CAAI吴奖人物丨方勇纯：我国欠驱动机器人系统控制的先行者

获奖人物小传

方勇纯，男，1973年生，南开大学计算机与控制工程学院教授、副院长，国家杰出青年科学基金获得者。现为中国自动化学会理事、中国图象图形学学会常务理事、天津市图像图形学学会副理事长、中国自动化学会控制理论专业委员会委员、中国自动化学会青年工作委员会副主任委员等。

曾荣获中国自动化学会青年科学家奖、天津市中青年科技创新领军人才、天津市自然科学二等奖、天津青年五四奖章、天津青年科技奖、教育部新世纪优秀人才、中国自动化学会高等教育教学成果一等奖、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次、宝钢优秀教师奖、WCICA2016T-JTarn最佳应用论文奖、《控制理论与应用》优秀论文奖等奖励。2017年，获得“中国智能科学技术最高奖”——第七届吴文俊人工智能自然科学奖一等奖。

人工智能人物：您出身何种家庭背景，少年时代求学之路的理想是什么？

方勇纯：我1973年4月出生于一个农民家庭，上面还有两个哥哥和一个姐姐。幼小的记忆中，父亲曾告诉我，当我出生还不到一岁时，贫病交加的母亲就永远离开了我们，父亲只能独自把我们四个幼小无知的孩子抚养大，非常不容易。由于在农村，父亲收入不高，因此家里的经济条件也比较困难。那年初夏，我考到湖南师大附中的理科实验班就读。每当学校快开学时，父亲都因为实在凑不足学费，只好带着我找一些邻居家借钱去读书。一路的尴尬和窘迫之余，也促使我暗自下决心要好好学习。因为家里条件不好，我少年时代的理想非常简单：“努力学习争取考入名牌大学，之后能够找到一份理想的工作”。后来，我在刻苦学习中逐渐长大，却发现自己对于学习和研究非常有兴趣，也觉得有一定的天赋。

人工智能人物：您为何选择当前的研究方向，这与自己想实现的科学梦想有哪些距离？

方勇纯：1992年，我以优异成绩被保送进入浙江大学，当时作为保送生，我可以随意挑选专业，但苦于对大学专业一无所知，我只好在内心暗自告诫自己：倘若选择的专业能将喜欢做的研究成果真正应用到产业中该有多好啊。听完浙江大学招收保送生的老师介绍后，我便不假思索的选择了自动化专业。从那时起，我的理想开始萌芽，希望今后的研究成果可以成为“开展能够真正应用于工业生产的研究”。

从1992年开始，我一直坚持在自动化领域从事相关方向研究。1994年，我从特殊培养的混合班要回到专业中去，还可以再自由选择一次专业，这时我仍然毫不犹豫地留在了自动化专业。我从1996年本科毕业，有幸面试攻读硕士，当时一些自动化专业的推免生选择了去计算机，信电等方向，而我仍然选择了控制专业，到浙江大学工业控制研究所攻读硕士。

自动化不仅是未来科技的基石，更是制造业的“皇冠”。仔细想想，这么多年来，只有实现各类系统的“自动化”，才会有现今科技变革朝着智能化方向阔步前进的基础和动力，这个美好的梦想一直萦绕在我的心中，使我始终坚持自己的正确选择。但具体到现在从事的这项欠驱动系统方面的研究，我是从1999年开始着手进行。我清楚的记得，这是当时指导老师Darren Dawson教授在我博士生阶段引入到这个方向，其起源是美国南卡罗来纳州的海港起重机出现重大技术需求，我便从此踏上了吊车方面的研究工作。

从攻读博士开始，我一直从事机器人与非线性控制方面的研究。机器人是人工智能的杰出“代表”，但我认为，当前的机器人技术距离人类的期望还很遥远，还有很多难题等待我们去探索。我非常喜欢这方面的研究，这也正是我梦想的方向，在这个领域努力耕耘，乐此不疲。在研究中，我们希望能从系统的实际需求出发，找到解决问题的方法之后再应用于实际系统。具体的研究主要集中在桥式吊车等欠驱动系统，在该研究方向发表了一些代表性学术论文，研制了32吨级安全高效自动桥式吊车系统，很高兴这些工作得到了学术同行的认可。2015年，我获得了国家杰出青年科学基金、“中国自动化学会青年科学家奖”等奖励，指导的博士生孙宁也获得了“中国自动化学会优秀博士学位论文奖”。

人工智能人物：怎样理解一类欠驱动机器人系统的轨迹规划所具有的科学进展，该研究成果取得了哪些有较大影响的突破？

方勇纯：欠驱动机器人系统希望以“少”控“多”，为此需要充分利用好系统内部各个状态之间的耦合关系。我们的主要贡献集中在基于能量的控制方法与轨迹规划技术。具体而言，我们在欠驱动系统控制中最早引入了机器人轨迹规划的思想，深入研究系统的运动特性，从中寻求最合适的有驱动状态的轨迹，即通过轨迹规划构造出驱动状态的理想轨迹，这是其中的关键之处。这种处理方法对于桥式吊车等欠驱动系统控制而言非常有效，在自动化领域认可度最高的Automatica及IEEE汇刊上发表了多篇高水平论文，得到了国内外学者的关注。经过工业实际应用表明：这方面的成果，为提升欠驱动机器人系统的暂态性能提供了很好的思路，同时也为实现一些欠驱动系统，如桥式吊车等的智能化操作奠定了很好的基础。这些研究成果在一定程度上填补了国内外相关技术的空白。

这也不难理解，机器人是各类人工智能技术的集成性载体，对于机器人系统而言，如何实现其良好的控制是一个核心问题。欠驱动机器人由于缺乏足够的控制输入，控制极具挑战性，我们通过深入分析系统的能量分布，巧妙地将能量控制思想引入其分析，提出了有效的解决方案。本项目研究的跟踪控制技术重点在于针对欠驱动机器人系统的特点，通过各类非线性控制方法实现其稳定控制，这属于广义的人工智能技术，相关技术可为众多工程机械，如挖掘机等的无人化操作提供宝贵的经验，为全面提高其智能化程度奠定技术基础。

人工智能人物：您在研究过程中遇到怎样的困境，又发生过哪些有趣的科学故事？

方勇纯：对于我而言，一个最大的动力在于想通过自己的努力提升工程实际系统的性能，特别是将研究成果应用到实际系统中是我最开心的事情。可以预见，工程研究的最终目标是把理论与实际结合在一起，通过方法来解决实际问题，提升系统的性能。当前，我们和发达国家，如美国、德国、日本等相比较，我国的自动化程度仍然处于相对落后的水平，对于我们这一代研究人员而言，通过自己的努力来缩小这个差距是应尽的责任。但说实在话，研究工作其实非常辛苦。记得我在攻读博士期间，曾经为了证明一种控制方法的性能，苦苦思索了一个多月，尝试了各种方法，用掉了厚厚几叠草稿纸仍一无所获，就在最后想要放弃的时候，导师Darren Dawson教授的鼓励使我坚持了下来。Darren Dawson教授在非线性控制领域有着丰硕的成果，他直截了当地告诉我：您若缺乏坚持精神必将一事无成！后来，我又经过数周的努力，总算较好地解决了多个核心技术问题，当时那种“柳暗花明”和“欣喜若狂”的喜悦真是难以言表。

我攻读博士时的指导教师Darren Dawson教授是非线性控制领域的著名学者，他对学生要求特别严格。当时，我还记得写第一篇论文时被他批评得恨不得钻地洞，觉得他严厉得不近人情，但现在特别感谢导师当年对我的严格要求。而我攻读硕士时的两位导师，浙江大学的王树青老师和王宁老师都非常严谨认真，我回国之后一直非常关心我的发展。这些老师是我学术路上的引路人，他们对我的影响非常大。

另外，我很庆幸回国时加入了卢桂章教授领导的南开大学机器人研究所，卢先生是我国机器人领域的权威学者，他厚重的学术功底，以及机器人所其他教授的敬业勤奋，都深深影响着我并使我受益良多。

人工智能人物：您在培育科研团队方面有何与众不同的做法？您认为当前高校科研环境对杰出人才培育会产生哪些积极影响？

方勇纯： 我认为在科研团队建设方面是非常幸运的。一方面，年轻的同事们都非常努力，比如本项目的第二完成人孙宁副教授，他在欠驱动吊车的非线性控制与轨迹规划方面做了很多工作；本项目的第三完成人张雪波副教授在视频监控等方面做了很多工作。另一方面，团队的各位研究生也足够刻苦聪明，一些同学获得了WCICA最佳应用论文奖等奖励。由于整个团队氛围十分和谐，大家都团结向上努力进取，我不需要刻意做什么事情来培育科研团队，仅仅是尽我所能在经费、实验用房和设备等方面为他们争取更好的科研条件，并分享自己起步时的一些经验教训，努力做好协调工作，使我个人的奋斗和团队的目标完全一致。这样每个人都能充分发挥自己的才干，并形成最大的合力，整个团队的发展就水到渠成可以达成新的高度了。我对团队目前的发展水平很满意，当然，我们在协同攻关时也遇到过不少困难，例如在开展国家科技支撑计划课题过程中，由于高校在工程研发方面经验不多，在搭建实际工业吊车时经常遇到难题，但团队成员刻苦努力，一些研究生甚至瞒着我在工厂熬夜通宵，最后众志成城，高质量地完成了研究项目。

关于高校科研环境对于杰出人才的培育，这是一个非常大的主题，我认为相对宽松的环境更容易激发人的创新意识，而温馨的集体则有利于提高个人的工作积极性，并进而提升整个团队的工作效率，这些对于培育杰出人才而言都是非常关键的。

人工智能人物：您认为获得“吴文俊人工智能科学技术奖”之后，这对您在科研、教学及项目应用等方面会发挥哪些支撑作用？

方勇纯：“吴文俊人工智能科学技术奖”是我国人工智能领域的最高荣誉，我今年能够获得“吴文俊人工智能自然科学奖一等奖”，我觉得自己非常幸运，也非常契合人工智能时代发展的需求。这对我们团队数年来工作是极大的认可，我要感谢各位同行专家给予的客观、公平、公正的评价。我们南开大学机器人所的气氛非常和谐，所里的同事非常支持我们的工作，记得原来我们在硬件电路设计方面经验不多，张建勋教授和他的学生给我们提供了很多非常有益的建议。

那么，获得这个奖对于我们后期的科研、教学及项目团队管理都会带来非常积极的影响。一方面，它使我们对于目前的研究方向信心更足了，也进一步明确了我们的研究思路；另一方面，这个奖的获得使我们的成果得到了更多的社会关注，获得了更高的认可度，这对于后期的科研和教学而言都是非常有利的。同时，社会的关注也会鞭策我们更加努力工作，组建好高水平的研究团队，将这方面的研究更好地深入下去，并逐渐拓展至异构多机器人协同控制等方面。

人工智能人物：您最坚信怎样的人生信条？您的获奖感言是什么？

方勇纯：我最坚信的人生信条就是“一分耕耘一分收获，付出才可能有回报！”我非常感谢吴文俊人工智能科学技术奖评审委员会对我们工作的认可，能够获此殊荣，倍感荣幸。我们很幸运正好赶上了人工智能和机器人发展的大好时代。当然，我也非常感谢南开大学对我们团队的培养，感谢南开大学机器人所各位老师的努力工作，我想，这份至高无上的成绩和荣誉应该属于大家！