面向国家重大需求，清华大学刘辛军教授团队助力我国航天科技高质量发展

“太空年货”，到货了！北京时间2024年1月17日22时27分，搭载天舟七号货运飞船的长征七号遥八运载火箭成功分离并进入预定轨道，发射取得圆满成功。北京时间2024年1月18日1时46分，飞船成功对接于空间站天和核心舱后向端口。

这次任务是我国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段后的第4次发射任务，是工程立项实施以来的第31次发射任务，也是长征系列运载火箭的第507次飞行。

天舟七号货运飞船装载了航天员在轨驻留消耗品、推进剂、应用实（试）验装置等物资，并为神舟十七号航天员乘组送去龙年春节的“年货”。

▍大型复杂构件高效高质量加工难题

航天器舱体、卫星整星结构、飞机部组件等大型复杂构件是航空、航天等高端制造业领域内装备的核心零部件，通常具有尺寸超大、型面复杂、结构刚性弱、精度要求高等特点，其结构形态与严苛的工艺要求对加工装备性能提出了严峻挑战：

构件“大型化”要求加工装备具备足够大的工作空间；构件“复杂化”对加工装备的自由度和灵活性提出了更高的要求；大构件“局部精确化”则对加工装备的精度提出了更大挑战。

典型大型复杂构件：空间站大型舱体结构件

典型大型复杂构件：飞机部组件

▍机器人助力天舟货运飞船制造

在上述背景下，清华大学机械系刘辛军教授团队从自然界生命体作业方式寻找灵感，受长颈象鼻虫筑茧、啄木鸟啄木、手工艺师雕刻作品等“移动定位、局部精细化作业”的普遍现象启发，率先提出了“大范围定位+局部五轴精雕细刻”的生命体行为仿生作业模式，可实现工件保持不动、加工设备移动作业的原位加工。

进一步，应用并联机构学原理，发明了一种兼具轻量化和高效高精性能的五自由度并联机构，进而借鉴类似于人手的功能，把这个可实现五轴运动的并联机构作为机械手，创新性的设计并研制了一种移动式混联加工机器人（如下图所示），它由可大范围移动的AGV、并联结构的高刚度两自由度机械臂和五自由度并联机构模块三部分构成。

一种“大范围定位+局部五轴精雕细刻”的移动式混联加工机器人

在需要对构件的某局部特性进行加工时，AGV首先在iGPS的引导下移动到待定位置，然后支点及辅助机构支撑住AGV底盘使其固定，接着摆动机械臂到一定位置并锁死驱动电机，这样AGV和机械臂就可以构成一个高刚度的支撑结构。

AGV和机械臂准备就绪后，末端的并联运动机械手在视觉/触觉等的感知下，确定好刀具与被加工特征的相对位姿，就可以对局部特征进行加工，在直径300mm范围内局部最大误差可控制在0.04mm以内，在6m尺度范围内全局加工精度可达0.1mm。由于这种移动式机器人的末端是一个可实现精细化作业的机械手，它能够完成像一名工匠一样作业的加工任务，因此这种移动式混联加工机器人也被称为“机器工匠”。

这种“机器工匠”的发明和研制，解决了天舟七号货运飞船舱体和舱段的原位高效高质量制造难题（如下图所示），在提升航天产品自主制造能力上向前迈进了一大步，也可推广应用到盾构、燃气轮机、航空等领域。

“机器工匠”用于构件的精雕细刻

相关工作得到了国家自然科学基金委“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划、国家智能机器人重点研发计划和北京市科技计划智能制造技术创新与培育专项等项目的支持。

▍精尖团队成果卓著，形成“顶天立地”格局

刘辛军教授是我国机构学与机器人领域著名专家，他在任职清华大学后，组建了一支科研能力强、业务水平高的团队——现代机构学与机器人化装备实验室团队。

刘辛军教授团队的研究方向集中在高速智能作业并联机器人、多轴联动与移动式智能加工机器人、协作与软体机器人等方面。该团队以行业和国家重大需求为引导，以基础理论和核心技术研究为先导，以解决工程问题为目标，坚持以自主创新为发展根本，研究工作集中于现代机构学理论前沿和面向制造与人机共融的机器人化高端装备，形成了“顶天立地”格局。

刘辛军教授团队研发的高速智能作业并联机器人主要应用在食品、医药和电子这三大国民经济支柱产业中。然而，国外机器人公司对关键技术的垄断和封锁使产品价格居高不下，同时也存在对本土企业需求痛点把握不准、产线柔性不匹配等问题。因此，自主研发出我国本土化、高品质的高速机器人，是提升产业自动化水平的当务之急和必由之路。

团队重点突破了机器人构型设计难题，发明了具有高速高加速、高速重载和高速高精特性的并联机器人，满足了行业内高加速、重载和高精度等典型工况的高速分拣需求。团队研发的高速机器人达到了国际领先水平。

同时，团队研发的高速智能作业并联机器人已经通过济南翼菲实现工业应用。相关成果已成功应用于蓝思科技、联合利华、山东东阿阿胶等多家行业龙头企业，设备运行稳定，显著提高了企业自动化生产效率和生产质量。

在移动式智能加工机器人领域，针对我国航空航天等领域大型复杂零部件的加工需求，刘辛军教授作为负责人主持了国家重点研发计划“智能机器人”重点专项项目“大型舱体类复杂薄壁构件多移动机器人协同原位加工技术与系统”，团队的谢福贵老师也承担了“大型风电叶片磨抛移动式高效加工机器人系统设计”课题任务。团队自主研制的移动式加工机器人装备，成功打破了国外相关技术垄断，有力支撑了中国航空航天等事业的发展。

五自由度并联加工机器人

在协作机器人和软体机器人领域，刘辛军教授团队在协作机器人方面的研究工作有两个核心，一个是机器人一体化设计，另一个是控制系统设计。团队已研制成功“感-驱-控”一体化高功率密度关节；建立了高带宽自适应柔顺运动控制器，以及基于深度学习和强化学习的视觉语义感知和决策系统。团队研制的面向复杂作业环境的智能协作机器人，实现了面向制造生产、3C装配、助老助残等的应用验证，加速智能机器人在国内的发展。

在软体机器人的研制上，刘辛军教授团队也已经做出了显著的成果。团队的赵慧婵老师与哈佛大学、MIT等高校合作，开发出了性能指标接近生物肌肉的高能量密度柔性人工肌肉，首次实现了小于1克微型扑翼飞行器的起飞、悬停和可控飞行。由柔性人工肌肉驱动的微型飞行器可以感受飞行中的碰撞，并在碰撞发生后恢复飞行，大大提升了微型机器人在复杂环境下的运行稳定性。

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