隨著智能制造潮流到來，企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)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(shù)和設(shè)備的應(yīng)用成為智能制造系統(tǒng)的核心構(gòu)成因素之一。北京航空航天大學(xué)研究員、博士生導(dǎo)師陶永長期深入研究機器人智能化技術(shù)，并努力通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合進行探索創(chuàng)新與實施應(yīng)用，助力制造業(yè)升級發(fā)展。

隨著智能制造發(fā)展，制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級，很多制造業(yè)的生產(chǎn)工藝和運作流程也都進一步發(fā)展，以便更好、更及時地滿足下游客戶或消費者的需求。相關(guān)智能化技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用日益受到重視，其中最典型的就是智能機器人技術(shù)。

北京航空航天大學(xué)研究員、博士生導(dǎo)師  陶永

陶永現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)研究員、博士生導(dǎo)師，北航航空科學(xué)與技術(shù)國家實驗室辦公室副主任，兼任航空發(fā)動機研究院戰(zhàn)略發(fā)展部部長，中國機械工程學(xué)會機器人分會專家委委員、全國機器人標準化技術(shù)委員會（SAC/TC591）委員、中國電子學(xué)會嵌入式系統(tǒng)與機器人分會專家委員會專家、中國計算機學(xué)會智能機器人專業(yè)委員會專家委員、中國通信學(xué)會工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)委員會委員、中國機電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)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(yè)機器人數(shù)字化設(shè)計平臺”、國家自然科學(xué)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(qū)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(fā)計劃“工業(yè)機器人工藝應(yīng)用程序集成開發(fā)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(yīng)用項目“中醫(yī)藥產(chǎn)品智能制造新模式應(yīng)用”、國家支撐計劃“工程機械大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件智能焊接生產(chǎn)線”、北京市科委“物流機器人成套系統(tǒng)關(guān)鍵裝備研發(fā)與整線集成”等重大項目研究。在機器人先進控制技術(shù)與集成應(yīng)用研究方面，陶永研究員參與研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的搬運機器人樣機及嵌入式控制器，并在自動化生產(chǎn)線、發(fā)動機缸蓋生產(chǎn)線進行測試和應(yīng)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(yè)進行測試。

在學(xué)生眼中，陶永研究員是誨人不倦的良師益友；在制造行業(yè)和物流行業(yè)，他是極具洞見的行業(yè)專家。在2022年，陶永牽頭完成的科研成果“異構(gòu)物流機器人關(guān)鍵核心技術(shù)研究及其在中醫(yī)藥智能工廠的集成應(yīng)用”獲得2022年機械工業(yè)科技進步獎二等獎（排名第一），“面向智能物流生產(chǎn)線的機器人關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應(yīng)用”獲得中國物流與采購聯(lián)合會科技進步一等獎（排名第一），并且在同仁堂健康藥業(yè)集團等企業(yè)的智能工廠成功進行了中醫(yī)藥生產(chǎn)、分揀、儲運全流程的系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用，創(chuàng)造了極佳的社會價值和經(jīng)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(dǎo)的學(xué)生，都獲得可觀的科研成果，成為產(chǎn)學(xué)研良性促進的典范。

記者：您是如何接觸到智能機器人相關(guān)科研課題并深入研究下去的？如何開始具體項目的？研究領(lǐng)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(wù)機器人，如助老助殘智能機器人、智能輪椅等，這對我后來轉(zhuǎn)做面向智能制造的工業(yè)機器人研究打下了很好的基礎(chǔ)。因為服務(wù)機器人和工業(yè)機器人在技術(shù)上有相通性?；\統(tǒng)而言，機器人動作的整個過程是先對環(huán)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(huán)境并獲得信息，然后將信息傳遞到機器人的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)獲得的感知環(huán)境信息，通過算法優(yōu)化的過程，最終決定機器人怎樣動作，并最終由機器人的執(zhí)行系統(tǒng)完成。

科研工作的重要目的之一，是支持社會中實際的生產(chǎn)生活，因此作為科研工作者要時刻關(guān)注社會的需求和變化。如今，推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，是我國經(jīng)濟發(fā)展中的重大戰(zhàn)略任務(wù)。機器人是助力制造業(yè)智能化升級的核心裝備之一，物流業(yè)是制造業(yè)發(fā)展的載體。這幾年，智能制造、物流行業(yè)發(fā)展都很快，對無人化、智能化技術(shù)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(lǐng)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(yè)機器人數(shù)字化設(shè)計平臺的科研項目工作。具體來講，數(shù)字化設(shè)計平臺就是運用三維設(shè)計、根據(jù)機器人運動學(xué)和動力學(xué)的原理建模仿真，做一個設(shè)計平臺，支持工業(yè)機器人的設(shè)計和開發(fā)工作。

我在科研工作中接觸最早的物流工業(yè)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(yōu)化問題，混線生產(chǎn)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(yīng)用價值，如同仁堂的項目，生產(chǎn)現(xiàn)場有很多智能機器人，包括裝箱機械人、并聯(lián)機器人、封箱機器人、檢測設(shè)備等。我們需要圍繞這些設(shè)備完成整個系統(tǒng)的自動化集成，構(gòu)成自動化的物流機器人生產(chǎn)線，其中就應(yīng)用到了之前的研究成果。

這些年，我們更多是圍繞協(xié)作機器人做研究，例如3C混線生產(chǎn)線、機床上下料的機器人的研究；物流作業(yè)線中的分揀和包裝的機器人的研究等。這些系統(tǒng)設(shè)備主要的核心部件之一是工業(yè)相機，研究重點方向是工業(yè)視覺、力覺傳感器和機器人相結(jié)合的課題，通過工業(yè)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(fā)工作，就是將原來由人員操作的叉車加上激光傳感器，實現(xiàn)無人駕駛和操作，這也是一個比較熱門的研發(fā)方向

記者：您的研究項目和成果能夠為制造企業(yè)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(gòu)物流機器人關(guān)鍵核心技術(shù)研究”為例，該項目的研究成果已經(jīng)成功在北京同仁堂健康藥業(yè)股份有限公司落地示范應(yīng)用，為我國中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的振興發(fā)展提供了高新技術(shù)助力。

這個項目中具體的研究內(nèi)容包括：

1.研究面向中醫(yī)藥智能工廠的異構(gòu)機器人動態(tài)自學(xué)習的抓取技術(shù)，解決生產(chǎn)過程中的中醫(yī)藥特征標識困難、識別率低等問題；2.面向中醫(yī)藥智能工廠的AGV移動機器人的環(huán)境建模與路徑規(guī)劃，解決中醫(yī)藥的柔性生產(chǎn)線的產(chǎn)線場景變化、人機共融環(huán)境易干擾的問題；

3.研究高安全性的機器人一體化關(guān)節(jié)及控制方法，滿足中醫(yī)藥生產(chǎn)中的小批量、多品種對人機混線生產(chǎn)的安全性要求。經(jīng)自主技術(shù)研發(fā)，解決了小批量、多品種生產(chǎn)環(huán)境中的多項關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）異構(gòu)機器人動態(tài)自學(xué)習抓取，（2）AGV環(huán)境建模與路徑規(guī)劃，（3）高安全性的機器人一體化柔順關(guān)節(jié)，（4）中醫(yī)藥自動化物流生產(chǎn)線集成工藝與示范應(yīng)用等。

該項目針對中醫(yī)藥智能工廠對物流機器人關(guān)鍵技術(shù)及裝備的迫切需求，攻克了小批量、多品種生產(chǎn)環(huán)境中的異構(gòu)機器人動態(tài)自學(xué)習抓取、AGV環(huán)境建模與路徑規(guī)劃、高安全性的機器人一體化柔順關(guān)節(jié)、中醫(yī)藥自動化物流生產(chǎn)線集成工藝與示范應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)難題，主要創(chuàng)新點包括：（1）發(fā)明了一種面向中醫(yī)藥多品種的智能機器人抓取系統(tǒng)，提升了機器人動態(tài)抓取的可靠性和穩(wěn)定性，提高了復(fù)雜形態(tài)的中醫(yī)藥產(chǎn)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(guān)節(jié)PID+SMC相融合的控制技術(shù)，研制出一種可變剛度的柔性機器人一體化關(guān)節(jié)，提高了機器人的安全性和柔順性。（3）提出了基于激光導(dǎo)航與磁點導(dǎo)航復(fù)合的機器人全局路徑規(guī)劃方法，研制了面向中醫(yī)藥車間復(fù)雜環(huán)境的機器人高效地圖繪制系統(tǒng)，提高了移動機器人的重復(fù)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(yè)自動調(diào)度系統(tǒng)的互聯(lián)互通與交互集成技術(shù)，研制了面向中醫(yī)藥智能工廠的藥品生產(chǎn)、分揀、儲運全流程的物流配送系統(tǒng)，并在同仁堂健康藥業(yè)等中醫(yī)藥企業(yè)中實現(xiàn)集成應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

在面向中醫(yī)藥智能工廠的中醫(yī)藥生產(chǎn)、分揀、儲運全流程的集成工藝與示范應(yīng)用，中醫(yī)藥生產(chǎn)實現(xiàn)全周期自動化運行；提高了生產(chǎn)效率，降低了不良品率?？蒲谐晒矫妫擁椖揩@授權(quán)國家發(fā)明專利11項、軟件著作權(quán)7項，制定國家標準2項、團體標準3項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文19篇，出版專著2本。

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(shù)難度大，創(chuàng)新性強，實現(xiàn)了面向中醫(yī)藥生產(chǎn)的自動化物流生產(chǎn)線的物流機器人關(guān)鍵技術(shù)的突破，并在同仁堂健康藥業(yè)等中醫(yī)藥企業(yè)實現(xiàn)了示范應(yīng)用，項目總體技術(shù)達到國際先進水平，其中在基于柔性關(guān)節(jié)的復(fù)雜形態(tài)中醫(yī)藥產(chǎn)品抓取技術(shù)、中醫(yī)藥產(chǎn)品的分揀和物流儲運集成應(yīng)用技術(shù)等方面達到國際領(lǐng)先水平。”

參觀調(diào)研同仁堂健康藥業(yè)的自動化物流車間與AGV

記者：通過自身經(jīng)歷，您認為如今科研和教學(xué)工作的最新發(fā)展趨勢是怎樣的？作為科研項目帶頭人和培養(yǎng)人才的園丁，研究員和博導(dǎo)應(yīng)該體現(xiàn)怎樣的作用？

陶永：結(jié)合自身的經(jīng)歷和體會，我認為在大學(xué)的教學(xué)科研中，尤其是理工科的教學(xué)科研中，科研工作會越來越凸顯重要的作用。以北航為例，現(xiàn)在在本科教學(xué)和研究生教學(xué)階段就推出了相當課時的科研課堂的教學(xué)活動，鼓勵本科生或低年級的研究生在學(xué)習基礎(chǔ)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(chǎn)線的相關(guān)研究，都是多學(xué)科交叉的課題，涉及學(xué)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(shù)現(xiàn)在也在快速迭代發(fā)展，相關(guān)的科研課題和前沿技術(shù)，不可能完全從書本中獲取，需要研究人員，包括學(xué)生在更多的實踐中去體會和探索。例如，我們做復(fù)合機器人和移動操作機器人的相關(guān)研究工作，對于機器人環(huán)境建模、建立地圖、定位、路徑優(yōu)化的課題，都可以在科研課堂的相關(guān)活動中體現(xiàn)出來，讓同學(xué)有更直觀和深刻的理解和認識。

在這個過程中，導(dǎo)師的引導(dǎo)作用是非常重要的。作為導(dǎo)師，需要對大的宏觀環(huán)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(dǎo)對機器人領(lǐng)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(guī)劃中提到物流的發(fā)展規(guī)劃，國家對智能制造的高度重視等。根據(jù)對社會需求、政策指引和國際研究前沿的綜合分析，我們現(xiàn)在主要做復(fù)合機器人、協(xié)作機器人等領(lǐng)域的科研攻關(guān)，大的方向就是把最新的信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器和微電子技術(shù)、自動化技術(shù)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(fā)展。

記者：您認為怎樣才能創(chuàng)造良好的產(chǎn)學(xué)研模式？

陶永：我認為，良好的產(chǎn)學(xué)研模式需要產(chǎn)業(yè)界（企業(yè)）和學(xué)術(shù)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(chǎn)學(xué)研合作才能形成多贏局面。從企業(yè)的角度看，規(guī)模比較大、實力比較強的企業(yè)，能夠有較大的財力投入到研發(fā)工作當中去。而一些中小規(guī)模的企業(yè)，在新產(chǎn)品開發(fā)等方面，更應(yīng)該依靠或利用現(xiàn)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(fā)或創(chuàng)新，這樣更有利于企業(yè)在資金和研究力量有限的情況下做創(chuàng)新發(fā)展。

從高校的角度看，企業(yè)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(yè)到底需求是什么？通過與企業(yè)的合作，能夠找到實際生產(chǎn)或商業(yè)運作中真正的難點問題。了解到企業(yè)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(guān)。

另外，由于與企業(yè)有緊密合作關(guān)系，我們的科研成果，如相關(guān)的技術(shù)和算法，都有很大機會在企業(yè)的產(chǎn)品和運營中去應(yīng)驗，最終進一步反饋和提升我們的成果。這樣，學(xué)術(shù)科研工作就與企業(yè)的研發(fā)和經(jīng)營工作形成了一種互補的關(guān)系。

我認為，產(chǎn)學(xué)研的合作方式可以是多種多樣的。根據(jù)雙方的合作協(xié)議和約定，相關(guān)的科研成果可以轉(zhuǎn)讓，也可以授權(quán)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(wù)社會。除了和企業(yè)合作，高校的科研還經(jīng)常與相關(guān)機構(gòu)合作，或為權(quán)威機構(gòu)做技術(shù)支持。如，我們的機器人技術(shù)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(wù)這個領(lǐng)域的相關(guān)企業(yè)或客戶。

記者：怎么保證研究成果具備適合市場需求的經(jīng)濟性和適用性？

陶永：：高校做相關(guān)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(fù)雜的算法，總之就是要先試驗設(shè)計的方式方法是否能實現(xiàn)功能，驗證研發(fā)的道路是否可以走通。然后，再在保證實現(xiàn)功能的前提下，通過各種優(yōu)化的方法提高性價比，進行適應(yīng)市場需求的調(diào)整。例如，可以試驗把已開發(fā)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(qū)動電機、控制器、外部傳感器的價格，降低設(shè)備或系統(tǒng)的整體成本。如今的微電子技術(shù)發(fā)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(yīng)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(shè)備后端的算法和軟件系統(tǒng)，這是體現(xiàn)研發(fā)水平的核心部分，也是體現(xiàn)企業(yè)核心競爭力的地方?？偟膩碚f，我認為通過校企結(jié)合，充分發(fā)揮雙方各自的特點和優(yōu)勢，是做好工業(yè)自動化科研，做好智能機器人研發(fā)比較好的方式。

記者：最后請您介紹一下智能機器人技術(shù)未來的發(fā)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(shù)是個難題，我們通過算法優(yōu)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(shù)方案不用增加太多的設(shè)備和成本，實用價值很大。

我們另外一個重點研究方向是復(fù)合移動機器人的研發(fā)，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(shè)備，末端還可以設(shè)置不同的抓手。傳統(tǒng)的機械臂機器人都是固定位置作業(yè)的，增加了移動功能后，這種復(fù)合機器人的應(yīng)用場景就大大增加了，例如可以在3C行業(yè)機床上下料的工藝環(huán)節(jié)中應(yīng)用。這個環(huán)節(jié)之前幾乎都需要人力來操作，如果實現(xiàn)復(fù)合機器人的應(yīng)用解決方案，這個過程就可以實現(xiàn)無人化，從而進一步提高3C產(chǎn)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(shù)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(shù)將在更廣泛的場景中得到驗證和優(yōu)化。