SEU人物 | 宋爱国：“智造”属于中国的高端机器人

宋爱国教授的科研故事登上中国科学报

好老师成就好学生

2015年，宋爱国教授在黄山

1968年11月，宋爱国出生于安徽黄山市新安江畔的一个普通家庭。南宋诗人赵师秀有诗云“山绕清溪水绕城，白云碧嶂画难成。处处楼台藏野色，家家灯火读书声”。这是一个风光如画、纸墨飘香的地方。

1980年夏天，宋爱国以优异的成绩考入安徽省重点中学屯溪一中初中部，并遇到了一位非常好的物理老师——刘一琪老师。刘老师总能 深入浅出地把物理现象解释清楚，激发学生的学习兴趣 。刘老师还成立了物理兴趣小组，经常跟同学们“ 聊物理 ”。比如看到有人挑担子经过，他就告诉大家如何利用 “杠杆原理”，用最省力的办法挑担子。刘老师还为兴趣小组的同学每人办了一张借书证，这让宋爱国有机会借阅了更多的科学书籍：如凡尔纳的科幻作品《神秘岛》、《海底两万里》等。

陈老师在教学过程中， 强调基本概念与实验观察，不仅要求学生把课本知识完全吃透，还要查阅课外资料，做到“知其然，知其所以然” 。陈老师特别注重培养学生的科学兴趣，从高一开始就成立了化学兴趣小组，开展各种非常有趣的化学实验活动。

更可贵的是，同学们在实验过程中学会了观察与分析。 在陈老师的指导下，宋爱国在化学兴趣小组中独立地开展了很多课外化学实验，培养了科学兴趣，还在陈老师的指导下，撰写了多篇化学小论文， 其中的一篇关于碳酸氢钠与碳酸钠溶解度对比实验及氢键作用分析的论文还获得过安徽省高中生课外科技竞赛二等奖 。

宋爱国在高中阶段还被遴选进入了物理兴趣小组和数学兴趣小组，参加了航模制作等课外科技活动。 正是因为对航空的兴趣和“志在蓝天”的理想 ，1986年宋爱国报考了南京航空学院，在那里度过了本科和研究生近七年的时光。

“东大的机器人研究基础，是用生命换来的！”

在大学本科期间，宋爱国不仅成绩优秀，而且大三就与同学成立了课外科技小组，利用所学知识帮助企业解决一些技术问题，在大三下学期他与另一位同学一起帮助南京某通信电源公司解决了火车通信电源掉电的问题，帮助白下区一家企业改进了基于单片机的智能定时器。1989年，中国运载火箭技术研究院（航天第一研究院）在南航首次设立“长征”奖学金（为当时国内高校奖金最高的奖学金，每人1000元），面向全校所有的本科生和研究生，首届10人获奖，宋爱国作为“学以致用”的典范获得首届航天一院“长征”奖学金 。

90年代初，研究机器人的单位很少。为什么东大仪科系要大力发展机器人技术的研究？黄惟一教授在给宋爱国和同学们上《机器人传感技术》课的第一天，就告诉大家：“ 我们实验室的机器人研究事业，是查礼冠老师用生命换来的！不将东大的机器人技术研究发展好，就对不起查老师！ ”那段话，至今让宋爱国记忆犹新，并且一直激励着他。

一年后，刚刚康复的黄老师又重新把机器人传感与控制技术实验室建立了起来，实验室从1986年开始得到我国“863”高技术计划的持续支持，并成为“863”计划先进制造领域机器人传感技术网点实验室的副组长单位。黄老师经常强调：“ 承担863项目，既要顶天，也要立地。 ”第一，要做最前沿的研究；第二，要围绕国家重大需求；第三，要把前两者有机结合起来。宋爱国一直牢记黄老师的教导，把“顶天立地”的原则贯彻到每一个“863”项目中去。对于黄老师给予自己的关爱，宋爱国一直铭记在心。

1993年5月，博士第一学期，宋爱国生病住院了，他没有告诉黄老师。没想到，入院的第二天中午，黄老师听说了此事，立马跑到医院看望他。黄老师找到值班医生仔细询问了宋爱国的病情，直到确认并无大碍，才放心地离去。遇到节假日，黄老师总会把学生召集起来聚餐，还亲自给弟子们拍照，冲洗出来送给大家。至今，宋爱国还珍藏着一本黄老师赠送的影集，耳畔经常回响黄老师的话： “平时的工作与生活照片，就放到这个影集里，很多年后再翻翻它，能唤起你们美好的回忆。”

宋爱国教授刚工作时与黄惟一教授合影

二十年磨一剑，斩获国家技术发明奖

1993年3月，黄惟一教授就将863项目“ 力觉临场感机器人基础研究 ”的内容作为宋爱国的博士课题。“临场感机器人”是一种先进的人机交互遥操作机器人，通俗地说，机器人工作在远端，人在本地。通过各种传感设备测量人肢体的运动信息并作为控制指令去控制机器人的运动与操作，人怎么动，机器人就怎么动；同时，再将机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉反馈给人， 实现人与机器人的深度耦合，使人产生远在异地的“身临其境”的感受，就像电影《阿凡达》描写的一样 。宋爱国在博士学位课题的研究过程中，经过调研分析发现，力觉临场感机器人可以应用于空间探测、深海开发和原子能利用等领域，在这些人难以到达的极限环境代替人完成复杂的操作任务。因此，宋爱国与导师讨论后，确定 围绕我国未来空间探测任务的重大需求开展临场感机器人技术的基础研究，重点解决空间通信大时延情况下，临场感遥操作机器人的感知反馈与控制问题。

2002年，团队工作照

博士毕业，黄惟一教授推荐宋爱国跟随无线电系陆佶人教授进行博士后研究。 陆老师是我国声纳技术领域的著名专家，宋爱国此前并没有接触过这个领域。 博士后进站后，宋爱国既要参加被动声纳目标识别技术的研究，又要兼顾仪科系的研究工作，那一阶段的科研很辛苦，但收获也很大，后来的很多创新性的想法就源于当时的交叉性研究。宋爱国对自己说：“ 只有掌握更多的核心技术，才能打破国际垄断，‘智造’属于中国自己的高端机器人！ ” 《人机交互遥操作机器人的力觉感知与反馈技术》一直受到“863”计划的支持。 1996年3月博士毕业之际，宋爱国已在《机器人》、《宇航学报》等刊物上发表了10余篇关于空间机器人临场感遥操作的学术论文。 1996年中国的“863”高技术航天计划正式实施，遥科学与遥操作机器人是其中的重要主题之一， “863”航天领域专家委员会发现东南大学机器人传感与控制技术实验室在国内较早开展了空间机器人临场感遥操作的研究，就将首批《“863”航天领域空间机器人项目申报指南》发给了东南大学仪科系 。

经过三年的研究，主要解决了空间机器人3秒左右通信延时造成的控制不稳定问题，并构建了地面模拟空间机器人遥操作演示系统，验证了控制技术和力反馈技术的有效性。 当年，他又申请到一个国家自然科学基金项目 ，主要进行临场感机器人力觉传感器的研究。 翌年，宋爱国申请到第二个国家自然科学基金项目 ，主要开展遥操作机器人力触觉反馈技术研究。 1998年，宋爱国又拿到了第二个“863”项目， 这次他将3秒的时延问题扩展到10秒大时延。宋爱国发现，对于3秒以上大时延用控制算法虽然可以保证稳定性，但是机器人的感知反馈信息已开始失真。 因此，他提出了利用虚拟现实技术解决大时延问题的思路，并于2000年申请新的“863”项目获得立项 。在力反馈技术研究方面，宋爱国总结前3个“863”项目的成果和经验，发现采用同构式力反馈装置的设计思路难以解决兼容性差和力反馈精度低的问题。 2002年，宋爱国提出了异构式机器人力反馈手控器的研究思路，并又一次得到“863”计划立项资助。2005以后，项目组连续获得9个“863”项目的支持。2016年，宋爱国又牵头申报首批国家重点研发专项，获得立项资助，得到国拨经费4643万元的支持。

2017年，团队工作照

经过20余年的基础研究和技术攻关，项目组先后研制成功 高精度的机器人六维力传感器、仿生柔性触觉传感器、小型化的力反馈执行器、高精度大空间六自由度力反馈手控器、力触觉感知数据手套等人机交互遥操作机器人核心元件或装置以及四种类型的遥操作移动机器人系统 ，并在我国 载人航天与探月工程、核电工程 等重要领域得到应用。

宋爱国团队为“天宫二号”研制了 航天员在轨操作力的测量传感器以及测量系统 。航天员在失重环境下，肌肉松弛会造成钙流失与肌肉功能退化，生物力学发生变化，肢体出力情况跟地面相差很大。所以，“神舟七号”出现过开舱门困难的情况。那么，人在失重环境下肌肉到底能产出多大的力？ 之前只有美国和俄罗斯有这个数据 。宋爱国团队受中国航天员科研训练中心的委托，从2008年开始研制 高精度的多维力传感器与航天员操作力测量系统，对空间站内航天员13种操作力、36种操作方式进行精确的力测量。

2016年9月“天宫二号”上天，宋爱国团队的这一研究成果成功保障了“天宫二号”航天员的在轨训练任务。 “遥操作”是月面巡视机器人（月球车）的四大关键技术之一