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周惠兴:“建筑机器人之父”

来源:《建筑》杂志 供稿:汪红蕾 审核:高瑞静 发布时间:2019-04-10
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  近日,建筑杂志社记者来我校对机电学院教授周惠兴进行了采访,文章刊登在《建筑》杂志2019年第7期“人物”专题栏目。具体内容如下:

  

  周惠兴:“建筑机器人之父”

  文 / 孙芦路  汪红蕾

  

  作为国家千人计划专家、科技部创新创业人才、英国机械工程师学会北京地区负责人,他主持过国家重大专项,发表学术文章 100 余篇,获得国家专利 20 余项。

  凭借丰富的研发和管理经验、国内外大学和公司工作、管理经历,他研制的 20 米 U 型直线电机移动检测机器人、LED金线高速焊接机(半导体封装)、精密气浮球形平台、衍生式非圆车削 CNC 系统、车铣复合加工中心、两轮自平衡电动车等被广泛应用,造福大众。

  2015 年 10 月 25 日,具有我国完全自主知识产权、以全球首创“生物砖”技术为核心的 3D 生物血管打印机在成都问世。它标志着“国家高技术研究发展计划,也就是 863 计划”重点项目之一的 3D 生物打印血管项目取得重大突破。而这正是他在生物科学领域做出的一次成功尝试。

  2018 年 10 月,他携自主研发的 CR1 通用建筑机器人平台参加在北京举行的第 17 届中国国际住宅产业暨建筑工业化产品与设备博览会,引起了业内人士的广泛关注,并被大家亲切地称为“建筑机器人之父”。

  他就是北京建筑大学教授、北京市建筑安全监测工程技术研究中心主任、北京市归国留学人员联合会副主席、中国自动化协会建筑机器人专业委员会委员、中国 3D 生物打印联盟理事周惠兴。日前,记者到北京建筑大学机器人与智能设备研究中心采访了周惠兴教授。

 

  智能时代的先行者理念

  在进行建筑机器人的研究之前,周惠兴教授有一系列研究开发直线电机与自动化设备的经历,并在许多领域取得了多项成就。其中,智能装备和 3D 打印是他较为重视的两个研究方向。

  以全球首创“生物砖”技术为核心的 3D 生物血管打印机获得了 6 项专利,其中包括一项国际专利。周惠兴认为,这样的先进技术和理念不仅可用于人体,而且适用于建筑制造等各个领域。除此之外,各类智能设备也是周惠兴教授引以为傲的作品,各种特制的直线电机、直驱电机及 20 米 U 型直线电机移动检测机器人等研发成功后服务于清华、北航、北理工、国防科大、中国科大、华南理工、GIT(USA)、Brunel University(UK)、新加坡国立大学、新加坡南洋理工大学等国内外高校,并在军事、电信等多个领域广泛应用。

  凭借对直线电机及直驱平台、精密运动控制、机器人与智能装备的持续专注研究,周惠兴教授在智能设备、编程和智能化设计方面取得了较大突破。“我在中国农业大学工作将近十年,一直致力于农业智能化的研究,比如开发能够自动播种和浇水的农业机器人。”在他看来,建筑业的智能化与农业或生物医学产业的智能化看似差异巨大,实则有着诸多异曲同工之处。他举例道:“在机械生产中,我们总是用到机床,这一设备又被称作‘工作母机’,因为它是一个能生产设备的设备。”3D 打印技术与智能设备的使用,更好地实现了“机床”的功能,使零部件制造或配件安装的效率得到很大提高。

  2017 年 3 月,周惠兴教授告别了中国农业大学,来到北京建筑大学,并成立机器人与智能设备研究中心。从此,他的团队正式启动建筑机器人的开发与研究工作。目前国内首款瓷砖铺贴建筑机器人样机已经问世,并参加北京创新发明大赛。

  虽然跨越了多个学科,但周惠兴教授的研究思路始终一脉相承,他向记者介绍道:“自动化加工中心和机器人本质上是一个东西,电机及其运动控制是机器人或智能装备的基础,你看到机器人末端在动,其实是里面各个关节的电机在精密运动。”而对于 3D 打印技术在建筑上的应用,他也抱有很大信心。“3D 打印可制造出复杂构件,它和装配式建筑结合起来,同时运用 BIM 技术,能很好地满足现代智能建造需求。”

  对于 3D 打印技术的未来发展,周惠兴教授给出了一个创造性的构想:“例如,使用 3D 打印制造复杂的装饰性构件,再用人工 PC 生产的方式完成主架构的建造,最后将二者拼合在一起,这样便可以做到各取所长,彼此互补,而安装也可以采用建筑安装机器人。”

 

  “智创”建筑机器人的构思

  决定设计研发 CR1 通用建筑机器人平台,最初是源于周惠兴教授了解到的一些数据:我国每年生产约 100 亿平方米瓷砖,而以北京为例,一个成熟的技术工人铺贴1 平方米瓷砖的手工费约为 40 元左右,人工铺贴瓷砖将耗费大量的人力资源和时间。而用机器人铺贴不仅可提高效率、节约成本、提高精度、减少浪费,还可以保证施工人员的环境安全、健康,实现人与自然的和谐共处,提高建筑业的自动化和工业化水平。

  确定了研究方向与目的,周教授组织团队进行市场调研与概念设计。“我们的概念是逐步深化而来的。”周教授表示,团队一开始只是关注瓷砖铺贴的市场前景,但通过数据反馈,我们发现建筑铺贴机器人还可拓展到建筑施工的其他方面,如进行墙面整理、墙面铺贴、平地、抹墙、挂装、质量检测等。因此,“建筑通用机器人平台”这一想法被正式确定。

  在研制过程中,他们遇到两个难题:一是机械手架构设计,二是顶层控制系统的结构。由于机械手定制后无法轻易更改,因此团队反复调整设计图纸、跟生产厂家确定功能细节,并思考如何让其更好地发挥作用。“有时候我们的要求超出了机械手本身的功能,这就是说,有一部分‘隐含功能’,我们必须和商家反复沟通交流,才能最终达到设计要求。”

  而控制系统设计是机器人项目的核心,它具有收集地形、空间等数据、控制机械手及小车自主行动的功能,并与 BIM 中相应信息进行比对,计算优化机器人运动轨迹,确保瓷砖铺设在正确的位置上。周惠兴教授带领团队花费了 5 个月的时间,攻克了控制系统设计与编程调试方面的难题,目前瓷砖铺贴误差已经缩小到 0.5mm 以内,远远满足用户需求。

  CR1 通用建筑机器人平台的优势不仅体现在节省人工费用,且价格不能太贵。在这一方面,周惠兴教授团队也考虑了很多,例如在机器人传感器配置上,他们应用了不同经济型的传感器,通过算法实现高精度铺贴。

  “瓷砖铺贴用我们的术语来说是个单向控制过程,也就是只能进行一次,一旦铺贴到位,机器人很难取下,因此必须确保 100% 正确。目前来看,我们基本实现这一功能,但无论在理论上还是在实际设计上,它还有很大的优化余地。”周惠兴教授表示,该机器人在正式投入使用之前,还需进行更多的试验调试。他透露,未来计划与中建等建筑企业合作,将该机器人投入施工现场进行实验。“预计今年机器人便可投入使用。”谈到通用机器人平台的未来发展,周惠兴教授信心满满。

 

  教育先行的开拓者意识

  周惠兴教授说,由于目前建筑工程行业的工作环境艰苦,工地上的年轻人越来越少,这给建筑机器人的发展带来了机会。随着施工市场的发展,建筑机器人的需求会越来越大。从一些发达国家的情况看,人力成本会越来越高,对工作环境的要求也会越来越高,更多的工作会被机器人所取代。而建筑行业是人力集中的行业,建筑机器人开发与使用已迫在眉睫。这是一个很有前景的市场。

  “现在是进入建筑机器人这个行业的最好时机,因为这个行业缺乏人才。比如清华大学、同济大学等高校已经意识到了行业这一发展前景,并开设了智能建造等相关专业。北京建筑大学也开设了机器人专业,我在负责这个专业的建设。”周惠兴说。

  除了机器人相关的研究,周惠兴教授还关注青少年机器人科普教育。“我现在看得更多的是科技史和哲学方面的书,通过学习来反思我们的研究是为了什么,我们研究的价值又是什么。”周惠兴教授表示,他会在自己所教授课程的第一节课就提问学生,思想与技术哪个更重要,“技术确实很重要,但思想是更值得关注的部分,思想指导我们如何掌握技术,也让我们思考掌握技术又是为了什么。”

  同时他认为目前的教育过于注重成绩,忽视了对社会和人生的思考,因而还不能完全达到素质教育的效果。“虽然现在的高校大多开设人文类的课程,但这样的兴趣培养来得稍晚了一些。”为此,周惠兴教授与一些中学合作建立了机器人等科技实验室,希望通过这样的方式培养青少年对于科学的兴趣,激发他们内在的科技创新潜能。

  作为从教多年,且在产业化方面多有建树的教授,周惠兴鼓励学生多接触真实的市场与工作。同时由于自身的跨专业背景,他对于交叉学科的研究也抱有极大兴趣。“跨专业的交流有助于协同创新,比如在建筑领域,之前建造者从建筑结构的视角考虑居多,而如何应用机器人则较少考虑。”周惠兴教授还表示,他计划写一本书,期待把目前成熟的机械设计制造经验引入到建筑建造中。他也在努力推广基于机器人智能建造的建筑设计、施工与维护方法,提升建筑工业化水平。

  从以产品为主的科研,到以培养兴趣和思想为主的教育,一路行来,周惠兴教授历经艰难困苦,也收获了鲜花与掌声。跟随着内心的信念,他和团队必将乘风破浪,勇攀下一个高峰。

 

《建筑》杂志2019年第7期刊登文章截图:

 

编辑:李小虎