創(chuàng)新科技路 共圓中國夢

運怡兵

在現(xiàn)代化國家建設的進程里，有一種星辰，他們將自己的青春和智慧獻給了祖國。而他，是眾多星辰中，那耀眼的一顆明星;是機器人研究領域多項國家發(fā)明獎獲得者;是躬身科技研發(fā)與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)相結合的優(yōu)秀實踐者;是堅定目標后，困難面前不言放棄，勇登光輝頂點的勝利者。勤勉如他，堅毅如他，厚重如他，奉獻如他，他就是我國著名機器人與機械自動化專家黃慶九博士。

“機器人革命”的到來

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，英國經(jīng)濟學家保羅.麥基里指出，以互聯(lián)網(wǎng)、新材料和新能源為基礎，“數(shù)字化智能制造”為核心的第三次工業(yè)革命即將到來，而“數(shù)字化智能制造”的主體是工業(yè)機器人。黃慶九博士作為我國機器人研究領域的權威人士，他表示，自從20世紀60年代初人類制造了第一臺工業(yè)機器人以來，工業(yè)機器人就被廣泛應用在汽車等大型制造業(yè)領域。經(jīng)過近50年的發(fā)展，已經(jīng)形成固定的客戶群和較大的市場規(guī)模，是眾多機器人產(chǎn)業(yè)中具有穩(wěn)定市場需求的。目前，在工業(yè)發(fā)達國家中，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、食品工業(yè)、物流等諸多領域中。

而我國面向產(chǎn)業(yè)的機器人研究開發(fā)起步于20世紀70年代，1986年的國家“863計劃”首次明確了機器人產(chǎn)業(yè)化技術的發(fā)展規(guī)劃，哈爾濱工業(yè)大學、沈陽自動化所等大學研究機構相繼開始了對機器人的探索。“十一五”期間，各個大專院校更是廣泛開展了機器人模塊化、體積、結構、設計、功能部件等基礎技術領域的研究和探索，為機器人的研究發(fā)展奠定了堅實的基礎。

目前，我國正從勞動密集型向現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)型，在工業(yè)生產(chǎn)向自動化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的道路上，大力引進機器人變得不可或缺。“十二五”期間，我國更是出臺了工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、發(fā)展高端制造裝備、智能制造裝備等一系列有利于機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃和政策。此外，我國逐漸步入老齡化社會，殘疾人口數(shù)量龐大，給醫(yī)療、服務以及教育等家用機器人，帶來巨大的市場機會。專家預言，“機器人革命”還將影響全球制造業(yè)格局，而我國則將成為全球最大的機器人市場。國際機器人聯(lián)合會預測，“機器人革命”將創(chuàng)造數(shù)萬億美元的市場。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術同機器人技術相互融合步伐的加快，3D打印、人工智能迅猛發(fā)展，制造機器人的軟硬件技術日趨成熟，成本不斷降低，性能不斷提升，軍用無人機、自動駕駛汽車、家政服務機器人已經(jīng)成為現(xiàn)實，有的人工智能機器人已具有相當程度的自主思維和學習能力。國際上有輿論認為，機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。機器人主要制造商和國家紛紛加緊布局，搶占技術和市場制高點。

雖然，我國機器人的研究水平，特別是能形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的機器人技術，仍處于萌芽階段。但是，黃慶九博士認為，我國機器人研究和產(chǎn)業(yè)應用，已迎來了新的歷史機遇。可以預見，我國隨著企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化生產(chǎn)線的市場肯定會越來越大，并將逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要形式。

可見，機器人產(chǎn)業(yè)前景廣闊，但黃慶九博士也敏銳地感知到了目前我國在機器人研究領域存在的不足，他說：“目前機器人的智能性還較低，對未知環(huán)境的適應能力較弱，因而實際應用領域受到限制。”按照傳統(tǒng)機器人學的思路，機器人需要模擬“人腦”，構建環(huán)境的“地圖”，然后根據(jù)地圖制定計劃，這需要大量的計算。而一旦環(huán)境中出現(xiàn)程序預測以外的變化，就會導致之前的計劃不能如期執(zhí)行，在研究開發(fā)的過程中還存在諸多瓶頸問題。

潛心科研，助力工業(yè)技術發(fā)展

“人只要有理想支撐、有目標指引，困難不僅不會成為絆腳石，反而可能成為人生事業(yè)中有趣的插曲。”這樣的人生態(tài)度，使得黃慶九博士能夠在科研的世界里自由翱翔，憑借著在機器人研究領域的成就，他先后入選江蘇省“雙創(chuàng)人才計劃”和國家“千人計劃”。在兩足和多足移動機器人、工業(yè)機器人、汽車穩(wěn)定性、精密機械等的教育、研發(fā)、實用化工作領域取得了突出成績，并一直為打造中國的機器人自主品牌而不遺余力。

2008年，黃慶九博士開始在母校華中科技大學擔任數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室客座教授。2009年10月入選南京工業(yè)大學“海內(nèi)外領軍人才計劃”。2010年，他創(chuàng)建了南京工業(yè)大學機器人科學與工程研究院，并擔任院長和教授，努力將機器人研究院建成江蘇省機器人學術研究及產(chǎn)業(yè)化基地，形成基礎理論研究、高新技術創(chuàng)新以及成果轉(zhuǎn)化為一體的世界領先水平的機器人專業(yè)科學研究基地。同年，他在江蘇創(chuàng)立了一家高科技企業(yè)，主要開展焊接、磨削、拋光、碼垛等制造業(yè)用途的工業(yè)機器人的國產(chǎn)化技術開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，自此形成了產(chǎn)學研相結合的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)團隊。該團隊自組建以來，通過高效的合作攻關，目前已在一些科研領域取得突破性進展。

近年來，我國在船、鉆井平臺的錨鏈系泊鏈的生產(chǎn)制造上取得了長足的發(fā)展，并且占有全球50%以上的市場份額。然而，這一行業(yè)的發(fā)展卻一直被錨鏈系泊鏈的橫檔自動焊接、鏈環(huán)自動磨削、焊縫自動探傷的鏈環(huán)傳動、定位、機器人視覺伺服控制、壓力控制等一系列生產(chǎn)自動化研發(fā)過程中的關鍵技術所困擾，而這些技術難題最終被黃慶九的研發(fā)團隊所攻克。當前，黃慶九博士帶領科研團隊已與我國最大的錨鏈系泊鏈生產(chǎn)企業(yè)建立了自動化生產(chǎn)線長期合作關系。該項目的實施，填補了我國錨鏈系泊鏈橫檔焊接尚無自動焊接的技術與產(chǎn)品空白，并正在進行錨鏈系泊鏈全自動化生產(chǎn)及探傷檢測的研制工作，這些將使我國錨鏈系泊鏈的生產(chǎn)制造在科技含量上躋身世界領先的水平。

同時，黃慶九博士的創(chuàng)新團隊還攻克了目前大型工件的磨削、拋光加工機械的曲面適應度差且笨重，不能使磨頭靈活地隨著零件自由曲面的位置而變化，導致加工效率與精度低，質(zhì)量難以保證的難題，成功研發(fā)出加工曲面自適應型高精度、高效率磨削拋光裝置及其控制系統(tǒng)。該技術填補了世界范圍內(nèi)，將壓力控制應用在復雜曲面加工成型領域的技術空白，促進了我國先進制造裝備水平的提升。不僅可以用于大型罐體容器內(nèi)外壁和焊縫的拋光、磨削，還可以解決目前尚無合適的裝備用于船用螺旋槳的磨削、拋光的世界難題，因而具有廣闊的市場應用前景。

對于適應于我國眾多中小型制造企業(yè)加工誤差大、非標準件的柔性自動化生產(chǎn)線，黃慶九博士的創(chuàng)新團隊也有著自己獨到的思維，具備該技術領域世界領先的技術和管理水平，為我國的工業(yè)發(fā)展提供了強大的技術支撐。

敢為人先，致力于民族自主品牌開發(fā)

當今，機器人正在全球范圍內(nèi)點燃人們的熱情，在我國，用于制造業(yè)的焊接、涂裝、組裝、搬運、碼垛等按照事先預定好的工作指令而進行重復操作的工業(yè)機器人作為典型的機電一體化數(shù)字化裝備，可以取代大批量自動化生產(chǎn)線上的操作工，被廣泛應用在汽車等大型制造業(yè)領域，確保了大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的一致性，提高了生產(chǎn)效率，具有較高的生產(chǎn)力價值，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，必定會在未來生產(chǎn)和社會發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用。在此機遇面前，如何開發(fā)出國產(chǎn)化核心技術與核心關鍵零部件，以及如何率先實現(xiàn)下一代機器人，即智能型機器人及其關鍵技術的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，將是決定我國機器人研究和產(chǎn)業(yè)應用能否得到真正發(fā)展，以及我國自主品牌能否獲得機器人市場的關鍵所在。

但是，我國長期以來由于人口眾多、勞動力價格低廉、生產(chǎn)技術水平又相對落后，工業(yè)機器人的應用受到了很大限制。同時，缺乏對整個產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響的指導性政策，也是我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后的重要因素。黃慶九博士指出，中小型制造企業(yè)對機器人的市場需求巨大。目前，國外著名的工業(yè)機器人公司，對于我國中小型制造企業(yè)這一市場并不怎么重視，與國內(nèi)中小型制造企業(yè)之間也缺乏密切的聯(lián)系渠道，而國內(nèi)中小型制造企業(yè)對國外進口機器人的價格，也是望而生畏。“推進機器人進入我國中小企業(yè)，我們所面對的幾乎是無競爭環(huán)境。”黃慶九博士說。

為了讓機器人進入我國中小企業(yè)和人們的日常生活，并為中國企業(yè)自主研發(fā)提供一個模本，為了更好地創(chuàng)建我國機器人的自主品牌，黃慶九博士帶領科研團隊銳意進取，開拓創(chuàng)新，主要準備從兩個方面著手解決這些問題：一是立足自主研發(fā)，從核心零部件，到加工、組裝全部在國內(nèi)完成，保證90%以上的國產(chǎn)化率，以實現(xiàn)產(chǎn)品的價格優(yōu)勢;二是在技術方面，力求率先實現(xiàn)下一代自主適應加工環(huán)境的柔性智能型機器人的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

黃慶九博士還說，欲使我國自主研發(fā)的機器人進入中小企業(yè)，目前還需面對一個技術難點，即國產(chǎn)核心零部件的精度不夠，需要從國外高額引進減速機等核心零部件，導致整機的成本難以降低，和海外進口產(chǎn)品比沒有性價比的優(yōu)勢，因此利用在國內(nèi)實現(xiàn)機器人的從核心零部件到整機的國產(chǎn)化技術的開發(fā)和實現(xiàn)，是決定國產(chǎn)機器人能否占有市場的關鍵所在。為了解決國內(nèi)加工制造業(yè)非標準件、誤差帶來的難以定位的難題，黃慶九博士帶領課題組將機器人的位置、姿態(tài)、力、力矩和視覺5項指標綜合研究，意在實現(xiàn)智能型混合控制。據(jù)了解，他們的這一研究已經(jīng)走在了世界前沿，是能同時融合這5項控制操作量的控制方法。如果這一研究成果能得以實現(xiàn)并產(chǎn)業(yè)化，將大大推動工業(yè)機器人在中小企業(yè)的實際應用，其市場規(guī)模是遠遠大于汽車等大型制造業(yè)的，是機器人產(chǎn)業(yè)的一個劃時代的革新。

關于家用機器人的研制，黃慶九博士表示，相比工業(yè)機器人而言，高度智能化的家用機器人對如何與人協(xié)調(diào)作業(yè)的智能技術要求更高。目前，他正與研發(fā)團隊開展與人協(xié)調(diào)作業(yè)的半自立型機器人的研究，并已經(jīng)具備了一定的技術積累。半自立型機器人的研究很可能在10-20年內(nèi)取得突破，價格也能為人們所接受。加快了機器人“中國時代”的到來。

為夢想，曾遠赴異鄉(xiāng)

能夠取得如此斐然的成績，還要得益于黃慶九博士厚重的海外求學工作經(jīng)歷，以及在發(fā)達國家積累的前沿的科研知識和技術。大學畢業(yè)于華中科技大學自動控制專業(yè)，并在國內(nèi)工作幾年后，為了實現(xiàn)自己的夢想，他于1997年遠赴日本留學，2003年獲得日本千葉大學工學博士學位，同年開始在日本東京工業(yè)大學擔任助理教授。

在千葉大學六年的研究工作中，黃慶九先后開展了多足步行機器人的不平地步行、工業(yè)機器人的作業(yè)研究，還作為共有15人參與的日本文部科學省“從人道主義觀點出發(fā)的地雷探測、除去的研究開發(fā)”大型項目技術領頭人，開發(fā)和研制了世界第一臺地雷探測和處理六足步行機器人COMET的1號機、2號機和3號機，取得了機器人研究的第一步突破。

另外，黃慶九還在日本先后獲得日本文部科學省青年科學基金、基磐基金、日本學術振興機構（JST）創(chuàng)新基金等多項國家級科研創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，并承接日本小松制作所、神戶制鋼等大型制造業(yè)的機器人與生產(chǎn)自動化工程。2004-2006年獲日本科學省科研輔助金青年基金支持，開發(fā)和研制了普及型六足步行作業(yè)機器人，第一次提出了基于假想懸架力學模型的姿態(tài)和振動的魯棒控制新概念，并與日本神戶制鋼建筑株式會社開展多足步行機器人應用于新型挖土機的研發(fā)工作。在機器人的機構設計方面，他提出了基于3DCAD力學模型的機器人設計法，并獲得授權發(fā)明專利1項。針對多自由度產(chǎn)業(yè)機器人的研究，他于2005-2008年獲得東京工業(yè)大學青年獎勵基金支持，研制、開發(fā)了適合更廣作業(yè)領域的RPY型6自由度工業(yè)機器人，其研究成果被實際應用在日本小松制作所的零部件加工生產(chǎn)線中。

同時，在工業(yè)機器人的運動學控制、動力學模型辨識與建模，以及用于高精度的點、線、面接觸作業(yè)的工業(yè)機器人控制技術等領域，黃慶九均有深入的研究，并取得了一系列成果，相關的成果已申請發(fā)明專利5項，其中1項已被授權。在世界頗有名氣和實力的東京工業(yè)大學的公開招標中，黃博士從30多位應標者中脫穎而出，他開發(fā)的“多足步行機器人不整地步行控制”技術獲得了2005年日本機械學會的研究獎勵獎，而且在機器手的控制上也有獨到的發(fā)明，做到了手的位置、姿勢、力、力矩這4種方式混合控制，這一研究成果讓東工大的機器手研究開發(fā)站在了世界最高點。

從2005年開始，黃慶九以日本某大型汽車公司的轎車為樣本，開發(fā)出了三維立體空間的四輪轎車動力學整車仿真模型，并以此為基礎研制出汽車底盤懸架與姿態(tài)同時實現(xiàn)的控制算法，提出了車體上方瞬間回轉(zhuǎn)中心的新概念，在汽車駕駛穩(wěn)定性運動控制方面，開辟了一個全新的研究領域。另外，他還在開展兩足步行機器人最小能量步行的獨創(chuàng)性研究，并已掌握自勵驅(qū)動動態(tài)步行、最優(yōu)軌道動態(tài)步行、主被動融合性動態(tài)步行等，處于世界領先水平的兩足步行機器人技術。這些高效率步行的研究成果，可以應用于假肢及步行支援器等福利產(chǎn)業(yè)中。汽車高速行駛中動態(tài)穩(wěn)定性的實現(xiàn)，是汽車駕駛操縱性的一個重要環(huán)節(jié)。

隨著日本社會的老齡化速度也在加快，導致了農(nóng)作人員的嚴重缺乏。針對這一問題，黃慶九博士開展了用于收割橘子、蘋果等果樹類農(nóng)作機器人的研制。這些機器人能適應山地等任意不平地，并能柔軟地摘取水果。它們具備視覺，配有GPS、蓄電池，可以獨立完成作業(yè)，是高性能的自立型作業(yè)機器人。此項目已獲得日本學術振興機構（JST）創(chuàng)業(yè)基金的研發(fā)扶持。

以人為本，國家發(fā)展有待創(chuàng)新教育

2014年6月，在中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會上，習近平主席指出：“科技是國家強盛之基，創(chuàng)新是民族進步之魂。”黃慶九博士也深刻體會到了這一真理，多年來，他始終堅持科技創(chuàng)新助力國家發(fā)展。早在2006年，他于日本工作期間就創(chuàng)立了日中汽車交流協(xié)會，并擔任秘書長，目的是把日本的汽車技術帶到國內(nèi)，該協(xié)會每年在中國舉辦一次高層次的技術交流研討會，推動中日汽車技術之間的交流。黃慶九博士說，汽車產(chǎn)業(yè)是一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展好了，能夠帶動很多的相關聯(lián)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)就會強大，國家就會富強，日本作為世界汽車產(chǎn)業(yè)最發(fā)達的國家之一，有很多成功的經(jīng)驗值得我們借鑒。2012年，黃慶九博士開始擔任日本工學院大學副教授，并組建了自動控制系統(tǒng)研究室，為進一步推動中日機器人技術交流做出了重要貢獻。

黃慶九博士回國工作的另一個目的是為中國企業(yè)自主研發(fā)提供一個模本，作為海外引進的高級人才，黃博士對自主創(chuàng)新深有感觸：“我們國家從海外引進的大量高級人才，回國之后，由于對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結構、科研環(huán)境不熟悉，又需要在短期內(nèi)出科研成果，因而很多時候展開的所謂自主研發(fā)，實際上運用的是國外的核心零部件，因而不是真正意義上的自主創(chuàng)新，反而加快和擴大了國外核心零部件對國內(nèi)市場的入侵。”

中華民族是富有創(chuàng)新精神的民族。我們的先人們早就提出：“周雖舊邦，其命維新。”“天行健，君子以自強不息。”“茍日新，日日新，又日新。”可以說，創(chuàng)新精神是中華民族最鮮明的稟賦。然而，到了現(xiàn)代我們的創(chuàng)新能力卻日趨消逝。黃慶九博士認為主要原因在于教育，他說，相較于國外教育體制，國內(nèi)校園里飄蕩著一股行政化氣息，這與國外以學生和教員為主的大學里自由、自信的空氣有所不同，它在一定程度上也局限了國內(nèi)學生的科學思維方式，對學術的發(fā)展實際上產(chǎn)生了負面影響。而在國外，其教學更注重科研，以學生為主體的教學體系，老師只是擔任指導、輔助的角色，更能激發(fā)學生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新能力，同時更有利于增強學生的自信心。因此，黃慶九博士認為，我國科學界應當培養(yǎng)一種自主創(chuàng)新的習慣，而不是總是照搬模仿歐美相關領域最新的科學進展。

黨的十八大提出創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，這讓黃慶九博士看到了中國科技未來的希望，他表示，“我們這支隊伍，研究過程中所需的所有零部件都將在國內(nèi)完成采購，所有的研究也都將在國內(nèi)完成。”他將帶著國人的那份自信和華夏民族的自主創(chuàng)新精神，為祖國的科研工作者做一個表率，真正開發(fā)中國自己的自主機器人品牌，讓華夏精神屹立在世界東方。