现代科技创新研究模式：以大型复杂构件的加工为例

 

前言：当前，随着我国航空航天、能源和国防等领域的蓬勃发展，对大型航空薄壁件、空间站大型舱体结构件等大型复杂构件的高效高质量加工需求愈加旺盛，创新性研究的重要性日渐凸显。

 

 

具有大型舱体结构的空间站

 

然而，传统的加工装备如机床、工业机器人等，难以实现对此类大型复杂构件的铣削加工，需要通过科技创新研究提出变革性的技术及装备，以解决此类大型复杂构件的高质量制造难题。

 

 

传统机床与工业机器人

 

科技创新研究可总结为“揭示规律、创造发明、改造世界”三个阶段。我们将这三个阶段与古典哲学思想、辩证唯物主义方法论重要思想相结合，把科技创新研究模式概括为“寻其道、谋其术、求其魂、索其变、用其精”的辩证统一过程。

 

 

科技创新研究模式

 

下面，我们将围绕大型复杂构件加工新装备与新模式的创新需求，介绍提出的科技创新研究模式。

 

寻其道

 

“寻其道”的本质是科学观察与科学认识，是一种好奇探索，是人天性的表现。自然界中的各种生命体在进行生命活动时，总是遵循着一定的规律，这为我们从事科技创新研究提供了一定的依据。

 

例如，长颈象鼻虫具有长长的颈部，特殊的颈部结构可以提升它们头部可触及的范围并有力地支撑头部以进行精细啃食，非常有利于撕咬树叶、构建巢穴。

 

 

长颈象鼻虫筑茧

 

啄木鸟在敲击树木的时候，往往会先攀缘在直立的树干上，利用两爪紧抓树干、楔形尾部支撑身体，依靠颈部发达而强有力的肌肉高速精细地啄木。

 

 

啄木鸟啄木

 

一些手工艺师在雕刻作品时，也会通过腕部的灵巧定位，借由手指的精细动作完成精雕细琢的工作。

 

 

手工艺师的精雕细琢

 

这些例子中都存在共同的特征，即：大范围移动定位、局部精细化作业。受这些自然界中生命体作业特征和长颈象鼻虫的外形启发，我们提出了一种大型复杂构件原位柔性加工解决方案，并提出了一种移动式加工机器人概念，该机器人由AGV移动车、机械臂和并联式5轴运动末端执行器构成。

 

 

 

长颈象鼻虫与移动式加工机器人

 

谋其术

 

“谋其术”的本质是以创造发明为目标的一种技术应用。在认知并揭示了事物发展规律的基础上，若要产生发明创造，便要“谋其术”，即寻找合适的方法。

 

提出的移动式加工机器人，AGV移动车和机械臂是比较成熟的，并联式5轴运动末端执行器设计是需要解决的难点，采用我们研究的基于Grassmann线几何和线图法的构型综合方法这一“术”开展机器人的并联机构构型设计。最终得到一种结构紧凑、轻量化、高灵活性的5自由度并联机构。

 

 

5自由度并联机构

 

求其魂

 

“求其魂”的本质是以改进发明为目标的一种技术应用，它主要包含评价方法和改进方法，体现了人的品性。“谋其术”让我们获得产生发明创造的方法，“求其魂”则是让我们了解发明创造中起主导和决定作用的因素，从而发挥发明创造的最佳性能、实现最佳效果。

 

自然界中的生命体常借助过人的力量或速度等特性谋求生存。例如螃蟹的蟹钳内部结构具有四连杆闭环机构特征，该结构通过力增益方式使螃蟹拥有巨大的夹持力。

 

 

 

蟹钳结构

 

又如蜂鸟的翅膀关节内含了一个四连杆增速机构，使其翅膀振动频率能够达到80 Hz，从而具备丰富的飞行模式。

 

 

蜂鸟飞行

 

从自然界生命体，我们可以领悟到隐藏在生命体和机器内部机构的第一功能应该是传递运动和力，由此，我们提出并建立了一套机构运动和力传递与约束特性的性能评价体系，实现了5自由度并联机构尺寸参数及结构参数的优化，进而研发出一台5自由度并联加工机器人。

 

 

5自由度并联加工机器人

 

这种机构性能评价方法依照了自然界生命体的运动和力传递有效性法则，是机构设计中性能评价“求其魂”的体现。

 

此外，我们生活的世界是一个构成和行为均是“混联”的世界，但为了高效和灵活，两轴转动往往是耦合（并联）运动，比如人手腕的转动运动。设计的机器人具有5个自由度，其中的2个转动运动是“姿态耦合”的，这是该机构设计中耦合调姿“求其魂”的体现。

 

 

并联加工机器人加工的关键零件

 

采用该机器人完成了具有特殊结构的关键零件的高效加工，这些零件的高效、高质量加工，是“求其魂”的性能评价和姿态耦合运动设计起了核心作用。

 

索其变

 

“索其变”的本质是以实现应用变通为目的的科技创新实践。要实现对研究目标的进一步创新，需要发挥人的悟性，通过“索其变”，探索5自由度并联加工机器人的变通形式，应对更为复杂的加工需求，从而实现柔性制造。

 

设计的并联机构具有轻量化和5轴联动运动的功能，我们可以想象把这个5自由度并联机构作为一个功能单元，变通为一个类似于人手的功能模块，从而发明出“移动平台+机械臂+5轴联动并联功能模块”形式的移动式混联加工机器人，以满足大型复杂构件的原位加工需求。

 

 

移动加工示意图

 

这种新装备与新模式的提出，使得大型复杂构件的制造模式产生了颠覆性的变化，相当于把“机床”举起来，将“铁打的机床、流水的工件”的传统加工模式变革为“铁打的工件、流水的机床”模式。这种新装备是一种介于机床和工业机器人之间的机器人化装备，兼具灵活性、效率和精度的优势。

 

用其精

 

“用其精”的本质是利用发明创造以改造世界为目的、以理论技术为指导开展的实践活动。我们在上述工作的基础上，还需要对提出的装备与模式进行合理应用，发挥其优势，达到“用得好”的目的，即“用其精”，最终实现大型复杂构件的高效高质量加工。

 

我们采用设计的移动式混联加工机器人，基于多学科交叉，结合移动平台自主导航和双目视觉定位，进行了航天器舱体设备安装支架端面的原位铣削应用验证，证实了提出的移动式混联加工机器人及原位加工模式是行之有效的。

 

 

原位铣削加工验证

 

结语

 

科技创新研究模式——“寻其道、谋其术、求其魂、索其变、用其精”这一辩证统一过程体现了探索、求真、谋变、务实的科技创新魅力，是人的天性、品性、悟性、习性的综合表现。该科技创新研究模式遵循了辩证唯物主义重要思想，在科技创新实践中是有效的，可作为现代科技创新的一种模式，在工程科学实践中正确运用科技创新研究模式对于技术发展和社会进步具有一定意义。

 

作者简介

刘辛军，清华大学长聘教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、国家“万人计划”领军人才。现任国际机构学与机器科学联合会(IFToMM)中国委员会主席、兼任国家自然科学基金委共融机器人重大研究计划秘书组组长。担任Cyber2019和ICIRA2021国际会议大会主席。

 

以下文章来源于Me工程师 ，作者刘辛军