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为机器人赋能赋新

来源:  发布时间:2020-07-10

 

——清华大学刘辛军团队与机器人打交道的这些年
  
李明丽


  
  未来的世界是什么样子的?正如一千个人眼中有一千个哈姆雷特,每个人对于未来的想象都是不同的。不过,在大多数现代人的想象中,在未来的世界,机器人是个必不可少的角色。这一点无论是从近些年的科幻影视中,还是从现实生活中,都有明显的体现。
  实际上,人类对于机器人的追求并非始于现代。早在东周时期,中国人就发明过机器人。《列子·汤问》记载,周穆王西巡时遇到了一个名为偃师的人,这个人向周穆王献上了一件亲手制造的礼物——一位能歌善舞的艺人,而这个艺人就是用木料、树胶、油漆和白黑红绿等颜料做成的机器人。在之后的历史长河中,三国时期的马钧、诸葛亮,唐代的马得封、史王据等都制造过机器人,且在唐代,机器人还曾被用于生产实践中。由此可见,中国人对于机器人的构想有着深厚的历史底蕴。
  进入现代社会以后,随着科技的不断发展,机器人被赋予了新的生命与使命。它不但在工业生产中得以应用,还走进了医疗、教育和家居生活等领域,使无数可能变为现实。清华大学机械工程系教授刘辛军就是将“可能”变为“现实”的助推者。他和他的团队扎根机器人领域多年,研究类型涵盖高速并联机器人、移动机器人、协作机器人、软体机器人等,其创新成果在国内外都具有重要的影响。
  未来,机器人将怎样发挥更大的价值?还会将多少可能变为现实?带着这些问题,让我们走近刘辛军团队与机器人打交道的这些年,或许会得以窥见机器人未来发展的一隅。
  
所选即所爱
  我国工业机器人起步较晚,始于20世纪70年代初。经过近20年的发展,到20世纪90年代,我国机器人进入实用化期。就在这样的背景下,刘辛军在机缘巧合之下跨进了机器人世界的大门。
  刘辛军在中学时代并不是个学霸,当年他所在的班级考上大学的一共有21人,他排名第20名,进入燕山大学学习机械设计与制造专业。在专业的选择上,当年是由他的中学班主任王文玺老师代他填报的。他坦言道:“那时候,农村的孩子在专业选择上也不太懂,我自己也没选,就让老师帮我选的。正巧,他给我选的就是我喜欢的。”
  刘辛军在中学期间,最喜欢学且学得最好的就是平面和立体几何。进入大学以后,他发现学好平面和立体几何对于学好机械制图是至关重要的,尤其是立体几何的学习可以帮助他形成强大的空间思维能力。由于中学时的几何底子扎实,所以刘辛军在大学的学习十分顺利和轻松。
  如今,刘辛军在清华大学教授“机械制图”这门课,他发现很多学生的空间思维能力较弱。他认为,造成这一现象的很重要的一个原因是,这些学生在中学时期没有打好几何学习的基础。“中学是培养空间思维能力的一个很重要的时期,现在很多学校可能边缘化或者淡化了立体几何这部分知识的学习。我认为,这部分知识是很重要的,还是要重视。”刘辛军说道。
  在燕山大学,刘辛军接连完成了本科、硕士、博士的学业,导师高峰教授是他科研生涯的领路人。博士毕业时,他的博士论文需要一个评审人,于是他找到了当时在清华大学任职的汪劲松教授,并当面表达了想要到清华大学从事博士后研究的意愿。看完刘辛军的博士论文后,汪劲松教授对他说:“你赶紧回去答辩吧,答辩完了马上来报到。”这一幕,时至今日,刘辛军仍能清晰地想起。
  “燕山大学和清华大学毕竟是有差距的,当时我没想到能这么顺利地得到认可,是一个很大的惊喜,我肯定是很高兴的。来到清华大学以后,汪老师也很信任我,让我开始做机器人理论研究。”博士后出站,刘辛军先后前往韩国、德国进行访问研究,之后又回到清华大学从事机器人与机构学、先进制造装备设计与应用方面的研究工作。
  至今,刘辛军担任着精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室和清华大学(机械系)-西门子先进工业机器人联合研究中心主任,组建了一支科研能力强、业务水平高的团队——现代机构学与机器人化装备实验室团队。该团队以行业和国家重大需求为引导,以基础理论和核心技术研究为先导,以解决工程问题为目标,坚持以自主创新为发展根本,研究工作集中于现代机构学理论前沿和面向制造与人机共融的机器人化高端装备,形成了“顶天立地”格局。
  
赋予机器人力量
  刘辛军团队的研究方向集中在高速智能作业并联机器人、多轴联动与移动式智能加工机器人、协作与软体机器人等方面。多年来,团队一直十分注重理论与关键技术的研究,尤其重视机构学的理论基础作用。
  机构学是一门古老的学科,从我国发明指南车算起,已经有几千年的历史了。在计算机高速发展的今天,机构学不但丝毫没有放慢发展速度,而且焕发新生,在更多行业展现出巨大的作用。用刘辛军的话来说,在机器人领域,机构学是基础中的基础,是机器人研发的关键。
  团队在早年的工作中积累了丰富的机构学理论基础研究经验,并在此基础上发展出了属于自己的特色,其相关研究在国际上还占有一席之地。“在机构学这方面,我们着重做构型、性能、尺度这样一个闭环的工作。”刘辛军解释道,什么是构型,比如说人与动物的骨骼、骨架不一样,这就是构型不同;性能就是,人灵活,但是牛力量大,这就是性能不同;尺度就是合适的比例,有关怎样去确定机器人或装备的尺度,刘辛军团队已经摸索出了一套属于自己的规律方法。
  “有了这些前期工作,就可以研制机器人了。”刘辛军团队最具有代表性的工作之一就是高速智能作业并联机器人。这类机器人主要应用在食品、医药和电子这三大国民经济支柱产业中。然而,国外机器人公司对关键技术的垄断和封锁使产品价格居高不下,同时也存在对本土企业需求痛点把握不准、产线柔性不匹配等问题。因此,自主研发出我国本土化、高品质的高速机器人,是提升产业自动化水平的当务之急和必由之路。
  团队重点突破了机器人构型设计难题,发明了具有高速高加速、高速重载和高速高精特性的两、四自由度并联机器人,满足了行业内高加速、重载和高精度等典型工况的高速分拣需求。刘辛军介绍说,团队研发的高速轻载机器人可以做到一分钟往返270次左右,达到了国际领先水平。
  目前,团队研制的高速智能作业并联机器人已经实现产业化。其中,团队与济南翼菲自动化科技有限公司合作研制的高速重载机器人相同速度下的载荷较国外最优产品提升4倍,高速高精机器人完全填补国际空白。相关成果已成功应用于蓝思科技、联合利华、山东东阿阿胶等多家行业龙头企业,设备运行稳定,显著提高了企业自动化生产效率和生产质量。
  移动式智能加工机器人也是团队的特色研究之一。针对我国航空航天等领域大型复杂零部件的加工需求,刘辛军作为负责人主持了国家重点研发计划“智能机器人”重点专项项目“大型舱体类复杂薄壁构件多移动机器人协同原位加工技术与系统”,团队的谢福贵老师也承担了“大型风电叶片磨抛移动式高效加工机器人系统设计”课题任务。目前,团队正在自主研制的移动式加工机器人装备,已完成其核心功能部件的轻量化、高刚度、高精度设计,并研制了一套五轴并联加工单元,实现了S试件等复杂曲面零件的五轴联动高精铣削,其余创新成果将在2020年出炉。此类机器人的研制成功将打破国外相关技术垄断,使大型复杂结构件的加工效率提升2倍以上,可有力支撑中国航空航天等事业的发展。
  相比于面向工业应用的高速智能作业并联机器人、移动式智能加工机器人,协作机器人和软体机器人有着更大的发展空间。“协作机器人是一种跨界机器人,它既能在工业界服务,也能够走进家庭。它依赖于人工智能,感应灵敏,而且安全性高,所以这种机器人在未来会有越来越多的应用。我们都知道,机器人将来的方向是人机协同。”刘辛军说。
  刘辛军团队在协作机器人方面的研究工作有两个核心,一个是机器人一体化设计,另一个是控制系统设计。团队已研制成功“感-驱-控”一体化高功率密度关节;建立了高带宽自适应柔顺运动控制器,以及基于深度学习和强化学习的视觉语义感知和决策系统。当前,正在研制面向复杂作业环境的智能协作机器人,实现面向制造生产、3C装配、助老助残等的应用验证,加速智能机器人在国内的发展。
  在软体机器人的研制上,刘辛军团队也已经做出了显著的成果。团队的赵慧婵老师与哈佛大学、MIT等高校合作,开发出了性能指标接近生物肌肉的高能量密度柔性人工肌肉,首次实现了小于1克微型扑翼飞行器的起飞、悬停和可控飞行。由柔性人工肌肉驱动的微型飞行器可以感受飞行中的碰撞,并在碰撞发生后恢复飞行,大大提升了微型机器人在复杂环境下的运行稳定性。
  
为疫情助力
  2020年年初,新型冠状病毒肺炎暴发。在党中央的领导下,新年伊始,全国人民便都投入到这场防控战中。对疫情的有效防控是人类面临的巨大挑战,其关键是阻断或最大程度减少病原体在人际间传播,体温初步筛查是防控任务的关键手段之一。
  2020年2月初,烟台市开发区管委书记牟树青在微信中告诉刘辛军,高速路口测温值班人员很辛苦,节后开发区复工,面临的最大问题也是疫情防控中的体温检测。“疫情期间,各地出入人员必须要进行体温排查,但是在一些人流量较大的地方,排查体温既耗时又耗力,而且因为室外温度的变化,测温结果可能会不准确。同时人工检测也存在着交叉感染的可能性。”针对这些问题,刘辛军组织老师和学生就“实现室外快速无人化准确测温”这一方向展开了论证。
  团队成员通过网上云会议,很快讨论出了一个初步方案,在确定方案的可行性后,立马投入到了工作当中。这是刘辛军团队第一次接触“体温检测”领域,对于团队中的清华学生们来说更是一次挑战。然而,面对挑战,团队更加团结和充满斗志。甚至有两位马上要博士毕业的学生宫昭和孟齐志,为了这一研究工作,主动推迟了毕业时间。
  团队联合烟台清科嘉机器人联合研究院有限公司在机器人本体、测温装置及温补算法、视觉语义感知、控制策略等方面进行技术攻关,仅用一个多月的时间便研制出了“荼与机器人”体温自动快速筛查系统。这种测温系统有两种机器人配置,一种用于流动车辆司乘人员的体温筛查,另外一种用于入口处行人的体温筛查。经北京市计量院检测,系统在室外环境的测温准确度达0.2℃。对于流动车辆,在20秒内即可完成一辆车上所有司乘人员的体温筛查;而对于行人,也可实现2秒内通行。
  “荼与机器人”体温自动快速筛查系统在这么短时间内研制成功的背后,是刘辛军团队不断的攻坚克难。作为总负责人,刘辛军从整体规划到各个环节的把控,再到技术细节的调整,事无巨细,亲力亲为;团队老师赵慧婵带领学生在技术攻关的同时,还要尽最大努力参与到机器人系统的研制中;团队老师谢福贵除了和学生一起盯现场,还要负责联络协调设计、对各个环节把关等工作,他夫人吴宛蔚大夫也参与了测温的问题调查工作。团队全员为了项目研究夜以继日,很多人每天只休息四五个小时。
  截至4月20日,用于行人体温筛查的“阿荼”已经在北京协和医院、武汉的同济医院、北京华信医院、烟台一中、龙口一中、招远一中、烟台开发区高级中学、烟台外国语实验学校等医院和中学助力门诊和复学。由于进一步的研发需要,4月21日,在滨州、枣庄的团队成员东旭光和邵琦也赶到了烟台进行现场支援。
  此次的研究任务中,团队中的学生们都起到了很重要的作用。刘辛军特别提到一位博士生姜淞文,在采集数据的过程中,为了获得更好的对比试验效果和保证数据的准确性,在北方二月零下的温度里,他常常在露天环境下将自己的小臂露在外面冻上十几分钟来做测试比对。
  在谈到这些研究过程中的事情时,刘辛军的语气中带着高兴和欣慰,他说道:“看到大家为了一件事这么团结,这么努力,我是很高兴的。尤其是我们的一些学生,关键时刻能吃苦,能发挥出这么大能量,表现出这么大的担当,我感觉很欣慰。这就是对我们团队以及清华大学人才培养理念的最好回报啊。”
  “行胜于言”是清华大学的校风,也是刘辛军人生的信条。立足清华大学这一科学摇篮,刘辛军的想法正一一实现。如果说清华大学是他梦想的孵化器,那么燕山大学就是他梦想开始的地方,2020年恰逢燕山大学“建校溯源百周年、独立办学一甲子”,采访的结尾,刘辛军也表达了他的祝福,他说,无论他走到哪里,那都是他的母校,是他的心牵挂的地方。
  
  

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2020年6月下

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