郭亭亭：打造機器人“特種兵”

文/周文燕 丁莉莎

中國海洋大學工程學院博士研究生，山東阿圖機器人科技有限公司總經理，第十六屆中國大學生年度人物，“互聯(lián)網+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎獲得者

第一部作品

善于觀察、勤于思考是郭亭亭的突出特點，他本科專業(yè)是電氣工程及自動化，第一部作品“噴藥機器人”正是在他的細心觀察中獲得的靈感。

一次偶然的機會，郭亭亭注意到醫(yī)院傳統(tǒng)的噴霧器人工消毒不僅耗時，還存在風險，于是他便開始著手設計一臺可以自動噴藥的機器人。從購買零件，到硬件組裝，他的第一代噴藥機器人誕生了，“它能識別空氣中特定氣體的濃度，低于一定濃度時會自行噴藥，而且每隔一定時間自動運行一次?！焙罄m(xù)改良的第二代噴藥機器人，還可識別特定植物，并定點定量噴灑藥物，應用于農作物藥劑噴灑，既節(jié)省了人力成本，又減少了農藥浪費，為種植戶帶來了實實在在的便利實惠。

水下“清道夫”

懷揣著對機械與電氣的熱愛，郭亭亭從青島農業(yè)大學本科畢業(yè)后，考入中國海洋大學工程學院攻讀碩士。碩士畢業(yè)后，他又師從宋大雷教授，攻讀港口、海岸及近海工程專業(yè)博士研究生，主攻課題是研發(fā)高性能船體清洗吸附機器人。

“海洋平臺、海上風電系統(tǒng)、船舶等海工裝備是發(fā)展海洋強國的重要設備，這些裝備長時間浸泡在海水中會受到大量海洋生物的附著，加劇材料腐蝕。這不僅帶來裝備能耗問題，而且還會降低使用壽命，因此需要定期清洗和檢修?！惫ね⒆约旱难芯糠较蚺c國家需要結合起來，致力于破解“水下難題”。

目前，對各類海工裝備的清洗檢修主要依賴人工，但水下作業(yè)環(huán)境復雜，極具高風險，受作業(yè)時間和范圍限制、作業(yè)強度大和效率低等多種因素影響，清洗和檢修質量難以保證，且安全隱患突出。

“機器人清潔使用的是水射流技術，通過噴射高壓水束使海工裝備表面的附著物脫落，因此，水射流噴頭工作時產生的反作用力很大。而且，機器人攜帶各類裝備檢修作業(yè)，這些載荷裝備對機器人本體的反沖力也很大，機器人想要穩(wěn)定附著在這些裝備表面并不容易。”郭亭亭說，傳統(tǒng)主流采用磁吸附的機器人，雖然吸力很大，但是這要求海工裝備必須是導磁材料，而且磁吸附機器人布放和回收時，與母體裝備的分離難度很大，極易因磁泄漏問題對船只羅盤等傳感器造成干擾。所以，水下清洗機器人項目的最大難點在于，機器人如何更高效吸附到各類水下裝備表面，且能夠靈活移動清洗和檢修。

讀博的頭3年里，郭亭亭在關鍵技術的原理驗證上失敗了數十次。功夫不負有心人，在與導師數次頭腦風暴后，郭亭亭受伯努利原理的啟發(fā)，在研究機器人高效吸附問題方面打開了一扇窗。

根據伯努利原理，在流體中，速度大的地方壓強小、速度小的地方壓強大?，F實生活中，飛機機翼升空就是利用的此原理。機翼的上方氣流流速比下方快，所以，上方的流體壓強就比下方低，上下機翼面的壓差使飛機受到向上的力。而水下吸附清洗機器人就是通過加速自身和被吸附物之間的流體速度，使這些流體產生負壓區(qū)域，與外面流體形成強烈的壓差，將機器人穩(wěn)固地“按”在船體上。

團隊目前研發(fā)的水下吸附爬壁機器人，外觀酷似一個大型“掃地機器人”，別看機器人的大小只有不到1米見方，但吸附力可達到數百千克，配合具有自主知識產權的全向轉向和移動裝置，此款機器人既能在船體表面穩(wěn)固吸附，又能靈活移動，并完成各類觀測和作業(yè)任務。

未來，有了這個水下“清道夫”，可以更加安全有效地給海工裝備“洗洗澡”，降低能耗，提高使用壽命。

“雷神一號”“火神一號”

2020年初，新冠肺炎疫情肆虐，郭亭亭敏銳地注意到消毒醫(yī)務工作者這個群體。當下，國內的消毒工作主要依靠人工背負噴藥機完成，存在自動化程度低、噴霧擴散射程短、霧滴穿透能力差等問題，更重要的是，工作人員在消毒過程中面臨因作業(yè)暴露和防護不當導致感染病毒的風險，二次傳播的幾率非常大。

1.農業(yè)噴藥機器人

2.井下鉆孔探測機器人

3.防爆消防滅火機器人

4.消殺機器人

郭亭亭一邊關注疫情防控，一邊思考著“我能為他們做些什么”。他緊急召開了線上會議，組建臨時研發(fā)小組，決定研制一款能代替人工消毒的機器人。而且，這款機器人要能夠針對盡可能多的應用場景，比如具有復雜地面環(huán)境的養(yǎng)殖場、需要爬坡或樓梯的多層車站和醫(yī)院等場所。這樣才能完全替代人工消毒作業(yè)，發(fā)揮其重要價值。

僅3天時間，郭亭亭就帶領團隊完成了機器人整機的機械詳細方案設計。由于人手不足，郭亭亭不僅要負責機器人的控制算法，還臨時擔負起了機械工程師的職責。為了加快研發(fā)速度，郭亭亭團隊采取軟硬件同步研發(fā)，通過半實物仿真系統(tǒng)搭建聯(lián)調平臺，以降低機械和軟件研發(fā)周期和進程帶來的干擾。

以往，機器人攜帶的作業(yè)裝備都是固定在移動底盤的中心處，這樣機器人運動時會比較平穩(wěn)。但消殺機器人不同，由于在移動底盤前端必須安放消毒彌霧機，只能將藥箱后置。機器人在帶動消毒藥箱移動時，內部消毒液會來回晃動，這給機器人的重心位置和運動平穩(wěn)性造成極大擾動。

5.郭亭亭在維護機器人

6.研發(fā)團隊成員張志軒

7.研發(fā)團隊成員李棟

如何解決機器人因為消毒液重心晃動而導致傾覆的難題，就像一座大山擺在了郭亭亭面前。為了解決這個難題，郭亭亭帶領團隊反復試驗尋找解決方法，最終研發(fā)出機器人重心時變調節(jié)技術。

當機器人爬樓時，機器人自動感知自身姿態(tài)，控制器驅動內部的平衡塊向前移動，將機器人重心前移調整；當機器人下樓時，控制器驅動平衡塊反向移動，從而完成對機器人重心位置的自適應精準調節(jié)，保障機器人爬坡越障性能。采用重心時變調節(jié)技術的機器人，其底盤內部類似不倒翁的結構，每當機器人在斜坡、樓梯上移動并向一側傾斜甚至有顛覆可能時，此設計就會將機器人反向“拉”回到平衡位置，保證機器人在復雜地面環(huán)境中移動的平穩(wěn)性。

郭亭亭團隊從設計雛形、研發(fā)實物到調試程序、場景應用，整個過程僅花了短短10天，智能消殺戰(zhàn)“疫”機器人誕生了，主要包含兩類產品——履帶式消殺機器人和輪式消殺機器人。郭亭亭將這兩款機器人分別命名為“雷神一號”和“火神一號”。據悉，這兩款機器人被捐贈給武漢后，成為助力病毒消殺工作的“得力干將”，累計消殺千萬平方米區(qū)域，有效降低了人員接觸帶來的交叉感染風險。

目前，郭亭亭團隊優(yōu)化的二代機器人正加緊研發(fā)，他們在機器人上又集成了全自動多發(fā)熱源快速探測、追蹤鎖定、人臉識別和預警技術。機器人采用二維回轉云臺，配合矩陣式紅外熱成像裝置，在對周圍環(huán)境監(jiān)控的同時，可實現對多人同時進行體溫高精準測量，對體溫過高的發(fā)熱人員利用AI技術實現人臉識別，控制機器人快速對發(fā)熱人員跟蹤并上報預警，實現對異常目標的快速判斷。

鋼鐵戰(zhàn)士

早在2017年，郭亭亭就創(chuàng)立了山東阿圖機器人科技有限公司，擔任總經理一職，如今公司基于現實需求瞄準了特種機器人領域。

機器人大致分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人3類。作為機器人里的“特種兵”，特種機器人能“聽”聲音、“聞”煙霧、“看”畫面、“感”溫度、“響”預警，可以承擔各種危險任務，代替人類進入極端環(huán)境中工作，在其中發(fā)揮偵察、應急救援和處置作用，如消防偵察機器人、滅火機器人和巡檢機器人等。面對復雜惡劣的事故環(huán)境，如何讓特種機器人價值最大化是郭亭亭團隊的研發(fā)重點。

為了讓機器人移動更靈活、爬坡越障性能更強悍，郭亭亭團隊對機器人懸掛系統(tǒng)做了深入研究，從結構設計到動力學和運動分析，再到輕量化設計，經過一次次調整后，機器人最高可實現38度的爬坡能力，形成了特種移動底盤系列的專利30余項，完成專利池的初步構建。

在提高機器人的防護性能上，郭亭亭團隊攻克了防爆結構設計、工藝改進和防爆電源等方面的核心技術。為了讓機器人故障率最低，他們對機器人的故障診斷和容錯控制進行了探索，甚至研究每一顆螺栓的扭緊力矩和螺紋緊固膠的涂裝位置，將細節(jié)做到極致。郭亭亭說：“只有將機器人做得極其可靠穩(wěn)定，才能在危難關頭發(fā)揮作用，救人于水火?！?/p>

參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽路演

郭亭亭和團隊成員對樣機進行測試和研討

經過試驗，郭亭亭團隊設計的防爆消防滅火偵察機器人，可以在高溫高濕的環(huán)境中開展作業(yè)，噴出泡沫、水等消滅各類火型，射程可達100米，約為30層高的樓房。能進入火場進行偵察探測，將“看到”的現場情況實時傳回后方，幫助外圍救援人員進行高效決策。滅火時，機器人攜帶的消防水炮可以通過檢測火源位置進行高精準定點滅火。不僅可以滅火，機器人還能在火場保護自己。它們身上裝了測溫系統(tǒng)，當“體溫”過高時，就會開啟“降溫”模式，噴出水幕保護自己。

“這種機器人還有一個大本領，就是能夠冒著起火和爆炸的危險，第一時間沖進火場，利用攜帶的生命探測儀對被困人員進行搜尋。當發(fā)現被困人員后，還能承載其逃離災害現場。由于機器人配備了高性能的懸掛移動系統(tǒng)，像爬樓梯這樣的復雜地面環(huán)境它也能輕松通過。”郭亭亭介紹說。

2019年12月，山東省煙臺市某機械廠突發(fā)火災?，F場濃煙四起，火勢極大并發(fā)生燃爆，消防人員偵察火情受到阻礙。于是，消防部門緊急安排多臺此款消防滅火偵察機器人增援。為確認著火倉庫內有無被困人員和?；罚瑱C器人率先沖入火場，利用攜帶的生命探測儀和全向云臺進行偵察，并將探測的信息實時傳回指揮中心。隨后，機器人拖拽著幾百公斤重的消防水帶（在消防過程中，僅一根80mm口徑的水帶，往往需要4名消防員扛起作業(yè)），越過障礙，利用全回轉消防水炮將高壓水噴射至百米遠處，對著火點定點滅火實現精準撲救。經過不到1小時的奮戰(zhàn)，火勢得到控制，現場沒有人員傷亡。

如今，郭亭亭帶領團隊成功研發(fā)了防爆消防偵察機器人、消防滅火機器人等十余種產品，部分產品已經在天津、威海和煙臺等地投入多次消防演習和實戰(zhàn)應用，公司累計銷售額突破2000萬元。

談及未來，郭亭亭表示，他將繼續(xù)帶領團隊投身科研攻關，深耕機器人領域，為重大自然災害應急和公共安全提供技術保障和裝備支持。