陜西省智能機器人重點實驗室發(fā)展紀實
2016-08-29 18:46:17
來源：西部決策網
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致力機器人產業(yè)促陜西兩化融合——陜西省智能機器人重點實驗室發(fā)展紀實
西部決策網訊（王瑞鵬 黃超）近兩年，隨著國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)的提出，兩化融合的穩(wěn)步推進，中國智能制造裝備領域得到了全社會范圍的廣泛關注。隨著產品性能提升的內在需求增加和中國勞動力價格上漲，產業(yè)轉型升級的壓力不斷加大。工業(yè)機器人作為智能制造領域的代表，在產業(yè)轉型升級的過程中正發(fā)揮著越來越重要的作用。
特別是在2015年5月19日，國務院印發(fā)布《中國制造2025》規(guī)劃之后，更是將機器人產業(yè)提升到新的高度。規(guī)劃指出，圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人、特種機器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用需求，積極研發(fā)新產品，促進機器人標準化、模塊化發(fā)展，擴大市場應用。突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統(tǒng)集成設計制造等技術瓶頸。對此，業(yè)內分析，機器人產業(yè)將迎來利好，獲得黃金發(fā)展周期。
為推進陜西省“兩化融合”進程和機器人產業(yè)發(fā)展,提升陜西省科技創(chuàng)新能力與產業(yè)競爭力，陜西省智能機器人重點實驗室成立于西安交通大學，并依托西安交通大學的優(yōu)勢，開展智能機器人的研究與應用工作。
尖端團隊助力機器人產業(yè)發(fā)展
目前，陜西省智能機器人重點實驗室擁有約41臺(套)實驗用儀器設備,總價值約2000萬元。實驗室還擁有固定人員35人,其中高級職稱19人,占比為54.3%；博士學位26人,占比為74.3%，長江學者1名。如今，實驗室已形成了一支以中國科學院院士丁漢為學術委員會主任，長江學者梅雪松教授為實驗室主任，武通海教授、王飛副教授為實驗室副主任，以及呂毅教授、馮祖仁教授、徐光華教授、陳花玲教授、張小棟教授、王朝暉教授、賈書海教授、徐海波教授、姜歌東教授、李兵教授等為學術帶頭人的專業(yè)團隊，致力于機械工程、自動控制等領域的研究。
多年來，陜西省智能機器人重點實驗室還致力于人才的培養(yǎng)，目前擁有在讀博士研究生32名、碩士研究生63名;近5年來共培養(yǎng)出博士研究生26名、碩士研究生120余名，為我國機器人產業(yè)作出了重要的貢獻。
梅雪松教授介紹，陜西省智能機器人重點實驗室的建設，主要為了解決機器人在符合陜西省行業(yè)特點的開發(fā)應用中的關鍵技術問題，為陜西省機器人產業(yè)發(fā)展提供技術支撐和引導，實現關鍵技術成果的轉移、轉化和產業(yè)化應用。“我們的目的就是將實驗室建成國內知名的具備原創(chuàng)能力的研發(fā)基地及機器人技術高層次人才培養(yǎng)基地。”梅雪松教授說道。
目前，陜西省智能機器人重點實驗室主要涉及機器人智能運動控制理論與自主決策、機器人核心功能部件失效機理與評價、多信息融合的機器人智能感知與人機交互及機器人仿生學研究與機構創(chuàng)新設計四個方向的研究。
在機器人智能運動控制理論與自主決策方面，陜西省智能機器人重點實驗室主要研究機器學習理論與實現；機器人運動控制參數的智能優(yōu)化與自適應調整；機器人運動路徑規(guī)劃與行為自主決策及工業(yè)機器人多種作業(yè)的智能末端執(zhí)行器作業(yè)一體化系統(tǒng)原理。在這一方面，實驗室提出了典型機器人智能運動控制理論與自主決策方法，開發(fā)機器人智能化實際應用技術，最終實現集成機、電、液、氣、光等多種接口的智能末端執(zhí)行器結構設計及智能末端執(zhí)行器的作業(yè)規(guī)劃與控制技術。
在機器人核心功能部件失效機理與評價方面，實驗室主要研究機器人減速器失效機理研究；工業(yè)機器人執(zhí)行部運動精度的檢測與評價；高精度機器人關節(jié)減速器性能檢測與評價及機器人運動控制系統(tǒng)與性能評價。在這一方面，實驗室設計出了優(yōu)化與協(xié)同制造出高精度、長壽命、大剛度的機器人關節(jié)減速器，開發(fā)出了總線和碼盤協(xié)議兼容性好、抗干擾能力強的高速高精度工業(yè)機器人專用伺服控制系統(tǒng)。
在多信息融合的機器人智能感知與人機交互方面，實驗室主要研究多傳感信息融合的機器視覺與感知技術；人-機器人交互理論研究與應用及基于多源生物信號的機電系統(tǒng)控制理論與應用。實驗室將通過研究多傳感器感知技術，生機電協(xié)同控制與動態(tài)補償技術，實現人機運動的動態(tài)協(xié)同，初步實現基于腦機接口的服務機器人原型樣機，如：上肢和下肢康復機器人、助老伴行機器人、救援機器人及超微創(chuàng)手術機器人、ICU重癥護理機器人產品。
而在機器人仿生學研究與機構創(chuàng)新設計方面，實驗室主要研究行走機理與動物視覺的仿生實現理論與方法；機器人運動機構創(chuàng)新設計及機器人仿生驅動與實現。在這一方面，實驗室開發(fā)了基于柔性智能材料驅動的機器人，爬行軟體機器人系統(tǒng)。在這一領域，實驗室通過研究軟體機器人運動學、動力學非線性建模及分析方法，形成了“材料-結構-運動-傳感”一體化的軟體機器人設計方法。
專注、專業(yè)，機器人領域顯身手
憑借著專業(yè)的科研團隊及依托西安交通的大學的優(yōu)勢，陜西省智能機器人重點實驗室取得了許多令人矚目的科研成果。
在機器人基礎科學與共性技術上，實驗室完成了介電彈性體材料的研究、石墨烯智能機器人光致驅動效應、石墨烯智能機器人的仿生應用研究、關于智能感知的研究、腦機接口技術研究、機器人控制技術研究、機器人在線測試研究、機器結構設計理論研究、機器人關節(jié)減速器研究。關于介電彈性體材料DE的介電特性研究，實驗室主要圍繞DE材料的介電性能展開了基礎性研究,研究了介電常數、介電損耗、電導率等因素對該材料介電特性的影響規(guī)律；在石墨烯智能機器人光致驅動效應的研究上，實驗室設計了聚合物雙層微致動器結構,實現光致驅動器。研究了石墨烯智能機器人光致驅動機理及驅動性能,建立了光-機-電-力耦合驅動模型；在石墨烯智能機器人的仿生應用研究上，實驗室開發(fā)了光致驅動的仿生魚平臺；關于智能感知的研究，實驗室面向復雜環(huán)境的視覺應用的多目標檢測、識別及追蹤以及立體匹配的計算模型方面獲得了一批國際水平的研究成果；同時，實驗室采用視覺芯片技術,解決視覺、視頻和圖像分析處理中所面臨的并行計算依賴和存儲效率限制等難題；在腦機接口技術研究上，實驗室提出了基于牛頓環(huán)的穩(wěn)態(tài)振蕩運動刺激范式,構建了穩(wěn)態(tài)運動視覺誘發(fā)電位提取算法。還提出了相應的頭皮腦電信號噪聲去除、微弱癲癇波檢測以及癲癇發(fā)作先兆捕捉方法。并構建運動想象控制小球運動的腦機接口實驗范式；在機器人控制技術研究上，實驗室開發(fā)了可用于機器人運動控制的開放式運動控制器、伺服驅動器；在機器人在線測試技術研究，實驗室開發(fā)了機器人綜合動態(tài)特性在線測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)可實現西門子、NUM、海德漢等機器人數控系統(tǒng)運動過程中各軸位置、速度、電流信號的在線實時測量,可用于機器人末端誤差溯源與分離、伺服優(yōu)化、裝配情況評估等；在機器結構設計理論研究上，實驗室利用二維內力流建模方法分析了平板結構中內力渦流的形成與傳遞規(guī)律,并對載荷傳遞路徑的數值構造原理?？偨Y歸納了承力生物體的典型結構特征,基于等應力定律提出了仿生優(yōu)化設計方法,并應用于仿生機器人的優(yōu)化再設計當中；在機器人關節(jié)減速器研究上，實驗室研究了諧波減速器關鍵零件柔輪的變形與應力分布,傳動誤差和摩擦信息提取方法;研制開發(fā)了用于系列諧波減速器性能測試試驗臺的測試系統(tǒng)。
在工業(yè)機器人應用上，實驗室研究出了基于工業(yè)機器人的纖維鋪放系統(tǒng)，固體火箭發(fā)動機絕熱層自動粘貼機器人技術，基于自動機械手的汽車旁通閥自動裝配線設計，單腿跳躍機器人、關節(jié)式機械手、并聯(lián)機器人及巡檢機器人。關于基于工業(yè)機器人的纖維鋪放系統(tǒng)，實驗室研制了7自由度機器人式纖維鋪放系統(tǒng);提出紫外光/電子束原位固化,提高制造效率30%;無需熱壓罐、降低制造成本15%,降低能耗60%，電子束固化微波強化復合材料層間強度,層間剪切強度提高15%；實驗室研制的自動粘貼機器人能完成各種尺寸型號的固體火箭內壁絕熱層的粘貼,不僅能夠完成粘貼的任務,而且對粘貼工藝的研究提供了條件；實驗室進行的單腿跳躍機器人、關節(jié)式機械手、并聯(lián)機器人等設計與開發(fā),完成了系統(tǒng)的自行設計、制造以及組裝,實現了系統(tǒng)位姿或位臵的運動控制；實驗室研制的本巡檢機器人,可運用于特殊工作環(huán)境下的巡檢。
在服務機器人應用領域，實驗室成功研發(fā)了智能輪椅、基于腦機接口的康復機器人、腦控假肢、基于運動想象的機械手控制、外骨骼機器人、助老伴行機器人、無人機飛控系統(tǒng)平臺及手術機器人。智能輪椅是基于SSVEP和P300的智能輪椅控制導航系統(tǒng)的開發(fā),實現腦電信號對輪椅的前進、后退、左轉、右轉等的精確控制。同時，實驗室研發(fā)的智能輪椅實現了基于SSVEP和P300的智能輪椅控制導航系統(tǒng)；基于腦機接口的康復機器人是針對生物運動視覺刺激誘發(fā)的混合BCI康復訓練技術展開研究,深入探討并研究及試驗構建了各種視覺刺激腦機接口新范式設計；腦控假肢是基于PC的BCI驅動的神經義肢手驅動控制系統(tǒng)，開發(fā)出的基于E-MOTIVE便攜腦電采集系統(tǒng)的智能腦控假肢系統(tǒng)；通過開展腦肌多源信息的運動意圖、位姿感知認知、交互控制和生機電一體化系統(tǒng)集成技術的研究，實驗室研發(fā)出了外骨骼機器人。
面對未來，創(chuàng)新不止
2015年，在西安交通大學王樹國校長和鄭南寧院士倆位我國著名機器人專家的支持下，西安交通大學的智能機器人實驗室成為陜西省重點實驗室，這使實驗室成為陜西在機器人領域最權威的研發(fā)機構。但實驗室主任梅雪松教授卻表示：“我們雖然取得了一定的成就，但我們并不會因此而止步。我們未來的目標是，2020年成為省級示范單位，2025年成為國內領先的，創(chuàng)新研究中心。”
談及未來發(fā)展時，梅雪松教授還表示：“面對未來，陜西省智能機器人重點實驗室力爭通過3-5年的建設，使機器人重點實驗室的面積達到5000平方米，固定科研人員達到60人，科研儀器配置滿足各個研究方向的需求，并能為陜西省機器人產業(yè)的發(fā)展、產品開發(fā)提供規(guī)劃與咨詢、測試、分析與評價等方面的技術服務。”
此外，陜西省智能機器人重點實驗室還將積極開展國內外學術交流，召開機器人國際學術交流會議，在學術界形成影響；同時，積極組織申報國家重大需求課題，力爭獲得國家級等機器人研究方面的重點研究課題的支持，在有關機器人基礎研究方面發(fā)表高水平學術論文。“實驗室將積極拓展與國內在智能機器人技術有優(yōu)勢的高校、科研院所與企業(yè)開展產學研合作，爭取在三年時間內，形成5-6家高?；蚩蒲袌F體的產學研合作和交流機制。積極加強國際交流，力爭與2家以上國際一流企業(yè)或者科研院所建立合作關系，建立訪學與技術的交流機制。”梅雪松教授說道。
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