李明麗

未來(lái)的世界是什么樣子的？正如一千個(gè)人眼中有一千個(gè)哈姆雷特，每個(gè)人對(duì)于未來(lái)的想象都是不同的。不過(guò)，在大多數(shù)現(xiàn)代人的想象中，在未來(lái)的世界，機(jī)器人是個(gè)必不可少的角色。這一點(diǎn)無(wú)論是從近些年的科幻影視中，還是從現(xiàn)實(shí)生活中，都有明顯的體現(xiàn)。

實(shí)際上，人類對(duì)于機(jī)器人的追求并非始于現(xiàn)代。早在東周時(shí)期，中國(guó)人就發(fā)明過(guò)機(jī)器人?！读凶印珕?wèn)》記載，周穆王西巡時(shí)遇到了一個(gè)名為偃師的人，這個(gè)人向周穆王獻(xiàn)上了一件親手制造的禮物——一位能歌善舞的藝人，而這個(gè)藝人就是用木料、樹(shù)膠、油漆和白黑紅綠等顏料做成的機(jī)器人。在之后的歷史長(zhǎng)河中，三國(guó)時(shí)期的馬鈞、諸葛亮，唐代的馬得封、史王據(jù)等都制造過(guò)機(jī)器人，且在唐代，機(jī)器人還曾被用于生產(chǎn)實(shí)踐中。由此可見(jiàn)，中國(guó)人對(duì)于機(jī)器人的構(gòu)想有著深厚的歷史底蘊(yùn)。

進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)以后，隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人被賦予了新的生命與使命。它不但在工業(yè)生產(chǎn)中得以應(yīng)用，還走進(jìn)了醫(yī)療、教育和家居生活等領(lǐng)域，使無(wú)數(shù)可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。清華大學(xué)機(jī)械工程系教授劉辛軍就是將“可能”變?yōu)椤艾F(xiàn)實(shí)”的助推者。他和他的團(tuán)隊(duì)扎根機(jī)器人領(lǐng)域多年，研究類型涵蓋高速并聯(lián)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、軟體機(jī)器人等，其創(chuàng)新成果在國(guó)內(nèi)外都具有重要的影響。

未來(lái)，機(jī)器人將怎樣發(fā)揮更大的價(jià)值？還會(huì)將多少可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？帶著這些問(wèn)題，讓我們走近劉辛軍團(tuán)隊(duì)與機(jī)器人打交道的這些年，或許會(huì)得以窺見(jiàn)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的一隅。

所選即所愛(ài)

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步較晚，始于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，我國(guó)機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化期。就在這樣的背景下，劉辛軍在機(jī)緣巧合之下跨進(jìn)了機(jī)器人世界的大門。

劉辛軍在中學(xué)時(shí)代并不是個(gè)學(xué)霸，當(dāng)年他所在的班級(jí)考上大學(xué)的一共有21人，他排名第20名，進(jìn)入燕山大學(xué)學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)。在專業(yè)的選擇上，當(dāng)年是由他的中學(xué)班主任王文璽老師代他填報(bào)的。他坦言道：“那時(shí)候，農(nóng)村的孩子在專業(yè)選擇上也不太懂，我自己也沒(méi)選，就讓老師幫我選的。正巧，他給我選的就是我喜歡的。”

劉辛軍在中學(xué)期間，最喜歡學(xué)且學(xué)得最好的就是平面和立體幾何。進(jìn)入大學(xué)以后，他發(fā)現(xiàn)學(xué)好平面和立體幾何對(duì)于學(xué)好機(jī)械制圖是至關(guān)重要的，尤其是立體幾何的學(xué)習(xí)可以幫助他形成強(qiáng)大的空間思維能力。由于中學(xué)時(shí)的幾何底子扎實(shí)，所以劉辛軍在大學(xué)的學(xué)習(xí)十分順利和輕松。

如今，劉辛軍在清華大學(xué)教授“機(jī)械制圖”這門課，他發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生的空間思維能力較弱。他認(rèn)為，造成這一現(xiàn)象的很重要的一個(gè)原因是，這些學(xué)生在中學(xué)時(shí)期沒(méi)有打好幾何學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)?！爸袑W(xué)是培養(yǎng)空間思維能力的一個(gè)很重要的時(shí)期，現(xiàn)在很多學(xué)?？赡苓吘壔蛘叩肆Ⅲw幾何這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)。我認(rèn)為，這部分知識(shí)是很重要的，還是要重視?！眲⑿淋娬f(shuō)道。

在燕山大學(xué)，劉辛軍接連完成了本科、碩士、博士的學(xué)業(yè)，導(dǎo)師高峰教授是他科研生涯的領(lǐng)路人。博士畢業(yè)時(shí)，他的博士論文需要一個(gè)評(píng)審人，于是他找到了當(dāng)時(shí)在清華大學(xué)任職的汪勁松教授，并當(dāng)面表達(dá)了想要到清華大學(xué)從事博士后研究的意愿。看完劉辛軍的博士論文后，汪勁松教授對(duì)他說(shuō)：“你趕緊回去答辯吧，答辯完了馬上來(lái)報(bào)到?！边@一幕，時(shí)至今日，劉辛軍仍能清晰地想起。

“燕山大學(xué)和清華大學(xué)畢竟是有差距的，當(dāng)時(shí)我沒(méi)想到能這么順利地得到認(rèn)可，是一個(gè)很大的驚喜，我肯定是很高興的。來(lái)到清華大學(xué)以后，汪老師也很信任我，讓我開(kāi)始做機(jī)器人理論研究。”博士后出站，劉辛軍先后前往韓國(guó)、德國(guó)進(jìn)行訪問(wèn)研究，之后又回到清華大學(xué)從事機(jī)器人與機(jī)構(gòu)學(xué)、先進(jìn)制造裝備設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的研究工作。

至今，劉辛軍擔(dān)任著精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)(機(jī)械系)-西門子先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合研究中心主任，組建了一支科研能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)水平高的團(tuán)隊(duì)——現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人化裝備實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)以行業(yè)和國(guó)家重大需求為引導(dǎo)，以基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)研究為先導(dǎo)，以解決工程問(wèn)題為目標(biāo)，堅(jiān)持以自主創(chuàng)新為發(fā)展根本，研究工作集中于現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)理論前沿和面向制造與人機(jī)共融的機(jī)器人化高端裝備，形成了“頂天立地”格局。

賦予機(jī)器人力量

團(tuán)隊(duì)合影

劉辛軍團(tuán)隊(duì)的研究方向集中在高速智能作業(yè)并聯(lián)機(jī)器人、多軸聯(lián)動(dòng)與移動(dòng)式智能加工機(jī)器人、協(xié)作與軟體機(jī)器人等方面。多年來(lái)，團(tuán)隊(duì)一直十分注重理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究，尤其重視機(jī)構(gòu)學(xué)的理論基礎(chǔ)作用。

機(jī)構(gòu)學(xué)是一門古老的學(xué)科，從我國(guó)發(fā)明指南車算起，已經(jīng)有幾千年的歷史了。在計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的今天，機(jī)構(gòu)學(xué)不但絲毫沒(méi)有放慢發(fā)展速度，而且煥發(fā)新生，在更多行業(yè)展現(xiàn)出巨大的作用。用劉辛軍的話來(lái)說(shuō)，在機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)構(gòu)學(xué)是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，是機(jī)器人研發(fā)的關(guān)鍵。

團(tuán)隊(duì)在早年的工作中積累了豐富的機(jī)構(gòu)學(xué)理論基礎(chǔ)研究經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了屬于自己的特色，其相關(guān)研究在國(guó)際上還占有一席之地?！霸跈C(jī)構(gòu)學(xué)這方面，我們著重做構(gòu)型、性能、尺度這樣一個(gè)閉環(huán)的工作?！眲⑿淋娊忉尩溃裁词菢?gòu)型，比如說(shuō)人與動(dòng)物的骨骼、骨架不一樣，這就是構(gòu)型不同；性能就是，人靈活，但是牛力量大，這就是性能不同；尺度就是合適的比例，有關(guān)怎樣去確定機(jī)器人或裝備的尺度，劉辛軍團(tuán)隊(duì)已經(jīng)摸索出了一套屬于自己的規(guī)律方法。

“有了這些前期工作，就可以研制機(jī)器人了?！眲⑿淋妶F(tuán)隊(duì)最具有代表性的工作之一就是高速智能作業(yè)并聯(lián)機(jī)器人。這類機(jī)器人主要應(yīng)用在食品、醫(yī)藥和電子這三大國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中。然而，國(guó)外機(jī)器人公司對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的壟斷和封鎖使產(chǎn)品價(jià)格居高不下，同時(shí)也存在對(duì)本土企業(yè)需求痛點(diǎn)把握不準(zhǔn)、產(chǎn)線柔性不匹配等問(wèn)題。因此，自主研發(fā)出我國(guó)本土化、高品質(zhì)的高速機(jī)器人，是提升產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化水平的當(dāng)務(wù)之急和必由之路。

團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)突破了機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)難題，發(fā)明了具有高速高加速、高速重載和高速高精特性的兩、四自由度并聯(lián)機(jī)器人，滿足了行業(yè)內(nèi)高加速、重載和高精度等典型工況的高速分揀需求。劉辛軍介紹說(shuō)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高速輕載機(jī)器人可以做到一分鐘往返270次左右，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

目前，團(tuán)隊(duì)研制的高速智能作業(yè)并聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，團(tuán)隊(duì)與濟(jì)南翼菲自動(dòng)化科技有限公司合作研制的高速重載機(jī)器人相同速度下的載荷較國(guó)外最優(yōu)產(chǎn)品提升4倍，高速高精機(jī)器人完全填補(bǔ)國(guó)際空白。相關(guān)成果已成功應(yīng)用于藍(lán)思科技、聯(lián)合利華、山東東阿阿膠等多家行業(yè)龍頭企業(yè)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，顯著提高了企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

移動(dòng)式智能加工機(jī)器人也是團(tuán)隊(duì)的特色研究之一。針對(duì)我國(guó)航空航天等領(lǐng)域大型復(fù)雜零部件的加工需求，劉辛軍作為負(fù)責(zé)人主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目“大型艙體類復(fù)雜薄壁構(gòu)件多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同原位加工技術(shù)與系統(tǒng)”，團(tuán)隊(duì)的謝福貴老師也承擔(dān)了“大型風(fēng)電葉片磨拋移動(dòng)式高效加工機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課題任務(wù)。目前，團(tuán)隊(duì)正在自主研制的移動(dòng)式加工機(jī)器人裝備，已完成其核心功能部件的輕量化、高剛度、高精度設(shè)計(jì)，并研制了一套五軸并聯(lián)加工單元，實(shí)現(xiàn)了S試件等復(fù)雜曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)高精銑削，其余創(chuàng)新成果將在2020年出爐。此類機(jī)器人的研制成功將打破國(guó)外相關(guān)技術(shù)壟斷，使大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工效率提升2倍以上，可有力支撐中國(guó)航空航天等事業(yè)的發(fā)展。

相比于面向工業(yè)應(yīng)用的高速智能作業(yè)并聯(lián)機(jī)器人、移動(dòng)式智能加工機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人和軟體機(jī)器人有著更大的發(fā)展空間?！皡f(xié)作機(jī)器人是一種跨界機(jī)器人，它既能在工業(yè)界服務(wù)，也能夠走進(jìn)家庭。它依賴于人工智能，感應(yīng)靈敏，而且安全性高，所以這種機(jī)器人在未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用。我們都知道，機(jī)器人將來(lái)的方向是人機(jī)協(xié)同?！眲⑿淋娬f(shuō)。

劉辛軍團(tuán)隊(duì)在協(xié)作機(jī)器人方面的研究工作有兩個(gè)核心，一個(gè)是機(jī)器人一體化設(shè)計(jì)，另一個(gè)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)已研制成功“感-驅(qū)-控”一體化高功率密度關(guān)節(jié)；建立了高帶寬自適應(yīng)柔順運(yùn)動(dòng)控制器，以及基于深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的視覺(jué)語(yǔ)義感知和決策系統(tǒng)。當(dāng)前，正在研制面向復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的智能協(xié)作機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)面向制造生產(chǎn)、3C裝配、助老助殘等的應(yīng)用驗(yàn)證，加速智能機(jī)器人在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。

在軟體機(jī)器人的研制上，劉辛軍團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)做出了顯著的成果。團(tuán)隊(duì)的趙慧嬋老師與哈佛大學(xué)、MIT等高校合作，開(kāi)發(fā)出了性能指標(biāo)接近生物肌肉的高能量密度柔性人工肌肉，首次實(shí)現(xiàn)了小于1克微型撲翼飛行器的起飛、懸停和可控飛行。由柔性人工肌肉驅(qū)動(dòng)的微型飛行器可以感受飛行中的碰撞，并在碰撞發(fā)生后恢復(fù)飛行，大大提升了微型機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

為疫情助力

2020年年初，新型冠狀病毒肺炎暴發(fā)。在黨中央的領(lǐng)導(dǎo)下，新年伊始，全國(guó)人民便都投入到這場(chǎng)防控戰(zhàn)中。對(duì)疫情的有效防控是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵是阻斷或最大程度減少病原體在人際間傳播，體溫初步篩查是防控任務(wù)的關(guān)鍵手段之一。

2020年2月初，煙臺(tái)市開(kāi)發(fā)區(qū)管委書(shū)記牟樹(shù)青在微信中告訴劉辛軍，高速路口測(cè)溫值班人員很辛苦，節(jié)后開(kāi)發(fā)區(qū)復(fù)工，面臨的最大問(wèn)題也是疫情防控中的體溫檢測(cè)?！耙咔槠陂g，各地出入人員必須要進(jìn)行體溫排查，但是在一些人流量較大的地方，排查體溫既耗時(shí)又耗力，而且因?yàn)槭彝鉁囟鹊淖兓?，測(cè)溫結(jié)果可能會(huì)不準(zhǔn)確。同時(shí)人工檢測(cè)也存在著交叉感染的可能性?！贬槍?duì)這些問(wèn)題，劉辛軍組織老師和學(xué)生就“實(shí)現(xiàn)室外快速無(wú)人化準(zhǔn)確測(cè)溫”這一方向展開(kāi)了論證。

團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)網(wǎng)上云會(huì)議，很快討論出了一個(gè)初步方案，在確定方案的可行性后，立馬投入到了工作當(dāng)中。這是劉辛軍團(tuán)隊(duì)第一次接觸“體溫檢測(cè)”領(lǐng)域，對(duì)于團(tuán)隊(duì)中的清華學(xué)生們來(lái)說(shuō)更是一次挑戰(zhàn)。然而，面對(duì)挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)更加團(tuán)結(jié)和充滿斗志。甚至有兩位馬上要博士畢業(yè)的學(xué)生宮昭和孟齊志，為了這一研究工作，主動(dòng)推遲了畢業(yè)時(shí)間。

團(tuán)隊(duì)聯(lián)合煙臺(tái)清科嘉機(jī)器人聯(lián)合研究院有限公司在機(jī)器人本體、測(cè)溫裝置及溫補(bǔ)算法、視覺(jué)語(yǔ)義感知、控制策略等方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，僅用一個(gè)多月的時(shí)間便研制出了“荼與機(jī)器人”體溫自動(dòng)快速篩查系統(tǒng)。這種測(cè)溫系統(tǒng)有兩種機(jī)器人配置，一種用于流動(dòng)車輛司乘人員的體溫篩查，另外一種用于入口處行人的體溫篩查。經(jīng)北京市計(jì)量院檢測(cè)，系統(tǒng)在室外環(huán)境的測(cè)溫準(zhǔn)確度達(dá)0.2℃。對(duì)于流動(dòng)車輛，在20秒內(nèi)即可完成一輛車上所有司乘人員的體溫篩查；而對(duì)于行人，也可實(shí)現(xiàn)2秒內(nèi)通行。

“荼與機(jī)器人”體溫自動(dòng)快速篩查系統(tǒng)在這么短時(shí)間內(nèi)研制成功的背后，是劉辛軍團(tuán)隊(duì)不斷的攻堅(jiān)克難。作為總負(fù)責(zé)人，劉辛軍從整體規(guī)劃到各個(gè)環(huán)節(jié)的把控，再到技術(shù)細(xì)節(jié)的調(diào)整，事無(wú)巨細(xì)，親力親為；團(tuán)隊(duì)老師趙慧嬋帶領(lǐng)學(xué)生在技術(shù)攻關(guān)的同時(shí)，還要盡最大努力參與到機(jī)器人系統(tǒng)的研制中；團(tuán)隊(duì)老師謝福貴除了和學(xué)生一起盯現(xiàn)場(chǎng)，還要負(fù)責(zé)聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)把關(guān)等工作，他夫人吳宛蔚大夫也參與了測(cè)溫的問(wèn)題調(diào)查工作。團(tuán)隊(duì)全員為了項(xiàng)目研究夜以繼日，很多人每天只休息四五個(gè)小時(shí)。

截至4月20日，用于行人體溫篩查的“阿荼”已經(jīng)在北京協(xié)和醫(yī)院、武漢的同濟(jì)醫(yī)院、北京華信醫(yī)院、煙臺(tái)一中、龍口一中、招遠(yuǎn)一中、煙臺(tái)開(kāi)發(fā)區(qū)高級(jí)中學(xué)、煙臺(tái)外國(guó)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)校等醫(yī)院和中學(xué)助力門診和復(fù)學(xué)。由于進(jìn)一步的研發(fā)需要，4月21日，在濱州、棗莊的團(tuán)隊(duì)成員東旭光和邵琦也趕到了煙臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支援。

此次的研究任務(wù)中，團(tuán)隊(duì)中的學(xué)生們都起到了很重要的作用。劉辛軍特別提到一位博士生姜淞文，在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，為了獲得更好的對(duì)比試驗(yàn)效果和保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在北方二月零下的溫度里，他常常在露天環(huán)境下將自己的小臂露在外面凍上十幾分鐘來(lái)做測(cè)試比對(duì)。

在談到這些研究過(guò)程中的事情時(shí)，劉辛軍的語(yǔ)氣中帶著高興和欣慰，他說(shuō)道：“看到大家為了一件事這么團(tuán)結(jié)，這么努力，我是很高興的。尤其是我們的一些學(xué)生，關(guān)鍵時(shí)刻能吃苦，能發(fā)揮出這么大能量，表現(xiàn)出這么大的擔(dān)當(dāng)，我感覺(jué)很欣慰。這就是對(duì)我們團(tuán)隊(duì)以及清華大學(xué)人才培養(yǎng)理念的最好回報(bào)啊?！?/p>

“行勝于言”是清華大學(xué)的校風(fēng)，也是劉辛軍人生的信條。立足清華大學(xué)這一科學(xué)搖籃，劉辛軍的想法正一一實(shí)現(xiàn)。如果說(shuō)清華大學(xué)是他夢(mèng)想的孵化器，那么燕山大學(xué)就是他夢(mèng)想開(kāi)始的地方，2020年恰逢燕山大學(xué)“建校溯源百周年、獨(dú)立辦學(xué)一甲子”，采訪的結(jié)尾，劉辛軍也表達(dá)了他的祝福，他說(shuō)，無(wú)論他走到哪里，那都是他的母校，是他的心牽掛的地方。