机器人技术的发展与应用——机器人与人上海科普大讲坛第33讲（上）

主讲人/高峰（上海交通大学教授）

整理/蔡倪

机器人技术的发展与应用——机器人与人上海科普大讲坛第33讲（上）

主讲人/高峰（上海交通大学教授）

整理/蔡倪

机器人一直被赋予想象的空间。机器人技术的发展特点和应用领域在发生着怎样的演变，随着机器人技术不断进步和突破，人类和机器人的关系又会变得越来越微妙。对于机器人的未来，人类又有着怎样的憧憬呢？带着你的已知，向着你的未知，让我们走进机器人技术。

通过电视网络，我们不难了解到机器人的发展现状。这些年，机器人的发展被大家认为已经日趋成熟，但是科幻电影中出现的那些场景，那些机器人实际上离我们还很遥远。目前的机器人实际上还只是一个机械，它不知道如何去工作，一直是人在赋予它动作。

以自然创造万物的原理来创造机器人

如果从太空看地球，地球上能动的东西并不多，一些大自然创造的动物，它们的行为动作也可以理解为自然的机械运动。机器人一直是按照模仿人类本身来发展，这也是人类长期的一个梦想。自然界创造万物的时候，也有一套机械的构造原理。比如人的骨骼，尤其手的骨骼构造非常奇妙，机器人的结构设计也大多依照人的骨架来设计。骨架的设计是机器人设计中一个非常关键和重要的问题，如果设计得不好，机器人可能是一个“残疾人”，所以骨架设计是机器人和机械设计里非常重要的部分。在我国不断创新的大环境下，现代机械发明的重要部分就是新的机构产生，这需要我们每个从事该专业的人要有创新意识。机器人中有一些典型的机构，是在几十年前发明的，如今，要在工业上更好地使用，机构的发明是体现民族创新性的一个内容。

鸟和四足步行机器人构造相仿，大闸蟹的前爪爪子是典型的是四杆机构，远古时代的恐龙腿上有两块骨头，人的腿上也有两块骨头。如果按机构来看，好象鸟、恐龙和人是一样的，只是说功能不同。如腿上的两块骨头的产生在机构学里被称作“并联驱动”，并联驱动是知识密集型的一种机构，自然界进化出的高级并联的知识密集型的机构是不可思议的，是近乎完美的。人类设计的机器人和大自然创造人和万物的原理是完全一样的，不像生命科学研究基因、染色体等密码，是从深层次讨论。从宏观来看，自然界创造的万物，所用的原理和人类创造机器人的原理是完全一致的。

《道德经》里有一句话：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”从机械的角度考虑，“三生万物”是否存在呢？人体本身可分为头、上身、下身三段，我们的手臂有大臂、小臂、手三段，我们的手指也是三段，我们的腿分为大腿、小腿、脚，也是三段，都是“三三制”，不管是恐龙还是现代动物的骨骼都是三三制构成的，所以说“三生万物”是有一定道理的。人的手臂、大臂及小臂稍长一点，手稍小，如果将机器人的最后一节设计较大，那它就会笨手笨脚，不灵活，这也是机械设计里最基本的原则。第一段要大一点，第二段要稍小一点，最后一段越短越好。一般的工业机器人都会讲究“自由度”，也就是电机输入的数目，用六个电机做的机械手就要六个自由度的机器人，这是我们机器行业里面的一个术语，自由度越多，这个机器就越复杂。

机器人的梦想一直是人类长期的梦想，自远古时代就有记录，如《三国演义》中诸葛亮设计的木牛流马。现代工业机器人的设计主要分为三段，也通过不同的改良实现了工业上的一些应用。

机器人在不同领域发挥着重要作用

如今的机器人可以通过不同方式操控，有人机交互系统可以指示它的行为，如手机、笔记本电脑触控、声音、操纵杆等。在构成方面则需要机械结构，动力系统，驱动系统，加上各种感知传感器，控制系统等的互相辅助，才能最终形成机器人。所以机器人技术，是一项综合技术，不是一个专业的技术，它是工程、信息、感知、控制、机械、传感器等专业结合并应用的结晶。在制造机器人之前，通常是将机器人设计出来，放在计算机里，让它动起来，按照运动规律做好程序，然后再做仿真机器人。现在实验室里的机器人，大多数称为并联机器人。喷漆是工业上用得较多的一种机器人，汽车的制造也都是靠焊接机器人实现的。如今，机器人的价格较为便宜，质量能够保证，在中国的发展也十分迅速，工业机器人的下一个目标就是朝着拟人的方向发展。

航天项目中模拟飞船对接过程，就需要机器人的设计与参与，在地面上模拟飞船在空间碰撞的过程。还有并联机床，它和传统的机床不一样，机器人可以作为机床来使用，这也是机器人的一项重要功能，它可以加工复杂的曲面。此外，机器人技术也可以用于工程机械上，现在的大型挖掘设备，如挖掘机、ER电铲等，在采矿方面有着非常广泛的应用。传统挖掘机使用的是并联，现在开发出了双支链并联，自由度提高了，实现了铲臂清理地面，提高了效率，节能，满斗率等，而且可以清理现场。一铲斗是32立方米，装一斗就能把一个卡车装满，所以设备非常大。巨型机器人也是机器人中的重要一类，大多在重型机械里使用，和万吨水压机配套。巨型机器人在重机行业里常被使用，如核电站、大型船只都要用这个机器人和压机联合操作。过去公建实施效率非常低，现在用机器人可以提高精度和效率，另外也降低了能耗。目前，我们国家载重量最大的机器人，爪子达到五米直径。微操作机器人也通过不断研发得以应用，如通过六维鼠标，来实现对染色体的操作，在生命科学中得以应用。用微操作微切割，在克隆技术里是非常重要的。此外，娱乐场所也有许多个性化游乐设备，给予用户刺激的游戏体验。