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[新闻特写]机器人的“骨骼研究者” ——访我校2015年度国家杰出青年科学基金项目获得者李秦川教授

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  发布时间:2019-08-01 01:31:42   浏览次数:104
[新闻特写]机器人的“骨骼研究者” ——访我校2015年度国家杰出青年科学基金项目获得者李秦川教授

篮球运动员在奔跑的过程中单手扣篮,是为了追求“高”,在罚篮时双手持球,是为了追求“准”,人跑步时单腿交替,是为了追求“快”,在攀岩时手脚并用,是为了追求“稳”。这些日常生活的小细节,你关注过吗?

机构学研究的就是这一类的问题。它的主要任务是揭示自然和人造机械的机构组成原理,研究基于特定功能或性能的机构分析与设计理论,为现代机械与机器人的设计、创新发明提供系统的基础理论和有效的方法。

前不久,我校机械与自动控制学院教授李秦川,凭借对机构学的深入研究,成功申报了2015年度国家杰出青年科学基金项目,成为我校获此基金资助的第一人。记者有幸采访到了李秦川教授。办公室里,李教授神采奕奕,不厌其烦地为记者比划、讲解着抽象的专业名词,言谈中透露着工科学者的严谨和身为教师的耐心细致。

“构型综合”,专注机构学基础研究

李秦川毕业于燕山大学,博士师从我国并联机器人机构学的开拓者黄真教授。早在1991年,黄真教授就研制出我国第一台六自由度并联机器人样机。在导师带动下,李秦川从硕士阶段起,就对机构学研究产生了浓厚兴趣。

2003年,李秦川加盟我校,开始了对少自由度并联机器人机构学的研究。对于机构学这个抽样的概念,李秦川给了一个形象的比喻。如果把一个机械产品比作人体,那么机构就是人体的骨架。有了骨架,加上神经(电线)、肌肉(电机),就能构成一个完整的人。人的手臂总体而言是一个串联机构,而当人使用两只手搬运一个物体时,两只手通过物体形成闭环,从而构成了并联机构。

相比传统的串联机构,并联机构有着精度高、承载能力好、强度大、动态响应好等特点。其应用相当广泛,包括空间飞船对接器、大型射电望远镜的调姿装置、地震模拟器、医用机器人等。在日常生活中,4D电影所用的震动椅也是并联机器人的应用之一。

而自由度这个概念,则是表达作为机械产品骨架的机构能够实现几个方向的运动和转动。许多场合应用的机器人只需要部分自由度。例如2-5自由度就可以满足使用要求,这类自由度少于6的并联机器人被称为少自由度并联机器人。相对六自由度并联机器人,它们具有结构简单、造价低、工作空间大等特点,在工业生产等领域有着更广阔的应用前景,成为近十年来国际并联机构学术界和工业界关注的热点和前沿。

李秦川教授研究的主要方向之一就是少自由度并联机器人构型综合,即根据并联机器人的运动要求即自由度发明新的机构构型,并研究设计方法。他称自己的研究属于“概念设计”范畴,是实现“从无到有”的过程。尽管基础研究需要投入大量的时间精力,在产业化运用方面也不见得能迅速见效,但这个“从无到有”的过程却是至关重要的。

究其原因,机构是机械产品的核心骨架。新的构型是获得自主知识产权的前提,而有效的设计方法则是工程实际应用的基础保证,因此要实现机械产品的自主创新,必须在机构的构型和设计方法上有所突破。如何找到一种系统的方法,能够科学有效地发明新机构,解决构型综合问题,本质上也是一种原始创新。

李秦川的研究成果是基于螺旋理论和李群理论的两种并联机器人机构构型综合方法,能够根据自由度系统地得到新的并联机构,这两种方法也被国际同行认为是本领域的重大理论贡献。

克难攻关,揭秘“杰青”申报始末

早在2009年,李秦川就曾担任机械与自动控制学院的科研副院长,2012年,为了在机构学理论研究领域投入更多精力,也为了配合学科的发展规划,李秦川主动从领导岗位退下来,一心一意地投入科研工作。

当时李秦川已经是学院领导班子的成员之一,虽然对他退下领导岗位有些惋惜,但经过权衡,相关领导还是尊重并同意了他的请求。自此,李秦川得以全身心地投入科研,并成为我校机械工程学科方向的带头人之一。三年下来,成效颇丰,不仅学科建设蒸蒸日上,李秦川本人也获得了享有极高声誉的国家杰出青年科学基金。

这一基金是我国为促进青年科技人才的成长,加速培养造就一批进入世界科技前沿的优秀学术带头人而特别设立的。每年资助约200名优秀青年学者,资助强度为400万元,研究期限5年。

李秦川介绍,“杰青基金主要鼓励基础性研究,不是投入开发工程性的产品。”这项基金有着非常严格的评审制度,过程主要分为通讯评审、会议评审、评审委员会评定三个阶段。评审专家包括了同行专家库随机抽取的专家,来自不同领域、行业的专家及国家有关部委的管理人员,只有参与评审的专家和管理人员均对项目表示认可,才能够最终获得基金资助。

应该说,整个项目申报的过程是漫长和繁杂的,每一轮的竞争也异常激烈。为了成功申报国家杰出青年科学基金项目,李秦川倾注了大量心力,准备各种材料和报告。除了日常的教学科研外,他的空余时间几乎都花在了项目上。科研秘书杨徽说,“项目申报的那段时间,李老师天天都待在实验室,整个寒假几乎没有一天休息。”

谈到此次成功申请杰青基金的感受,李秦川坦言,“选准研究方向之后,要有十年磨一剑的耐心,专注于某一个细分领域,深挖精制,静水流深,在研究领域里打造出独有的‘学术标签’”,才能获得同行的认可,最后水到渠成。”

在国家杰出青年科学基金的支持下,李秦川对于并联机器人机构的基础性研究可以获得更好的发展。接下来,他打算在几何代数体系下,进一步研究少自由度并联机构构型综合(拓扑结构设计)和尺度综合(参数设计)这两大并联机器人机构学中最具挑战性的核心问题。

劳逸结合,同事眼中的“好参谋”

除了在学术研究上造诣颇深,李秦川还是位体育运动爱好者。据学院的同事杨徽“爆料”,李老师不仅是学校、学院教工足球队的队员,还酷爱游泳。

平常,李秦川会抽空约上同事朋友去踢踢球,还曾代表学校参加过比赛。据说读书时他就有这个爱好,一直坚持到了现在。这位勤奋的学者,对生活也有着他“细腻”的追求。在李秦川教授的办公室里,记者见到了大大小小的植物,养花——这是他的另一个爱好,“工作累的时候抬头看看这些花花草草,也能舒缓调节一下。”

而在学生和同事们心中,李秦川是一位客观严谨的“好老师”、“好参谋”。李秦川平均一年带三到四个研究生,对学生要求是学院里“公认的严格”,这在学生对他的评价中得到了证实。

李秦川的学生之一,机械工程专业的在读博士柴馨雪说,“李老师在科研方面抓得特别紧,在细节上抠得特别严。之前我有一篇投到SCI的论文,前前后后改了20多遍,才最终过关。”

对于每个学生提交上来的材料,李秦川都会仔细阅读,反复修改,连错别字都不放过,力求尽善尽美。有时学生的研究内容超出了李秦川的研究领域,他还会联系外校的老师或该领域的专家,为学生牵线搭桥、答疑解惑。

“他不仅评审材料客观、谨慎,思维方式也很新颖独到。”杨徽说, “学院里其他老师、同事平时申报科研、人才等项目前,很多人都会找李老师帮忙看一下。李老师总是能给出很中肯的评价,并且一针见血,给出自己独到的见解。”李秦川也因此深受其他学生、同事的信任,在学院里有着颇高的威望。

鼎力扶持,加大投入建设“重中之重”

自2003年博士毕业后,李秦川一直在我校从事教学科研工作。从一名普通的教师,成长为一名优秀的科研骨干和学科带头人,此次又成功申请到“杰青基金”,成为我校获此荣誉的第一人。这之中离不开李秦川个人的努力和勤勉,此外,学校优良的科研环境、领导的大力支持也为课题组搭建了良好的平台。

“我从2003年12月到浙江理工大学任教以来,一直受到学校、学院和学科的积极帮助和支持。尤其是在机械工程“重中之重”学科的资助下,购置了激光跟踪仪、机器人等设备,对推动研究进展起到了重要作用。对于此次项目的申报,学校领导、科技处也一直关注项目的进展,及时给予建议,提供了大力的支持。”

自2008年机械工程学科被评为“重中之重”学科后,省里、学校相继给予了大量的经费支持,从08至今,先后分两期进行投入,重点支持学科建设。第一期是2008年到2012年,学校和省里每年各投入500万经费,共计投入4000万经费;第二期是从2013年到2017年,机械工程“重中之重”学科又获得了3750万的科研经费,前后共计获得了将近8000万的经费支持。这一经费,成为支持学科建设和科研攻关的重要保障。

在学科重中之重经费的支持下,李秦川得以将新发明的并联机器人构型开发成实际样机,对基础理论研究成果进行验证。采访过程中,李秦川为记者展示了一段机器人工作的视频,视频中的机器人名为“基于2-UPR-RPU并联机构的五轴混联机器人”,它是李秦川团队研究设计的并联机器人样机,可用于切削加工、装配、搅拌摩擦焊等一系列复杂操作。

“这台机器人也是在学校的经费支持下完成的,具有完全自主知识产权,现在就在学校21号楼下的金工中心。”

在校院两级的大力支持下,李秦川所在的课题组对并联机器人机构学的研究获得了重大突破,为杰青基金的顺利申请打下了非常重要的基础。

机械与自动控制学院副院长武传宇介绍,目前学院正在着手建设一个20多个人的重点实验室,由李秦川担当主要负责人,专攻机器人构型研究和优化设计。希望通过优秀骨干“传帮带”的示范作用,建设一支以中青年为主、高素质、整体实力较强的科研教学队伍。

人物名片:

李秦川,我校机械与自动控制学院教授。荣获2015年度国家杰出青年科学基金项目资助,成为我校获此荣誉的第一人。主要从事并联机器人机构学基础理论和应用研究,在少自由度并联机器人构型综合、拓扑性能评价和自由度分析等方向形成特色,主持国家和省部级科研项目9项,发表论文47篇,其中SCI论文16篇(SCI他引300次),在《IEEE Transactions on Robotics》发表5篇第一作者论文。出版Spinger专著《Theory of Parallel Mechanisms》。获中国发明专利17件,获教育部自然科学一等奖、河北省自然科学一等奖各1项、浙江省科学技术二等奖2项。

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