高等學(xué)校建設(shè)機(jī)器人研究所的可行性探討

云霄

摘要：近年來(lái)，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將機(jī)器人發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略[1]，《中國(guó)制造2025》將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)確立為工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要依托，在重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新路線圖中明確了我國(guó)未來(lái)十年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。通過(guò)研究機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，剖析機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，探討高等學(xué)校建設(shè)機(jī)器人研究所的可行性路徑。

關(guān)鍵詞：高等學(xué)校；機(jī)器人；研究所；可行性

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）07-0075-02

機(jī)器人系統(tǒng)是一種能夠代替人類在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事危險(xiǎn)、復(fù)雜勞動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器，其技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用受到各國(guó)政府的高度重視?！吨袊?guó)制造2025》作為我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)三步走戰(zhàn)略中的第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)，從國(guó)家戰(zhàn)略的高度確定了未來(lái)十年對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展予以重點(diǎn)關(guān)注和支持。2016年4月發(fā)布的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》更是將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)推到了“風(fēng)口”之上。本文對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、機(jī)遇與挑戰(zhàn)展開(kāi)分析，探討高等學(xué)校開(kāi)展機(jī)器人研究的可行路徑。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國(guó)內(nèi)

我國(guó)機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)70年代后期，80年代后進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，“863計(jì)劃”更是推動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域快速發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)眾多高校均開(kāi)設(shè)了機(jī)器人課程，并成立了相關(guān)研究機(jī)構(gòu)。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所成立于1956年10月，是我國(guó)最早的國(guó)立自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)。自動(dòng)化所立足智能技術(shù)，已形成復(fù)雜信息的智能計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制、集成化智能系統(tǒng)三個(gè)重要研究方向，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)與高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化“三位一體”發(fā)展。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究走在全國(guó)前列。學(xué)校在深圳設(shè)立了深圳國(guó)際技術(shù)創(chuàng)新研究院作為對(duì)外窗口，既實(shí)現(xiàn)了與海外的學(xué)術(shù)交流，又借助深圳產(chǎn)業(yè)化基地的優(yōu)勢(shì)完成了科技向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換的任務(wù)。通過(guò)在深圳研究院建立高科技企業(yè)的方式，輸送了一批自動(dòng)控制、機(jī)電一體化專業(yè)的博士、碩士，成功地將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域。

北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所創(chuàng)建于1987年，集教學(xué)、科研、開(kāi)發(fā)為一體，主要研究靈巧機(jī)械手、醫(yī)療機(jī)器人、反恐防暴救災(zāi)機(jī)器人等。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所成立于1958年，是中國(guó)機(jī)器人事業(yè)的搖籃，創(chuàng)造了我國(guó)機(jī)器人發(fā)展史上的多個(gè)第一，在特種機(jī)器人、先進(jìn)制造和智能機(jī)器、工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化、機(jī)器人學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域形成了一大批優(yōu)秀成果并形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

（二）國(guó)際

美國(guó)通過(guò)“國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”（NNMI）計(jì)劃和“高端制造合作伙伴”（AMP）計(jì)劃，在強(qiáng)適應(yīng)性和可重構(gòu)的裝配線、自主導(dǎo)航、綠色制造、仿人靈巧操作、供應(yīng)鏈的集成與設(shè)計(jì)建模、納米制造、在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的感知服務(wù)、機(jī)器人與人共事的本質(zhì)安全性和教育訓(xùn)練等9個(gè)領(lǐng)域，制定了未來(lái)15年制造業(yè)機(jī)器人發(fā)展的詳盡規(guī)劃和研究路線，著力提升“美國(guó)制造”的質(zhì)量，振興美國(guó)制造業(yè)[2]。

歐盟于2014年啟動(dòng)了耗資28億歐元的“SPARC”機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃，旨在通過(guò)機(jī)器人技術(shù)提高生活質(zhì)量、減少資源浪費(fèi)并改善工作環(huán)境，為歐洲乃至全球的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)約巨額成本[3]。

日本將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)列為國(guó)家重大戰(zhàn)略支撐產(chǎn)業(yè)，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)兩個(gè)方面入手，制定了一系列政策措施，大力推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在全民的推廣，著力創(chuàng)建自主創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)改革的新型社會(huì)“Society 5.0”[4]。

二、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著人口紅利逐漸消失，人力成本快速上漲和勞動(dòng)力短缺，我國(guó)原有的低附加值、低技術(shù)含量和高污染、高能耗的制造業(yè)模式已經(jīng)難以為繼，企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求不斷擴(kuò)大。2013年，我國(guó)已成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。與此同時(shí)，老齡化社會(huì)服務(wù)、醫(yī)療康復(fù)、救災(zāi)救援、公共安全、教育娛樂(lè)、重大科學(xué)研究等領(lǐng)域?qū)Ψ?wù)機(jī)器人的需求也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

我國(guó)于上世紀(jì)70年代初開(kāi)始研究機(jī)器人技術(shù)，80年代實(shí)施“863計(jì)劃”并組建了一批相關(guān)學(xué)術(shù)組織和研究機(jī)構(gòu)，90年代在點(diǎn)焊、弧焊、裝配等領(lǐng)域形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。近年來(lái)，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國(guó)家也出臺(tái)了一系列政策文件來(lái)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。但是要看到，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的研發(fā)制造水平仍落后于國(guó)際主流國(guó)家，核心技術(shù)受制于人，核心零部件在技術(shù)含量、可靠性、穩(wěn)定性和精度等方面與國(guó)外產(chǎn)品差距較大，高校及科研院所的科技成果實(shí)際轉(zhuǎn)化率較低。

三、建設(shè)機(jī)器人研究所的可行性分析

（一）研究基礎(chǔ)

西安電子科技大學(xué)于1985年成立了機(jī)器人研究室，是全國(guó)最早從事機(jī)器人技術(shù)研究的單位之一。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已形成機(jī)器人智能控制、柔性并聯(lián)機(jī)器人等兩個(gè)主要研究方向?，F(xiàn)有專任教師18人，其中教授6人，副教授6人，具有博士學(xué)位的教師9人，博士比例達(dá)50%。近5年，承擔(dān)各類研究課題40余項(xiàng)，包括“973”“863計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目等，到?？蒲薪?jīng)費(fèi)接近1300萬(wàn)元；發(fā)表SCI論文36篇，EI論文76篇；授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)；獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)2項(xiàng)。培養(yǎng)相關(guān)學(xué)科碩士生132名，博士生25人。

（二）研究方向

1.機(jī)器人智能控制技術(shù)。（1）多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)。以多機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人—人融合系統(tǒng)、機(jī)器人與其他機(jī)器系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面的研究，提高群體機(jī)器人的智能性、協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性。（2）虛擬機(jī)器人技術(shù)。利用虛擬設(shè)計(jì)的手段，研究基于多傳感器、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。增強(qiáng)操作者與機(jī)器人之間的交互能力，提高機(jī)器人單元控制模擬功能和多控制器模擬功能。

2.柔性并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)。（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。面向工程需求，對(duì)剛性、柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證在給定工作空間內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)具有好的可控性。（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。研究柔性構(gòu)件與其他剛性構(gòu)件之間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，在考慮柔性構(gòu)件力學(xué)特性的前提下分析并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，準(zhǔn)確建立起該類機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，為機(jī)構(gòu)的標(biāo)定、振動(dòng)抑制和跟蹤控制提供力學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)、快速、精確運(yùn)動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)。（3）測(cè)量與標(biāo)定。研究面向大工作空間柔性并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿檢測(cè)的非接觸測(cè)量新技術(shù)、新裝置及系統(tǒng)集成方案；針對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)構(gòu)件力變化范圍大、靈敏度高的特點(diǎn)，研究柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件力學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置及數(shù)據(jù)處理技術(shù)。為提高柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，基于當(dāng)前的位姿和柔性驅(qū)動(dòng)器力測(cè)量水平，研究并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)標(biāo)定理論與新方法。（4）控制理論與技術(shù)。研究并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的無(wú)奇異點(diǎn)規(guī)劃方法，克服運(yùn)動(dòng)規(guī)劃引入的柔性驅(qū)動(dòng)的顫振問(wèn)題。針對(duì)不完全約束柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，研究基于重力補(bǔ)償或非線性動(dòng)力補(bǔ)償且具有強(qiáng)魯棒性的反饋控制器，以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的精確定位與驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)抑制；針對(duì)完全約束和過(guò)約束柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，研究冗余驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化求解及控制策略，以實(shí)現(xiàn)其主動(dòng)剛度控制、高速魯棒速度跟蹤任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）[Z].2016-04-27.

[2]曾艷濤.美國(guó)未來(lái)15年制造業(yè)機(jī)器人研究路線[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007，（3）：1-5.

[3]劉金國(guó)，張學(xué)賓，曲艷麗.歐盟“SPARC”機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃解析[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2015，（2）：24-29.

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