聚焦機器人技術，助力制造業升級發展
——訪北京航空航天大學研究員、博士生導師陶永

文/ 本刊記者 喜崇彬

隨著智能制造潮流到來，企業的生產系統和物流系統向著更加柔性、智能、高效的方向進化成為趨勢，其中智能機器人技術和設備的應用成為智能制造系統的核心構成因素之一。北京航空航天大學研究員、博士生導師陶永長期深入研究機器人智能化技術，并努力通過產學研結合進行探索創新與實施應用，助力制造業升級發展。

陶永北京航空航天大學研究員、博士生導師

陶永研究員主要從事智能機器人控制與集成、工業機器人工藝應用集成開發、航空發展戰略等領域研究；研制了具有自主知識產權的搬運工業機器人數字化設計平臺、發動機配件打磨/去毛刺工業機器人工作站、人機協作機器人“感知—決策”智能控制方法、智能康復機器人系統等；在期刊和國際會議上發表論文80余篇，其中SCI收錄30余篇，EI/ISTP收錄30余篇，申請國家發明專利30余項，已授權16項；出版專著2本《機器人學及其應用——導論》和《智能機器人創新熱點與趨勢》；參加編寫《嵌入式系統設計與實例開發——基于ARM微處理器與μC/OSⅡ實時操作系統（第3版）》、《嵌入式系統原理與應用——基于XScale與Linux》等教材。

隨著智能制造發展，制造業加速轉型升級，很多制造業的生產工藝和運作流程也都進一步發展，以便更好、更及時地滿足下游客戶或消費者的需求。相關智能化技術和設備的應用日益受到重視，其中最典型的就是智能機器人技術。

陶永現為北京航空航天大學研究員、博士生導師，北航航空科學與技術國家實驗室辦公室副主任，兼任航空發動機研究院戰略發展部部長，中國機械工程學會機器人分會專家委委員、全國機器人標準化技術委員會（SAC/TC591）委員、中國電子學會嵌入式系統與機器人分會專家委員會專家、中國計算機學會智能機器人專業委員會專家委員、中國通信學會工業互聯網委員會委員、中國機電一體化技術應用協會標準化工作委員會專家委員。

陶永研究員，作為項目第一負責人完成了科技部863計劃重點項目“工業機器人數字化設計平臺”、國家自然科學基金青年基金項目“具有生物體肌肉特性的可變剛度彈性驅動機械臂”；作為項目第一負責人，正在開展國家機器人重點研發計劃“工業機器人工藝應用程序集成開發平臺”重大項目的研究。他還先后參加了工信部智能制造新模式應用項目“中醫藥產品智能制造新模式應用”、國家支撐計劃“工程機械大型關鍵結構件智能焊接生產線”、北京市科委“物流機器人成套系統關鍵裝備研發與整線集成”等重大項目研究。在機器人先進控制技術與集成應用研究方面，陶永研究員參與研制了具有自主知識產權的搬運機器人樣機及嵌入式控制器，并在自動化生產線、發動機缸蓋生產線進行測試和應用；他還研制了面向飛機機身對接裝配的柔性軌道鉆孔機器人，并在飛機裝配制造企業進行測試。

在學生眼中，陶永研究員是誨人不倦的良師益友；在制造行業和物流行業，他是極具洞見的行業專家。在2022年，陶永牽頭完成的科研成果“異構物流機器人關鍵核心技術研究及其在中醫藥智能工廠的集成應用”獲得2022年機械工業科技進步獎二等獎（排名第一），“面向智能物流生產線的機器人關鍵技術研究及示范應用”獲得中國物流與采購聯合會科技進步一等獎（排名第一），并且在同仁堂健康藥業集團等企業的智能工廠成功進行了中醫藥生產、分揀、儲運全流程的系統集成與示范應用，創造了極佳的社會價值和經濟價值。在科研和項目落地期間，陶永研究員和團隊，包括他指導的學生，都獲得可觀的科研成果，成為產學研良性促進的典范。

記者：您是如何接觸到智能機器人相關科研課題并深入研究下去的？如何開始具體項目的？研究領域涉及哪些類型的機器人？

陶永：因為最早在我讀博士期間，科研的主要方向是服務機器人，如助老助殘智能機器人、智能輪椅等，這對我后來轉做面向智能制造的工業機器人研究打下了很好的基礎。因為服務機器人和工業機器人在技術上有相通性。籠統而言，機器人動作的整個過程是先對環境進行感知，這需要通過傳感器，如視覺、激光、紅外、超聲等傳感器感知環境并獲得信息，然后將信息傳遞到機器人的控制系統，控制系統再根據獲得的感知環境信息，通過算法優化的過程，最終決定機器人怎樣動作，并最終由機器人的執行系統完成。

科研工作的重要目的之一，是支持社會中實際的生產生活，因此作為科研工作者要時刻關注社會的需求和變化。如今，推動制造業高質量發展，是我國經濟發展中的重大戰略任務。機器人是助力制造業智能化升級的核心裝備之一，物流業是制造業發展的載體。這幾年，智能制造、物流行業發展都很快，對無人化、智能化技術和解決方案的需求特別迫切，再加上政策的大力支持，如工信部、科技部、北京市科委對智能制造專項研究課題都有支持政策，這都進一步促進了我們在這個領域進行深入科研的動力和決心。我作為項目負責人，在2013年時承擔了國家863項目——工業機器人數字化設計平臺的科研項目工作。具體來講，數字化設計平臺就是運用三維設計、根據機器人運動學和動力學的原理建模仿真，做一個設計平臺，支持工業機器人的設計和開發工作。

我在科研工作中接觸最早的物流工業機器人是搬運碼垛機器人，當時的研究課題包括機器人碼垛堆放優化問題，混線生產中的機械手臂對貨物的識別和揀選問題等。這些研究成果在如今工作中也有很強的應用價值，如同仁堂的項目，生產現場有很多智能機器人，包括裝箱機械人、并聯機器人、封箱機器人、檢測設備等。我們需要圍繞這些設備完成整個系統的自動化集成，構成自動化的物流機器人生產線，其中就應用到了之前的研究成果。

這些年，我們更多是圍繞協作機器人做研究，例如3C混線生產線、機床上下料的機器人的研究；物流作業線中的分揀和包裝的機器人的研究等。這些系統設備主要的核心部件之一是工業相機，研究重點方向是工業視覺、力覺傳感器和機器人相結合的課題，通過工業相機的功能增強提升機器人的智能性。此外，很多同行還在做無人叉車的控制研發工作，就是將原來由人員操作的叉車加上激光傳感器，實現無人駕駛和操作，這也是一個比較熱門的研發方向

記者：您的研究項目和成果能夠為制造企業解決哪些實際問題？帶來怎樣的價值？

陶永：以我們最新完成的科研項目——“異構物流機器人關鍵核心技術研究”為例，該項目的研究成果已經成功在北京同仁堂健康藥業股份有限公司落地示范應用，為我國中醫藥產業的振興發展提供了高新技術助力。

這個項目中具體的研究內容包括：1.研究面向中醫藥智能工廠的異構機器人動態自學習的抓取技術，解決生產過程中的中醫藥特征標識困難、識別率低等問題；2.面向中醫藥智能工廠的AGV移動機器人的環境建模與路徑規劃，解決中醫藥的柔性生產線的產線場景變化、人機共融環境易干擾的問題；3.研究高安全性的機器人一體化關節及控制方法，滿足中醫藥生產中的小批量、多品種對人機混線生產的安全性要求。經自主技術研發，解決了小批量、多品種生產環境中的多項關鍵技術問題：（1）異構機器人動態自學習抓取，（2）AGV環境建模與路徑規劃，（3）高安全性的機器人一體化柔順關節，（4）中醫藥自動化物流生產線集成工藝與示范應用等。

該項目針對中醫藥智能工廠對物流機器人關鍵技術及裝備的迫切需求，攻克了小批量、多品種生產環境中的異構機器人動態自學習抓取、AGV環境建模與路徑規劃、高安全性的機器人一體化柔順關節、中醫藥自動化物流生產線集成工藝與示范應用等關鍵技術難題，主要創新點包括：（1）發明了一種面向中醫藥多品種的智能機器人抓取系統，提升了機器人動態抓取的可靠性和穩定性，提高了復雜形態的中醫藥產品的識別成功率和藥品抓取的平面定位精度。（2）攻克了可變剛度一體化關節PID+SMC相融合的控制技術，研制出一種可變剛度的柔性機器人一體化關節，提高了機器人的安全性和柔順性。（3）提出了基于激光導航與磁點導航復合的機器人全局路徑規劃方法，研制了面向中醫藥車間復雜環境的機器人高效地圖繪制系統，提高了移動機器人的重復定位精度和移動速度。（4）提出了基于多幀工件圖像聚合分割的檢測識別方法，攻克了MES與AGV作業自動調度系統的互聯互通與交互集成技術，研制了面向中醫藥智能工廠的藥品生產、分揀、儲運全流程的物流配送系統，并在同仁堂健康藥業等中醫藥企業中實現集成應用，提高了生產效率和產品質量。

在面向中醫藥智能工廠的中醫藥生產、分揀、儲運全流程的集成工藝與示范應用，中醫藥生產實現全周期自動化運行；提高了生產效率，降低了不良品率。科研成果方面，該項目獲授權國家發明專利11項、軟件著作權7項，制定國家標準2項、團體標準3項，發表學術論文19篇，出版專著2本。

參觀調研同仁堂健康藥業的自動化物流車間與AGV

該項目已通過科技查新，并召開了專家鑒定會，以楊華勇院士為組長的鑒定專家組給予高度評價，鑒定專家組認為“該項目技術難度大，創新性強，實現了面向中醫藥生產的自動化物流生產線的物流機器人關鍵技術的突破，并在同仁堂健康藥業等中醫藥企業實現了示范應用，項目總體技術達到國際先進水平，其中在基于柔性關節的復雜形態中醫藥產品抓取技術、中醫藥產品的分揀和物流儲運集成應用技術等方面達到國際領先水平。”

記者：通過自身經歷，您認為如今科研和教學工作的最新發展趨勢是怎樣的？作為科研項目帶頭人和培養人才的園丁，研究員和博導應該體現怎樣的作用？

陶永：結合自身的經歷和體會，我認為在大學的教學科研中，尤其是理工科的教學科研中，科研工作會越來越凸顯重要的作用。以北航為例，現在在本科教學和研究生教學階段就推出了相當課時的科研課堂的教學活動，鼓勵本科生或低年級的研究生在學習基礎理論的前提下，更多進入到實驗室，接觸和了解科研工作。

像智能制造、智能機器人、物流機器人生產線的相關研究，都是多學科交叉的課題，涉及學科包括機械、計算機、人工智能，自動控制、微電子等，甚至還有更多。并且，機器人的技術現在也在快速迭代發展，相關的科研課題和前沿技術，不可能完全從書本中獲取，需要研究人員，包括學生在更多的實踐中去體會和探索。例如，我們做復合機器人和移動操作機器人的相關研究工作，對于機器人環境建模、建立地圖、定位、路徑優化的課題，都可以在科研課堂的相關活動中體現出來，讓同學有更直觀和深刻的理解和認識。

在這個過程中，導師的引導作用是非常重要的。作為導師，需要對大的宏觀環境更敏感，對最前沿的科研成果和情況更了解。如今，國家的政策引導對機器人領域的科研工作，對物流自動化的科研工作是十分有利的。如國家“十四五”規劃中提到物流的發展規劃，國家對智能制造的高度重視等。根據對社會需求、政策指引和國際研究前沿的綜合分析，我們現在主要做復合機器人、協作機器人等領域的科研攻關，大的方向就是把最新的信息技術、人工智能技術、傳感器和微電子技術、自動化技術等集成到機器人上面來，研究機器人向柔性化、智慧化、低成本、高效率發展。

產學研的合作方式可以是多種多樣的。根據雙方的合作協議和約定，相關的科研成果可以轉讓，也可以授權使用，最終目的是更高效地利用科研成果，挖掘它的價值，服務社會。

記者：您認為怎樣才能創造良好的產學研模式？

陶永：我認為，良好的產學研模式需要產業界（企業）和學術界（高校）建立良好的溝通互動渠道，找到適合的合作模式，這樣的產學研合作才能形成多贏局面。從企業的角度看，規模比較大、實力比較強的企業，能夠有較大的財力投入到研發工作當中去。而一些中小規模的企業，在新產品開發等方面，更應該依靠或利用現有的其他科研體系或成果，例如高校的研究成果，可以購買一些解決方案模塊，做集成開發或創新，這樣更有利于企業在資金和研究力量有限的情況下做創新發展。

從高校的角度看，企業的需求對我們確定科研方向和課題也起到很大啟示和指引的作用。企業到底需求是什么？通過與企業的合作，能夠找到實際生產或商業運作中真正的難點問題。了解到企業需求之后，我們的研究團隊就可以更好地確定科研方向，進行攻關。

另外，由于與企業有緊密合作關系，我們的科研成果，如相關的技術和算法，都有很大機會在企業的產品和運營中去應驗，最終進一步反饋和提升我們的成果。這樣，學術科研工作就與企業的研發和經營工作形成了一種互補的關系。

我認為，產學研的合作方式可以是多種多樣的。根據雙方的合作協議和約定，相關的科研成果可以轉讓，也可以授權始終，最終目的是更高效地利用科研成果，挖掘它的價值，服務社會。除了和企業合作，高校的科研還經常與相關機構合作，或為權威機構做技術支持。如，我們的機器人技術科研團隊正與國家機器人檢測認證中心合作，為第三方做認證和檢測工作。通過這種檢測認證的工作，服務這個領域的相關企業或客戶。

記者：怎么保證研究成果具備適合市場需求的經濟性和適用性？

陶永：高校做相關的研究，一般有兩種方式：

第一種方式是先不計成本地將性能做到極致。例如，使用最先進的傳感器、更復雜的算法，總之就是要先試驗設計的方式方法是否能實現功能，驗證研發的道路是否可以走通。然后，再在保證實現功能的前提下，通過各種優化的方法提高性價比，進行適應市場需求的調整。例如，可以試驗把已開發的算法移植到普通低成本的傳感器上，看是否能達到功能需求。

第二種方式是通過降低核心部件，如伺服驅動電機、控制器、外部傳感器的價格，降低設備或系統的整體成本。如今的微電子技術發展很快，很多先進傳感器的制造成本正在快速下降，這使得先進傳感器的應用越來越普及，越來越得到市場的認可。

但我認為，對機器人智能化提升更重要的因素是設備后端的算法和軟件系統，這是體現研發水平的核心部分，也是體現企業核心競爭力的地方。總的來說，我認為通過校企結合，充分發揮雙方各自的特點和優勢，是做好工業自動化科研，做好智能機器人研發比較好的方式。

記者：最后請您介紹一下智能機器人技術未來的發展趨勢，有哪些研究的熱點？

陶永：談到具體的研究課題，我們正在做的一個研究課題是移動機器人的避障問題，即使用激光移動機器人如何識別和避開玻璃幕墻類的障礙物。這對原有的激光傳感技術是個難題，我們通過算法優化，提高激光的識別能力，讓它能夠把玻璃幕墻類的障礙物識別出來。這樣的技術方案不用增加太多的設備和成本，實用價值很大。

我們另外一個重點研究方向是復合移動機器人的研發，就是一個移動底盤上面加上一個機械臂，機械臂上面也有小的視覺識別設備，末端還可以設置不同的抓手。傳統的機械臂機器人都是固定位置作業的，增加了移動功能后，這種復合機器人的應用場景就大大增加了，例如可以在3C行業機床上下料的工藝環節中應用。這個環節之前幾乎都需要人力來操作，如果實現復合機器人的應用解決方案，這個過程就可以實現無人化，從而進一步提高3C產線的工作效率。

從大的趨勢上看，各種機器人，包括物流機器人的技術越來越成熟，使用場景會越來越多，智能機器人的理論和技術將在更廣泛的場景中得到驗證和優化。