探訪省遠程測控技術(shù)重點實驗室——

“頂天立地”做科研，東大“智造”機器人閃耀太空

新華日報 2022年2月23日 第11版

本報記者 謝詩涵 王子杰

一條長長的走廊，數(shù)十個面積不大的房間，聚焦遙操作機器人領(lǐng)域，每間房里都有著各自的“擅長”——這是記者對省遠程測控技術(shù)重點實驗室的初步印象。十二名教師，百余名學生，這個團隊同樣也是生物電子學國家重點實驗室的重要組成力量。

近年來，實驗室主任、東南大學首席教授宋愛國帶領(lǐng)的教師團隊圍繞載人航天與探月工程、核電安全工程、助老助殘康復(fù)等領(lǐng)域的重大需求，長期開展遙操作機器人的前沿基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)研究。不久前，這個團隊入選教育部第二批“全國高校黃大年式教師團隊”，辦公室里滿墻的榮譽證書和獎?wù)轮?，又增了閃亮的一筆。

“要做天上的科技，也要做民生的科技”

“傳統(tǒng)工業(yè)機器人是在既定程序下重復(fù)精準作業(yè)，但面對復(fù)雜未知的環(huán)境，傳統(tǒng)機器人達不到人類智力水平，因此需要將人的智力與機器人的適應(yīng)性相結(jié)合，從而構(gòu)建人機交互臨場感遙操作機器人?！彼螑蹏蛴浾呓忉專缭诳臻g探測、深海開發(fā)和原子能利用等領(lǐng)域，常人難以到達極限環(huán)境，因此需要通過各種傳感設(shè)備測量人肢體的運動信息，并作為控制指令去控制機器人的運動與操作；同時，再將機器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺反饋給人，實現(xiàn)人與機器人的深度耦合，使身處異地的人產(chǎn)生“身臨其境”之感。

自成立以來，團隊始終圍繞國家重大工程和民生工程開展研究。團隊研制的航天員在軌操作力測量系統(tǒng)于2016年9月隨“天宮二號”發(fā)射升空，研制的空間站大型機械臂在軌遙操作分系統(tǒng)和小型化高精度航天員在軌操作力測量系統(tǒng)于2021年4月隨空間站天和核心艙發(fā)射升空，保障了我國載人航天工程任務(wù)的實施。為了應(yīng)對老年化社會這一挑戰(zhàn)，團隊決定不僅僅要將機器人技術(shù)應(yīng)用于航天、探月等領(lǐng)域，還要將它拓展到助老助殘康復(fù)等國家重大工程與民生領(lǐng)域。

采訪現(xiàn)場，記者親身體驗了面向偏癱病人所設(shè)計的力反饋主動康復(fù)游戲、實時顯示扎針位置和深淺的力反饋虛擬針灸系統(tǒng)等產(chǎn)品，同時也被可以通過“扭腰”來保持平衡的火星車、幫助空間機械臂精準定位的觸須傳感器等“奇思妙想”所折服?！白龈呖萍佳芯?，既要頂天，也要立地?！痹趫F隊成員眼中，“頂天立地”有著兩層含義，一是瞄準行業(yè)頂尖，同時能夠?qū)⑶把乜萍悸涞兀欢羌纫觥疤焐稀钡目萍?，同時也要做民生的科技。

“我們的機器人研究事業(yè)，是用生命換來的”

1993年2月，宋愛國以博士生身份來到東南大學。在學習《機器人傳感技術(shù)》課的第一天，導師黃惟一說：“我們實驗室的機器人研究事業(yè)，是查禮冠老師用生命換來的！”那段話，至今讓宋愛國記憶猶新，并一直激勵著他。

1983年，全國第一次機器人大會在華南理工大學召開，研制了我國第一臺仿人機器人的查禮冠教授作為大會的三個主要發(fā)起人之一，和黃惟一共同參加會議。會議剛結(jié)束，兩人走在華南理工大學校園里，一輛失控的汽車撞倒兩位老師，查禮冠不幸當場遇難，黃惟一重傷昏迷。一年后，剛剛康復(fù)的黃惟一重新把機器人傳感與控制技術(shù)實驗室建了起來，實驗室從1986年開始得到國家“863”高技術(shù)計劃的持續(xù)支持，并成為“863”計劃先進制造領(lǐng)域機器人傳感技術(shù)網(wǎng)點實驗室的副組長單位。

“黃老師對于科學的態(tài)度也塑造著我們對于科學家精神的定義。”再苦再累，每個時間節(jié)點也必須按照規(guī)劃好的完成，否則一旦出現(xiàn)失誤，就會耽誤整個工程。有一次，團隊幫助航天中心測量航天員出艙的攀爬力。此前在實驗室測試時一切正常，但一到現(xiàn)場安裝后就出現(xiàn)很大誤差，按捺焦慮心情反復(fù)分析，幾天后，團隊終于找到誤差源頭；在測量航天員操作力時，航天員在測試中一腳不慎將傳感器踩壞，為了不耽誤任務(wù)，團隊緊急進行維修，同時也意識到傳感器可靠性設(shè)計的重要?！翱蒲羞^程中的每一次成功和失敗都記憶猶新。若干年后，當重新審視這些過往，每一次失敗其實都是對理論分析和技術(shù)研究的一次提升?！彼螑蹏f。

“渺小的星星，只有聚集起來才能閃耀太空”

經(jīng)過20余年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)，團隊先后研制成功高精度的機器人六維力傳感器、仿生柔性觸覺傳感器、小型化的力反饋執(zhí)行器、高精度大空間六自由度力反饋手控器、力觸覺感知數(shù)據(jù)手套等人機交互遙操作機器人核心元件或裝置以及四種類型的遙操作移動機器人系統(tǒng)，并在我國載人航天與探月工程、核電工程等重要領(lǐng)域得到應(yīng)用。

航天員在失重環(huán)境下，肌肉松弛會造成鈣流失與肌肉功能退化，生物力學發(fā)生變化，肢體出力情況跟地面相差很大。所以，“神舟七號”出現(xiàn)過開艙門困難的情況。那么，人在失重環(huán)境下肌肉到底能產(chǎn)出多大的力？之前只有美國和俄羅斯有這個數(shù)據(jù)。受中國航天員科研訓練中心的委托，宋愛國團隊從2008年開始研制高精度的多維力傳感器與航天員操作力測量系統(tǒng)，對空間站內(nèi)航天員13種操作力、36種操作方式進行精確的力測量。

2016年9月“天宮二號”上天，團隊的這一研究成果成功保障了“天宮二號”航天員的在軌訓練任務(wù)?！斑b操作”是月面巡視機器人（月球車）的四大關(guān)鍵技術(shù)之一，受航天五院和通訊與跟蹤研究所的委托，宋愛國團隊負責研制了兩套地面模擬實驗月面巡視機器人，主要研究月球車的遙操作控制算法和環(huán)境識別的感知系統(tǒng)，在“嫦娥三號月面巡視器”工程任務(wù)中立下汗馬功勞。

“在科研的浩瀚星空中，每個人就像一顆渺小的星星，只有聚集起來才能閃耀太空。”采訪過程中，宋愛國一直強調(diào)，如今的成績是屬于團隊的每一位成員。“對于我們來說，進一步探索遙操作機器人技術(shù)實際上還存在許多挑戰(zhàn)?！比绾芜M一步加強人機交互？如何提升力觸覺反饋技術(shù)？如何確保在太空、深海等復(fù)雜環(huán)境下，人機閉環(huán)通訊回路的穩(wěn)定和低延時……切實解決重大技術(shù)問題，助推遙操作機器人技術(shù)走進千家萬戶，更深層更廣闊的領(lǐng)域亟待探索。