沈阳自动化所俯瞰图

中国首套工业4.0互联制造解决方案

海翼7000水下滑翔机

  开拓耕耘——学科方向初建立

  中国科学院沈阳自动化研究所被誉为中国机器人事业的摇篮,在中国机器人发展史上创下了20多项第一。老一代沈阳自动化所科学家们,在机器人学科方向的确立,乃至我国首台水下机器人和工业机器人的研制过程中作出了重大贡献。

  出生于1940年的谈大龙,曾任沈阳自动化所机器智能与机器人技术研究部主任、机器人学开放实验室主任、国家“863”计划自动化领域智能机器人专家组组长,现已退休。他曾亲历了沈阳自动化所学科方向的确立以及我国第一台水下机器人“海人一号”的诞生。

  1973年,当时33岁的谈大龙跟随时任沈阳自动化所所长蒋新松和机器人研究室主任吴继显到北京出差调研,走访了许多家单位,介绍研究所对于开展人工智能和机器人研究的设想。在中科院新技术局汇报情况时,时任局长邓裕民认真听取汇报后表示支持,并要求研究所提交报告,令研究人员大受鼓舞。1975年,谈大龙与同事一起被派往罗马尼亚参加国际控制论和系统会议,通过这次机会开阔了眼界,了解了国外人工智能和机器人的发展情况。

  随着“四人帮”的倒台,我国迎来了科学的春天。1978年,中国科学院制定各研究所学科研究发展规划。在自动化学科规划会上,蒋新松和吴继显凭借此前的学术积累,经过与兄弟所的激烈讨论,确立了沈阳自动化所的学科发展方向:机器人技术、工业自动化和模式识别,从此开拓了机器人技术的发展道路。沈阳自动化所经过5年的努力,做机器人的目标终于实现了!

  在20世纪70年代,水下机器人技术正在国外飞速发展,我国却仍是一片空白。沈阳自动化所瞄准了这项前沿技术,在国内率先开展“智能机器在海洋中的应用”的可行性研究,并由谈大龙担任项目总体组组长。

  起初,确定先研制一台能潜深100米的水下机器人,能在水下进行观察和捡拾物体,采用有缆操作的控制方式。经过4年的努力,沈阳自动化所研制成功了我国第一台水下机器人——“海人一号”(HR-01),并通过了大连和三亚的两次海洋试验,实现了项目研究的既定目标。今天项目组在谈论水下机器人的早期研制工作时,总是不能忘记当时奋战在一线的科研人员。大家热情高涨、努力克服各种技术困难,两次海试都是冬季,其中大连海试结束已是大年三十。更加不能忘记,课题组成员冯仲良身患肠癌仍坚持在三亚进行海试,回来后不久就去世了。这些老科学家,是中国水下机器人研究的奠基石,值得我们永远铭记。

  此外,由宋克威、周国斌、王棣棠、崔殿忠等人,完成了国内第一台SJZ-1型示教再现工业机器人,这也是我国第一台工业机器人。经过前期的积累,沈阳自动化所在激烈的竞争中脱颖而出,获得了国家“七五”工业机器人控制器攻关项目支持,并将消化吸收和自主开发相结合,顺利完成“七五”攻关项目,为后来新松公司开发工业机器人产品,以及开展机器人人力控制和协调控制打下了基础。

  十年奋斗——“龙脑”诞生记

  2012年6月24日,“蛟龙”号7000米级载人潜水器下潜到7020米海底,试航员之一 ——38岁的刘开周与两位同伴通过水声通话,对神舟九号航天员发出了问候:祝愿景海鹏、刘旺、刘洋3位航天员与天宫一号对接顺利!祝愿我国载人航天、载人深潜事业取得辉煌成就!这次下潜,首次创造了世界同类型载人潜水器的最大下潜深度。

  此时,距离“蛟龙”号获批国家“十五”“863”计划重大专项立项,已过去10年的时间。十年磨一剑,这次下潜完美地诠释了沈阳自动化所“蛟龙”号控制系统研制团队的付出。10年间,他们秉承和发扬了研究所“献身、求实、协作、创新”的精神,通力协作、攻坚克难,解决了诸多技术问题,研制了我国首套具有完全自主知识产权、性能国际领先的深海载人潜水器控制系统,为“蛟龙”号的海试成功奠定了坚实的技术基础。

  在团队负责人张艾群研究员的带领下,控制系统团队王晓辉、郭威、崔胜国、祝普强、刘开周等19人参加了各个深度级别的海上试验,一方面要对控制系统进行保障,另一方面还要对控制系统在不同深度下的航行控制、设备控制、导航定位、综合显控、应急控制等分系统的功能和性能指标进行现场验证。海上试验期间,张艾群为现场指挥部成员、安全总监,王晓辉为控制部门长,郭威为水面监控部门长,刘开周为试航员,祝普强负责潜水器反馈信号监视,崔胜国负责软件技术保障。团队成员虚心学习船舶驾驶、海事气象等有关专业知识,以严肃认真的态度、严谨求实的作风、实事求是的精神,在时间紧、难度大、任务重、后方坚强保障下,出色地完成了与控制系统相关的技术改进和试验保障任务。

  从1000米到3000米,从5000米到7000米,2012年6月3日至7月16日,国内18家单位圆满完成了7000米级海上试验任务。该次试验最大特点是试验海区位于密克罗尼西亚专属经济区的马里亚纳海沟,“蛟龙”号的所有部件将要经受最大设计深度的考验,同时全体参试队员需要按照联合国海洋法公约要求在他国专属经济区海域开展工作。“蛟龙”号7000米级海试共完成6次下潜,下潜深度分别为6671米、6965米、6963米、7020米、7062米和7035米,每次下潜都按预定计划和任务有效开展。本次海上试验,沈阳自动化所张艾群、郭威、祝普强等4人参加,主要负责验证载人潜水器控制系统7000米设计深度下的航行控制、设备控制、导航定位、综合显控、应急控制等分系统的功能和性能指标。

  2012年6月24日,刘开周与其他两位试航员共同见证了我国载人深潜史上首次突破7000米的伟大历史时刻,并在7000米的海底向远在外太空中“神舟九号”航天员发送了祝福。试验对潜水器本体系统、水面支持及母船系统共313项功能、性能、指标和作业内容进行了逐一验证,对一些关键项目进行了多次试验和验证。试验还取得了丰富的海底科学作业成果,包括海底沉积物样品、生物样品、地质样品和深海水样,以及大量海底影像资料和海底微地形地貌资料等。在海上试验中,广大参研参试队伍通过实际行动,弘扬和凝练了“严谨求实、团结协作、拼搏奉献、勇攀高峰”的中国载人深潜精神。试验团队安全、圆满、超额完成了“蛟龙”号7000米级海上试验的全部试验内容,实现了全部预定目标!

  使命并未到此结束。2013年起,“蛟龙”号载人潜水器转入试验性应用阶段。沈阳自动化所先后派郭威、刘开周、祝普强、赵洋、崔胜国、何震、孔范东、杨鸣宇、赵兵、冀萌凡、陶祎春、王海龙、田启岩等20余人次,全航次参加“蛟龙”号试验性应用航次和中国大洋第35、37、38航次试验,圆满完成对“蛟龙”号控制系统的保障任务。

  “蛟龙”号控制系统团队获得了包括“载人深潜英雄集体”“载人深潜英雄”“全国专业技术人才先进集体”“全国五一劳动奖状”“全国五一劳动奖章”“中国青年五四奖章集体”和国家科学技术进步奖一等奖等诸多荣誉和奖励。“蛟龙号载人潜水器研发与应用”项目还荣获了2017年度国家科学技术进步奖一等奖。

  千里驰援——科技保障民生

  2013年4月20日8点2分,四川省雅安市芦山县发生7.0级强烈地震。沈阳自动化所按照中科院统一部署,迅速启动了应急响应预案。出生于1963年的沈阳自动化所究员李斌,被任命为地震现场总指挥,负责地震救援队的现场救援工作。组员由13名所内人员构成,除了两位负责运送设备的司机,都是机器人学国家重点实验室的科研人员。他们在“十一五”国家“863”计划的支持下在2011年成功研制出了多种地震救援机器人,并在国家地震紧急救援训练基地示范应用,也得到了中央电视台等媒体报道。

  李斌清楚地记得,地震发生那天正好是周六,大家都在家休息,他临时打电话召集大家,所有人都二话不说,迅速到达工作岗位。救援队分三批奔赴灾区,第一批救援人员携带废墟搜索可变形机器人,乘坐飞机和汽车,日夜兼程,克服重重困难,在地震发生后19个小时,就到达了距离3000公里的四川芦山地震灾区。

  在救灾物资紧缺的情况下,一个面积约12平方米的小帐篷、3条被子、两辆汽车,成了13名搜救队员每天的栖息所。帐篷里睡6个人,其余人则睡在汽车里,但没有一个人觉得委屈。4月22日,震区开始下雨,夜里温度只有十三四摄氏度。潮湿的泥土将铺在帐篷内地上的纸盒板和棉被浸湿,身上穿的衣服也都不是干爽的,第二天醒来还是照样穿上身,不管不顾地投入到新一天的战斗,没有人考虑到会不会感冒。随行的老司机郑继荣在潮湿的环境下常常风湿病发作,肩膀、膝盖和腿的痛让他没睡过一个安稳觉。

  热水,亦是地震后灾区稀缺资源。救援队员回忆起当时的场景都笑称,没有热水冲泡方便面,都是直接“啃面饼”。矿泉水、八宝粥、饼干等都是名副其实的“正餐”。没有热水,不能洗澡,就连上厕所都要自己爬到山里去。据旋翼无人机小组的队员们回忆,灾区有一些供男士们使用的临时“茅坑”——地上挖个大洞,上面横放着木条。但洞口很深,看着吓人,一不小心一条腿就可能掉进去,大家只好纷纷到山里找地方。而在白天和夜里,多达4000多次的余震已经多到让他们习以为常、毫无畏惧。13人的救援队成立了临时党小组,由李斌担任临时党小组负责人。他提出在救灾行动中实行一票否决制,即只要13人当中有一个人提出行动有危险,大家就全体后退,不再向前。但令他感到骄傲的是,在这4天的任务中,即使是行驶在这样分分秒秒都可能丧命的山路上,都没有一人投过弃权票。

  在4天的紧张救援工作中,救援队员不怕危险,沿着险峻、滚石塌方不断的山路驾车前往救援现场;冒着余震不断、房屋随时有垮塌的危险开展救援工作;在地震灾区真实的救援作业环境中,不断积累完善机器人系统的经验和第一手数据;在地震灾区救援现场与多个单位协调、配合;救援中所使用的三款机器人全部是沈阳自动化所自主研制的高技术装备,是我国首次将机器人应用于地震灾区现场救援工作,也是三款机器人第一次实战救援应用。团队成员的拼搏和奉献精神,以及 在搜索救灾行动中表现出来的高效敬业,得到了国家地震灾害紧急救援队的充分肯定。

  探索未知——勇闯世界科技前沿

  2006年末,出生于1980年的孙兰香在沈阳自动化所攻读博士学位刚刚将满一年,便接到了导师于海斌研究员的一项“艰巨的任务”—— 一份美国能源部2005年的项目研究报告,中文题目叫《铝、玻璃、钢工业熔融化学成分的在线、实时测量》,所采用的技术叫Laser-induced breakdown spectroscopy,简称LIBS,中文翻译叫“激光诱导击穿光谱技术”。导师告诉孙兰香,这可能是一项对我国工业发展非常有用的技术,让她好好研究一下。

  之后的两年,孙兰香和几个年轻职工在导师的带领下研读国内外相关资料,搭建实验平台,开展实验和数据分析,对LIBS的基础积累逐渐加深。2008年底获得国家“863”计划项目的资助,项目目标是基于LIBS技术开发面向冶金生产过程的在线分析装置,孙兰香担任技术负责人。他们要挑战的应用领域是炼钢过程的钢水成分在线检测,这是钢铁企业长期以来的迫切需求,但大概也是冶金行业中最具有挑战的一个应用过程。

  当时项目的核心成员只有3名,孙兰香、丛智博和辛勇,都是刚刚毕业的学生,没有什么经验,只能依靠查阅文献慢慢摸索。第一版样机出来后,面对的困难是钢水熔炼试验。一个30千克的电感炉起初没人会操作,由于不懂熔炼工艺,第一次操作因为温度控制不当导致炉底烧穿,1600摄氏度以上的高温钢水从炉底流了出来,整个D楼全是烟尘,还好提前把防护措施准备得很到位,并没有造成任何损失。

  2010年底开始工厂试验。工厂的合作伙伴是抚顺新钢铁公司,炼钢厂的李勇厂长非常关注这项技术,对工厂试验给予了很大支持。为了尽可能多地获得数据,孙兰香等人连续几天都工作得很晚。钢厂的环境很恶劣,而且设备就安装在转炉后,1600摄氏度以上的钢水就离人几米的距离,刚开始看到时确实需要克服心理上的恐惧。一天下来,即便戴着口罩,面部和鼻孔也都是黑色的。再加上钢厂一线没有女职工,也没有女厕所,试验过程中如果有需要,孙兰香就得去办公楼那边,所以要尽量少喝水。在工厂的大力配合下,试验很顺利,成功获得了液态钢水的分析数据,验证了装备和技术的可行性。经过短短4年时间,从零开始做到了工厂的应用验证,这也是国内LIBS技术首次在工厂生产中获得了液态钢水的分析数据,项目也顺利通过了验收。

  此后,在2012年,研发团队又获得了第二个“863”项目的滚动支持,继续完成钢水成分在线分析仪的研制,这一期的项目目标是研制一套真正无须取样的在线分析装备,要解决等离子体远距离激发、信号远距离传输、厚厚炉渣层阻碍、1600摄氏度以上高温防护等问题,技术难度非常大。

  2014年中旬,样机开发完毕并通过了实验室测试,开始第二次工厂试验。但是,这次的工厂试验并不顺利,前端探头虽然通过了实验室小感应炉的测试,但实际生产过程中钢水上面厚厚的炉渣层使得探头很容易碎裂。经过几个月,尝试了将近10种类型的探头,终于与一家耐火材料厂合作定制了一批合适的探头。探头成功以后,开始了真正的在线测量试验。转炉钢水转到钢包里面后,要在钢包里面调合金并吹氩气搅拌,搅拌均匀后取样化验分析,分析过程钢包要静等结果出来,等待时间通常是3至5分钟。设备就在这个等待过程开始测量,1分钟之内给出结果,再跟他们的分析结果比对。连续几天比对之后,数据的一致性不仅令孙兰香等人很满意,也使工厂的工人很惊讶。

  2015年1月1日那天,工厂试验任务圆满成功。这不仅实现了我国钢水成分在线检测“零的突破”,也在国际上首次实现了40吨级钢包的钢水成分在线测量。李厂长也很兴奋,他说:“没想到你们几个小孩竟然把这事做成了,尤其是你这个看起来很斯文的带队女同志!”

  此后,作为课题组长和研究员的孙兰香一直带领团队致力于将这项技术实用化,并向铝合金、铜合金、选矿等行业应用拓展。尽管应用推广的道路漫长而曲折,但始终坚持不懈前行,并在多个应用领域突破了国内应用的空白。“厉害”“了不起的工作”是他们时常收到的同行评价。

  (中国科学院沈阳自动化研究所供稿)

  (原载于《中国科学报》 2018-10-15 第8版 专题)

文章来源:中国科学院阅读原文】。感谢您的支持!
阅读提示:科塔学术无法对本文内容的真实性提供任何保证,请自行验证并承担相关的风险与后果!如您有版权、意见投诉等问题,请通过网站下方的联系方式与我们联系进行处理。