機器人技術的發展與應用——機器人與人上海科普大講壇第33講（上）

主講人/高峰（上海交通大學教授）

整理/蔡倪

機器人技術的發展與應用——機器人與人上海科普大講壇第33講（上）

主講人/高峰（上海交通大學教授）

整理/蔡倪

機器人一直被賦予想象的空間。機器人技術的發展特點和應用領域在發生著怎樣的演變，隨著機器人技術不斷進步和突破，人類和機器人的關系又會變得越來越微妙。對于機器人的未來，人類又有著怎樣的憧憬呢？帶著你的已知，向著你的未知，讓我們走進機器人技術。

通過電視網絡，我們不難了解到機器人的發展現狀。這些年，機器人的發展被大家認為已經日趨成熟，但是科幻電影中出現的那些場景，那些機器人實際上離我們還很遙遠。目前的機器人實際上還只是一個機械，它不知道如何去工作，一直是人在賦予它動作。

以自然創造萬物的原理來創造機器人

如果從太空看地球，地球上能動的東西并不多，一些大自然創造的動物，它們的行為動作也可以理解為自然的機械運動。機器人一直是按照模仿人類本身來發展，這也是人類長期的一個夢想。自然界創造萬物的時候，也有一套機械的構造原理。比如人的骨骼，尤其手的骨骼構造非常奇妙，機器人的結構設計也大多依照人的骨架來設計。骨架的設計是機器人設計中一個非常關鍵和重要的問題，如果設計得不好，機器人可能是一個“殘疾人”，所以骨架設計是機器人和機械設計里非常重要的部分。在我國不斷創新的大環境下，現代機械發明的重要部分就是新的機構產生，這需要我們每個從事該專業的人要有創新意識。機器人中有一些典型的機構，是在幾十年前發明的，如今，要在工業上更好地使用，機構的發明是體現民族創新性的一個內容。

鳥和四足步行機器人構造相仿，大閘蟹的前爪爪子是典型的是四桿機構，遠古時代的恐龍腿上有兩塊骨頭，人的腿上也有兩塊骨頭。如果按機構來看，好象鳥、恐龍和人是一樣的，只是說功能不同。如腿上的兩塊骨頭的產生在機構學里被稱作“并聯驅動”，并聯驅動是知識密集型的一種機構，自然界進化出的高級并聯的知識密集型的機構是不可思議的，是近乎完美的。人類設計的機器人和大自然創造人和萬物的原理是完全一樣的，不像生命科學研究基因、染色體等密碼，是從深層次討論。從宏觀來看，自然界創造的萬物，所用的原理和人類創造機器人的原理是完全一致的。

《道德經》里有一句話：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”從機械的角度考慮，“三生萬物”是否存在呢？人體本身可分為頭、上身、下身三段，我們的手臂有大臂、小臂、手三段，我們的手指也是三段，我們的腿分為大腿、小腿、腳，也是三段，都是“三三制”，不管是恐龍還是現代動物的骨骼都是三三制構成的，所以說“三生萬物”是有一定道理的。人的手臂、大臂及小臂稍長一點，手稍小，如果將機器人的最后一節設計較大，那它就會笨手笨腳，不靈活，這也是機械設計里最基本的原則。第一段要大一點，第二段要稍小一點，最后一段越短越好。一般的工業機器人都會講究“自由度”，也就是電機輸入的數目，用六個電機做的機械手就要六個自由度的機器人，這是我們機器行業里面的一個術語，自由度越多，這個機器就越復雜。

機器人的夢想一直是人類長期的夢想，自遠古時代就有記錄，如《三國演義》中諸葛亮設計的木牛流馬。現代工業機器人的設計主要分為三段，也通過不同的改良實現了工業上的一些應用。

機器人在不同領域發揮著重要作用

如今的機器人可以通過不同方式操控，有人機交互系統可以指示它的行為，如手機、筆記本電腦觸控、聲音、操縱桿等。在構成方面則需要機械結構，動力系統，驅動系統，加上各種感知傳感器，控制系統等的互相輔助，才能最終形成機器人。所以機器人技術，是一項綜合技術，不是一個專業的技術，它是工程、信息、感知、控制、機械、傳感器等專業結合并應用的結晶。在制造機器人之前，通常是將機器人設計出來，放在計算機里，讓它動起來，按照運動規律做好程序，然后再做仿真機器人。現在實驗室里的機器人，大多數稱為并聯機器人。噴漆是工業上用得較多的一種機器人，汽車的制造也都是靠焊接機器人實現的。如今，機器人的價格較為便宜，質量能夠保證，在中國的發展也十分迅速，工業機器人的下一個目標就是朝著擬人的方向發展。

航天項目中模擬飛船對接過程，就需要機器人的設計與參與，在地面上模擬飛船在空間碰撞的過程。還有并聯機床，它和傳統的機床不一樣，機器人可以作為機床來使用，這也是機器人的一項重要功能，它可以加工復雜的曲面。此外，機器人技術也可以用于工程機械上，現在的大型挖掘設備，如挖掘機、ER電鏟等，在采礦方面有著非常廣泛的應用。傳統挖掘機使用的是并聯，現在開發出了雙支鏈并聯，自由度提高了，實現了鏟臂清理地面，提高了效率，節能，滿斗率等，而且可以清理現場。一鏟斗是32立方米，裝一斗就能把一個卡車裝滿，所以設備非常大。巨型機器人也是機器人中的重要一類，大多在重型機械里使用，和萬噸水壓機配套。巨型機器人在重機行業里常被使用，如核電站、大型船只都要用這個機器人和壓機聯合操作。過去公建實施效率非常低，現在用機器人可以提高精度和效率，另外也降低了能耗。目前，我們國家載重量最大的機器人，爪子達到五米直徑。微操作機器人也通過不斷研發得以應用，如通過六維鼠標，來實現對染色體的操作，在生命科學中得以應用。用微操作微切割，在克隆技術里是非常重要的。此外，娛樂場所也有許多個性化游樂設備，給予用戶刺激的游戲體驗。