国际学术界璀璨星光中的华人科学家
——“2020 ASME 机械设计终身成就奖”获得者戴建生教授

陈定方

武汉理工大学智能制造与控制研究所,武汉,430063

2020年6月,美国机械工程师学会(ASME )设计工程分会授予华人科学家戴建生教授 “2020 ASME 机械设计终身成就奖”(2020 ASME Machine Design Award)。颁奖辞是:为建立可重构机构领域和变胞机构子领域作出了开拓性与奠基性贡献;通过研究、应用、教学和服务对机械设计产生了持久性影响,从而弥合了通用但昂贵的机器人与高效但不灵活的机器之间的鸿沟。戴教授成为1959年以来该奖项的第58位获得者,是有史以来第一位获此殊荣的华人学者。

ASME机械设计终身成就奖是设计工程领域的最高奖项。该奖项自设立以来的58位获奖者皆为国际机械设计巨匠,在专业领域成就卓著,所涉及研究涵盖以下16个子领域:设计自动化,制造设计与生命周期,设计理论与方法论,机构学与机器人学,机电一体化与嵌入式系统,工程计算与信息科学,计算与非线性动力学,微纳系统,医疗器械,动力传动装置,可靠性、应力分析和故障预防,车辆设计,紧固与连接,设计教育,振动与噪声等。

1 主要学术成就

戴建生教授1982年毕业于上海交通大学机械系,1984年获该校硕士学位,1985年留校任教;1989年赴英国留学,1993年获哲学博士学位。现为伦敦大学国王学院讲席教授,美国电子电气工程师学会(IEEE)Fellow,美国机械工程师学会(ASME)Fellow,英国皇家艺术学会(RSA)Fellow,英国机械工程院(IMechE)Fellow,英国皇家宪章特许终身工程师。

戴建生长期从事理论运动学、机构学与机器人学的基础理论与应用研究,在国内外发表学术论文600余篇,其中国际期刊论文400余篇(SCI 收录期刊论文逾 350篇),专利30余项。SCI h-指数55,引用量逾12 000。出版专著 10余部,其中,《机构学与机器人学几何基础与旋量代数》《旋量代数与李群李代数》《可重构机构与可重构机器人——分岔演变的运动学分析、综合及其控制》 ,以及Screw Algebra and Kinematics Approaches for Mechanisms and Robotics几部专著在国内外学术界产生了广泛影响。

戴建生教授获得过 ASME 杰出服务奖、伦敦大学国王学院2010年“最佳博士导师奖”(九大学院仅评出一位)、中国机械工程学会中国机构委员会“2012CMES 机构创新奖”、中国机构学学会 “2012 学术创新奖”与 “2012 国际学术交流奖”,还获得过 “2015 ASME 机构学与机器人学终身成就奖”,2018年 Crossley 奖,2019 年 AT Yang 理论运动学奖,并获得多项最佳期刊奖与多项国际会议最佳论文奖,他的开拓性工作得到了国际社会的广泛认可。

2 开创性研究工作

2.1 可重构机构与机械设计的可重构

戴建生教授的工作改变了工程师解决机器设计问题的方式,开创了可重构机械设计的新范式,使具有多功能和可变拓扑的机械系统成为可能,并开创了可重构机构领域和变胞机构子领域。

20世纪90年代后期,戴建生提出了一类新机构(metamorphic mechanisms ,称为变胞机构),该类机构可通过几何约束和关节属性的变化来改变运动过程中的活动度和拓扑结构。他的相关论文被授予了“1998 ASME机构学双年度最佳论文”,该论文被引用逾500次。从那时起,他一直致力于该领域的拓新工作,开发了机构演变的拓扑表示,构建了许多新机构,开启了包括医疗保健、制造和机器人在内的多个应用领域。如他与合作者利用生物进化理论发展了增强的Assur杆组来研究构建变胞机构的基本结构,并为变胞机构的机构综合开发了一种形态学方法;他与学生一起设计了用于构建可重构机构的可重构虎克铰(rT)和可变轴关节(vA),从而扩展了机器的可重构性。

自2000年以来,戴建生通过促进可重构机构的设计范式以及此类新机构的发展和应用,一直引领着可重构机构和可重构机器人的全球研究。

2.2 折纸工程、临床应用和机械设计的交叉学科中变胞机构的演变

除了在变胞和可重构机构方面的开创性工作之外,戴建生教授还是折纸机构的研究先驱。他在1998年获奖的关于可折叠/可变形变胞机构的论文中首次提出了折纸机构的新概念,即折纸纸盒可等效为机构且折纸纹路可等效为机构网格。他的工作通过提供基于机构演化原理的运动学建模和搜索算法,并进一步扩展到折纸包装操作和包装机,从而应对了机构创新和多功能性方面的需求挑战。

戴建生是机构和机器人研究领域中多个研究方向的先驱。他的开创性工作之一是在脚踝康复机器上使用冗余驱动并联机构。与Girone使用全自由度Stewart平台的踝关节康复机器人不同,戴建生采用少活动度的并联机构进行踝关节康复,利用所需要活动度和冗余控制来节省成本和能源。他在2004年发表了基于机器人康复装置的机构综合和刚度分析的踝关节扭伤理疗的论文,该研究促进了用于脚踝康复的机器人装置的发展。

戴建生始终以对工业有用的方式积极推进机械设计研究,并将他的研究工作扩展到机器人设计、食品包装、制造和医疗保健的应用和实践中。他开发了具有可重构手掌的变胞多指手,在15年的多指手研究历程中,已先后开发了五代多指手,并在多个国家的多个研究项目中用于牛肉去骨和操纵关节式物体。他还研发了具有可重构躯干的变胞爬行机器人,该机器人可适应不同的地形和各种环境,并可执行折叠和展开的动作。

2.3 用于机械设计的有限位移旋量和活动度基础理论

在基础理论研究方面, 戴建生教授发展了用于机械设计的有限位移旋量和旋量系方法。他在20世纪90年代初的有限位移旋量研究成果可用于机器人手腕和机械手的直接设计;2001年发表的关于旋量系统之间相互关系的论文可用于指导机械设计中的约束系统研究;他在英国皇家学会学报(2002年)和Journal of Robotic Systems(2003年)上发表的关于“互易旋量新算法”的研究成果可用于揭示机构设计中的几何约束;2004年、2006年,他的研究进一步揭示了并联机构和过约束机构中的活动度和各种旋量系;2012年,他在ASME JMR发表了关于具有Chasles运动的有限位移旋量运算子研究;2015年,他在Mechanism and Machine Theory发表了Euler-Rodrigues公式变异、四元数共轭及其内在联系的研究论文。上述研究推进了变胞机构和可重构机构基础理论的发展。

戴建生的理论研究工作为具有多分支、可变活动度的可重构机构的发展作出了巨大贡献。

3 工程教育和专业服务工作

戴建生对机械设计的热情在工程教育工作中也很明显。他获得过伦敦国王学院颁发的“2010 Overall Supervisory Excellence Award”,该奖项用于表彰研究人员对学生的出色指导和支持。迄今,他已培养了40余位博士,其中10名在中国、美国、英国、意大利、澳大利亚和墨西哥的一流大学中担任教职,另外10名成立了高科技创业公司,负责开发用于医疗保健、救援、教育和医疗的设备和机器人。他的教学活动和影响力也超出了伦敦国王学院的范围,曾应邀前往世界各地出席国际学术会议,作主题报告和大会报告。

戴建生一直致力于专业服务。 在2004—2010年期间,戴建生是ASME机构学和机器人学技术委员会的委员,并担任过多次ASME机构学和机器人学技术会议以及ASME/IEEE会议联合主席。在2009年和2012年,他发起并主持了全球享有盛誉的第一届和第二届ASME/IEEE可重构机构和机器人国际会议(ReMAR),此外,戴建生是ASME英国和爱尔兰分会的重要成员,并于2008年至2010年担任副主席,于2010年至2012年担任主席;他还是 IFToMM 英国区主席。

戴建生教授是Journal of Mechanisms and Robotics, Trans. ASME的创刊副主编;2016年以来,他一直担任Mechanism and Machine Theory的理论运动学、并联机构和变胞机构学术方向主编;近十几年来,他先后担任学术期刊RoboticaIEEE Transactions on RoboticsJournal of Mechanical Engineering ScienceASME Journal of Mechanical Design的副主编。从事专业工作几十年来,戴建生教授为推进机构学和机器人学的发展、促进国际学术交流作出了杰出的贡献。

(编辑 卢湘帆)

作者简介陈定方,男,1946年生,教授、博士研究生导师。主要研究方向为机械设计理论及方法,在计算机辅助设计、智能设计、虚拟设计/制造、计算机支持的协同设计和智能材料领域作了具有开拓性的探索。