创新科技路 共圆中国梦

时间:2022-09-09 06:07:30

创新科技路 共圆中国梦

在现代化国家建设的进程里,有一种星辰,他们将自己的青春和智慧献给了祖国。而他,是众多星辰中,那耀眼的一颗明星;是机器人研究领域多项国家发明奖获得者;是躬身科技研发与产业生产相结合的优秀实践者;是坚定目标后,困难面前不言放弃,勇登光辉顶点的胜利者。勤勉如他,坚毅如他,厚重如他,奉献如他,他就是我国著名机器人与机械自动化专家黄庆九博士。

“机器人革命”的到来

随着全球经济的飞速发展,英国经济学家保罗.麦基里指出,以互联网、新材料和新能源为基础,“数字化智能制造”为核心的第三次工业革命即将到来,而“数字化智能制造”的主体是工业机器人。黄庆九博士作为我国机器人研究领域的权威人士,他表示,自从20世纪60年代初人类制造了第一台工业机器人以来,工业机器人就被广泛应用在汽车等大型制造业领域。经过近50年的发展,已经形成固定的客户群和较大的市场规模,是众多机器人产业中具有稳定市场需求的。目前,在工业发达国家中,工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、食品工业、物流等诸多领域中。

而我国面向产业的机器人研究开发起步于20世纪70年代,1986年的国家“863计划”首次明确了机器人产业化技术的发展规划,哈尔滨工业大学、沈阳自动化所等大学研究机构相继开始了对机器人的探索。“十一五”期间,各个大专院校更是广泛开展了机器人模块化、体积、结构、设计、功能部件等基础技术领域的研究和探索,为机器人的研究发展奠定了坚实的基础。

目前,我国正从劳动密集型向现代制造业转型,在工业生产向自动化生产转型的道路上,大力引进机器人变得不可或缺。“十二五”期间,我国更是出台了工业转型升级、发展高端制造装备、智能制造装备等一系列有利于机器人产业发展的规划和政策。此外,我国逐渐步入老龄化社会,残疾人口数量庞大,给医疗、服务以及教育等家用机器人,带来巨大的市场机会。专家预言,“机器人革命”还将影响全球制造业格局,而我国则将成为全球最大的机器人市场。国际机器人联合会预测,“机器人革命”将创造数万亿美元的市场。

随着大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术同机器人技术相互融合步伐的加快,3D打印、人工智能迅猛发展,制造机器人的软硬件技术日趋成熟,成本不断降低,性能不断提升,军用无人机、自动驾驶汽车、家政服务机器人已经成为现实,有的人工智能机器人已具有相当程度的自主思维和学习能力。国际上有舆论认为,机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。机器人主要制造商和国家纷纷加紧布局,抢占技术和市场制高点。

虽然,我国机器人的研究水平,特别是能形成产业规模的机器人技术,仍处于萌芽阶段。但是,黄庆九博士认为,我国机器人研究和产业应用,已迎来了新的历史机遇。可以预见,我国随着企业自动化水平的不断提高,机器人自动化生产线的市场肯定会越来越大,并将逐渐成为自动化生产线的主要形式。

可见,机器人产业前景广阔,但黄庆九博士也敏锐地感知到了目前我国在机器人研究领域存在的不足,他说:“目前机器人的智能性还较低,对未知环境的适应能力较弱,因而实际应用领域受到限制。”按照传统机器人学的思路,机器人需要模拟“人脑”,构建环境的“地图”,然后根据地图制定计划,这需要大量的计算。而一旦环境中出现程序预测以外的变化,就会导致之前的计划不能如期执行,在研究开发的过程中还存在诸多瓶颈问题。

潜心科研,助力工业技术发展

“人只要有理想支撑、有目标指引,困难不仅不会成为绊脚石,反而可能成为人生事业中有趣的插曲。”这样的人生态度,使得黄庆九博士能够在科研的世界里自由翱翔,凭借着在机器人研究领域的成就,他先后入选江苏省“双创人才计划”和国家“”。在两足和多足移动机器人、工业机器人、汽车稳定性、精密机械等的教育、研发、实用化工作领域取得了突出成绩,并一直为打造中国的机器人自主品牌而不遗余力。

2008年,黄庆九博士开始在母校华中科技大学担任数字制造装备与技术国家重点实验室客座教授。2009年10月入选南京工业大学“海内外领军人才计划”。2010年,他创建了南京工业大学机器人科学与工程研究院,并担任院长和教授,努力将机器人研究院建成江苏省机器人学术研究及产业化基地,形成基础理论研究、高新技术创新以及成果转化为一体的世界领先水平的机器人专业科学研究基地。同年,他在江苏创立了一家高科技企业,主要开展焊接、磨削、抛光、码垛等制造业用途的工业机器人的国产化技术开发与产业化,自此形成了产学研相结合的创新、创业团队。该团队自组建以来,通过高效的合作攻关,目前已在一些科研领域取得突破性进展。

近年来,我国在船、钻井平台的锚链系泊链的生产制造上取得了长足的发展,并且占有全球50%以上的市场份额。然而,这一行业的发展却一直被锚链系泊链的横档自动焊接、链环自动磨削、焊缝自动探伤的链环传动、定位、机器人视觉伺服控制、压力控制等一系列生产自动化研发过程中的关键技术所困扰,而这些技术难题最终被黄庆九的研发团队所攻克。当前,黄庆九博士带领科研团队已与我国最大的锚链系泊链生产企业建立了自动化生产线长期合作关系。该项目的实施,填补了我国锚链系泊链横档焊接尚无自动焊接的技术与产品空白,并正在进行锚链系泊链全自动化生产及探伤检测的研制工作,这些将使我国锚链系泊链的生产制造在科技含量上跻身世界领先的水平。

同时,黄庆九博士的创新团队还攻克了目前大型工件的磨削、抛光加工机械的曲面适应度差且笨重,不能使磨头灵活地随着零件自由曲面的位置而变化,导致加工效率与精度低,质量难以保证的难题,成功研发出加工曲面自适应型高精度、高效率磨削抛光装置及其控制系统。该技术填补了世界范围内,将压力控制应用在复杂曲面加工成型领域的技术空白,促进了我国先进制造装备水平的提升。不仅可以用于大型罐体容器内外壁和焊缝的抛光、磨削,还可以解决目前尚无合适的装备用于船用螺旋桨的磨削、抛光的世界难题,因而具有广阔的市场应用前景。

对于适应于我国众多中小型制造企业加工误差大、非标准件的柔性自动化生产线,黄庆九博士的创新团队也有着自己独到的思维,具备该技术领域世界领先的技术和管理水平,为我国的工业发展提供了强大的技术支撑。

敢为人先,致力于民族自主品牌开发

当今,机器人正在全球范围内点燃人们的热情,在我国,用于制造业的焊接、涂装、组装、搬运、码垛等按照事先预定好的工作指令而进行重复操作的工业机器人作为典型的机电一体化数字化装备,可以取代大批量自动化生产线上的操作工,被广泛应用在汽车等大型制造业领域,确保了大批量生产的产品的一致性,提高了生产效率,具有较高的生产力价值,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,必定会在未来生产和社会发展中发挥越来越重要的作用。在此机遇面前,如何开发出国产化核心技术与核心关键零部件,以及如何率先实现下一代机器人,即智能型机器人及其关键技术的开发和产业化,将是决定我国机器人研究和产业应用能否得到真正发展,以及我国自主品牌能否获得机器人市场的关键所在。

但是,我国长期以来由于人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平又相对落后,工业机器人的应用受到了很大限制。同时,缺乏对整个产业产生深远影响的指导性政策,也是我国机器人产业发展滞后的重要因素。黄庆九博士指出,中小型制造企业对机器人的市场需求巨大。目前,国外著名的工业机器人公司,对于我国中小型制造企业这一市场并不怎么重视,与国内中小型制造企业之间也缺乏密切的联系渠道,而国内中小型制造企业对国外进口机器人的价格,也是望而生畏。“推进机器人进入我国中小企业,我们所面对的几乎是无竞争环境。”黄庆九博士说。

为了让机器人进入我国中小企业和人们的日常生活,并为中国企业自主研发提供一个模本,为了更好地创建我国机器人的自主品牌,黄庆九博士带领科研团队锐意进取,开拓创新,主要准备从两个方面着手解决这些问题:一是立足自主研发,从核心零部件,到加工、组装全部在国内完成,保证90%以上的国产化率,以实现产品的价格优势;二是在技术方面,力求率先实现下一代自主适应加工环境的柔性智能型机器人的开发和产业化。

黄庆九博士还说,欲使我国自主研发的机器人进入中小企业,目前还需面对一个技术难点,即国产核心零部件的精度不够,需要从国外高额引进减速机等核心零部件,导致整机的成本难以降低,和海外进口产品比没有性价比的优势,因此利用在国内实现机器人的从核心零部件到整机的国产化技术的开发和实现,是决定国产机器人能否占有市场的关键所在。为了解决国内加工制造业非标准件、误差带来的难以定位的难题,黄庆九博士带领课题组将机器人的位置、姿态、力、力矩和视觉5项指标综合研究,意在实现智能型混合控制。据了解,他们的这一研究已经走在了世界前沿,是能同时融合这5项控制操作量的控制方法。如果这一研究成果能得以实现并产业化,将大大推动工业机器人在中小企业的实际应用,其市场规模是远远大于汽车等大型制造业的,是机器人产业的一个划时代的革新。

关于家用机器人的研制,黄庆九博士表示,相比工业机器人而言,高度智能化的家用机器人对如何与人协调作业的智能技术要求更高。目前,他正与研发团队开展与人协调作业的半自立型机器人的研究,并已经具备了一定的技术积累。半自立型机器人的研究很可能在10-20年内取得突破,价格也能为人们所接受。加快了机器人“中国时代”的到来。

为梦想,曾远赴异乡

能够取得如此斐然的成绩,还要得益于黄庆九博士厚重的海外求学工作经历,以及在发达国家积累的前沿的科研知识和技术。大学毕业于华中科技大学自动控制专业,并在国内工作几年后,为了实现自己的梦想,他于1997年远赴日本留学,2003年获得日本千叶大学工学博士学位,同年开始在日本东京工业大学担任助理教授。

在千叶大学六年的研究工作中,黄庆九先后开展了多足步行机器人的不平地步行、工业机器人的作业研究,还作为共有15人参与的日本文部科学省“从人道主义观点出发的地雷探测、除去的研究开发”大型项目技术领头人,开发和研制了世界第一台地雷探测和处理六足步行机器人COMET的1号机、2号机和3号机,取得了机器人研究的第一步突破。

另外,黄庆九还在日本先后获得日本文部科学省青年科学基金、基磐基金、日本学术振兴机构(JST)创新基金等多项部级科研创新创业项目,并承接日本小松制作所、神户制钢等大型制造业的机器人与生产自动化工程。2004-2006年获日本科学省科研辅助金青年基金支持,开发和研制了普及型六足步行作业机器人,第一次提出了基于假想悬架力学模型的姿态和振动的鲁棒控制新概念,并与日本神户制钢建筑株式会社开展多足步行机器人应用于新型挖土机的研发工作。在机器人的机构设计方面,他提出了基于3DCAD力学模型的机器人设计法,并获得授权发明专利1项。针对多自由度产业机器人的研究,他于2005-2008年获得东京工业大学青年奖励基金支持,研制、开发了适合更广作业领域的RPY型6自由度工业机器人,其研究成果被实际应用在日本小松制作所的零部件加工生产线中。

同时,在工业机器人的运动学控制、动力学模型辨识与建模,以及用于高精度的点、线、面接触作业的工业机器人控制技术等领域,黄庆九均有深入的研究,并取得了一系列成果,相关的成果已申请发明专利5项,其中1项已被授权。在世界颇有名气和实力的东京工业大学的公开招标中,黄博士从30多位应标者中脱颖而出,他开发的“多足步行机器人不整地步行控制”技术获得了2005年日本机械学会的研究奖励奖,而且在机器手的控制上也有独到的发明,做到了手的位置、姿势、力、力矩这4种方式混合控制,这一研究成果让东工大的机器手研究开发站在了世界最高点。

从2005年开始,黄庆九以日本某大型汽车公司的轿车为样本,开发出了三维立体空间的四轮轿车动力学整车仿真模型,并以此为基础研制出汽车底盘悬架与姿态同时实现的控制算法,提出了车体上方瞬间回转中心的新概念,在汽车驾驶稳定性运动控制方面,开辟了一个全新的研究领域。另外,他还在开展两足步行机器人最小能量步行的独创性研究,并已掌握自励驱动动态步行、最优轨道动态步行、主被动融合性动态步行等,处于世界领先水平的两足步行机器人技术。这些高效率步行的研究成果,可以应用于假肢及步行支援器等福利产业中。汽车高速行驶中动态稳定性的实现,是汽车驾驶操纵性的一个重要环节。

随着日本社会的老龄化速度也在加快,导致了农作人员的严重缺乏。针对这一问题,黄庆九博士开展了用于收割橘子、苹果等果树类农作机器人的研制。这些机器人能适应山地等任意不平地,并能柔软地摘取水果。它们具备视觉,配有GPS、蓄电池,可以独立完成作业,是高性能的自立型作业机器人。此项目已获得日本学术振兴机构(JST)创业基金的研发扶持。

以人为本,国家发展有待创新教育

2014年6月,在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上,主席指出:“科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。”黄庆九博士也深刻体会到了这一真理,多年来,他始终坚持科技创新助力国家发展。早在2006年,他于日本工作期间就创立了日中汽车交流协会,并担任秘书长,目的是把日本的汽车技术带到国内,该协会每年在中国举办一次高层次的技术交流研讨会,推动中日汽车技术之间的交流。黄庆九博士说,汽车产业是一个国家的支柱产业,汽车产业发展好了,能够带动很多的相关联产业,工业就会强大,国家就会富强,日本作为世界汽车产业最发达的国家之一,有很多成功的经验值得我们借鉴。2012年,黄庆九博士开始担任日本工学院大学副教授,并组建了自动控制系统研究室,为进一步推动中日机器人技术交流做出了重要贡献。

黄庆九博士回国工作的另一个目的是为中国企业自主研发提供一个模本,作为海外引进的高级人才,黄博士对自主创新深有感触:“我们国家从海外引进的大量高级人才,回国之后,由于对国内产业结构、科研环境不熟悉,又需要在短期内出科研成果,因而很多时候展开的所谓自主研发,实际上运用的是国外的核心零部件,因而不是真正意义上的自主创新,反而加快和扩大了国外核心零部件对国内市场的入侵。”

中华民族是富有创新精神的民族。我们的先人们早就提出:“周虽旧邦,其命维新。”“天行健,君子以自强不息。”“苟日新,日日新,又日新。”可以说,创新精神是中华民族最鲜明的禀赋。然而,到了现代我们的创新能力却日趋消逝。黄庆九博士认为主要原因在于教育,他说,相较于国外教育体制,国内校园里飘荡着一股行政化气息,这与国外以学生和教员为主的大学里自由、自信的空气有所不同,它在一定程度上也局限了国内学生的科学思维方式,对学术的发展实际上产生了负面影响。而在国外,其教学更注重科研,以学生为主体的教学体系,老师只是担任指导、辅助的角色,更能激发学生的创造性和创新能力,同时更有利于增强学生的自信心。因此,黄庆九博士认为,我国科学界应当培养一种自主创新的习惯,而不是总是照搬模仿欧美相关领域最新的科学进展。

党的十提出创新驱动发展战略,这让黄庆九博士看到了中国科技未来的希望,他表示,“我们这支队伍,研究过程中所需的所有零部件都将在国内完成采购,所有的研究也都将在国内完成。”他将带着国人的那份自信和华夏民族的自主创新精神,为祖国的科研工作者做一个表率,真正开发中国自己的自主机器人品牌,让华夏精神屹立在世界东方。

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