高等学校建设机器人研究所的可行性探讨

云霄

摘要：近年来，世界工业发达国家纷纷将机器人发展上升为国家战略[1]，《中国制造2025》將机器人产业确立为工业转型的重要依托，在重点领域技术创新路线图中明确了我国未来十年机器人产业的重点发展方向。通过研究机器人领域的发展现状，剖析机器人技术发展的机遇与挑战，探讨高等学校建设机器人研究所的可行性路径。

关键词：高等学校；机器人；研究所；可行性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）07-0075-02

机器人系统是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，其技术发展和产业应用受到各国政府的高度重视。《中国制造2025》作为我国实施制造强国三步走战略中的第一个十年的行动纲领，从国家战略的高度确定了未来十年对机器人产业发展予以重点关注和支持。2016年4月发布的《机器人产业发展规划（2016—2020年）》更是将机器人产业推到了“风口”之上。本文对机器人领域的发展现状、机遇与挑战展开分析，探讨高等学校开展机器人研究的可行路径。

一、发展现状

（一）国内

我国机器人的研究始于20世纪70年代后期，80年代后进入快速发展时期，“863计划”更是推动机器人领域快速发展。当前，国内众多高校均开设了机器人课程，并成立了相关研究机构。

中国科学院自动化研究所成立于1956年10月，是我国最早的国立自动化研究机构。自动化所立足智能技术，已形成复杂信息的智能计算、复杂系统的智能控制、集成化智能系统三个重要研究方向，实现了基础研究、应用开发与高技术产业化“三位一体”发展。

哈尔滨工业大学的机器人研究走在全国前列。学校在深圳设立了深圳国际技术创新研究院作为对外窗口，既实现了与海外的学术交流，又借助深圳产业化基地的优势完成了科技向生产力转换的任务。通过在深圳研究院建立高科技企业的方式，输送了一批自动控制、机电一体化专业的博士、硕士，成功地将机器人技术应用到民用领域。

北京航空航天大学机器人研究所创建于1987年，集教学、科研、开发为一体，主要研究灵巧机械手、医疗机器人、反恐防暴救灾机器人等。

中国科学院沈阳自动化研究所成立于1958年，是中国机器人事业的摇篮，创造了我国机器人发展史上的多个第一，在特种机器人、先进制造和智能机器、工业机器人产业化、机器人学应用基础研究等领域形成了一大批优秀成果并形成技术优势，引领了国内机器人技术的发展。

（二）国际

美国通过“国家制造业创新网络”（NNMI）计划和“高端制造合作伙伴”（AMP）计划，在强适应性和可重构的装配线、自主导航、绿色制造、仿人灵巧操作、供应链的集成与设计建模、纳米制造、在非结构化环境下的感知服务、机器人与人共事的本质安全性和教育训练等9个领域，制定了未来15年制造业机器人发展的详尽规划和研究路线，着力提升“美国制造”的质量，振兴美国制造业[2]。

欧盟于2014年启动了耗资28亿欧元的“SPARC”机器人研发计划，旨在通过机器人技术提高生活质量、减少资源浪费并改善工作环境，为欧洲乃至全球的生活和工农业生产节约巨额成本[3]。

日本将机器人产业列为国家重大战略支撑产业，从产业发展和人才培养两个方面入手，制定了一系列政策措施，大力推动机器人技术在全民的推广，着力创建自主创新和结构改革的新型社会“Society 5.0”[4]。

二、机遇与挑战

随着人口红利逐渐消失，人力成本快速上涨和劳动力短缺，我国原有的低附加值、低技术含量和高污染、高能耗的制造业模式已经难以为继，企业对工业机器人的需求不断扩大。2013年，我国已成为全球第一大工业机器人应用市场。与此同时，老龄化社会服务、医疗康复、救灾救援、公共安全、教育娱乐、重大科学研究等领域对服务机器人的需求也呈现出快速发展的趋势[1]。

我国于上世纪70年代初开始研究机器人技术，80年代实施“863计划”并组建了一批相关学术组织和研究机构，90年代在点焊、弧焊、装配等领域形成了一批具有自主知识产权的产品。近年来，我国机器人技术及产业发展迅猛，国家也出台了一系列政策文件来加强顶层设计。但是要看到，我国机器人产业的研发制造水平仍落后于国际主流国家，核心技术受制于人，核心零部件在技术含量、可靠性、稳定性和精度等方面与国外产品差距较大，高校及科研院所的科技成果实际转化率较低。

三、建设机器人研究所的可行性分析

（一）研究基础

西安电子科技大学于1985年成立了机器人研究室，是全国最早从事机器人技术研究的单位之一。经过多年发展，已形成机器人智能控制、柔性并联机器人等两个主要研究方向。现有专任教师18人，其中教授6人，副教授6人，具有博士学位的教师9人，博士比例达50%。近5年，承担各类研究课题40余项，包括“973”“863计划”、国家自然科学基金面上项目、国防预研项目等，到校科研经费接近1300万元；发表SCI论文36篇，EI论文76篇；授权发明专利11项；获得国家科技进步二等奖1项、省部级科科学技术奖2项。培养相关学科硕士生132名，博士生25人。

（二）研究方向

1.机器人智能控制技术。（1）多机器人协调控制技术。以多机器人系统、机器人—人融合系统、机器人与其他机器系统为研究对象，通过对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面的研究，提高群体机器人的智能性、协调性和适应性。（2）虚拟机器人技术。利用虚拟设计的手段，研究基于多传感器、多媒体、虚拟现实及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。增强操作者与机器人之间的交互能力，提高机器人单元控制模拟功能和多控制器模拟功能。

2.柔性并联机器人技术。（1）并联机构设计。面向工程需求，对刚性、柔性并联机构的构型进行优化设计，保证在给定工作空间内整个系统具有好的可控性。（2）运动学与动力学分析。研究柔性构件与其他刚性构件之间的动力学耦合关系，在考虑柔性构件力学特性的前提下分析并联机器人的运动学和动力学特性，准确建立起该类机构的动力学方程，为机构的标定、振动抑制和跟踪控制提供力学模型，为实现整个系统的平稳、快速、精确运动控制奠定基础。（3）测量与标定。研究面向大工作空间柔性并联机器人末端执行器位姿检测的非接触测量新技术、新装置及系统集成方案；针对柔性驱动机器人驱动构件力变化范围大、灵敏度高的特点，研究柔性驱动构件力学实时检测装置及数据处理技术。为提高柔性驱动机器人的运动精度，基于当前的位姿和柔性驱动器力测量水平，研究并联机器人的运动学、动力学参数标定理论与新方法。（4）控制理论与技术。研究并联机器人运动轨迹的无奇异点规划方法，克服运动规划引入的柔性驱动的颤振问题。针对不完全约束柔性驱动机器人，研究基于重力补偿或非线性动力补偿且具有强鲁棒性的反馈控制器，以实现末端执行器的精确定位与驱动的振动抑制；针对完全约束和过约束柔性驱动机器人，研究冗余驱动力优化求解及控制策略，以实现其主动刚度控制、高速鲁棒速度跟踪任务。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会.机器人产业发展规划（2016-2020年）[Z].2016-04-27.

[2]曾艳涛.美国未来15年制造业机器人研究路线[J].机器人技术与应用，2007，（3）：1-5.

[3]刘金国，张学宾，曲艳丽.欧盟“SPARC”机器人研发计划解析[J].机器人技术与应用，2015，（2）：24-29.

[4]王凯，孙帙，西森年寿，李哲.日本机器人教育的发展现状和趋势[J].现代教育技术，2017，4（27）：5-11.