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杨桂林:机器人的未来在中国

祝传海 ☉ 文 来源:科学中国人 2020-05-28 @ 哈希力量严选

【哈希力量划重点:1995年,他如愿被新加坡南洋理工大学录取为博士研究生,并从工程机械领域转到了机器人研究领域。博士学业完成后,杨桂林加入新加坡制造技术研究院机械电子研究室,用15年的时间从副研究员成为高级科学家和研究室主任,领导了一系列重要科研项目的开展。在新加坡的18年,是杨桂林知识积累和科研能力迅速提升的18年。】

西周时,能工巧匠偃师用动物皮、木头、树脂制作的能歌善舞的伶人,据说是中国乃至世界上最早记载的机器人雏形。人类对机器人的幻想与追求已有几千年的历史,然而世界上第一台工业机器人的问世却是近几十年的事。zTn哈希力量 | 智能的力量

现代机器人的研究始于20世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展。自1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机技术取得了惊人进步,大批量工业化生产的迫切需求又推动了自动化技术的进展,两者发展的结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。工业机器人的控制方式与数控机床虽然有些相似,但外形特征迥异,它更类似人的手臂,具有更好的操作灵活性。随着技术的不断发展,机器人在功能和技术层次上有了更大的提高,水下机器人、空中机器人、空间机器人等各种用途的机器人相继问世。zTn哈希力量 | 智能的力量

人类及其他物种有进化史,机器人同样也拥有自己的进化史。人工智能时代,机器人的进化会走向何方?对此,致力于机器人与智能制造技术研究的中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“宁波材料所”)副所长杨桂林谈了他的看法:“机器人的感知认知能力会更强,智能化程度会更高,融合性会更好,适应性也会更强。在应用场景从‘粗活’向‘细活’转变的同时,其使命也会从‘机器换人’向‘与人共融’方向转变。安心、安全地与人在同一工作空间内并肩执行任务将是机器人未来发展的一个趋势。”zTn哈希力量 | 智能的力量

海外18年:迈入机器人新领域zTn哈希力量 | 智能的力量

作为机器人及制造自动化领域有影响力的学者之一,在2013年全职回国前,杨桂林曾有一段长达18年的海外求学和工作经历。zTn哈希力量 | 智能的力量

1981年,16岁的杨桂林考入吉林工业大学,在工程机械专业学习。4年后,他以优异成绩留校继续攻读硕士学位。1988年,研究生毕业的杨桂林成为石家庄铁道学院工程机械专业的一名教师,随后成长为教研室主任、系副主任。7年的教学、科研工作让他逐渐意识到,未来的制造装备必然是机电一体化系统,而单纯的机械知识已经很难应对未来的挑战。在机电系统设计与控制方面的知识欠缺,让杨桂林坚定了继续深造的想法,1995年,他如愿被新加坡南洋理工大学录取为博士研究生,并从工程机械领域转到了机器人研究领域。博士学业完成后,杨桂林加入新加坡制造技术研究院机械电子研究室,用15年的时间从副研究员成为高级科学家和研究室主任,领导了一系列重要科研项目的开展。zTn哈希力量 | 智能的力量

在新加坡的18年,是杨桂林知识积累和科研能力迅速提升的18年。3年的博士生涯,为他从事机器人和智能制造装备研究打下了坚实的理论基础。15年的工作生涯,使他的科研能力和水平得到了不断提高,并取得了不错的成绩。针对现有工业机器人在制造自动化应用中所存在的问题,杨桂林带领团队系统地研究了工业机器人运用技术,主要包括:提高易用性的直觉示教与快捷编程技术,提高绝对定位精度的运动标定与误差补偿技术以及拓宽应用范围的力-运动混合控制技术等。杨桂林还系统建立了模块化可重构机器人理论,把机器人变成了“积木”,可以根据使用需求进行重组重构,打破了传统机电设备不能改变构型的弊端,并在国际著名学术刊物上发表了多篇高水平的学术论文。成果不断获得认可,激励着杨桂林在科研的道路上越走越坚定;而在科研管理上,包括科研规划、团队建设、项目管理能力的不断增强,又为他回国承担管理工作积累了宝贵的经验。zTn哈希力量 | 智能的力量

正当杨桂林在新加坡的事业蒸蒸日上时,他做了一个决定——回国发展。这个让不少同行感到意外的选择,在他本人看来,却是极为自然的事,因为家国情怀使然。zTn哈希力量 | 智能的力量

贵人相助:打消顾虑毅然回国zTn哈希力量 | 智能的力量

虽在国外多年,但杨桂林却始终关注着国内的发展,尤其是机器人技术的发展。他先后担任过上海交通大学、北京航空航天大学、华南理工大学等国内高校的客座教授,与国内的大学和科研单位一直保持着密切的合作关系。对祖国的发展,杨桂林了然于心,所以2013年做出回国的决定时,除爱国情怀外,他还有一些理性的考虑。zTn哈希力量 | 智能的力量

杨桂林说:“我们虽然在机器人及自动化技术方面取得了较好的科研成果,但由于新加坡制造业规模较小,真正实现成果落地转化,在工程应用中推广,其实面临着很大的局限。然而,中国制造业的快速发展和壮大,为我们这些从事先进制造的科研人员提供了更为宽阔的发展空间。”zTn哈希力量 | 智能的力量

2012年的一次机缘巧合坚定了杨桂林回国的决心。那一年,宁波材料所所长崔平带队到新加坡招聘,为正在筹建的先进制造所物色人才。宁波材料所建所的初衷是“料要成才,材要成器,器要好用”,所以只做材料不行,还需把材料做成器件,把器件做成装备,这就必然需要先进制造技术,于是在宁波材料所二期建设中筹建先进制造所被提上了日程。zTn哈希力量 | 智能的力量

事先并不知道有招聘这件事的杨桂林,临时受薛群基院士的学生之托,帮忙接待了宁波材料所崔平所长一行的来访,正是这次接待促成了他的回国。“向崔所长汇报我们的一些科研方向、成果时我发现她对我讲的东西特别关心,包括我们的科研管理体制、研究所的组织架构和项目组织管理,各方面的情况问得都很清楚。”杨桂林记得那天她们是下午3点钟来的,晚上快8点钟才离开,四五个小时里招聘团队一直在跟他讨论,那天大家谈得很投入也很融洽。zTn哈希力量 | 智能的力量

言谈中,崔平所长还详细介绍了宁波材料所的发展状况及建所理念。杨桂林了解到,宁波材料所是中科院与浙江省、宁波市联合共建的一个研究所,定位是把科技转化为生产力,重点研发能够推动产业发展的技术,研究成果最后要能够落地,这些理念与他的想法非常契合。令他没有想到的是,崔平所长回国后,立即发了一封邮件给他,邀请他加入宁波材料所,虽然觉得有些突然,但杨桂林觉得这件事确实值得考虑。之后,崔平所长又真诚地邀请他去所里考察,考察时杨桂林发现宁波的制造业发展得非常好,宁波材料所的发展也是蒸蒸日上,充满活力,他当时就决定加入进来。zTn哈希力量 | 智能的力量

回国前,杨桂林最大的顾虑是国外的科研体制和国内不太一样,担心水土不服,尤其是新加坡的研究所,它的科研经费是以政府拨款为主,不用在争取项目上花费太大精力,可以更专注地做科研。国内因为国家大、资源少、竞争激烈,杨桂林顾虑回来后能不能生存下去。“因为即使你有很好的发展规划,但如果争取不到资源,也做不起来。为什么最后顾虑打消了?一是对自己的能力还有一些信心,二是所里对我的加入付出了很大的努力,先是为我提供了1000万元科研启动经费,后又协助我组建团队并成功获得了宁波市‘3315计划’高端创新团队的支持,而这些支持是在我还没有正式报到前就基本落实了。这对我来说意义实在是太大了,宁波材料所的鼎力支持和宁波市的引才政策让我放下了所有的顾虑。”杨桂林感慨。zTn哈希力量 | 智能的力量

杨桂林所长在实验室指导团队科研人员zTn哈希力量 | 智能的力量

在实验室指导团队科研人员zTn哈希力量 | 智能的力量

自主创新:致力核心技术研发zTn哈希力量 | 智能的力量

在机器人的世界级竞技中,无论技术水平还是产业模式我国都还落后于美、日、德等发达国家。与传统制造业不同,机器人制造属于高端制造领域,其制造技术具有难度高、跨度大和范围广等特点。由于在伺服电机、减速机、控制器等核心零部件上受制于人,我国机器人企业99%以上集中在系统集成领域,在很大程度上存在着高端产品低端化的现象。zTn哈希力量 | 智能的力量

杨桂林认为造成这种局面的主要原因在于,我国机器人产业的制造基础依然薄弱,缺乏精密加工装备、先进制造工艺以及严格的质量检测与保证手段,致使国产机器人关键零部件及系统的精度、可靠性和使用寿命都不如国外产品。此外,在高性能电力电子元器件、控制芯片以及控制软件等方面也有所欠缺,进一步加深了我国机器人产业的对外依存度。所以,提高机器人核心零部件的制造水平及控制软件的研发能力是解决我国机器人产业低端化的关键。zTn哈希力量 | 智能的力量

面向我国制造业的重大需求,凭借自己在机器人及自动化技术领域的长期积累与优势,回国后的杨桂林带领团队致力于机器人与智能装备技术研究,已承担国家、科学院、省市政府及重点企业委托等项目60余项。随着项目的展开,平台的建设也在有条不紊地进行,现已建成永磁电机、精密伺服驱动、智能感知、机器人控制以及机器人系统集成与应用等技术研发平台。zTn哈希力量 | 智能的力量

在科研项目和研发平台的助力下,杨桂林在精密驱动与控制技术、多自由度微纳操作机器人、模块化机器人、四自由度高速高精并联机器人、绳驱动变刚度机器人、高通过性全向移动机器人、工业机器人运用技术以及协作机器人技术等研究工作中取得了一系列突破性的进展。zTn哈希力量 | 智能的力量

他创新性地提出了基于对偶磁极设计高性能音圈电机的理论与方法,有效地提高了音圈电机驱动力,进而发明了一系列采用柔性机构支撑的大推力、高精度音圈电机,拓展了音圈电机应用范围。该项成果在2014年获得被誉为科技创新“奥斯卡奖”的“R&D100 Award”(全球百大科技研发奖)。zTn哈希力量 | 智能的力量

他创新性地提出了融合机构构型综合和结构拓扑优化方法的多自由度柔性微纳米操作机器人的集成设计方法,即先通过并联机构构型综合理论进行多自由度柔性机构的构型设计,进而采用结构拓扑优化方法进行柔性支链及关节的结构优化设计,显著地提高了多自由度柔性机构的性能,有效地解决了空间多自由度柔性机构难于实现拓扑结构优化的问题。zTn哈希力量 | 智能的力量

以图论、李群及李代数为基础,通过系统研究模块化可重构机器人理论,杨桂林提出了模块化串、并联机器人分析与设计的一系列原创性方法,如基于运动学图及装配关联矩阵的机器人构型描述方法,基于局部指数积公式的运动学、动力学自动建模方法及运动学校准及误差补偿方法,基于微分几何的机构工作空间分析方法,面向任务的机器人构型及尺寸综合优化设计方法等。他还创新设计了多个模块化机器人构型,如具有对称结构的四自由度高速高精度并联机器人,六自由度解耦并联机器人等。 zTn哈希力量 | 智能的力量

以凸分析理论为基础,在系统研究了绳驱动并联机器人理论后,杨桂林提出了绳驱动机器人的构型设计、力封闭分析、最优张力分配、变刚度控制等一系列新方法。此外,他还提出了基于被动关节支撑、主动绳索驱动的轻量化变刚度机器人的构型设计及分析方法,并首次提出了利用人体骨骼结构支撑、绳索驱动的穿戴式康复机器人构型,解决了传统的穿戴式康复机器人适应性差、安全性差的难题,为开发新一代本质安全、人机共融的康复及服务机器人提供了新思路。zTn哈希力量 | 智能的力量

为解决移动机器人用主动万向脚轮的滚动与回转运动耦合的难题,杨桂林还创新性地提出了通过输入耦合实现输出解耦的设计方法,并以此发明了解耦式主动万向脚轮,成功研发了一系列基于解耦式主动万向脚轮的高通过性全向移动机器人,为移动机器人家族提供了新成员。基于解耦式主动万向脚轮的全向移动机器人也已成功地应用于吉利集团浙江罗佑发动机有限公司车间的物料搬运中,通过实施自主研发的移动机器人定位、导航、自主避障技术以及多机器人调度和协调控制技术,成功实现了车间物流的自动化和智能化。zTn哈希力量 | 智能的力量

此外,他还深入地研究了工业机器人的运用技术,开发了直觉示教、快捷编程、在线误差补偿及力—运动混合控制技术,进一步提高了工业机器人的易用性并拓宽了工业机器人的应用范围。成功地研发了基于力控制技术的机器人化零部件的接触式精密表面加工系统,并在航空发动机叶片、船用螺旋桨叶片、汽车轮毂等精密光整加工中得到了产业化推广,被加工曲面的尺寸精度和表面粗糙度均达到相关质量标准,加工效率较人工提高一倍以上。zTn哈希力量 | 智能的力量

鉴于其在科技创新以及成果转移转化所做出的突出贡献,杨桂林获得了2014年“光华龙腾奖”中国设计贡献奖银奖和2018年中国产学研合作创新成果奖一等奖。zTn哈希力量 | 智能的力量

杨桂林告诉记者,未来,机器人的最大市场必然是社会服务业,为人们的日常工作和生活提供各类优质服务,这就要求机器人要具有对非结构化环境,尤其对人类行为的感知、认知能力和安全的人机自然交互能力。对此,杨桂林带领团队已经开发了一系列高度集成化的智能关节、模块化协作机器人系统及控制软件,为新型协作机器人产业化奠定了基础。“虽然目前我国机器人制造技术还不是世界最先进的,但有国家、地方对机器人技术研发的高度重视和专项支持,我们会快速掌握机器人核心技术,实现机器人高端产品的重大突破,赶超发达国家。”对于中国机器人发展的未来,杨桂林信心满满。zTn哈希力量 | 智能的力量

求真求实:在积累中等待爆发zTn哈希力量 | 智能的力量

杨桂林认为,科研工作者最重要的品质是求真求实、开拓创新,无论是理论还是技术都需要在求真求实的基础上,不断开拓创新。zTn哈希力量 | 智能的力量

作为宁波材料所副所长,杨桂林无时无刻不在关注着材料所和研究所的发展壮大。宁波材料所以“料要成材,材要成器,器要好用”为指导思想,以材料为核心,以需求为牵引,将技术链贯穿材料上下游研发和应用,研究领域从新材料拓展到下游的新能源、先进制造与生命健康领域,建成了材料技术研究所、新能源技术研究所、先进制造技术研究所和生物医学工程研究所4个二级研究所,形成了所本部、初创园、中国科学院大学宁波材料工程学院、慈溪医工所和杭州湾研究院“五位一体”的园区布局。研究所通过实施一系列有效的人才引进培养计划和措施,已从全球引进高层次人才300多人,组建了50多个创新团队。目前全所有员工1048人,在学研究生1050人,在站博士后119人。经过15年的发展,宁波材料所已经初步形成了“科研技术链、材料应用链、人才培养引进链”相辅相成的架构布局,初步打通了“关键技术研发-工程化示范-产业化应用”的通道,集聚了一批国内外高端人才,产出了一批有影响力的科技成果,已成为了长三角地区新材料和先进制造领域最有活力的创新研发机构之一,得到了社会的普遍认可。zTn哈希力量 | 智能的力量

精密运动与先进机器人技术团队合影zTn哈希力量 | 智能的力量

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对于团队的发展,他倾注了很大的心血。“现在团队有正式员工31个,学生有45个,已初具规模,团队成员中有做机械的、电子的、控制的,还有做信息技术的。我们目前迫切需要一些做智能材料、智能驱动的人才,因为我们要走的是学科交叉融合的道路。”白天的时间基本被管理工作占据的杨桂林,将晚上的时间留给了科研、留给了学生,每天都会忙到凌晨才能入睡。“凌晨两三点睡,早晨7点多起,我们研究所很多领导和科研人员也都是这样,5个小时的睡眠时间对身体当然不好,但工作确实忙不过来。”他说。zTn哈希力量 | 智能的力量

工作太多,留给生活、留给家人的时间就太少,杨桂林觉得自己不是一个很会处理工作和生活关系的人,好在他的太太和孩子都比较理解和支持他。“对家庭我是有愧疚的,没有投入更多的时间去照顾她们。这么多年,不管是回国后还是回国前,太太对我一直都很支持。她是我的大学同学,成绩比我好,但有了小孩后,她将主要精力放在了家庭上,所以我第一个想要感谢的人是我的太太,感谢她对我的支持和对家庭的付出。”zTn哈希力量 | 智能的力量

除了太太,杨桂林还有许多想要感谢的人。他的硕士导师杨成康教授,对待工作非常认真、严谨。毕业时,导师曾一个字一个字地为杨桂林修改论文,老师求真求实的工作作风,对杨桂林是一种言传身教。他的博士导师陈义明教授,是机器人领域很知名的专家,作为陈老师的第一个博士生,杨桂林得到他非常多的指导,在对机器人领域完全陌生的情况下,是陈老师把他带到了这一领域,并且让他的科研水平得到迅速提升。还有老所长崔平,是她的真诚和支持让杨桂林放下了顾虑毅然回国,是她搭起的好平台让杨桂林得以回国后顺利发展。杨桂林也很感激现任所长黄政仁,是他的信任和支持让杨桂林在科研和管理两方面又有了新的进步。zTn哈希力量 | 智能的力量

对于贵人的提携和帮助,杨桂林只有用忘我的工作、不懈的坚持,做出点滴成绩作为回报。虽然深知创新的路途遥远且艰难,但杨桂林愿意一步一个脚印往前走,用扎实的积累去迎接灵感爆发的那一刻。zTn哈希力量 | 智能的力量


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