——记哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室教授丁亮

　　□　王 辉
　

　
　　
　　还记得今年在平昌冬奥会闭幕式上惊艳亮相的中国机器人吗？当机器人的精彩表现大获成功后，“移动机器人”一词便被反复提及，并以一种陌生而又熟悉的印象出现在每个人的脑海中。“移动机器人是指什么？”“中国的移动机器人发展如何？”一连串的疑问在人们心中萌出。
　　移动机器人其实是一种具备运动能力的自动化设备，最大特点是其可在工作环境中自主运行，而不必安装在固定的位置上。虽然从外观上看，和平日能见到的机器人没有多大区别，但移动机器人的“智能化”程度可谓是机器人界的领军水平。机器人学术界还有一种说法称，如果把传统的工业机械臂称为机器人的手，那么移动机器人就是机器人的脚。无论从哪个方面，都足以证明移动机器人的重要性。
　　哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室教授丁亮正是一位每日与移动机器人“亲密接触”的科研人员，多年来，他一直致力于从事野外移动机器人及地面力学方面的相关研究，为大家讲述着移动机器人背后的故事。
　　

潜心研究移动机器人与地面力学

　　提起丁亮，就不得不提到移动机器人，从本科开始到博士毕业，再到在加拿大瑞尔森大学做访问学者，直到如今在哈尔滨工业大学机电工程学院任职，丁亮的工作都是围绕机械进行的。他与机器人也结下了深厚的情谊，带着这份“浓浓深情”，丁亮在机器人地面力学及其应用方法方面取得了多项前沿性学术成果，更在已经取得的成果基础上，拓展了星球车滑移驱动力学、转向力学以及机器人足地力学等多个新的研究方向。
　　丁亮所研究的移动机器人，通常由一台或若干台“中央控制器”来负责所有机器人正常运行的调度和协调，中央控制器会通过无线网络与所有机器人相连接，同时会对机器人下达相应的任务作业，而移动机器人自身也搭载着不同类型的环境感知模块，如激光、磁性、惯性、视觉等，此外还会有安全防护模块对其“保驾护航”，以此来实现精确的自主路线控制，并在机器人活动场地确保人员安全。
　　但机器人并不总是在相对安全的场所活动，一旦到了复杂环境下，就会有多种不可控因素产生。在复杂环境移动机器人系统的基础理论模型中，一般包括运动学、动力学、接触力学3个层面。近年来，随着国家对移动机器人研究的大力支持，再加上科研人员的不懈努力，机器人在运动学和动力学方面的发展逐渐日益成熟，然而令科研人员苦恼的是接触力学层面虽然一直是研究的热点，但同时也是亟待解决的难点问题。
　　丁亮举例解释道，如果想要将飞行器研究透彻，空气动力学就是其中的“敲门砖”，因此相对于移动机器人来说，地面力学的作用就好比空气动力学对于飞行器的作用，它不仅是决定机器人移动性能的核心要素，更是解析机器人与苛刻星球环境相互作用的瓶颈性理论基础。
　　在传统车辆地面力学理论体系已经基本建立的前提下，星球探测车、野外足式机器人的发展向地面力学发起了新一轮的“攻击”。丁亮直面挑战，他围绕机器人地面力学以及应用方法这一前沿核心问题，将星球探测车、足式机器人等作为重点研究对象，系统开展了机器人与地面相互作用力学试验、机器人地面力学行为建模及参数辨识、基于多物理模型的机器人系统设计方法等多方面的研究，形成了“试验—理论—应用”紧密结合的系统化研究方向，并取得了多项创新性的突破成果。
　　丁亮提到，研究机器人地面力学，实验研究是其中的重要基础，一般来说，国际上主要是针对传统地面力学理论在机器人中的应用及模型试验来进行验证的，但却缺乏针对星球车车轮滑转和滑移驱动所开展的系统化试验研究，另外在车轮转向力学和机器人足地作用力学方面的试验研究也处于空白状态。丁亮针对这些问题，成功建立了星球车车轮转向和滑移力学试验方法，利用该方法揭示了车轮滑转、滑移驱动及转向力学的机理，基于单轮测试台开展了纵向滑转、纵向滑移、转向、侧偏前进力学试验。他还基于整车开展了上坡、下坡、横过斜坡、平地强制滑转试验的体系。在系列化轮地作用力学试验基础上，他揭示了车轮滑转、滑移与转向力学规律，突破了传统的滑转—滑移力学对称性假设，进一步揭示了“滑转阶段推力与阻力反向，滑移阶段同向”的非对称性机理及“阻力系数关于s对称”的机理。此外，丁亮建立了机器人足地作用力学试验体系，揭示了足地相互作用力学的基本规律，并在国际上率先开展了软足—硬地、硬足—软地、软足—软地相互作用过程中的法向准静态承压、法向动态冲击、切向滑移运动等多工况试验，揭示了切向驱动力、法向力、滑动位移之间的非线性关系。
　　接下来，丁亮在取得的成果基础上，建立了综合考虑多重物理效应的高精度星球车轮地作用驱动和转向力学模型，利用该模型成功解决了星壤参数高逼近度完备辨识的难题，更在地面力学基础上，在国际上首创了机器人足与松软地面作用力学模型。其中，他建立的松软崎岖地形环境中综合考虑多重物理效应的星球车轮驱动和转向力学高精度计算模型，实现了对于法向支持力、挂钩牵引力和驱动阻力矩的高精度预测，值得一提的是，预测的综合误差小于10%。另外，他建立的车轮转向正、剪、推土应力分布模型则揭示了转向阻力矩与车轮参数、法向载荷、沉陷量之间的非线性关系。他还进而推导出了驱动力学封闭解析解耦模型，提出了三种模型全参数辨识方法，实现了星壤力学特性参数的高逼近度辨识。
　　与此同时，丁亮表示，野外轮式和足式移动机器人系统面临的技术难题也是他始终难以放下的一块“心病”，为此，他基于地面力学，相继开展了系统设计、仿真分析、移动控制等多方面的研究。经过反复试验和系统研究，他成功建立了地面力学在星球车等移动机器人中的应用方法，最终实现了基于地面力学的机器人系统设计与评价、高保真度仿真和冗余驱动控制。
　　

走向高效应用之路

　　丁亮在机器人及地面力学方面收获颇丰，获得的一系列成果也相继得到成功应用，他用自己的力量为他所研究的移动机器人佩戴上多个荣誉徽章。
　　一方面，他将研究所得的成果投入到“玉兔号”月球车的研究中，他参与研制的六轮摇臂转向架式月球车移动系统工程样车在珠海航展和中央电视台“银河系之夜”亮相后，被确定为我国“嫦娥”探月工程中“玉兔”号月球车的移动系统构型方案。之后，丁亮又参与研制了具有我国自主知识产权的八轮差动—扭杆弹簧式月球车。接下来，他在与中国空间技术研究院和上海航天技术研究院展开合作期间，负责完成了“玉兔号”的车轮性能测试及车轮参数优化设计，他基于地面力学，为月面巡视器“低重力模拟系统”开发提供了月球车性能分析和试验误差分析方法，为我国“嫦娥”二期探月工程中“玉兔号”月球车的研发做出了重要贡献。
　　另一方面，丁亮所在的哈尔滨工业大学与中国空间技术研究院合作开展了火星车移动系统的研究。为了解决陷车等问题，丁亮主持了“火星车车轮组件结构设计验证、土槽力学试验测试及沉陷机理分析”与“基于控制的火星车移动机构运动学建模”这两项中国火星探测任务课题，完成了基于地面力学的火星车车轮参数优化设计与轮刺布局设计，开发了高保真度实时火星车仿真平台，对火星车在松软崎岖火星环境中运行的力学性能进行了仔细分析。据悉，目前丁亮与团队正进一步开展火星车轮地力学建模及星壤参数反演、高保真度仿真及遥操作、防滑转自陷及脱陷控制策略等方面的研究。
　　而在野外重载足式机器人研究方面，丁亮也不甘示弱。他进行了系统总体设计、作用力学及仿真、系统试验及评价等研究，研究中，他基于地面力学，解决了重载足式机器人通过大坡度斜坡的技术难题；建立了重载足式装备机电液控多物理过程耦合作用模型，开发了足式机器人高保真度实时仿真系统，还搭建了人和硬件在环的足式装备移动行为仿真测试平台，取得的成果成功解决了复杂环境下重载机器人系统操纵和运动控制系统验证的难题。
　　在哈尔滨工业大学负责的有关液压驱动重载六足机器人装备的研究工作中，作为项目总体组成员的丁亮，始终冲锋在前，不仅成功研发了目前我国乃至世界上载荷和尺度最大的机电液控耦合足式机器人系统，还负责完成了复杂足地界面足式机器人力学行为及柔顺控制。成功的喜悦使丁亮动力十足，他又相继参与了国家自然科学基金“月球探测重载六足移动机器人基础理论及关键技术研究”、原国家“863”计划主题“基于仿生技术的四足机器人研究”等项目，分别完成了机器人与月面相互作用力学行为、机器人足地作用力学试验、建模以及四足机器人的高性能仿真等研究。
　　与此同时，在我国探月三期“嫦娥”5号工程关于钻取采样与封装分系统的研制任务中，丁亮负责了月面采样钻取装置与月壤相互作用力学的研究工作，为钻杆钻头优化设计和钻取作业规程制定提供了理论基础。当前，丁亮正积极在钻取作用力学的基础上，努力完成月壤参数反演的任务，希望为移动机器人及地面力学的实际应用再奉献一份力。
　　科技发展日新月异，移动机器人也在以飞快的速度发展着，丁亮深感肩负着下一代机器人技术推广与应用的重任。为此，他积极参与创业，努力将面向航天国防研究的科技成果应用于国民经济的主战场中。2016年10月，丁亮作为主要创始人之一，创建了哈尔滨工业大学机器人（合肥）国际创新研究院，并担任科研副院长一职。他带领团队齐心协力，成功于2017年获批了安徽省“三重一创”重大新兴产业专项“下一代机器人研制及产业化”。同时，他作为研究院智能装备研究所所长，还成功组织研制了机器人实时操作系统、机器人智能控制器、灾难救援机器人、机器人精密减速器及加工测试装备等下一代机器人系统及核心零部件，并对其进行了产业化。
　　实践方能出真知。在丁亮心里，他需要做的不仅是要进行野外移动机器人及地面力学方面的研究，更有责任将研究得到的成果应用到更广阔的天地中。同时他深知，将这些研究成果应用到更多领域还有很长的路要走，但他会无所畏惧，一心向前。
　　
　　
专家简介：
　　
　　丁亮，哈尔滨工业大学机电工程学院机器人技术与系统国家重点实验室教授。先后主持国家青年自然科学基金青年、面上项目（青年—面上连续资助），原“973”项目子课题，黑龙江省博士后青年英才计划项目，国家重点实验室自主研究课题等。在IJRR、TIE等刊物发表学术论文130余篇，SCI论文60余篇，最高影响因子为7.671。获国家技术发明奖二等奖、ISTVS S?hne-Hata-Jurecka Award、黑龙江省技术发明奖一等奖、IEEE ARM国际会议最佳论文奖、国家开发银行科技创新奖教金等多项荣誉。他所指导和协助指导的硕士和博士研究生中有4人获得国家奖学金，1人获得省优秀硕士论文提名，5人获得金、银牌硕士论文。入选中国博士后30周年成果萃要、哈尔滨工业大学青年拔尖人才选聘计划（破格评为教授）、哈尔滨工业大学基础研究杰出人才培育计划等。