获上海特等奖的万吨部件毫米级对接智能系统

如何更高效地建造一艘大型船舶或运载火箭？答案或许类似拼积木：将各个分段分别制造，最后再整体组装。这正是近年来广泛应用的先进制造方式。

然而，这些巨型部件远非手中的积木那样易于操控。最终装配时，需对接的两块“大积木”长达近百米、重达近万吨。更棘手的是，一块积木上的上千根“针”必须精准无误地插入另一块对应的“针孔”。这种对接装配的挑战令人难以置信：如何吊起这些巨型部件？如何精细调整位置？又如何实现精准对接？

船舶巨型总段自动对接系统（本文图片均为受访团队提供）

过去，这一过程完全依赖经验丰富的老师傅手工试错，效率低下且精度难以保障。如今，上海交通大学机械与动力工程学院王皓教授领衔的团队，历经十余年攻关，成功开发出一套一体化智能对接系统。该系统攻克了船舶与航天领域的“极限难题”，并于今天（2026年7月2日）荣获2025年度上海市技术发明特等奖。

十余年攻坚，赋能“国之重器”

如今，我国造船业已占据全球近七成订单，新型船舶及高附加值船舶实现批量交付；航天领域，运载火箭年度发射需求已接近百次。无论是船舶还是火箭，在需求爆发式增长的同时，都迫切要求进一步缩短建造周期。

目前，船舶与航天领域已普遍采用模块化“分体建造”模式。分段并行建造不仅提高了效率，对于船舶而言，还避免了传统塔式建造法长期占用大型船坞的问题，显著提升了船坞利用率；对于火箭而言，则实现了将分段运往发射场再行组装的方案，有效降低了运输难度。

“分体建造”已是先进模式，但后续仍需在智能对接上持续发力。人工对接耗时漫长，而智能技术同样面临着一块难啃的“硬骨头”。对接过程差之毫厘，谬以千里。研究团队用了一个形象的比喻：仿佛将整栋上海大剧院吊起，放下时位置偏差不能超过一枚硬币的厚度。

研究团队讨论火箭总装对接方案

为此，团队首创了大型部件标定—匹配—调姿一体化高效对接装配技术，成功研制出集“高精度标定、多特征匹配、自动化调姿”功能于一体的系列化成套装备。该装备首次实现了“感知—决策—执行”的智能对接模式，让机器能够自主“看”、自动“算”、自主“调”。原先需要超过一周的对接过程，如今缩短至半天，效率提升十倍。而这一成就的背后，是十余年坚持不懈的刻苦攻关。

2009年，团队建成了首个大部件对接实验平台。此后约第三年，开始与航天领域开展合作。2016年，该技术应用于新一代大型运载火箭，这是它在“国之重器”上的首次验证。2017年后，研究团队与江南造船厂建立合作，将技术应用拓展至船舶领域，并在随后的数年间持续赋能多种不同类型的高新船舶建造。

据王皓介绍，目前该技术已成功应用于我国多艘高新船舶的巨型总段对接装配，以及新一代运载火箭等多型火箭舱段的总装，大幅提升了高新船舶与大型运载火箭的总装效率。谈及此次获奖，王皓表示：“这不是结束，而是开始。”未来，该技术还可面向更多新型高新船舶、更大尺度的火箭立姿对接、可回收火箭的捕捉对接等场景，进一步完善推广，持续赋能更多高端装备制造领域。

基础研究先行，攻克三大难题

精度标定

无论是船舶总段还是火箭舱段的对接装配，都需要大量定位机构协同作业，实现群组调姿，采用并联构型的调姿装备。换言之，每块“大积木”由上百台定位机器人共同抬升移动，犹如“一百个人抬轿子”。因此，必须精准识别每个“轿夫”的相对位置，精确标定每条支链的轴线。哪怕轴线角度偏差仅为0.01度，对于近百米长的部件而言，都可能导致末端出现厘米级的偏差。

这几乎是该技术起步时的最初起点，指向机器人机构学界长期未能解决的一个经典难题——如何揭示并联构型调姿装备中误差参数间的耦合特性，建立反映误差传递本质规律的误差映射模型。只有弄清误差传递模型并确认算法，才能更有效地消除系统误差。

冗余驱动并联定位装备

为此，研究团队另辟蹊径，构建了并联构型定位装备精度标定的独立完备理论体系。他们首创了与运动机构操作位形无关的误差参数独立性判别方法，攻克了并联机构精度标定的参数可辨识性理论难题，建立起层次化解析消元算法，系统剔除了所有冗余误差参数。以基础研究开路，船舶与航天领域各类大型调姿装备的定位精度实现了跨越式提升，也为巨型部件的精准调姿奠定了坚实的理论基础。

特征识别

特征识别的目标，是让巨大对接端面上近千个指甲盖大小的微小对接特征得到精准识别与精确定位。这些特征的投影面积不足整个端面的百万分之一，要实现它们完全准确的对应，无疑是一大难题。

团队创新研发了大场景点云小尺寸特征分割技术，能够有效区分微小特征与环境噪声，完美实现众多小尺寸对接结构的快速识别与精确定位，识别效率大幅提升。在此基础上，团队还构建了兼顾整体轮廓与局部细节的多特征对接匹配评价体系，可科学测算并锁定最佳对接位姿。

形变控制

最后是形变问题。在调姿过程中，部件会出现扭曲、外翻等变形。要实现高效对接，必须实时感知构件形变、主动调整姿态、抵消变形误差。研究团队建立了载荷分布与结构变形的双向映射模型，实现了从部件结构变形到装备调控方案的逆向求解。这套大型部件结构变形主动调控技术，使万吨级庞然大物即便发生形变，也能完成特征精准匹配，实现柔性、高效、精密调姿。