郭亭亭： 打造機(jī)器人“特種兵”

周文燕 丁莉莎

? ? ?郭亭亭? ? ?中國海洋大學(xué)工程學(xué)院博士研究生，山東阿圖機(jī)器人科技有限公司總經(jīng)理，第十六屆中國大學(xué)生年度人物，“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)獲得者

可以對(duì)植物進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別的噴藥機(jī)器人，

擁有“眼睛”和“大腦”、可以像人類一樣“勞動(dòng)”的采摘機(jī)器人，

能進(jìn)行智能消殺工作的戰(zhàn)“疫”機(jī)器人，可替代人類進(jìn)入高危場(chǎng)所的特種機(jī)器人……

中國海洋大學(xué)郭亭亭的機(jī)器人作品繁多。

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

一次偶然的機(jī)會(huì)，郭亭亭注意到醫(yī)院傳統(tǒng)的噴霧器人工消毒不僅耗時(shí)，還存在風(fēng)險(xiǎn)，于是他便開始著手設(shè)計(jì)一臺(tái)可以自動(dòng)噴藥的機(jī)器人。從購買零件，到硬件組裝，他的第一代噴藥機(jī)器人誕生了，“它能識(shí)別空氣中特定氣體的濃度，低于一定濃度時(shí)會(huì)自行噴藥，而且每隔一定時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行一次?！焙罄m(xù)改良的第二代噴藥機(jī)器人，還可識(shí)別特定植物，并定點(diǎn)定量噴灑藥物，應(yīng)用于農(nóng)作物藥劑噴灑，既節(jié)省了人力成本，又減少了農(nóng)藥浪費(fèi)，為種植戶帶來了實(shí)實(shí)在在的便利實(shí)惠。

懷揣著對(duì)機(jī)械與電氣的熱愛，郭亭亭從青島農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)后，考入中國海洋大學(xué)工程學(xué)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(jī)器人。

“海洋平臺(tái)、海上風(fēng)電系統(tǒng)、船舶等海工裝備是發(fā)展海洋強(qiáng)國的重要設(shè)備，這些裝備長(zhǎng)時(shí)間浸泡在海水中會(huì)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(huì)降低使用壽命，因此需要定期清洗和檢修。”郭亭亭將自己的研究方向與國家需要結(jié)合起來，致力于破解“水下難題”。

目前，對(duì)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(fù)雜，極具高風(fēng)險(xiǎn)，受作業(yè)時(shí)間和范圍限制、作業(yè)強(qiáng)度大和效率低等多種因素影響，清洗和檢修質(zhì)量難以保證，且安全隱患突出。

“機(jī)器人清潔使用的是水射流技術(shù)，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(shí)產(chǎn)生的反作用力很大。而且，機(jī)器人攜帶各類裝備檢修作業(yè)，這些載荷裝備對(duì)機(jī)器人本體的反沖力也很大，機(jī)器人想要穩(wěn)定附著在這些裝備表面并不容易?！惫ねふf，傳統(tǒng)主流采用磁吸附的機(jī)器人，雖然吸力很大，但是這要求海工裝備必須是導(dǎo)磁材料，而且磁吸附機(jī)器人布放和回收時(shí)，與母體裝備的分離難度很大，極易因磁泄漏問題對(duì)船只羅盤等傳感器造成干擾。所以，水下清洗機(jī)器人項(xiàng)目的最大難點(diǎn)在于，機(jī)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(dòng)清洗和檢修。

讀博的頭3年里，郭亭亭在關(guān)鍵技術(shù)的原理驗(yàn)證上失敗了數(shù)十次。功夫不負(fù)有心人，在與導(dǎo)師數(shù)次頭腦風(fēng)暴后，郭亭亭受伯努利原理的啟發(fā)，在研究機(jī)器人高效吸附問題方面打開了一扇窗。

根據(jù)伯努利原理，在流體中，速度大的地方壓強(qiáng)小、速度小的地方壓強(qiáng)大?，F(xiàn)實(shí)生活中，飛機(jī)機(jī)翼升空就是利用的此原理。機(jī)翼的上方氣流流速比下方快，所以，上方的流體壓強(qiáng)就比下方低，上下機(jī)翼面的壓差使飛機(jī)受到向上的力。而水下吸附清洗機(jī)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(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，與外面流體形成強(qiáng)烈的壓差，將機(jī)器人穩(wěn)固地“按”在船體上。

團(tuán)隊(duì)目前研發(fā)的水下吸附爬壁機(jī)器人，外觀酷似一個(gè)大型“掃地機(jī)器人”，別看機(jī)器人的大小只有不到1米見方，但吸附力可達(dá)到數(shù)百千克，配合具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全向轉(zhuǎn)向和移動(dòng)裝置，此款機(jī)器人既能在船體表面穩(wěn)固吸附，又能靈活移動(dòng)，并完成各類觀測(cè)和作業(yè)任務(wù)。

未來，有了這個(gè)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。

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(wù)工作者這個(gè)群體。當(dāng)下，國內(nèi)的消毒工作主要依靠人工背負(fù)噴藥機(jī)完成，存在自動(dòng)化程度低、噴霧擴(kuò)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(hù)不當(dāng)導(dǎo)致感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，二次傳播的幾率非常大。

郭亭亭一邊關(guān)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(huì)議，組建臨時(shí)研發(fā)小組，決定研制一款能代替人工消毒的機(jī)器人。而且，這款機(jī)器人要能夠針對(duì)盡可能多的應(yīng)用場(chǎng)景，比如具有復(fù)雜地面環(huán)境的養(yǎng)殖場(chǎng)、需要爬坡或樓梯的多層車站和醫(yī)院等場(chǎng)所。這樣才能完全替代人工消毒作業(yè)，發(fā)揮其重要價(jià)值。

1.農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)器人? ? ?2.井下鉆孔探測(cè)機(jī)器人? ? ?3.防爆消防滅火機(jī)器人? ? ?4.消殺機(jī)器人

僅3天時(shí)間，郭亭亭就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了機(jī)器人整機(jī)的機(jī)械詳細(xì)方案設(shè)計(jì)。由于人手不足，郭亭亭不僅要負(fù)責(zé)機(jī)器人的控制算法，還臨時(shí)擔(dān)負(fù)起了機(jī)械工程師的職責(zé)。為了加快研發(fā)速度，郭亭亭團(tuán)隊(duì)采取軟硬件同步研發(fā)，通過半實(shí)物仿真系統(tǒng)搭建聯(lián)調(diào)平臺(tái)，以降低機(jī)械和軟件研發(fā)周期和進(jìn)程帶來的干擾。

以往，機(jī)器人攜帶的作業(yè)裝備都是固定在移動(dòng)底盤的中心處，這樣機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)比較平穩(wěn)。但消殺機(jī)器人不同，由于在移動(dòng)底盤前端必須安放消毒彌霧機(jī)，只能將藥箱后置。機(jī)器人在帶動(dòng)消毒藥箱移動(dòng)時(shí)，內(nèi)部消毒液會(huì)來回晃動(dòng)，這給機(jī)器人的重心位置和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性造成極大擾動(dòng)。

如何解決機(jī)器人因?yàn)橄疽褐匦幕蝿?dòng)而導(dǎo)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(gè)難題，郭亭亭帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)試驗(yàn)尋找解決方法，最終研發(fā)出機(jī)器人重心時(shí)變調(diào)節(jié)技術(shù)。

當(dāng)機(jī)器人爬樓時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)感知自身姿態(tài)，控制器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的平衡塊向前移動(dòng)，將機(jī)器人重心前移調(diào)整;當(dāng)機(jī)器人下樓時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)平衡塊反向移動(dòng)，從而完成對(duì)機(jī)器人重心位置的自適應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，保障機(jī)器人爬坡越障性能。采用重心時(shí)變調(diào)節(jié)技術(shù)的機(jī)器人，其底盤內(nèi)部類似不倒翁的結(jié)構(gòu)，每當(dāng)機(jī)器人在斜坡、樓梯上移動(dòng)并向一側(cè)傾斜甚至有顛覆可能時(shí)，此設(shè)計(jì)就會(huì)將機(jī)器人反向“拉”回到平衡位置，保證機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境中移動(dòng)的平穩(wěn)性。

郭亭亭團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)雛形、研發(fā)實(shí)物到調(diào)試程序、場(chǎng)景應(yīng)用，整個(gè)過程僅花了短短10天，智能消殺戰(zhàn)“疫”機(jī)器人誕生了，主要包含兩類產(chǎn)品——履帶式消殺機(jī)器人和輪式消殺機(jī)器人。郭亭亭將這兩款機(jī)器人分別命名為“雷神一號(hào)”和“火神一號(hào)”。據(jù)悉，這兩款機(jī)器人被捐贈(zèng)給武漢后，成為助力病毒消殺工作的“得力干將”，累計(jì)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(fēng)險(xiǎn)。

目前，郭亭亭團(tuán)隊(duì)優(yōu)化的二代機(jī)器人正加緊研發(fā)，他們?cè)跈C(jī)器人上又集成了全自動(dòng)多發(fā)熱源快速探測(cè)、追蹤鎖定、人臉識(shí)別和預(yù)警技術(shù)。機(jī)器人采用二維回轉(zhuǎn)云臺(tái)，配合矩陣式紅外熱成像裝置，在對(duì)周圍環(huán)境監(jiān)控的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多人同時(shí)進(jìn)行體溫高精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)體溫過高的發(fā)熱人員利用AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，控制機(jī)器人快速對(duì)發(fā)熱人員跟蹤并上報(bào)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常目標(biāo)的快速判斷。

早在2017年，郭亭亭就創(chuàng)立了山東阿圖機(jī)器人科技有限公司，擔(dān)任總經(jīng)理一職，如今公司基于現(xiàn)實(shí)需求瞄準(zhǔn)了特種機(jī)器人領(lǐng)域。

機(jī)器人大致分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人3類。作為機(jī)器人里的“特種兵”，特種機(jī)器人能“聽”聲音、“聞”煙霧、“看”畫面、“感”溫度、“響”預(yù)警，可以承擔(dān)各種危險(xiǎn)任務(wù)，代替人類進(jìn)入極端環(huán)境中工作，在其中發(fā)揮偵察、應(yīng)急救援和處置作用，如消防偵察機(jī)器人、滅火機(jī)器人和巡檢機(jī)器人等。面對(duì)復(fù)雜惡劣的事故環(huán)境，如何讓特種機(jī)器人價(jià)值最大化是郭亭亭團(tuán)隊(duì)的研發(fā)重點(diǎn)。

為了讓機(jī)器人移動(dòng)更靈活、爬坡越障性能更強(qiáng)悍，郭亭亭團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器人懸掛系統(tǒng)做了深入研究，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)分析，再到輕量化設(shè)計(jì)，經(jīng)過一次次調(diào)整后，機(jī)器人最高可實(shí)現(xiàn)38度的爬坡能力，形成了特種移動(dòng)底盤系列的專利30余項(xiàng)，完成專利池的初步構(gòu)建。

在提高機(jī)器人的防護(hù)性能上，郭亭亭團(tuán)隊(duì)攻克了防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)和防爆電源等方面的核心技術(shù)。為了讓機(jī)器人故障率最低，他們對(duì)機(jī)器人的故障診斷和容錯(cuò)控制進(jìn)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(xì)節(jié)做到極致。郭亭亭說：“只有將機(jī)器人做得極其可靠穩(wěn)定，才能在危難關(guān)頭發(fā)揮作用，救人于水火?！?/p>

經(jīng)過試驗(yàn)，郭亭亭團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的防爆消防滅火偵察機(jī)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(dá)100米，約為30層高的樓房。能進(jìn)入火場(chǎng)進(jìn)行偵察探測(cè)，將“看到”的現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)傳回后方，幫助外圍救援人員進(jìn)行高效決策。滅火時(shí)，機(jī)器人攜帶的消防水炮可以通過檢測(cè)火源位置進(jìn)行高精準(zhǔn)定點(diǎn)滅火。不僅可以滅火，機(jī)器人還能在火場(chǎng)保護(hù)自己。它們身上裝了測(cè)溫系統(tǒng)，當(dāng)“體溫”過高時(shí)，就會(huì)開啟“降溫”模式，噴出水幕保護(hù)自己。

?5.郭亭亭在維護(hù)機(jī)器人

6.研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員張志軒? ? ?7.研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員李棟

“這種機(jī)器人還有一個(gè)大本領(lǐng)，就是能夠冒著起火和爆炸的危險(xiǎn)，第一時(shí)間沖進(jìn)火場(chǎng)，利用攜帶的生命探測(cè)儀對(duì)被困人員進(jìn)行搜尋。當(dāng)發(fā)現(xiàn)被困人員后，還能承載其逃離災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)。由于機(jī)器人配備了高性能的懸掛移動(dòng)系統(tǒng)，像爬樓梯這樣的復(fù)雜地面環(huán)境它也能輕松通過?！惫ねそ榻B說。

2019年12月，山東省煙臺(tái)市某機(jī)械廠突發(fā)火災(zāi)?，F(xiàn)場(chǎng)濃煙四起，火勢(shì)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(tái)此款消防滅火偵察機(jī)器人增援。為確認(rèn)著火倉庫內(nèi)有無被困人員和?；罚瑱C(jī)器人率先沖入火場(chǎng)，利用攜帶的生命探測(cè)儀和全向云臺(tái)進(jìn)行偵察，并將探測(cè)的信息實(shí)時(shí)傳回指揮中心。隨后，機(jī)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(zhuǎn)消防水炮將高壓水噴射至百米遠(yuǎn)處，對(duì)著火點(diǎn)定點(diǎn)滅火實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)撲救。經(jīng)過不到1小時(shí)的奮戰(zhàn)，火勢(shì)得到控制，現(xiàn)場(chǎng)沒有人員傷亡。

如今，郭亭亭帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了防爆消防偵察機(jī)器人、消防滅火機(jī)器人等十余種產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已經(jīng)在天津、威海和煙臺(tái)等地投入多次消防演習(xí)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，公司累計(jì)銷售額突破2000萬元。

談及未來，郭亭亭表示，他將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)投身科研攻關(guān)，深耕機(jī)器人領(lǐng)域，為重大自然災(zāi)害應(yīng)急和公共安全提供技術(shù)保障和裝備支持。

責(zé)任編輯：丁莉莎