一、所属领域

模块化机器人，认知科学，儿童教育

二、项目介绍

1. 痛点问题

空间能力指人类利用对形状和空间位置的基本理解、记忆、推理和生成物体间空间关系的一种能力，对科学、技术、工程和数学学科发展具有重要作用。现有针对儿童空间能力提高的训练方式主要包括通过特定的练习或者阅读文档对个人进行训练，以及通过给个人提供注重空间能力发展的课程进行训练。由于测试阶段与训练阶段任务非常相似，这两种训练方式对空间能力的提升十分有限，且不具有通用性，无法通过有效训练，将被训练技能上得到的提高迁移至未经训练技能。

2. 解决方案

模块化机器人可以根据环境和任务的不同自适应的改变自身构型，设计精巧、灵活度大，是一种训练儿童空间能力的理想物理实体。本成果提出了一种模块化机器人内部结构优化方法，自动计算模块内部元件优化的排布方式。算法构建了具有结构强度、空间利用率、装配复杂度三个参数的能量函数，通过模拟退火算法得到能量函数的最小值，即为排布算法的最优解。此外，设计制造了一种自重构机器人单元模块，具有结构简单、成本低廉的优点，降低了安装和拆卸的难度。由该模块组成的模块化机器人能在不同构型间自动转换，并在不同构型下进行运动。

图1. 模块化机器人在不同构型下的运动

3. 竞争优势分析

现有用于提升儿童空间能力的儿童益智玩具主要代表为积木，但积木只能由用户手动完成变形过程，而模块化机器人能自动完成构型变换过程，比人工搭建和拆卸积木模型更加便捷高效，能为用户带来更加流畅的互动体验。然而，现有模块化机器人大多仍停留在实验室阶段，少量已量产的产品结构较为复杂，价格昂贵。相较而言，本成果产品结构简单，成本低廉，安装拆卸过程便捷，具有较大优势。相关技术获得两项专利授权、以及2017年IEEE世界机器人学和仿生学大会最佳学生论文提名奖。

图2. 机器人模块结构简单，成本低廉

4. 市场应用前景

本项目的模块化机器人主要应用领域为益智玩具，目标客户为儿童及青少年群体，用户年龄段为3岁至18岁。本项目产品可以直接面向用户销售，或依托产品进行机器人相关培训，通过线上/线下教育提升用户的空间能力。据公安部户政管理研究中心发布的《2020年全国姓名报告》显示，2020年出生并已到公安机关进行登记的新生婴儿共1,003.5万人。新生人口基数大，未来5-10年的潜在市场空间广阔。

5. 发展规划

该项目主要面向青少年和高教群体，也适用于其他年龄段对人工智能和机器人感兴趣的用户。目前已完成模块化自重构机器人的原型设计。后续可以采取“To B、To C”并行的方式，通过前期B端（即学校、教育机构等）建设，降低C端（普通用户）接触机器人的门槛，从而实现“让机器人走进千家万户”的目标。

6. 知识产权情况

已获得两项专利授权。

三、合作需求

寻求与机器人、儿童/青少年教育等行业公司合作，对产品进行推广，普及机器人教育，提升大众对机器人的认知，把机器人作为教学的内容给到学生和老师，为幼儿园、K12甚至高校、研究院输入相关课程解决方案。使用人工智能+互联网+教育的模式，提供机器人设备及线上教学课程，帮助用户提升空间能力，共同推动机器人在少年儿童教育产业的发展。

四、团队介绍

研究团队负责人刘永进教授，现任清华大学计算机系长聘教授、清华大学计算机系人机交互与媒体集成研究所所长、中国图象图形学学会智能图形计算专业委员会副主任，主要研究方向为计算机图形学、认知计算。获得国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金、国家优秀青年基金等项目的资助，曾获2011年国家技术发明奖二等奖和2018年吴文俊人工智能自然科学奖一等奖。团队包括指导的领军工程博士生1名、全日制博士生9名和硕士生2名、博士后4名、科研助理1名以及行政助理1名。

五、联系方式

E-mail：ott@tsinghua.edu.cn

成果编号：2021157

注：所有成果发布内容未经授权，请勿转载！

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