术解决方式的探究，增长了相关理论知识，开阔研究思路，特别是在无人平台领域部分重点问题的研究方式方法、解决思路上，获得一定的启发和可借鉴经验，有助于推动无人平台水平上一个新台阶。

具体收获包括：

1)关键技术需要大力研发。

无人平台的关键技术包括感知、理解、规划与决策等。北方车辆所从底层的源代码着手，加强关键技术的研发，争当行业领先、具有竞争力的机构。

2)专业精神值得学习。

通过在国际会议期间，与德国、芬兰专家的深入交流，感受到他们的钻研精神，以及对待问题严谨求实的态度，这些都值得国内同行借鉴学习。

3)先进技术需要引进。

通过与专家的深入交流、沟通，笔者看到了真正的差距，特别是在三维建模、自主规划等先进技术方面，通过引进先进可以迅速提升我国在地面无人系统方面的实力。

4)加强国际性研讨与合作。

召开研讨会成为获取世界上先进技术的一条新渠道。通过此次会议交流，笔者发现无人平台的技术群非常庞大，而且层出不穷的新技术也为无人平台的发展带来了无限可能。因此，北方车辆所积极开展广泛的国际合作，寻求发展新模式，争取快速占取行业领先地位。

3 四国联合体成立

在首届“地面无人平台技术国际(中、俄、芬、德)研讨会”成功举办的基础上，在与会专家倡议下，北方车辆所与俄罗斯无人移动科学与技术公司、芬兰通用智能机器有限公司、德国移动技术有限公司签订了技术合作协议，在集成高科技机器人技术、动态环境3D建模技术、自主定位和路径规划技术等方面展开合作，并积极开拓市场，形成了四国联合体的雏形。

图3 四家单位签订技术合作协议

2014年9月，上述4家单位在俄罗斯圣彼得堡市签署协议，“中、俄、芬、德”四国机器人技术联合体（简称四国联合体）正式成立。

4 四国联合体构成

四国联合体由来自中国、俄罗斯、芬兰、德国的四家成员单位构成。

兵器地面无人平台研发中心

UVC，Unmanned Vehicle Research Center

俄罗斯无人移动科学与技术公司

RCL，Russian Innovate Science & Technology Rover Company Ltd

芬兰通用智能机器有限公司

Generic Intelligent Machines，Ltd

德国移动技术有限公司

LOC，Locomotec GmbH

其中，RCL及其合作单位在空间机构及机器人底盘设计方面实力雄厚，曾为亚洲、欧洲、美洲等地区的国家设计出多款机器人，并已投入使用。

GIM和阿尔托大学在机器人目标识别与跟踪、三维环境感知模型建立、感知规划和自主导航领域具有国际先进水平。

LOC在机器人智能控制领域、三维环境感知模型建立等方面具有明显优势，可以实现自主控制系统及机械臂控制系统的开发。

5 四国联合体重要事件

四国联合体成立后，启动了服务型安保机器人iPartner项目，并于2015年4月，在西安市召开第三次工作会，共同签署了《CRFG 2015-2020合作需求论证计划》，确定未来6年在安保机器人、核工业机器人、矿业机器人、林业机器人、购物机器人、物流机器人、空间机器人等7大领域开展联合研发。

2016年11月，四国联合体在北京召开第四次工作会，研讨iPartner项目的进展情况，重点讨论了项目组在研发过程中遇到的技术问题，并签署了会议备忘录。

2017年9月，四国联合体在圣彼得堡市召开了第五次工作会，讨论了在“智慧城市、智慧生活”大背景下四国联合体的重点发展技术领域，以求尽快具备研制与市场需求相契合的机器人产品技术能力，建立技术优势，形成竞争优势。

2018年初，四国联合体圆满完成iPartner项目，并通过国家科技部项目验收；同年4月，四国联合体在广东省中山市召开了第六次工作会和2018国际机器人技术研讨会，总结了四国联合体的工作经验，实地考察了中山市和佛山市高新技术开发区的情况，了解当地的加工制造企业以及与机器人相关企业的情况，并就如何产业化进行内部讨论。

6 2018四国联合体会议

2018年4月23-25日，由北方车辆所和广东省中山市科技局联合主办的2018“中、俄、芬、德”（CRFG联合体）国际机器人技术研讨会在中山市举行。此次研讨会以“让智慧、安全的机器人走进生活”为主题，研讨国际机器人前沿技术发展情况，交流机器人高适应性移动系统构型、机器人总体控制、复杂环境综合感知、机器人行为自主规划、危险目标分类识别、机器人行为自主安全控制等关键技术，讨论国际合作的方向和方法，寻求提升我国机器人项目研发和产业化应用水平的途径。

4月23日，在四国联合体第六次工作会上，与会专家对四国联合体首个国际联合研究项目——iPartner安保机器人项目进行总结回顾，对iPartner在移动、感知、规划、危险目标识别等关键核心技术领域取得的成果表示满意，对进一步提升功能性能和更好适应产业化要求提出意见和建议。专家们一致认为，目前的安保机器人技术成果已具备产业化条件，应着力推进安保机器人系列化发展。同时，四国联合体签署了下一步发展协议，就感知、规划、危险目标识别、轻量化操作臂等关键技术在安保机器人、探测机器人、救援机器人、农业机器人、灾后检查机器人等五大领域开展联合研发。

4月25日，“中、俄、芬、德”国际机器人技术研讨会正式召开，集团公司副总经理贾宏谦、广东省科技厅副厅长李旭东等领导出席会议并致辞。

贾宏谦副总经理对四国联合体前期取得的工作成果表示肯定，并提出三点建议：一要坚持把四国联合体打造成世界机器人创新发展的领军者，二要坚持务实推进机器人产业化战略落地，三要坚持以开放的思想研讨交流，相互启迪借鉴，形成丰硕成果。

中山市副市长徐小莉介绍了中山市产业发展优势，中山市作为珠三角乃至全国重要的制造业城市，全市拥有38个国家级产业基地、18个省级专业镇、18项产业集群联盟标准，387家省级以上创新平台，有装备制造、电子信息、家用电器等3个千亿级产业集群，在发展智能制造、机器人产业方面拥有得天独厚的优势。

图4 2018四国联合体研讨会现场

北方车辆所所长曹晖详细介绍了四国联合体自2014年成立以来取得的丰硕成果：一是圆满完成新型安保机器人样机的研制，初步具备产业化条件；二是突破无人平台开放式总体控制体系架构、基于复杂环境的作业自主控制等7项机器人领域关键技术，成功引进2 名千人计划海外专家；三是催生出全地形机器人、载人月球车、宴会机器人等6个国际合作领域产品；四是加速了安保机器人、服务机器人、巡检机器人、观光机器人等10余个具有典型军民融合特点机器人项目的立项研究，形成一批具备产业化条件的技术成果，被中国科技部列入国际合作示范工程。

此次会议的成功举行，为四国联合体研制产品落地打开了新思路，与地方政府和企业共建“军民融合”科技成果转化平台，即符合国家大政方针，也促进联合体持续发展。