复杂多障碍环境中的物流服务机器人设计、控制、调度关键技术

The proposed project aims to develop a set of technologies for design, control and scheduling of logistical service robots in complicated environments through three levels. In the principle level, we systemically investigate the relation between logistics problems/configurations and performance of corresponding scheduling strategies by theoretical and experimental analyses. We also try to identify some configurations of logistics problems that are tractable. In the methodology level, we implement a set of technologies for design, control and scheduling of logistical service robots in complicated environments, including that of the robot hardware design, perception and modeling of environments, multi-robot path planning and task scheduling, mobile manipulation. In demo application level, we implement a semi-simulator to test the performance of the developed robots. We also carry out two demo applications in real-world settings in Hefei and Shenzhen, respectively, in order to access the commercial potential of deploying our robots in real-world logistics settings.

本项目针对复杂多障碍物环境中物流机器人设计、控制与调度的关键技术，展开三个层次的研究。在理论层次，通过理论和实验分析，研究机器人物流调度问题及其不同设置的基本属性与解决方案性能之间的关系，揭示困难情况的本质原因，并识别工程可行的物流问题设置的共性特征，从而尝试建立物流机器人工程应用的理论基础。在方法层次，基于分层规划、智能优化等技术手段，研发一套实用化物流机器人的设计、控制和调度方法体系，包括物流机器人本体设计、复杂多障碍物环境感知与建模、复杂不确定环境中多机器人路径规划与任务调度、单机器人移动操作等主要部分，并完成相应物流服务机器人软硬件系统的设计与实现。在示范应用层次，研发一种半仿真测试平台，对上述物流服务机器人软硬件系统进行多维度测试与分析评估，并着重通过两个实际场景中真实物流问题的示范应用，检验项目的理论-技术成果的实际效果，分析其可应用条件和商业推广价值，为后续成果转化创造条件。

利用机器人技术实现物流系统升级，是社会基础结构升级的一个核心部分，已在工业、运输业、仓储业、快递业、社区服务业、医院等行业产生迫切需求。本项目探讨物流系统升级的技术问题和应用途径。.主要研究内容：物流机器人本体设计、物流系统任务调度、多物流机器人路径规划、移动操作、环境感知、实验平台与应用示范，均完成了预定计划。发表（含接受）带标注期刊论文13篇、会议论文21篇、合著专著1部，申请专利19项、授权3项。参加项目研究博士生8名、硕士生约20名。.部分成果在学术界和产业界产生了较广泛的影响。.基础研究方面，提出现有人工智能技术的可应用性条件——封闭性准则和强封闭性准则，前者给出现有AI技术成功应用的理论条件，后者给出工程条件，具有三方面意义：①鉴别一个场景是否可以成功应用现有AI和机器人技术；②指明非封闭场景中应用成败的关键在于封闭化，并给出封闭化的若干路径；③为判断当前AI和机器人基础研究的本质性挑战提供参考。该成果在2020中国人工智能大会等20多场特邀报告或讲座中做过介绍，在AI和机器人领域产生了较为广泛的影响。.关键技术方面取得多项重要进展，所研制的一种刚柔合一机器人手爪可抓握不同形状、大小和刚度（从金属到豆腐）物品，只需使用普通视觉传感器（人民币1000元），且研制成本低廉（人民币2300元），获国际学术会议最佳论文奖、第21届机器人世界杯“最佳操作奖”，并入选2019中国机器人行业“10大科技进展”，该奖项在机器人产业界具有较广泛的影响。.应用示范超额二项完成计划，包括无人超市售卖拣货、智慧校园物流服务、医院药品配送、COVID19-咽拭子采样机器人。还获得第28届世界人工智能联合大会IJCAI-2019助老机器人比赛第一名。.项目研究主要结论：1. 应用现有机器人及AI技术可实现封闭性物流系统的升级；2. 非封闭性物流系统的升级须经封闭化——场景裁剪或改造；3. 不可封闭化物流系统的升级有待于未来10-15年基础研究的根本性突破。