智造“頂天立地”的機(jī)器人
——記東南大學(xué)電氣儀器控制學(xué)部主任宋愛國(guó)

倪海波

為完成在異星球的資源開采工作，科學(xué)家利用杰克·薩利的DNA制造出了克隆納威人，并將他的意識(shí)入駐其中，這個(gè)克隆人成為杰克·薩利在潘多拉星球上活動(dòng)的“化身”。雖然實(shí)現(xiàn)《阿凡達(dá)》中所描述的“化身”技術(shù)還為時(shí)尚早，但科學(xué)家正朝這個(gè)方向邁進(jìn)。

長(zhǎng)期從事機(jī)器人力觸覺傳感技術(shù)、人機(jī)交互遙操作機(jī)器人技術(shù)、空間機(jī)器人技術(shù)、電力機(jī)器人技術(shù)、助老助殘康復(fù)機(jī)器人技術(shù)等研究，東南大學(xué)電氣儀器控制學(xué)部主任、空間科學(xué)與技術(shù)研究院執(zhí)行院長(zhǎng)宋愛國(guó)教授的許多科研成果已成功應(yīng)用于我國(guó)的載人航天與探月工程、核電與電力安全、助老助殘康復(fù)等領(lǐng)域中。以機(jī)器人技術(shù)研究的前沿問題為導(dǎo)向，宋愛國(guó)有個(gè)夢(mèng)想——脫離力反饋數(shù)據(jù)手套、力反饋手控器等物理交互裝置，以腦電等神經(jīng)電信號(hào)為人機(jī)交互信息傳遞媒介，用意念直接控制機(jī)器人并接收機(jī)器人的感知信息。近年來，腦機(jī)接口技術(shù)的迅猛發(fā)展為這種超能力的實(shí)現(xiàn)提供了可能，未來《阿凡達(dá)》中那些令人驚嘆的情節(jié)將有望實(shí)現(xiàn)。

開學(xué)一課——用生命換來的事業(yè)

28歲申請(qǐng)到國(guó)家原“863”計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，30歲被評(píng)為副教授，32歲晉升為教授并評(píng)為博士生導(dǎo)師。從剛畢業(yè)的博士迅速成長(zhǎng)為獨(dú)當(dāng)一面的博士生導(dǎo)師，在宋愛國(guó)看來雖有自己的付出，但更有恩師的指引。

受少年百科叢書《飛向星星》的影響，宋愛國(guó)從小就對(duì)太空、宇宙充滿著探索的好奇心。高考時(shí)被招生老師“志在藍(lán)天”的宣講所感染，宋愛國(guó)將“南京航空學(xué)院”填在了志愿表上，之后在那里完成了本科、碩士學(xué)業(yè)。為了領(lǐng)略不同學(xué)校的學(xué)術(shù)氛圍，他到東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系攻讀了博士研究生，師從黃惟一教授從事機(jī)器人技術(shù)研究。

宋愛國(guó)至今難以忘懷黃老師上第一節(jié)課的情形，“機(jī)器人傳感技術(shù)”開課的第一天，黃老師向弟子們講述了實(shí)驗(yàn)室從事機(jī)器人研究的歷史，回憶起了一段悲痛的往事。他說：“我們實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人研究事業(yè)，是實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人查禮冠老師用生命換來的！不將東南大學(xué)的機(jī)器人技術(shù)研究發(fā)展好，就對(duì)不起查老師！”那段話，一直激勵(lì)著宋愛國(guó)。

查禮冠教授是我國(guó)機(jī)器人事業(yè)的開拓者，她1958年就率領(lǐng)師生研制了我國(guó)第一臺(tái)仿人機(jī)器人。“文革”結(jié)束后的1978年，她敏銳地感覺到，機(jī)器人的時(shí)代將會(huì)到來，她征求了黃惟一等人的意見后，決定以機(jī)器人傳感技術(shù)作為重點(diǎn)，組建實(shí)驗(yàn)室及團(tuán)隊(duì)，開展機(jī)器人的感知、控制和人工智能研究。黃惟一老師作為查老師的主要助手，開始從陀螺儀與慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究轉(zhuǎn)為從事機(jī)器人技術(shù)的研究。

1983年，全國(guó)第一次機(jī)器人大會(huì)在華南理工大學(xué)召開，查老師作為大會(huì)的3個(gè)主要發(fā)起人之一帶領(lǐng)黃老師及兩位研究生一起去參加會(huì)議。會(huì)議剛結(jié)束，兩人走在華南理工大學(xué)校園里，一輛失控的汽車從斜坡上直沖而下，撞倒兩位教師。查老師當(dāng)場(chǎng)身亡，黃老師重傷昏迷。

一年后，康復(fù)的黃惟一老師重新回到工作崗位，扛起了建設(shè)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的重任。在他的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開展機(jī)器人非視覺傳感器的研究。從1986年開始實(shí)驗(yàn)室得到國(guó)家原“863”高技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“863”計(jì)劃）的持續(xù)支持，并成為“863”計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域機(jī)器人傳感技術(shù)網(wǎng)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的副組長(zhǎng)單位。黃惟一經(jīng)常強(qiáng)調(diào)：“我們開展科研，要發(fā)揚(yáng)‘863’計(jì)劃‘頂天立地’的精神，既要瞄準(zhǔn)學(xué)術(shù)前沿、不斷創(chuàng)新，又要能夠應(yīng)用落地?！彼螑蹏?guó)一直牢記恩師的教導(dǎo)，將“頂天立地”的科研精神貫徹到每一個(gè)科研項(xiàng)目中。

逐夢(mèng)航天——新裝置助力天宮探索

1993年2月，宋愛國(guó)作為博士生剛?cè)雽W(xué)，原準(zhǔn)備參加一個(gè)即將驗(yàn)收的有關(guān)機(jī)器人觸覺圖像處理技術(shù)研究的“863”項(xiàng)目，但國(guó)際機(jī)器人技術(shù)研究掀起了新的風(fēng)潮，他開始進(jìn)入了一個(gè)新的機(jī)器人研究方向。

20世紀(jì)90年代初，人與機(jī)器人的交互技術(shù)作為一個(gè)新概念開始受到機(jī)器人領(lǐng)域的普遍關(guān)注。臨場(chǎng)感技術(shù)是人機(jī)交互的核心技術(shù)之一，美國(guó)、日本、德國(guó)等機(jī)器人強(qiáng)國(guó)競(jìng)相開展了臨場(chǎng)感機(jī)器人技術(shù)的研究。所謂臨場(chǎng)感機(jī)器人就是一種人機(jī)高度融合的交互式遙操作機(jī)器人，它一方面通過各種傳感設(shè)備測(cè)量人的肢體等運(yùn)動(dòng)信息并作為控制指令去控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與操作，另一方面又通過各種機(jī)器人傳感器將機(jī)器人與環(huán)境的相互作用信息（包括視覺、力覺、觸覺等信息）檢測(cè)并反饋到操作者端，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人帶感覺的控制。它們可以廣泛地應(yīng)用于空間探測(cè)、深海開發(fā)和原子能利用等領(lǐng)域，在人難以到達(dá)的極限環(huán)境下代替人如同身臨其境般完成復(fù)雜的操作任務(wù)。

1992年10月，我國(guó)“863”計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域機(jī)器人技術(shù)主題也將臨場(chǎng)感機(jī)器人技術(shù)作為需要重點(diǎn)追蹤的高新技術(shù)列入研究計(jì)劃，并將力覺臨場(chǎng)感機(jī)器人技術(shù)的研究項(xiàng)目下達(dá)給東南大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所共同完成。

當(dāng)時(shí)黃老師找到宋愛國(guó)，他說觸覺圖像處理的項(xiàng)目快驗(yàn)收了，現(xiàn)在有一個(gè)挑戰(zhàn)性的新項(xiàng)目，需要盡快開展研究。1993年3月，黃老師將“863”計(jì)劃項(xiàng)目“力覺臨場(chǎng)感機(jī)器人基礎(chǔ)研究”的內(nèi)容作為宋愛國(guó)的博士課題。當(dāng)時(shí)黃老師提供的資料很少，只有兩篇文獻(xiàn)。宋愛國(guó)馬上就開展了查閱資料和調(diào)研分析工作。

但如何實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程的身臨其境，其中的核心技術(shù)是什么？黃老師召集大家開展研討，經(jīng)過討論他們認(rèn)為人機(jī)交互的本質(zhì)是信息的雙向交流，不僅要將機(jī)器人的感覺反饋給人，也要將人的各種運(yùn)動(dòng)意圖作為控制指令傳遞給機(jī)器人，其核心技術(shù)應(yīng)該是信息的獲取技術(shù)即傳感器技術(shù)，機(jī)器人需要安裝力覺、觸覺、視覺傳感器，甚至嗅覺傳感器、味覺傳感器，同時(shí)也需要各種傳感器來檢測(cè)人四肢的運(yùn)動(dòng)、眼球的運(yùn)動(dòng)、頭部的運(yùn)動(dòng)等信息。隨著認(rèn)知的深入，他們此后又將力反饋技術(shù)、力控制技術(shù)也納入核心技術(shù)中。

“經(jīng)過近半年查閱資料和調(diào)研分析，我對(duì)臨場(chǎng)感人機(jī)交互機(jī)器人技術(shù)有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，而且我發(fā)現(xiàn)美國(guó)、德國(guó)和日本主要將臨場(chǎng)感人機(jī)交互機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域。而我正好從南航來可以面向航天的應(yīng)用背景來開展關(guān)鍵技術(shù)研究。后來與黃老師談了我的研究計(jì)劃，他也覺得非常好，以航天領(lǐng)域應(yīng)用為背景開展臨場(chǎng)感空間遙操作機(jī)器人技術(shù)研究完全體現(xiàn)了863計(jì)劃‘頂天立地’的精神，雖然當(dāng)時(shí)中國(guó)的航天計(jì)劃還沒有公布和實(shí)施，但我們認(rèn)為航天技術(shù)作為國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)是不可能從國(guó)外買來的，一定是依靠獨(dú)立自主研究來發(fā)展的，中國(guó)的航天計(jì)劃一定會(huì)有實(shí)施的那一天?！彼螑蹏?guó)說。

經(jīng)過與導(dǎo)師多次討論，確定宋愛國(guó)的博士論文圍繞我國(guó)未來空間探測(cè)任務(wù)的重大需求，開展臨場(chǎng)感機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)解決空間通信大時(shí)延情況下，臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人的力感知、力反饋與力控制問題。

1996年3月宋愛國(guó)博士畢業(yè)，黃老師推薦他跟隨我國(guó)聲吶技術(shù)領(lǐng)域的著名專家陸佶人進(jìn)行博士后研究。宋愛國(guó)此前并沒有接觸過聲吶這個(gè)領(lǐng)域?！澳且浑A段的科研很辛苦但收獲很大，后來的很多創(chuàng)新性想法就源于當(dāng)時(shí)的交叉性研究?！?/p>

機(jī)遇總是垂青有準(zhǔn)備的人，博士畢業(yè)之后，宋愛國(guó)趕上了我國(guó)開始大力發(fā)展自主航天技術(shù)與空間機(jī)器人的好時(shí)機(jī)。1996年10月我國(guó)“863”計(jì)劃項(xiàng)目增加航天技術(shù)領(lǐng)域，并設(shè)置了空間機(jī)器人與遙科學(xué)主題，航天502所李庚田總師為該主題專家組長(zhǎng)，并通過宋愛國(guó)他們發(fā)表的論文發(fā)現(xiàn)東南大學(xué)在開展臨場(chǎng)感空間遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究，就將這一領(lǐng)域的項(xiàng)目指南發(fā)給他們。因此，宋愛國(guó)在博士畢業(yè)后第一年作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國(guó)家航天“863”計(jì)劃項(xiàng)目“力覺臨場(chǎng)感空間遙操作機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”，這也是他負(fù)責(zé)的第一個(gè)“863”項(xiàng)目。瞄準(zhǔn)空間機(jī)器人技術(shù)這一方向，宋愛國(guó)從1993年開始一直研究到現(xiàn)在，從基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，再到型號(hào)任務(wù)，宋愛國(guó)的研究成果與相關(guān)技術(shù)在我國(guó)“嫦娥三號(hào)”月面巡視器、空間站大型機(jī)械臂等任務(wù)中得到。宋愛國(guó)說：“只有掌握更多的核心技術(shù)，才能打破國(guó)際壟斷，制造屬于中國(guó)自己的高端機(jī)器人！”

在將近30年的時(shí)間里，宋愛國(guó)先后負(fù)責(zé)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目10項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目3項(xiàng)和面上項(xiàng)目7項(xiàng)、載人航天“921”項(xiàng)目6項(xiàng)、國(guó)防預(yù)研和國(guó)防創(chuàng)新項(xiàng)目6項(xiàng)。其中他主持的“人機(jī)交互遙操作機(jī)器人的力覺感知與反饋技術(shù)”項(xiàng)目更獲得2017年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

宋愛國(guó)介紹，“人機(jī)交互遙操作機(jī)器人的力覺感知與反饋技術(shù)”項(xiàng)目一直受到“863”計(jì)劃的支持。經(jīng)過20余年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)，項(xiàng)目組先后研制成功高精度的機(jī)器人六維力傳感器、柔性陣列觸覺傳感器、無源力反饋執(zhí)行器、力反饋手控器、力矢量控制器等人機(jī)交互遙操作機(jī)器人核心元件或裝置，并在我國(guó)載人航天與探月工程中得到應(yīng)用。

2016年9月“天宮二號(hào)”上天，宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的安裝在“天宮二號(hào)”上的小型化多維力傳感器和航天員在軌操作力測(cè)量裝置成功保障了“天宮二號(hào)”航天員的在軌訓(xùn)練任務(wù)。受航天五院和北京跟蹤與通信研究所的委托，宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)還負(fù)責(zé)研制了兩套地面模擬實(shí)驗(yàn)月面巡視機(jī)器人，在“嫦娥三號(hào)月面巡視器”工程任務(wù)中也立下了汗馬功勞。2021年空間站核心艙上天，“神舟十二”號(hào)載人飛船上天，宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)了核心艙新型太陽能帆板力測(cè)量設(shè)備及大型機(jī)械臂遙操作分系統(tǒng)與航天員在軌操作力測(cè)量中傳感器和測(cè)量裝置的研制工作，為航天員常駐天宮貢獻(xiàn)了不可或缺的力量。

醫(yī)工結(jié)合——提高殘障者生存質(zhì)量

機(jī)器人不僅要上天，而且還要用在民用領(lǐng)域，這是宋愛國(guó)及團(tuán)隊(duì)一直以來的目標(biāo)。在瞄準(zhǔn)國(guó)家航天重大工程進(jìn)行科研攻關(guān)的同時(shí)，他們也把關(guān)注點(diǎn)投向了國(guó)家重大的民生工程。

在傳感器、力反饋、力控制的諸多關(guān)鍵技術(shù)均獲得突破性科研進(jìn)展的情況下，如何把這些技術(shù)更大范圍地進(jìn)行推廣？2000年至2002年，宋愛國(guó)進(jìn)行了深入的思考。通過調(diào)研分析，宋愛國(guó)發(fā)現(xiàn)我國(guó)即將會(huì)面臨人口老年化的嚴(yán)峻社會(huì)問題，如何讓老年人的生活更加健康？機(jī)器人能否發(fā)揮作用？宋愛國(guó)認(rèn)為康復(fù)機(jī)器人研究是一項(xiàng)具有重要社會(huì)意義的科研。其一，隨著社會(huì)老齡化的加劇，我國(guó)已成為世界上老年人口最多的國(guó)家，也是人口老齡化速度最快的國(guó)家之一，而老年人失能占總失能數(shù)的一半，其中腦卒中是危害老年人健康的第一殺手。除此，我國(guó)是中風(fēng)病的高發(fā)地區(qū)，在幸存者中約70%～80%的病人留有不同程度的殘疾。

“對(duì)于因腦卒中、脊髓損傷等引起的肢體功能障礙者來說，科學(xué)合理的康復(fù)訓(xùn)練是十分重要和關(guān)鍵的醫(yī)療手段。臨床研究表明，大量的重復(fù)訓(xùn)練對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)非常有益，于是20世紀(jì)后期特別是21世紀(jì)初，為了幫助肢體運(yùn)動(dòng)功能殘障者和運(yùn)動(dòng)功能退化的老人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能、提高生存質(zhì)量，國(guó)外較早進(jìn)入老齡化的發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、瑞士、美國(guó)等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都開始將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于助老助殘康復(fù)領(lǐng)域，開展康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究。”宋愛國(guó)說。

在此背景下，宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)決定將力覺臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人技術(shù)與康復(fù)醫(yī)療相結(jié)合，開展康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)研究。

2003年4月在東南大學(xué)華英基金資助下，宋愛國(guó)以訪問科學(xué)家的身份赴美國(guó)西北大學(xué)開展聯(lián)合研究工作。在力觸覺、人機(jī)交互領(lǐng)域，美國(guó)西北大學(xué)智能機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在世界上處于前沿位置，國(guó)際力觸覺委員會(huì)就掛靠在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室主任Colgate教授是麻省理工學(xué)院Hogan教授的學(xué)生，Hogan教授在國(guó)際上最早開展康復(fù)機(jī)器人研究，第一臺(tái)幫助腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)治療的MIT-MANUS康復(fù)機(jī)器人就由他負(fù)責(zé)研制。Colgate作為Hogan教授的學(xué)生，博士畢業(yè)后到美國(guó)西北大學(xué)工作，并成為智能機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任，由他領(lǐng)銜的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模越來越大，并與芝加哥康復(fù)中心合作開展康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究，實(shí)驗(yàn)室在力觸覺交互技術(shù)與康復(fù)機(jī)器人研究方面積累了許多可供借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

宋愛國(guó)說：“在美國(guó)西北大學(xué)進(jìn)行合作研究期間，我對(duì)康復(fù)機(jī)器人有了更清晰的認(rèn)識(shí)，其核心技術(shù)就是我們的力反饋和力控制技術(shù)。另外，那里學(xué)科交叉、醫(yī)工結(jié)合很密切，康復(fù)中心與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的老師互相在兩邊兼任教授，聯(lián)合開展研究。實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)交流氛圍濃厚，國(guó)際學(xué)術(shù)講座頻繁，可以及時(shí)了解機(jī)器人領(lǐng)域的最新前沿動(dòng)向。”

2004年4月回國(guó)后宋愛國(guó)開始投入到康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)中，他大力開展醫(yī)工結(jié)合，首先將力反饋遙操作機(jī)器人技術(shù)用于中風(fēng)病人的康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究。面向我國(guó)的實(shí)際情況，宋愛國(guó)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和康復(fù)機(jī)器人相結(jié)合，面向社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老院或家庭自助式康復(fù)需求，研究遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人技術(shù)。

2005年科技部委托宋愛國(guó)等人負(fù)責(zé)“863”計(jì)劃服務(wù)機(jī)器人專項(xiàng)中助老助殘機(jī)器人規(guī)劃的編寫工作，在“863”服務(wù)機(jī)器人規(guī)劃制訂中，宋愛國(guó)將康復(fù)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容列入發(fā)展規(guī)劃，并起草了康復(fù)機(jī)器人研究實(shí)施方案，后來這個(gè)規(guī)劃得到了科技部批復(fù)，并在“863”計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)主題正式立項(xiàng)資助。此后，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)開始得到國(guó)家和省部各類科技計(jì)劃的立項(xiàng)研究，2010年以后康復(fù)機(jī)器人更引起了學(xué)術(shù)界、醫(yī)學(xué)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注和產(chǎn)品研發(fā)。

宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)獲2019年中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)吳文俊科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

“我們以上肢康復(fù)機(jī)器人為主，病人在醫(yī)院主要進(jìn)行早期的被動(dòng)訓(xùn)練，被動(dòng)訓(xùn)練階段結(jié)束后病人回到家中或養(yǎng)老院，就以機(jī)器人輔助的遠(yuǎn)程主動(dòng)訓(xùn)練為主。按照康復(fù)醫(yī)學(xué)的理論，病人在康復(fù)訓(xùn)練過程中越投入、越積極，肢體運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)得就越快，因?yàn)槠浔举|(zhì)上是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)，因此我們也編寫了很多力反饋交互游戲配合康復(fù)機(jī)器人?！彼螑蹏?guó)介紹，“2006年—2007年我們?cè)谀暇┲写筢t(yī)院進(jìn)行了一年半的康復(fù)機(jī)器人臨床試驗(yàn)，主要是驗(yàn)證我們研發(fā)的桌面式遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人是否可行。在這一年半的臨床試驗(yàn)中，完成了100多例機(jī)器人輔助主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)力反饋交互式虛擬游戲非常重要，多通道交互的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲與康復(fù)機(jī)器人相結(jié)合，才能讓病人積極有效地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?！?/p>

在當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)中，許多康復(fù)訓(xùn)練師希望可以遠(yuǎn)程控制兩到三臺(tái)機(jī)器人，讓這些機(jī)器人幫助病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，從而提高康復(fù)訓(xùn)練師的效率。于是，2006年宋愛國(guó)向科技部遞交了項(xiàng)目建議指南，研究一對(duì)多的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人，針對(duì)老年人居家康復(fù)或在養(yǎng)老院的康復(fù)訓(xùn)練。2007年這項(xiàng)建議被“863”計(jì)劃列為重點(diǎn)項(xiàng)目，宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位開始研究一對(duì)多的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人。

按照1個(gè)康復(fù)訓(xùn)練師遠(yuǎn)程控制3個(gè)不同的康復(fù)機(jī)器人的思路開展研究，康復(fù)訓(xùn)練師可以在康復(fù)中心通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)3臺(tái)位于不同養(yǎng)老院的不同類型的康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置和控制。2010年，該項(xiàng)目研制的一對(duì)三的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人分別在北京四季青養(yǎng)老院和上海社會(huì)福利院進(jìn)行示范應(yīng)用，其中的力反饋情景交互技術(shù)和力控制技術(shù)在常州錢璟康復(fù)器械公司得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

從2002年開始面向醫(yī)療領(lǐng)域開展醫(yī)療機(jī)器人研究至今，宋愛國(guó)不僅負(fù)責(zé)了“863”服務(wù)機(jī)器人專項(xiàng)康復(fù)機(jī)器人規(guī)劃的制訂，還負(fù)責(zé)了《運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人通用技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定，針對(duì)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人，他的研究也從助老助殘康復(fù)機(jī)器人拓展到假肢這一領(lǐng)域。與假肢生產(chǎn)廠家聯(lián)合生產(chǎn)的第一代、第二代假肢已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，第一代假肢在2009年銷售，第二代在2012年銷售，第二代目前已占據(jù)國(guó)內(nèi)60%以上的市場(chǎng)。

宋愛國(guó)立足截肢者的實(shí)際，不斷進(jìn)行著更加深入的探索?！叭祟惖碾p眼和雙手是與環(huán)境交互過程中必不可少的感知系統(tǒng)，對(duì)于盲人截肢者來說，如何快速、直觀地將環(huán)境信息傳遞給他們？”這個(gè)問題宋愛國(guó)思考了良久。

受人類本能的聲音定位能力的啟發(fā)，宋愛國(guó)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于空間音頻渲染的環(huán)境信息反饋方法。通過構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一致的虛擬場(chǎng)景，并對(duì)交互對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)的虛擬聲源渲染，受試者可以通過虛擬聲源，實(shí)現(xiàn)對(duì)交互對(duì)象的空間信息感知。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研制了融合力觸覺和視覺感知的助盲肌電假肢控制系統(tǒng)，協(xié)助盲人截肢者進(jìn)行日常活動(dòng)，受試者只需依靠對(duì)聲音的本能感知，即可完成接近和抓取物體等基本任務(wù)。對(duì)基于SAR和VP兩種環(huán)境信息反饋的方法設(shè)計(jì)了費(fèi)茨法則實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明SAR能顯著提高反饋信息的傳遞率。假肢控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于VP，SAR可以縮短一半的完成時(shí)間，同時(shí)SAR賦予了用戶主動(dòng)感知的能力，受試者能夠以更自然的手臂運(yùn)動(dòng)軌跡抓取物體。因此，SAR能向用戶提供更直觀、豐富的環(huán)境感知信息，為盲人截肢者再造控制和感覺回路提供了新途徑。

2020年6月，這套多模態(tài)信息增強(qiáng)環(huán)境感知的助盲肌電假肢被軍委科技委選用，用于幫助排雷英雄杜國(guó)富等殘障軍人，幫助他們實(shí)現(xiàn)生活自理。

宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)成員開展力覺臨場(chǎng)感空間遙操作機(jī)器人研究

隨著5G時(shí)代的來臨，結(jié)合5G技術(shù)研發(fā)云端融合的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人，是宋愛國(guó)即將要開展的工作，他透露目前相關(guān)項(xiàng)目正在啟動(dòng)中。

智能巡檢——電網(wǎng)運(yùn)維的新模式

黃惟一老師的“做科研一定要頂天立地”這句話，宋愛國(guó)一直記在心里，因此他的科研從來都是圍繞著國(guó)家、民生的重大需求來開展前沿基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)研究。

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)特別是核電的快速發(fā)展，信息化、智能化、遠(yuǎn)程化的智能電站與電網(wǎng)建設(shè)日益迫切，我國(guó)政府從“十二五”開始已將電力系統(tǒng)巡檢運(yùn)維機(jī)器人作為電網(wǎng)智能化和安全管理的核心技術(shù)裝備。2011年3月日本福島核電站的核泄漏災(zāi)難給核電安全敲響了警鐘。為保障核電站的運(yùn)營(yíng)安全，也迫切需要研制適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境、機(jī)動(dòng)靈活、探測(cè)能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)程控制的智能巡檢運(yùn)維機(jī)器人。而這種適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的巡檢運(yùn)維機(jī)器人一直是機(jī)器人研究面臨的難題。針對(duì)我國(guó)核電安全與電網(wǎng)領(lǐng)域復(fù)雜環(huán)境巡檢運(yùn)維任務(wù)的急需，宋愛國(guó)在國(guó)家杰出青年基金、國(guó)家原“863”計(jì)劃、國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目等支持下，經(jīng)過十多年系統(tǒng)深入研究，突破了巡檢運(yùn)維機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境感知與目標(biāo)識(shí)別、共享控制和多任務(wù)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，研制成功5類12種型號(hào)的遠(yuǎn)程巡檢運(yùn)維機(jī)器人，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。研制的核化探測(cè)機(jī)器人裝備南京軍區(qū)防化部隊(duì)，先后執(zhí)行了2008年奧運(yùn)會(huì)上海賽區(qū)、2010年上海世博會(huì)、2013年南京亞青會(huì)等重大活動(dòng)的安保任務(wù)。研制的掛軌式巡檢機(jī)器人在國(guó)內(nèi)20個(gè)省市2000多個(gè)配電站廣泛使用，市場(chǎng)占有率達(dá)85%，并應(yīng)用于北京大興機(jī)場(chǎng)110千伏變電站和2017年天津十三屆全運(yùn)會(huì)全部34個(gè)場(chǎng)館配電站的巡檢運(yùn)維。研制的核電站管道巡檢機(jī)器人在陽江核電站、大亞灣核電站、秦山核電站等九大核電站投入運(yùn)維使用；該成果還在南水北調(diào)工程大型泵站監(jiān)控等領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)成果獲2018年江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和2019年吳文俊吳文俊人工智能科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

科研助力教學(xué)——培養(yǎng)一流的創(chuàng)新人才

人才培養(yǎng)是高校的根本任務(wù)。宋愛國(guó)在從事高水平科學(xué)研究的同時(shí)，將教學(xué)工作作為自己的第一任務(wù)，25年來一直堅(jiān)持主講多門本科生主干課程。

“如果本科生能及早參與教師的科研活動(dòng)，教師能夠?qū)⒖蒲谐晒唾Y源轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)的資源，這對(duì)本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將會(huì)是一個(gè)巨大的推動(dòng)?！彼螑蹏?guó)帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)積極開展教學(xué)改革，不斷將科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，形成了“教師科研與教學(xué)相結(jié)合、學(xué)生課內(nèi)學(xué)習(xí)與課外研究一體化”的本科人才培養(yǎng)模式。很多學(xué)生參與到相關(guān)的科學(xué)研究中，萌生了對(duì)科研的樂趣。

宋愛國(guó)高度重視課堂教學(xué)工作。一談起宋愛國(guó)，他的學(xué)生個(gè)個(gè)有話說。“不管有多忙，宋老師從來不會(huì)缺一節(jié)課?！彼难芯可嬲f，2016年10月的一個(gè)周三，宋愛國(guó)在深圳出差，因?yàn)橥砩嫌姓n，他不時(shí)地跟學(xué)生們通報(bào)行蹤：“我這邊活動(dòng)結(jié)束了，馬上去機(jī)場(chǎng)；我上飛機(jī)了，盡量準(zhǔn)時(shí)趕回來；我下飛機(jī)了，正在往學(xué)校趕……”晚上7點(diǎn)整，宋愛國(guó)準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)在課堂上。

宋愛國(guó)注重全過程育人，注重培養(yǎng)學(xué)生德智體全面發(fā)展，做學(xué)生錘煉品格、學(xué)習(xí)知識(shí)、創(chuàng)新思維、奉獻(xiàn)祖國(guó)的引路人。他不僅將自身的科研與教學(xué)相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且將培養(yǎng)學(xué)生樹立遠(yuǎn)大理想與課外科技活動(dòng)相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生圍繞國(guó)家重大工程和社會(huì)公益事業(yè)開展課外研學(xué)活動(dòng)。他指導(dǎo)學(xué)生的科技作品，如航天員力覺交互虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、力反饋空間遙操作機(jī)器人、桌面式康復(fù)機(jī)器人、具有力觸覺感知的肌電假肢、核化事故探測(cè)與處置機(jī)器人等，均在全國(guó)大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外科技學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。他經(jīng)常邀請(qǐng)航天領(lǐng)域合作單位的院士、專家，以及航天員等為大學(xué)生開展講座，幫助大學(xué)生樹立科技報(bào)國(guó)的遠(yuǎn)大理想。

宋愛國(guó)不僅科研成果豐碩，而且在教學(xué)方面也取得了重要成果，作為第一完成人先后獲2009年和2018年國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；他帶領(lǐng)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)2010年入選國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)建設(shè)的“傳感器技術(shù)”課程先后入選2009年國(guó)家精品課程、2013年國(guó)家級(jí)精品資源共享課和2019年國(guó)家級(jí)一流課程；主編的《傳感器技術(shù)》《測(cè)試信號(hào)分析與處理》教材被130余所高校選用，并入選國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，獲2017年寶鋼優(yōu)秀教師特等獎(jiǎng)。