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“千人计划”专家黄庆九:让“机器人梦想”照进现实

2015-03-20 15:51:51
导 读
  人工智能是国际科研领域的最前沿,不但已经成为当前国际科技竞争的重要技术之一,也是判断一个国家创新能力的重要性标志。百度公司CEO、“千人计划”专家李彦宏两会提案设立“中国大脑”计划,使人工智能这一话题再次被推到聚光灯下。黄庆九和他的研发团队的理想是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。今天,就让千人计划网小编带您走近国家“千人计划”专家黄庆九博士,看看他是如何让“机器人梦想”照进现实的。



  十几年前,为了自己的理想,黄庆九博士远渡重洋到日本求学。如今,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,他回到国内工作。黄庆九是湖北武汉市人,著名机器人与机自动化专家,曾先后入选江苏省“双创人才计划”和国家“千人计划”。


  谈及未来可能遇到的困难,黄庆九显得乐观而自信:“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。”


机器人登场,引领第三次工业革命


  近年来,机器人正在全球范围内点燃人们的热情。英国经济学家保罗•麦基里认为,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”的主体就是工业机器人。不过,黄庆九指出,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。“像施瓦辛格在《终结者》中扮演的机器人,其实距离我们还很遥远,因为机器人很难适应真实的环境。”黄庆九说。


  尽管如此,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最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。


  黄庆九表示,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,形成了固定的客户群和较大的市场规模,是众多机器人产业中唯一具有稳定的市场需求的。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、橡胶及塑料工业、食品工业、物流等诸多领域中。


  我国面向产业的机器人的研究开发,起步于20世纪70年代。1986年的“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。


  但是,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。“尤其是为了获得短平快的利益,照搬照抄,缺乏长期发展的创新计划,创新能力薄弱,核心技术和核心关键部件受制于人,缺乏市场竞争力。”黄庆九说。不过,我国机器人研究和产业应用,已迎来了新的历史机遇。


  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。在此大背景下,“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,客观上都将给医疗、服务以及教育等家用机器人,带来巨大的市场机会。这些因素的综合作用,必定成为中国机器人产业发展的助推器。


  黄庆九说到:“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。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,也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。”


为寻梦,远渡重洋


  黄庆九1992年毕业于华中科技大学自动控制专业,1997年赴日本留学。2003年,黄庆九获得日本千叶大学工学博士学位,并于同年起任职日本东京工业大学,担任助理教授一职。之后,他又从2012年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。


  在千叶大学的6年研究工作中,黄庆九除了开展对多足步行机器人的不平地步行,以及工业机器人的作业研究外,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6足步行机器人COMET的1号机、2号机和3号机。


  在日本,黄庆九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)创新基金等多项国家级科研创新创业项目,并承接过日本小松制作所、神户制钢等大型制造业的机器人与生产自动化工程。在多足步行机器人研究领域,黄庆九于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6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,目前正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,黄庆九提出了基于3DCAD力学模型的机器人设计法,已获得授权发明专利1项。针对多自由度产业机器人的研究,黄庆九于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。


  此外,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。其中,在运动学控制领域,黄庆九成功开创了通过差分逆运动学法来建立工业机器人的逆运动学解析法的新方法;在动力学模型辨识与建模领域,成功研发了逐次辨识与同步辨识的两种参数辨识法,并形成公式化;在高精度的点、线、面接触作业工业机器人控制技术领域,创建了适合于点、线、面接触作业的工业机器人的位置、姿态、力、力矩的混合控制,并给出了适合任意方向作业的姿态分离法的提案。相关的成果已申请发明专利5项,其中1项已被授权。


  目前,黄庆九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。黄庆九从2005年开始,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4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。


  近20多年来,“少子化”现象一直困扰着日本,同时,日本社会的老龄化速度也在加快,由此导致了农作人员的严重缺乏。针对这一社会现实,黄庆九开展了用于收割橘子、苹果等果树类的农作机器人的研制。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。


  在日本工作期间,黄庆九还于2006年创立了日中汽车交流协会并担任秘书长至今,目的是把日本的汽车技术带到国内,并推动中日汽车技术之间的交流。同年,黄庆九受中国共青团委邀请,成为中国青年工作者协会海外会员。


为圆梦,海外归来


  虽长年身处异乡,但黄庆九始终关心着祖国科学事业的发展。2008年,黄庆九回到母校华中科技大学,担任数字制造装备与技术国家重点实验室客座教授。


  2010年,为了推动国内机器人事业的发展,黄庆九回国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。同年,他还在江苏镇江创立了一家高科技企业,作为工业用焊接、磨削、抛光、码垛机器人的国产化技术开发与产业化的基地,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。


  正茂-亚星集团生产的锚链•系泊链,分别占有全球50%以上、国内80%以上的市场份额。然而10多年来,他们一直被锚链•系泊链横档自动焊接的传动、定位、机器人视觉伺服控制、焊缝抛光、探伤等一系列生产自动化研发过程中的关键技术所困扰,而最终,这些技术难题被黄庆九的研发团队攻克。目前,黄庆九团队已与正茂-亚星集团,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。该领域技术成果已申报发明专利2项,1项已获得授权。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。他们提出将压力控制应用在磨削抛光的加工成型作业中,并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。


  黄庆九表示,该技术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。此外,创新团队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,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。


同一个梦想,同一份坚守


  回国工作,黄庆九和研发团队的事业目标非常明确: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。长期以来,由于我国人口众多、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,这是我国机器人产业发展滞后的重要因素。黄庆九指出,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,这正是目前国外工业机器人公司,还没有进入我国中小型制造企业这一市场的主要原因。“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。”黄庆九说。


  同时,黄庆九指出,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。黄庆九表示,他将与研发团队主要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,力求率先实现能下一世代的自主适应加工环境的柔性智能型机器人的开发和产业化。


  “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,我们将机器人的位置、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。”黄庆九介绍说。据了解,黄庆九的这一研究已经走在了世界前沿,目前是世界上唯一能同时融合这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。谈及家用机器人的研制,黄庆九表示,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。


  黄庆九表示,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。不过,黄庆九指出,目前人们开展智能型机器人研究的哲学指导思想出现了偏差。“研究与人协调作业的家用机器人,人始终是这对搭档的主体,现在人们研究智能型机器人把机器人作为主体,这是一种方向上的错误。”黄庆九说。作为海外引进的高级人才,黄庆九此次回国工作还有一个目的,即为中国企业自主研发提供一个模本。黄庆九说:“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。”


  黄庆九认为,我国科学界应当培养一种自主创新的习惯,有什么条件,就用什么条件,不要总是观望欧美相关领域最新的科学进展,然后进行亦步亦趋地模仿。“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。”黄庆九满怀期望与自信地说。作为一名教师,黄庆九认为,国内的本科教学与他1997年赴日留学时没有太大变化。他指出,国内本科教育依然以教学为主,对学生自主研究能力的培养重视不够,研究环境的营造也不够。而学生也习惯和依赖于老师的详细指导和教育,缺乏以己为主体的独立思考,独立完成和创新的理念和勇气。


  黄庆九说,国外的教学更注重科研,同时它以学生为主体,老师只是担任指导、辅助的角色。以学生为主体的教学体系,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。“学生和老师之间应当形成一种共同研究的关系。”黄庆九说,“另外,要尽量为学生提供相互交流、探讨的机会,让学生相互了解各自课题的进展,同时可能从别的课题中寻找到闪光的想法。”另外,黄庆九还指出,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。“在国外的校园里,学生的眼神中透着更坚定的自信。”黄庆九说。


  点燃一个梦想,开启一片天空。黄庆九表示,自己和团队成员走到一起,主要目的不是为了挣钱,而是为了追求一个共同的理想。我们相信,一个有事业追求的人,虽然是由梦想起航,但只要不停地做,不轻易放弃,梦想终会成真。

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