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            劉辛軍團隊:為機器人賦能賦新

              未來的世界是什么樣子的?正如一千個人眼中有一千個哈姆雷特,每個人對于未來的想象都是不同的。不過,在大多數現代人的想象中,在未來的世界,機器人是個必不可少的角色。這一點

              未來的世界是什么樣子的?正如一千個人眼中有一千個哈姆雷特,每個人對于未來的想象都是不同的。不過,在大多數現代人的想象中,在未來的世界,
            機器人是個必不可少的角色。這一點無論是從近些年的科幻影視中,還是從現實生活中,都有明顯的體現。
             
              實際上,人類對于機器人的追求并非始于現代。早在東周時期,中國人就發明過機器人?!读凶印珕枴酚涊d,周穆王西巡時遇到了一個名為偃師的人,這個人向周穆王獻上了一件親手制造的禮物——一位能歌善舞的藝人,而這個藝人就是用木料、樹膠、油漆和白黑紅綠等顏料做成的機器人。在之后的歷史長河中,三國時期的馬鈞、諸葛亮,唐代的馬得封、史王據等都制造過機器人,且在唐代,機器人還曾被用于生產實踐中。由此可見,中國人對于機器人的構想有著深厚的歷史底蘊。
             
              進入現代社會以后,隨著科技的不斷發展,機器人被賦予了新的生命與使命。它不但在工業生產中得以
            應用,還走進了醫療、教育和家居生活等領域,使無數可能變為現實。清華大學機械工程系教授劉辛軍就是將“可能”變為“現實”的助推者。他和他的團隊扎根機器人領域多年,研究類型涵蓋高速
            并聯機器人、移動機器人、協作機器人、軟體機器人等,其創新成果在國內外都具有重要的影響。
             
              未來,機器人將怎樣發揮更大的價值?還會將多少可能變為現實?帶著這些問題,讓我們走近劉辛軍團隊與機器人打交道的這些年,或許會得以窺見機器人未來發展的一隅。
             
             
             所選即所愛
             
              我國
            工業機器人起步較晚,始于20世紀70年代初。經過近20年的發展,到20世紀90年代,我國機器人進入實用化期。就在這樣的背景下,劉辛軍在機緣巧合之下跨進了機器人世界的大門。
             
              劉辛軍在中學時代并不是個學霸,當年他所在的班級考上大學的一共有21人,他排名第20名,進入燕山大學學習機械設計與制造專業。在專業的選擇上,當年是由他的中學班主任王文璽老師代他填報的。他坦言道:“那時候,農村的孩子在專業選擇上也不太懂,我自己也沒選,就讓老師幫我選的。正巧,他給我選的就是我喜歡的?!?
             
              劉辛軍在中學期間,最喜歡學且學得最好的就是平面和立體幾何。進入大學以后,他發現學好平面和立體幾何對于學好機械制圖是至關重要的,尤其是立體幾何的學習可以幫助他形成強大的空間思維能力。由于中學時的幾何底子扎實,所以劉辛軍在大學的學習十分順利和輕松。
             
              如今,劉辛軍在清華大學教授“機械制圖”這門課,他發現很多學生的空間思維能力較弱。他認為,造成這一現象的很重要的一個原因是,這些學生在中學時期沒有打好幾何學習的基礎?!爸袑W是培養空間思維能力的一個很重要的時期,現在很多學??赡苓吘壔蛘叩肆Ⅲw幾何這部分知識的學習。我認為,這部分知識是很重要的,還是要重視?!眲⑿淋娬f道。
             
              在燕山大學,劉辛軍接連完成了本科、碩士、博士的學業,導師高峰教授是他科研生涯的領路人。博士畢業時,他的博士論文需要一個評審人,于是他找到了當時在清華大學任職的汪勁松教授,并當面表達了想要到清華大學從事博士后研究的意愿??赐陝⑿淋姷牟┦空撐暮?,汪勁松教授對他說:“你趕緊回去答辯吧,答辯完了馬上來報到?!边@一幕,時至今日,劉辛軍仍能清晰地想起。
             
              “燕山大學和清華大學畢竟是有差距的,當時我沒想到能這么順利地得到認可,是一個很大的驚喜,我肯定是很高興的。來到清華大學以后,汪老師也很信任我,讓我開始做機器人理論研究?!辈┦亢蟪稣?,劉辛軍先后前往韓國、德國進行訪問研究,之后又回到清華大學從事機器人與機構學、先進制造裝備設計與應用方面的研究工作。
             
              至今,劉辛軍擔任著精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室和清華大學(機械系)-西門子先進工業機器人聯合研究中心主任,組建了一支科研能力強、業務水平高的團隊——現代機構學與機器人化裝備實驗室團隊。該團隊以行業和國家重大需求為引導,以基礎理論和核心技術研究為先導,以解決工程問題為目標,堅持以自主創新為發展根本,研究工作集中于現代機構學理論前沿和面向制造與人機共融的機器人化高端裝備,形成了“頂天立地”格局。
             
              賦予機器人力量
             
              劉辛軍團隊的研究方向集中在高速智能作業并聯機器人、多軸聯動與移動式智能加工機器人、協作與軟體機器人等方面。多年來,團隊一直十分注重理論與關鍵技術的研究,尤其重視機構學的理論基礎作用。
             
              機構學是一門古老的學科,從我國發明指南車算起,已經有幾千年的歷史了。在計算機高速發展的今天,機構學不但絲毫沒有放慢發展速度,而且煥發新生,在更多行業展現出巨大的作用。用劉辛軍的話來說,在機器人領域,機構學是基礎中的基礎,是機器人研發的關鍵。
             
            劉辛軍團隊:為機器人賦能賦新

            團隊合影
             
              團隊在早年的工作中積累了豐富的機構學理論基礎研究經驗,并在此基礎上發展出了屬于自己的特色,其相關研究在國際上還占有一席之地?!霸跈C構學這方面,我們著重做構型、性能、尺度這樣一個閉環的工作?!眲⑿淋娊忉尩?,什么是構型,比如說人與動物的骨骼、骨架不一樣,這就是構型不同;性能就是,人靈活,但是牛力量大,這就是性能不同;尺度就是合適的比例,有關怎樣去確定機器人或裝備的尺度,劉辛軍團隊已經摸索出了一套屬于自己的規律方法。
             
              “有了這些前期工作,就可以研制機器人了?!眲⑿淋妶F隊最具有代表性的工作之一就是高速智能作業并聯機器人。這類機器人主要應用在食品、醫藥和電子這三大國民經濟支柱產業中。然而,國外
            機器人公司對關鍵技術的壟斷和封鎖使產品價格居高不下,同時也存在對本土企業需求痛點把握不準、產線柔性不匹配等問題。因此,自主研發出我國本土化、高品質的高速機器人,是提升產業自動化水平的當務之急和必由之路。
             
              團隊重點突破了機器人構型設計難題,發明了具有高速高加速、高速重載和高速高精特性的兩、四自由度并聯機器人,滿足了行業內高加速、重載和高精度等典型工況的高速分揀需求。劉辛軍介紹說,團隊研發的高速輕載機器人可以做到一分鐘往返270次左右,達到了國際領先水平。
             
              目前,團隊研制的高速智能作業并聯機器人已經實現產業化。其中,團隊與濟南翼菲自動化科技有限公司合作研制的高速重載機器人相同速度下的載荷較國外最優產品提升4倍,高速高精機器人完全填補國際空白。相關成果已成功應用于藍思科技、聯合利華、山東東阿阿膠等多家行業龍頭企業,設備運行穩定,顯著提高了企業自動化生產效率和生產質量。
             
              移動式智能加工機器人也是團隊的特色研究之一。針對我國航空航天等領域大型復雜零部件的加工需求,劉辛軍作為負責人主持了國家重點研發計劃“
            智能機器人”重點專項項目“大型艙體類復雜薄壁構件多移動機器人協同原位加工技術與系統”,團隊的謝福貴老師也承擔了“大型風電葉片磨拋移動式高效加工機器人系統設計”課題任務。目前,團隊正在自主研制的移動式加工機器人裝備,已完成其核心功能部件的輕量化、高剛度、高精度設計,并研制了一套五軸并聯加工單元,實現了S試件等復雜曲面零件的五軸聯動高精銑削,其余創新成果將在2020年出爐。此類機器人的研制成功將打破國外相關技術壟斷,使大型復雜結構件的加工效率提升2倍以上,可有力支撐中國航空航天等事業的發展。
             
              相比于面向工業應用的高速智能作業并聯機器人、移動式智能加工機器人,協作機器人和軟體機器人有著更大的發展空間?!皡f作機器人是一種跨界機器人,它既能在工業界服務,也能夠走進家庭。它依賴于人工智能,感應靈敏,而且安全性高,所以這種機器人在未來會有越來越多的應用。我們都知道,機器人將來的方向是人機協同?!眲⑿淋娬f。
             
              劉辛軍團隊在協作機器人方面的研究工作有兩個核心,一個是機器人一體化設計,另一個是控制系統設計。團隊已研制成功“感-驅-控”一體化高功率密度關節;建立了高帶寬自適應柔順運動控制器,以及基于深度學習和強化學習的視覺語義感知和決策系統。當前,正在研制面向復雜作業環境的智能協作機器人,實現面向制造生產、3C裝配、助老助殘等的應用驗證,加速智能機器人在國內的發展。
             
              在軟體機器人的研制上,劉辛軍團隊也已經做出了顯著的成果。團隊的趙慧嬋老師與哈佛大學、MIT等高校合作,開發出了性能指標接近生物肌肉的高能量密度柔性人工肌肉,首次實現了小于1克微型撲翼飛行器的起飛、懸停和可控飛行。由柔性人工肌肉驅動的微型飛行器可以感受飛行中的碰撞,并在碰撞發生后恢復飛行,大大提升了微型機器人在復雜環境下的運行穩定性。
             
              
            為疫情助力
             
              2020年年初,新型冠狀病毒肺炎暴發。在黨中央的領導下,新年伊始,全國人民便都投入到這場防控戰中。對疫情的有效防控是人類面臨的巨大挑戰,其關鍵是阻斷或最大程度減少病原體在人際間傳播,體溫初步篩查是防控任務的關鍵手段之一。
             
              2020年2月初,煙臺市開發區管委書記牟樹青在微信中告訴劉辛軍,高速路口測溫值班人員很辛苦,節后開發區復工,面臨的最大問題也是疫情防控中的體溫檢測?!耙咔槠陂g,各地出入人員必須要進行體溫排查,但是在一些人流量較大的地方,排查體溫既耗時又耗力,而且因為室外溫度的變化,測溫結果可能會不準確。同時人工檢測也存在著交叉感染的可能性?!贬槍@些問題,劉辛軍組織老師和學生就“實現室外快速無人化準確測溫”這一方向展開了論證。
             
              團隊成員通過網上云會議,很快討論出了一個初步方案,在確定方案的可行性后,立馬投入到了工作當中。這是劉辛軍團隊第一次接觸“體溫檢測”領域,對于團隊中的清華學生們來說更是一次挑戰。然而,面對挑戰,團隊更加團結和充滿斗志。甚至有兩位馬上要博士畢業的學生宮昭和孟齊志,為了這一研究工作,主動推遲了畢業時間。
             
              團隊聯合煙臺清科嘉機器人聯合研究院有限公司在機器人本體、測溫裝置及溫補算法、視覺語義感知、控制策略等方面進行技術攻關,僅用一個多月的時間便研制出了“荼與機器人”體溫自動快速篩查系統。這種測溫系統有兩種機器人配置,一種用于流動車輛司乘人員的體溫篩查,另外一種用于入口處行人的體溫篩查。經北京市計量院檢測,系統在室外環境的測溫準確度達0.2℃。對于流動車輛,在20秒內即可完成一輛車上所有司乘人員的體溫篩查;而對于行人,也可實現2秒內通行。
             
              “荼與機器人”體溫自動快速篩查系統在這么短時間內研制成功的背后,是劉辛軍團隊不斷的攻堅克難。作為總負責人,劉辛軍從整體規劃到各個環節的把控,再到技術細節的調整,事無巨細,親力親為;團隊老師趙慧嬋帶領學生在技術攻關的同時,還要盡最大努力參與到機器人系統的研制中;團隊老師謝福貴除了和學生一起盯現場,還要負責聯絡協調設計、對各個環節把關等工作,他夫人吳宛蔚大夫也參與了測溫的問題調查工作。團隊全員為了項目研究夜以繼日,很多人每天只休息四五個小時。
             
              截至4月20日,用于行人體溫篩查的“阿荼”已經在北京協和醫院、武漢的同濟醫院、北京華信醫院、煙臺一中、龍口一中、招遠一中、煙臺開發區高級中學、煙臺外國語實驗學校等醫院和中學助力門診和復學。由于進一步的研發需要,4月21日,在濱州、棗莊的團隊成員東旭光和邵琦也趕到了煙臺進行現場支援。
             
              此次的研究任務中,團隊中的學生們都起到了很重要的作用。劉辛軍特別提到一位博士生姜淞文,在采集數據的過程中,為了獲得更好的對比試驗效果和保證數據的準確性,在北方二月零下的溫度里,他常常在露天環境下將自己的小臂露在外面凍上十幾分鐘來做測試比對。
             
              在談到這些研究過程中的事情時,劉辛軍的語氣中帶著高興和欣慰,他說道:“看到大家為了一件事這么團結,這么努力,我是很高興的。尤其是我們的一些學生,關鍵時刻能吃苦,能發揮出這么大能量,表現出這么大的擔當,我感覺很欣慰。這就是對我們團隊以及清華大學人才培養理念的最好回報啊?!?
             
              “行勝于言”是清華大學的校風,也是劉辛軍人生的信條。立足清華大學這一科學搖籃,劉辛軍的想法正一一實現。如果說清華大學是他夢想的孵化器,那么燕山大學就是他夢想開始的地方,2020年恰逢燕山大學“建校溯源百周年、獨立辦學一甲子”,采訪的結尾,劉辛軍也表達了他的祝福,他說,無論他走到哪里,那都是他的母校,是他的心牽掛的地方。

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