機器人的未來在中國
——記中國科學院寧波材料技術與工程研究所副所長楊桂林

祝傳海

楊桂林

西周時，能工巧匠偃師用動物皮、木頭、樹脂制作的能歌善舞的伶人，據說是中國乃至世界上最早記載的機器人雛形。人類對機器人的幻想與追求已有幾千年的歷史，然而世界上第一臺工業(yè)機器人的問世卻是近幾十年的事。

現代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展。自1946年第一臺數字電子計算機問世以來，計算機技術取得了驚人進步,大批量工業(yè)化生產的迫切需求又推動了自動化技術的進展，兩者發(fā)展的結果之一便是1952年數控機床的誕生。與數控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。工業(yè)機器人的控制方式與數控機床雖然有些相似，但外形特征迥異，它更類似人的手臂，具有更好的操作靈活性。隨著技術的不斷發(fā)展，機器人在功能和技術層次上有了更大的提高，水下機器人、空中機器人、空間機器人等各種用途的機器人相繼問世。

人類及其他物種有進化史，機器人同樣也擁有自己的進化史。人工智能時代，機器人的進化會走向何方？對此，致力于機器人與智能制造技術研究的中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱“寧波材料所”）副所長楊桂林談了他的看法：“機器人的感知認知能力會更強，智能化程度會更高，融合性會更好，適應性也會更強。在應用場景從‘粗活’向‘細活’轉變的同時，其使命也會從‘機器換人’向‘與人共融’方向轉變。安心、安全地與人在同一工作空間內并肩執(zhí)行任務將是機器人未來發(fā)展的一個趨勢?！?/p>

海外18年：邁入機器人新領域

作為機器人及制造自動化領域有影響力的學者之一，在2013年全職回國前，楊桂林曾有一段長達18年的海外求學和工作經歷。

1981年，16歲的楊桂林考入吉林工業(yè)大學，在工程機械專業(yè)學習。4年后，他以優(yōu)異成績留校繼續(xù)攻讀碩士學位。1988年，研究生畢業(yè)的楊桂林成為石家莊鐵道學院工程機械專業(yè)的一名教師，隨后成長為教研室主任、系副主任。7年的教學、科研工作讓他逐漸意識到，未來的制造裝備必然是機電一體化系統(tǒng)，而單純的機械知識已經很難應對未來的挑戰(zhàn)。在機電系統(tǒng)設計與控制方面的知識欠缺，讓楊桂林堅定了繼續(xù)深造的想法，1995年，他如愿被新加坡南洋理工大學錄取為博士研究生，并從工程機械領域轉到了機器人研究領域。博士學業(yè)完成后，楊桂林加入新加坡制造技術研究院機械電子研究室，用15年的時間從副研究員成為高級科學家和研究室主任，領導了一系列重要科研項目的開展。

在新加坡的18年，是楊桂林知識積累和科研能力迅速提升的18年。3年的博士生涯，為他從事機器人和智能制造裝備研究打下了堅實的理論基礎。15年的工作生涯，使他的科研能力和水平得到了不斷提高，并取得了不錯的成績。針對現有工業(yè)機器人在制造自動化應用中所存在的問題，楊桂林帶領團隊系統(tǒng)地研究了工業(yè)機器人運用技術，主要包括：提高易用性的直覺示教與快捷編程技術，提高絕對定位精度的運動標定與誤差補償技術以及拓寬應用范圍的力-運動混合控制技術等。楊桂林還系統(tǒng)建立了模塊化可重構機器人理論，把機器人變成了“積木”，可以根據使用需求進行重組重構，打破了傳統(tǒng)機電設備不能改變構型的弊端，并在國際著名學術刊物上發(fā)表了多篇高水平的學術論文。成果不斷獲得認可，激勵著楊桂林在科研的道路上越走越堅定；而在科研管理上，包括科研規(guī)劃、團隊建設、項目管理能力的不斷增強，又為他回國承擔管理工作積累了寶貴的經驗。

正當楊桂林在新加坡的事業(yè)蒸蒸日上時，他做了一個決定——回國發(fā)展。這個讓不少同行感到意外的選擇，在他本人看來，卻是極為自然的事，因為家國情懷使然。

貴人相助：打消顧慮毅然回國

雖在國外多年，但楊桂林卻始終關注著國內的發(fā)展，尤其是機器人技術的發(fā)展。他先后擔任過上海交通大學、北京航空航天大學、華南理工大學等國內高校的客座教授，與國內的大學和科研單位一直保持著密切的合作關系。對祖國的發(fā)展，楊桂林了然于心，所以2013年做出回國的決定時，除愛國情懷外，他還有一些理性的考慮。

楊桂林說：“我們雖然在機器人及自動化技術方面取得了較好的科研成果，但由于新加坡制造業(yè)規(guī)模較小，真正實現成果落地轉化，在工程應用中推廣，其實面臨著很大的局限。然而，中國制造業(yè)的快速發(fā)展和壯大，為我們這些從事先進制造的科研人員提供了更為寬闊的發(fā)展空間?！?/p>

在實驗室指導團隊科研人員

2012年的一次機緣巧合堅定了楊桂林回國的決心。那一年，寧波材料所所長崔平帶隊到新加坡招聘，為正在籌建的先進制造所物色人才。寧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，還需把材料做成器件，把器件做成裝備，這就必然需要先進制造技術，于是在寧波材料所二期建設中籌建先進制造所被提上了日程。

事先并不知道有招聘這件事的楊桂林，臨時受薛群基院士的學生之托，幫忙接待了寧波材料所崔平所長一行的來訪，正是這次接待促成了他的回國?！跋虼匏L匯報我們的一些科研方向、成果時我發(fā)現她對我講的東西特別關心，包括我們的科研管理體制、研究所的組織架構和項目組織管理，各方面的情況問得都很清楚?！睏罟鹆钟浀媚翘焖齻兪窍挛?點鐘來的，晚上快8點鐘才離開，四五個小時里招聘團隊一直在跟他討論，那天大家談得很投入也很融洽。

言談中，崔平所長還詳細介紹了寧波材料所的發(fā)展狀況及建所理念。楊桂林了解到，寧波材料所是中科院與浙江省、寧波市聯(lián)合共建的一個研究所，定位是把科技轉化為生產力，重點研發(fā)能夠推動產業(yè)發(fā)展的技術，研究成果最后要能夠落地，這些理念與他的想法非常契合。令他沒有想到的是，崔平所長回國后，立即發(fā)了一封郵件給他，邀請他加入寧波材料所，雖然覺得有些突然，但楊桂林覺得這件事確實值得考慮。之后，崔平所長又真誠地邀請他去所里考察，考察時楊桂林發(fā)現寧波的制造業(yè)發(fā)展得非常好，寧波材料所的發(fā)展也是蒸蒸日上，充滿活力，他當時就決定加入進來。

回國前，楊桂林最大的顧慮是國外的科研體制和國內不太一樣，擔心水土不服，尤其是新加坡的研究所，它的科研經費是以政府撥款為主，不用在爭取項目上花費太大精力，可以更專注地做科研。國內因為國家大、資源少、競爭激烈，楊桂林顧慮回來后能不能生存下去?！耙驗榧词鼓阌泻芎玫陌l(fā)展規(guī)劃，但如果爭取不到資源，也做不起來。為什么最后顧慮打消了？一是對自己的能力還有一些信心，二是所里對我的加入付出了很大的努力，先是為我提供了1000萬元科研啟動經費，后又協(xié)助我組建團隊并成功獲得了寧波市‘3315計劃’高端創(chuàng)新團隊的支持，而這些支持是在我還沒有正式報到前就基本落實了。這對我來說意義實在是太大了，寧波材料所的鼎力支持和寧波市的引才政策讓我放下了所有的顧慮?！睏罟鹆指锌?。

自主創(chuàng)新：致力核心技術研發(fā)

在機器人的世界級競技中，無論技術水平還是產業(yè)模式我國都還落后于美、日、德等發(fā)達國家。與傳統(tǒng)制造業(yè)不同，機器人制造屬于高端制造領域，其制造技術具有難度高、跨度大和范圍廣等特點。由于在伺服電機、減速機、控制器等核心零部件上受制于人，我國機器人企業(yè)99%以上集中在系統(tǒng)集成領域，在很大程度上存在著高端產品低端化的現象。

楊桂林認為造成這種局面的主要原因在于，我國機器人產業(yè)的制造基礎依然薄弱，缺乏精密加工裝備、先進制造工藝以及嚴格的質量檢測與保證手段，致使國產機器人關鍵零部件及系統(tǒng)的精度、可靠性和使用壽命都不如國外產品。此外，在高性能電力電子元器件、控制芯片以及控制軟件等方面也有所欠缺，進一步加深了我國機器人產業(yè)的對外依存度。所以，提高機器人核心零部件的制造水平及控制軟件的研發(fā)能力是解決我國機器人產業(yè)低端化的關鍵。

面向我國制造業(yè)的重大需求，憑借自己在機器人及自動化技術領域的長期積累與優(yōu)勢，回國后的楊桂林帶領團隊致力于機器人與智能裝備技術研究，已承擔國家、科學院、省市政府及重點企業(yè)委托等項目60余項。隨著項目的展開，平臺的建設也在有條不紊地進行，現已建成永磁電機、精密伺服驅動、智能感知、機器人控制以及機器人系統(tǒng)集成與應用等技術研發(fā)平臺。

在科研項目和研發(fā)平臺的助力下，楊桂林在精密驅動與控制技術、多自由度微納操作機器人、模塊化機器人、四自由度高速高精并聯(lián)機器人、繩驅動變剛度機器人、高通過性全向移動機器人、工業(yè)機器人運用技術以及協(xié)作機器人技術等研究工作中取得了一系列突破性的進展。

他創(chuàng)新性地提出了基于對偶磁極設計高性能音圈電機的理論與方法，有效地提高了音圈電機驅動力，進而發(fā)明了一系列采用柔性機構支撐的大推力、高精度音圈電機，拓展了音圈電機應用范圍。該項成果在2014年獲得被譽為科技創(chuàng)新“奧斯卡獎”的“R&D100 Award”（全球百大科技研發(fā)獎）。

他創(chuàng)新性地提出了融合機構構型綜合和結構拓撲優(yōu)化方法的多自由度柔性微納米操作機器人的集成設計方法，即先通過并聯(lián)機構構型綜合理論進行多自由度柔性機構的構型設計，進而采用結構拓撲優(yōu)化方法進行柔性支鏈及關節(jié)的結構優(yōu)化設計，顯著地提高了多自由度柔性機構的性能，有效地解決了空間多自由度柔性機構難于實現拓撲結構優(yōu)化的問題。

以圖論、李群及李代數為基礎，通過系統(tǒng)研究模塊化可重構機器人理論，楊桂林提出了模塊化串、并聯(lián)機器人分析與設計的一系列原創(chuàng)性方法，如基于運動學圖及裝配關聯(lián)矩陣的機器人構型描述方法，基于局部指數積公式的運動學、動力學自動建模方法及運動學校準及誤差補償方法，基于微分幾何的機構工作空間分析方法，面向任務的機器人構型及尺寸綜合優(yōu)化設計方法等。他還創(chuàng)新設計了多個模塊化機器人構型，如具有對稱結構的四自由度高速高精度并聯(lián)機器人，六自由度解耦并聯(lián)機器人等。

以凸分析理論為基礎，在系統(tǒng)研究了繩驅動并聯(lián)機器人理論后，楊桂林提出了繩驅動機器人的構型設計、力封閉分析、最優(yōu)張力分配、變剛度控制等一系列新方法。此外，他還提出了基于被動關節(jié)支撐、主動繩索驅動的輕量化變剛度機器人的構型設計及分析方法，并首次提出了利用人體骨骼結構支撐、繩索驅動的穿戴式康復機器人構型，解決了傳統(tǒng)的穿戴式康復機器人適應性差、安全性差的難題，為開發(fā)新一代本質安全、人機共融的康復及服務機器人提供了新思路。

為解決移動機器人用主動萬向腳輪的滾動與回轉運動耦合的難題，楊桂林還創(chuàng)新性地提出了通過輸入耦合實現輸出解耦的設計方法，并以此發(fā)明了解耦式主動萬向腳輪,成功研發(fā)了一系列基于解耦式主動萬向腳輪的高通過性全向移動機器人，為移動機器人家族提供了新成員?；诮怦钍街鲃尤f向腳輪的全向移動機器人也已成功地應用于吉利集團浙江羅佑發(fā)動機有限公司車間的物料搬運中，通過實施自主研發(fā)的移動機器人定位、導航、自主避障技術以及多機器人調度和協(xié)調控制技術，成功實現了車間物流的自動化和智能化。

此外，他還深入地研究了工業(yè)機器人的運用技術，開發(fā)了直覺示教、快捷編程、在線誤差補償及力—運動混合控制技術，進一步提高了工業(yè)機器人的易用性并拓寬了工業(yè)機器人的應用范圍。成功地研發(fā)了基于力控制技術的機器人化零部件的接觸式精密表面加工系統(tǒng)，并在航空發(fā)動機葉片、船用螺旋槳葉片、汽車輪轂等精密光整加工中得到了產業(yè)化推廣，被加工曲面的尺寸精度和表面粗糙度均達到相關質量標準，加工效率較人工提高一倍以上。

鑒于其在科技創(chuàng)新以及成果轉移轉化所做出的突出貢獻，楊桂林獲得了2014年“光華龍騰獎”中國設計貢獻獎銀獎和2018年中國產學研合作創(chuàng)新成果獎一等獎。

楊桂林告訴記者，未來，機器人的最大市場必然是社會服務業(yè)，為人們的日常工作和生活提供各類優(yōu)質服務，這就要求機器人要具有對非結構化環(huán)境，尤其對人類行為的感知、認知能力和安全的人機自然交互能力。對此，楊桂林帶領團隊已經開發(fā)了一系列高度集成化的智能關節(jié)、模塊化協(xié)作機器人系統(tǒng)及控制軟件，為新型協(xié)作機器人產業(yè)化奠定了基礎?！半m然目前我國機器人制造技術還不是世界最先進的，但有國家、地方對機器人技術研發(fā)的高度重視和專項支持，我們會快速掌握機器人核心技術，實現機器人高端產品的重大突破，趕超發(fā)達國家?！睂τ谥袊鴻C器人發(fā)展的未來，楊桂林信心滿滿。

求真求實：在積累中等待爆發(fā)

楊桂林認為，科研工作者最重要的品質是求真求實、開拓創(chuàng)新，無論是理論還是技術都需要在求真求實的基礎上，不斷開拓創(chuàng)新。

作為寧波材料所副所長，楊桂林無時無刻不在關注著材料所和研究所的發(fā)展壯大。寧波材料所以“料要成材，材要成器，器要好用”為指導思想，以材料為核心，以需求為牽引，將技術鏈貫穿材料上下游研發(fā)和應用，研究領域從新材料拓展到下游的新能源、先進制造與生命健康領域，建成了材料技術研究所、新能源技術研究所、先進制造技術研究所和生物醫(yī)學工程研究所4個二級研究所，形成了所本部、初創(chuàng)園、中國科學院大學寧波材料工程學院、慈溪醫(yī)工所和杭州灣研究院“五位一體”的園區(qū)布局。研究所通過實施一系列有效的人才引進培養(yǎng)計劃和措施，已從全球引進高層次人才300多人，組建了50多個創(chuàng)新團隊。目前全所有員工1048人，在學研究生1050人，在站博士后119人。經過15年的發(fā)展，寧波材料所已經初步形成了“科研技術鏈、材料應用鏈、人才培養(yǎng)引進鏈”相輔相成的架構布局，初步打通了“關鍵技術研發(fā)-工程化示范-產業(yè)化應用”的通道，集聚了一批國內外高端人才，產出了一批有影響力的科技成果，已成為了長三角地區(qū)新材料和先進制造領域最有活力的創(chuàng)新研發(fā)機構之一，得到了社會的普遍認可。

對于團隊的發(fā)展，他傾注了很大的心血。“現在團隊有正式員工31個，學生有45個，已初具規(guī)模，團隊成員中有做機械的、電子的、控制的，還有做信息技術的。我們目前迫切需要一些做智能材料、智能驅動的人才，因為我們要走的是學科交叉融合的道路?！卑滋斓臅r間基本被管理工作占據的楊桂林，將晚上的時間留給了科研、留給了學生，每天都會忙到凌晨才能入睡。“凌晨兩三點睡，早晨7點多起，我們研究所很多領導和科研人員也都是這樣，5個小時的睡眠時間對身體當然不好，但工作確實忙不過來?！彼f。

精密運動與先進機器人技術團隊合影

工作太多，留給生活、留給家人的時間就太少，楊桂林覺得自己不是一個很會處理工作和生活關系的人，好在他的太太和孩子都比較理解和支持他。“對家庭我是有愧疚的，沒有投入更多的時間去照顧她們。這么多年，不管是回國后還是回國前，太太對我一直都很支持。她是我的大學同學，成績比我好，但有了小孩后，她將主要精力放在了家庭上，所以我第一個想要感謝的人是我的太太，感謝她對我的支持和對家庭的付出?！?/p>

除了太太，楊桂林還有許多想要感謝的人。他的碩士導師楊成康教授，對待工作非常認真、嚴謹。畢業(yè)時，導師曾一個字一個字地為楊桂林修改論文，老師求真求實的工作作風，對楊桂林是一種言傳身教。他的博士導師陳義明教授，是機器人領域很知名的專家，作為陳老師的第一個博士生，楊桂林得到他非常多的指導，在對機器人領域完全陌生的情況下，是陳老師把他帶到了這一領域，并且讓他的科研水平得到迅速提升。還有老所長崔平，是她的真誠和支持讓楊桂林放下了顧慮毅然回國，是她搭起的好平臺讓楊桂林得以回國后順利發(fā)展。楊桂林也很感激現任所長黃政仁，是他的信任和支持讓楊桂林在科研和管理兩方面又有了新的進步。

對于貴人的提攜和幫助，楊桂林只有用忘我的工作、不懈的堅持，做出點滴成績作為回報。雖然深知創(chuàng)新的路途遙遠且艱難，但楊桂林愿意一步一個腳印往前走，用扎實的積累去迎接靈感爆發(fā)的那一刻。