□ 王 輝

專家簡介：

丁亮，哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室教授。先后主持國家青年自然科學基金青年、面上項目（青年—面上連續(xù)資助），原“973”項目子課題，黑龍江省博士后青年英才計劃項目，國家重點實驗室自主研究課題等。在IJRR、TIE等刊物發(fā)表學術論文130余篇，SCI論文60余篇，最高影響因子為7.671。獲國家技術發(fā)明獎二等獎、ISTVS S?hne-Hata-Jurecka Award、黑龍江省技術發(fā)明獎一等獎、IEEE ARM國際會議最佳論文獎、國家開發(fā)銀行科技創(chuàng)新獎教金等多項榮譽。他所指導和協(xié)助指導的碩士和博士研究生中有4人獲得國家獎學金，1人獲得省優(yōu)秀碩士論文提名，5人獲得金、銀牌碩士論文。入選中國博士后30周年成果萃要、哈爾濱工業(yè)大學青年拔尖人才選聘計劃（破格評為教授）、哈爾濱工業(yè)大學基礎研究杰出人才培育計劃等。

還記得今年在平昌冬奧會閉幕式上驚艷亮相的中國機器人嗎？當機器人的精彩表現(xiàn)大獲成功后，“移動機器人”一詞便被反復提及，并以一種陌生而又熟悉的印象出現(xiàn)在每個人的腦海中。“移動機器人是指什么？”“中國的移動機器人發(fā)展如何？”一連串的疑問在人們心中萌出。

移動機器人其實是一種具備運動能力的自動化設備，最大特點是其可在工作環(huán)境中自主運行，而不必安裝在固定的位置上。雖然從外觀上看，和平日能見到的機器人沒有多大區(qū)別，但移動機器人的“智能化”程度可謂是機器人界的領軍水平。機器人學術界還有一種說法稱，如果把傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂稱為機器人的手，那么移動機器人就是機器人的腳。無論從哪個方面，都足以證明移動機器人的重要性。

哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室教授丁亮正是一位每日與移動機器人“親密接觸”的科研人員，多年來，他一直致力于從事野外移動機器人及地面力學方面的相關研究，為大家講述著移動機器人背后的故事。

潛心研究移動機器人與地面力學

提起丁亮，就不得不提到移動機器人，從本科開始到博士畢業(yè)，再到在加拿大瑞爾森大學做訪問學者，直到如今在哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院任職，丁亮的工作都是圍繞機械進行的。他與機器人也結下了深厚的情誼，帶著這份“濃濃深情”，丁亮在機器人地面力學及其應用方法方面取得了多項前沿性學術成果，更在已經(jīng)取得的成果基礎上，拓展了星球車滑移驅動力學、轉向力學以及機器人足地力學等多個新的研究方向。

丁亮所研究的移動機器人，通常由一臺或若干臺“中央控制器”來負責所有機器人正常運行的調(diào)度和協(xié)調(diào)，中央控制器會通過無線網(wǎng)絡與所有機器人相連接，同時會對機器人下達相應的任務作業(yè)，而移動機器人自身也搭載著不同類型的環(huán)境感知模塊，如激光、磁性、慣性、視覺等，此外還會有安全防護模塊對其“保駕護航”，以此來實現(xiàn)精確的自主路線控制，并在機器人活動場地確保人員安全。

但機器人并不總是在相對安全的場所活動，一旦到了復雜環(huán)境下，就會有多種不可控因素產(chǎn)生。在復雜環(huán)境移動機器人系統(tǒng)的基礎理論模型中，一般包括運動學、動力學、接觸力學3個層面。近年來，隨著國家對移動機器人研究的大力支持，再加上科研人員的不懈努力，機器人在運動學和動力學方面的發(fā)展逐漸日益成熟，然而令科研人員苦惱的是接觸力學層面雖然一直是研究的熱點，但同時也是亟待解決的難點問題。

丁亮舉例解釋道，如果想要將飛行器研究透徹，空氣動力學就是其中的“敲門磚”，因此相對于移動機器人來說，地面力學的作用就好比空氣動力學對于飛行器的作用，它不僅是決定機器人移動性能的核心要素，更是解析機器人與苛刻星球環(huán)境相互作用的瓶頸性理論基礎。

在傳統(tǒng)車輛地面力學理論體系已經(jīng)基本建立的前提下，星球探測車、野外足式機器人的發(fā)展向地面力學發(fā)起了新一輪的“攻擊”。丁亮直面挑戰(zhàn)，他圍繞機器人地面力學以及應用方法這一前沿核心問題，將星球探測車、足式機器人等作為重點研究對象，系統(tǒng)開展了機器人與地面相互作用力學試驗、機器人地面力學行為建模及參數(shù)辨識、基于多物理模型的機器人系統(tǒng)設計方法等多方面的研究，形成了“試驗—理論—應用”緊密結合的系統(tǒng)化研究方向，并取得了多項創(chuàng)新性的突破成果。

丁亮提到，研究機器人地面力學，實驗研究是其中的重要基礎，一般來說，國際上主要是針對傳統(tǒng)地面力學理論在機器人中的應用及模型試驗來進行驗證的，但卻缺乏針對星球車車輪滑轉和滑移驅動所開展的系統(tǒng)化試驗研究，另外在車輪轉向力學和機器人足地作用力學方面的試驗研究也處于空白狀態(tài)。丁亮針對這些問題，成功建立了星球車車輪轉向和滑移力學試驗方法，利用該方法揭示了車輪滑轉、滑移驅動及轉向力學的機理，基于單輪測試臺開展了縱向滑轉、縱向滑移、轉向、側偏前進力學試驗。他還基于整車開展了上坡、下坡、橫過斜坡、平地強制滑轉試驗的體系。在系列化輪地作用力學試驗基礎上，他揭示了車輪滑轉、滑移與轉向力學規(guī)律，突破了傳統(tǒng)的滑轉—滑移力學對稱性假設，進一步揭示了“滑轉階段推力與阻力反向，滑移階段同向”的非對稱性機理及“阻力系數(shù)關于s對稱”的機理。此外，丁亮建立了機器人足地作用力學試驗體系，揭示了足地相互作用力學的基本規(guī)律，并在國際上率先開展了軟足—硬地、硬足—軟地、軟足—軟地相互作用過程中的法向準靜態(tài)承壓、法向動態(tài)沖擊、切向滑移運動等多工況試驗，揭示了切向驅動力、法向力、滑動位移之間的非線性關系。

接下來，丁亮在取得的成果基礎上，建立了綜合考慮多重物理效應的高精度星球車輪地作用驅動和轉向力學模型，利用該模型成功解決了星壤參數(shù)高逼近度完備辨識的難題，更在地面力學基礎上，在國際上首創(chuàng)了機器人足與松軟地面作用力學模型。其中，他建立的松軟崎嶇地形環(huán)境中綜合考慮多重物理效應的星球車輪驅動和轉向力學高精度計算模型，實現(xiàn)了對于法向支持力、掛鉤牽引力和驅動阻力矩的高精度預測，值得一提的是，預測的綜合誤差小于10%。另外，他建立的車輪轉向正、剪、推土應力分布模型則揭示了轉向阻力矩與車輪參數(shù)、法向載荷、沉陷量之間的非線性關系。他還進而推導出了驅動力學封閉解析解耦模型，提出了三種模型全參數(shù)辨識方法，實現(xiàn)了星壤力學特性參數(shù)的高逼近度辨識。

與此同時，丁亮表示，野外輪式和足式移動機器人系統(tǒng)面臨的技術難題也是他始終難以放下的一塊“心病”，為此，他基于地面力學，相繼開展了系統(tǒng)設計、仿真分析、移動控制等多方面的研究。經(jīng)過反復試驗和系統(tǒng)研究，他成功建立了地面力學在星球車等移動機器人中的應用方法，最終實現(xiàn)了基于地面力學的機器人系統(tǒng)設計與評價、高保真度仿真和冗余驅動控制。

走向高效應用之路

丁亮在機器人及地面力學方面收獲頗豐，獲得的一系列成果也相繼得到成功應用，他用自己的力量為他所研究的移動機器人佩戴上多個榮譽徽章。

一方面，他將研究所得的成果投入到“玉兔號”月球車的研究中，他參與研制的六輪搖臂轉向架式月球車移動系統(tǒng)工程樣車在珠海航展和中央電視臺“銀河系之夜”亮相后，被確定為我國“嫦娥”探月工程中“玉兔”號月球車的移動系統(tǒng)構型方案。之后，丁亮又參與研制了具有我國自主知識產(chǎn)權的八輪差動—扭桿彈簧式月球車。接下來，他在與中國空間技術研究院和上海航天技術研究院展開合作期間，負責完成了“玉兔號”的車輪性能測試及車輪參數(shù)優(yōu)化設計，他基于地面力學，為月面巡視器“低重力模擬系統(tǒng)”開發(fā)提供了月球車性能分析和試驗誤差分析方法，為我國“嫦娥”二期探月工程中“玉兔號”月球車的研發(fā)做出了重要貢獻。

另一方面，丁亮所在的哈爾濱工業(yè)大學與中國空間技術研究院合作開展了火星車移動系統(tǒng)的研究。為了解決陷車等問題，丁亮主持了“火星車車輪組件結構設計驗證、土槽力學試驗測試及沉陷機理分析”與“基于控制的火星車移動機構運動學建?！边@兩項中國火星探測任務課題，完成了基于地面力學的火星車車輪參數(shù)優(yōu)化設計與輪刺布局設計，開發(fā)了高保真度實時火星車仿真平臺，對火星車在松軟崎嶇火星環(huán)境中運行的力學性能進行了仔細分析。據(jù)悉，目前丁亮與團隊正進一步開展火星車輪地力學建模及星壤參數(shù)反演、高保真度仿真及遙操作、防滑轉自陷及脫陷控制策略等方面的研究。

而在野外重載足式機器人研究方面，丁亮也不甘示弱。他進行了系統(tǒng)總體設計、作用力學及仿真、系統(tǒng)試驗及評價等研究，研究中，他基于地面力學，解決了重載足式機器人通過大坡度斜坡的技術難題；建立了重載足式裝備機電液控多物理過程耦合作用模型，開發(fā)了足式機器人高保真度實時仿真系統(tǒng)，還搭建了人和硬件在環(huán)的足式裝備移動行為仿真測試平臺，取得的成果成功解決了復雜環(huán)境下重載機器人系統(tǒng)操縱和運動控制系統(tǒng)驗證的難題。

致力移動機器人研究

在哈爾濱工業(yè)大學負責的有關液壓驅動重載六足機器人裝備的研究工作中，作為項目總體組成員的丁亮，始終沖鋒在前，不僅成功研發(fā)了目前我國乃至世界上載荷和尺度最大的機電液控耦合足式機器人系統(tǒng)，還負責完成了復雜足地界面足式機器人力學行為及柔順控制。成功的喜悅使丁亮動力十足，他又相繼參與了國家自然科學基金“月球探測重載六足移動機器人基礎理論及關鍵技術研究”、原國家“863”計劃主題“基于仿生技術的四足機器人研究”等項目，分別完成了機器人與月面相互作用力學行為、機器人足地作用力學試驗、建模以及四足機器人的高性能仿真等研究。

與此同時，在我國探月三期“嫦娥”5號工程關于鉆取采樣與封裝分系統(tǒng)的研制任務中，丁亮負責了月面采樣鉆取裝置與月壤相互作用力學的研究工作，為鉆桿鉆頭優(yōu)化設計和鉆取作業(yè)規(guī)程制定提供了理論基礎。當前，丁亮正積極在鉆取作用力學的基礎上，努力完成月壤參數(shù)反演的任務，希望為移動機器人及地面力學的實際應用再奉獻一份力。

科技發(fā)展日新月異，移動機器人也在以飛快的速度發(fā)展著，丁亮深感肩負著下一代機器人技術推廣與應用的重任。為此，他積極參與創(chuàng)業(yè)，努力將面向航天國防研究的科技成果應用于國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場中。2016年10月，丁亮作為主要創(chuàng)始人之一，創(chuàng)建了哈爾濱工業(yè)大學機器人（合肥）國際創(chuàng)新研究院，并擔任科研副院長一職。他帶領團隊齊心協(xié)力，成功于2017年獲批了安徽省“三重一創(chuàng)”重大新興產(chǎn)業(yè)專項“下一代機器人研制及產(chǎn)業(yè)化”。同時，他作為研究院智能裝備研究所所長，還成功組織研制了機器人實時操作系統(tǒng)、機器人智能控制器、災難救援機器人、機器人精密減速器及加工測試裝備等下一代機器人系統(tǒng)及核心零部件，并對其進行了產(chǎn)業(yè)化。

實踐方能出真知。在丁亮心里，他需要做的不僅是要進行野外移動機器人及地面力學方面的研究，更有責任將研究得到的成果應用到更廣闊的天地中。同時他深知，將這些研究成果應用到更多領域還有很長的路要走，但他會無所畏懼，一心向前。