机器人展品研发规律研究

孙 帆

（自贡市挚诚科技有限公司， 四川自贡，643000）

0 引言

机器人技术是综合多学科成果的先进技术，被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要标志之一，而且机器人经常在博览会、影视片中频繁亮相，深受观众的喜爱和关注。各种类型和功能的机器人越来越多地进入工业制造和生活服务各领域，为人类提供服务。

随着我国科技馆建设水平的提升、科普教育活动的大力开展和国民素质的提高，公众对机器人展品的需求也大大增加。然而，在科技馆中面向观众进行展示的机器人展品却十分缺乏，且存在表现形式落后、缺乏互动性和创新性等诸多问题，难以满足公众探索机器人技术的兴趣和愿望，也无法系统展示机器人技术的构成和发展，因此，探索机器人展品研发规律具有十分重要的现实意义。

古筝机器人

“机器人技术互动体验系列展品展示关键技术研发”课题研究，旨在提高科技馆机器人展品的科技水平，增加公众对机器人技术的认知，培养机器人展品研发人才队伍，总结出机器人展品研发的规律。

1 机器人展品现状调查

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科成果的高新技术。机器人展品的研制普遍存在专业性强、技术难度大、制作成本高、控制技术复杂等问题，且需要机器人技术和科技馆展示技术相结合。因此科技馆中机器人展品很缺乏，仅在少数科技馆中有部分工业机器人、小型舞蹈机器人展品，难以满足公众日益增长的对机器人技术的探索需求。

2 机器人展品的特殊要求

科技馆作为社会大众科普教育的重要阵地，其教育方法强调的是从激发公众的兴趣出发，引导公众从观察到的现象中提出问题，进而思考解决问题的方法，并在深入探究中得到科学方法和科学思想的启迪。因此，科技馆研发和展示的机器人展品与社会生产领域的机器人有所不同，需要具备如下特点：

1）表现形式要能激发公众的探索兴趣，能让观众在自主的探索过程中了解机器人技术及应用的科学方法，让公众得到科学思想培养和科学方法的启迪。

2）受众群体是广大公众，而非专业人员，展示过程强调互动性，展示现象需要能够重复。展品的耐用性和抗人为破坏性方面须有专门的设计及考虑。特别是机器人这一类专业操作性要求比较强的产品，更是既要让公众能在与机器人的互动体验中了解机器人技术的特点，产生探索的兴趣，又要让机器人展品能适应非专业人员操作和互动，避免观众错误操作给机器人展品造成损害。

3）科技馆属于公共事业单位，机器人展品的成本控制也十分重要，目前无论国内还是国外，都十分缺乏机器人展品，机器人展品高昂的成本是十分重要的因素。

3 机器人展品研发流程

3.1 确定展示内容

科技馆展示的机器人展品，既要具有机器人的基本功能，能展现机器人技术，更要满足科技馆普通观众的认知需求，展示内容需要既具有科学性，又能引发公众探索兴趣，让观众在充满乐趣的探索过程中，积累科学知识，学习科学方法，培养科学思想。

本课题在研究前期，通过对国内外50多家大型科技场馆的问卷调查统计，了解到80%以上的观众对机器人技术充满期待和兴趣。特别是机器人的高精度、灵活性技术，机器人平衡技术，仿生机器人技术，拟人型机器人等受到广大观众的关注。因此本课题确定了从以上几个方面研发展品，展示相应的机器人技术。

3.2 确定展示形式

机器人展品研制，要根据展示内容结合科技馆展品的功能要求，确定合理的展示形式，满足以下要求。

1）互动性强：机器人展品要具有足够的互动性和参与性，以符合动手动脑相结合的学习规律，通过互动参与体现展品的趣味性，也是科技馆展品与博物馆展示的最大区别。

2）操作参与可重复：科技馆人流量大，展品使用频率极高，要求展品的操作要满足不同受众群体的习惯，演示现象和效果要在合理的时间内能够重复再现，满足多数观众参与的需求。

本课题根据公众感兴趣的机器人高精度、灵活性技术，机器人平衡技术，仿生机器人技术，拟人型机器人技术，研制了“机器人移动投篮、机器人装配生产线、自行车机器人、机器孔雀、坦克机器人、体感机器人、古筝机器人”七件创新机器人展品。

展品将复杂的机器人技术与观众所熟知的项目或运动相结合，通过互动参与，让观众了解机器人技术的知识及应用的科学方法，激发他们对机器人技术的探索兴趣。例如，在机器人高精度定位技术展示中，将工业机器人与篮球运动相结合，通过机器人定点投篮、移动篮筐投篮和人机对抗等高难度投篮运动，展示工业机器人高精度的重复定位精度和稳定的运动性能。在拟人型机器人展示中，通过观众选曲让机器人弹奏古筝，将人形机器人与中国传统乐器古筝相结合，突出中国古典音乐文化和现代高科技技术的融合，形式新颖，内涵丰富。让观众既能直观看到动态的机器人技术展示，更能参与其中，与平时难以接触的机器人进行互动或与机器人进行比赛，在亲身体验中，了解展品所蕴含的原理和应用的技术。

展品研制完成后，在自贡、北京两地，组织了十余场临时科普展示活动，邀请当地多所学校及社会团体参观和体验，受到广大公众广泛关注和一致好评，充分调动了公众的好奇心和探索热情，激发了广大观众对机器人技术的兴趣。

3.3 功能及构成分析

机器人展品要与科技馆展示技术、展示形式相结合，在充分考虑展示效果、参与性、安全性、维护性、制作成本的基础上，还要对展品进行详细的功能分析，确定展项的构成。

例如：投篮机器人要完成投篮球展示，除了需要高精度的工业机器人，投球抓手、行走机构之外，为解决展品可互动和重复性操作的功能，需要对多媒体系统、球框、回球装置、围栏、音箱等配套设施进行设计，为方便观众参与和管理，而且还需要进行专门的表演及参与流程设计。此外，由于展品应用于科技馆向公众展示，机器人展品的外观也需进行专门的展示设计，保证整体展示效果与观众感受良好。

3.4 结构设计

机器人展品与社会生产领域的机器人不同，要满足科技馆的展示需求。机器人的操作互动不是由受过培训的专业人员进行，而是普通的公众，因此结构设计上需要满足以下要求：

1）安全可靠。机器人展品要充分考虑观众对展品的非正常和破坏性操作，一方面保证展品运行的稳定可靠，同时也要避免展品运行过程中可能给观众造成的伤害和安全隐患。

比如坦克机器人展示系统中，在楼梯、独木桥等危险路段地面设置电磁信号导向带，机器人行进到识别位置后，将按照电磁信号导向带的引导轨迹运动，通过楼梯、独木桥等复杂路段，避免观众错误操作使机器人从高处跌落造成损坏；在坦克机器人四周安装有超声波传感器，通过实时读取传感器测定的位置数据，经过软件避障模型输出机器人自动避障指令，机器人在行进过程中将自动避开四周障碍物，避免观众错误操作时造成机器人碰撞损坏；在机械手臂上安装有力传感器，能准确感知手部左右上下方向受力大小，由此避免抓取过重的物体损坏手臂，起到保护机器人的作用。

2）维护方便。机器人展品要避免需要专人值守才能正常运行，以满足观众自由参与、自主体验的目的，同时方便管理和减少运行维护费用。

坦克机器人设置两个操作台，操作台控制系统通过USR-WIFI232-602通信模块与坦克机器人进行Wi-Fi数据传输，观众可通过操作台远程控制坦克机器人分别执行不同的任务，自主进行参与体验，减少工作人员对展品进行值守维护。

同时，坦克机器人设置自检及故障报警功能，通过串口通信检测通信故障；通过直流伺服电机过流系统，检测电机过流保护；通过增量式编码器检测电机编码器错误等。

总之，实现自动诊断、反馈并做出报警提示，确保展项使用的安全性，有利于降低展项的日常管理及维护成本。

3）成本合理。科技馆作为公共服务机构，必须严格控制正常运行的人力、物力成本，减少展品研发费用。确保展品合理的成本是促进科技馆持续发展的基础。

例如，古筝机器人研制过程中，针对古筝需要左、右手配合弹奏的特点，机器人的两只6自由度机械臂，需要高速精确地配合，使用标准的机器人控制系统很难实现，且购买成本高。因此,我们自主开发出基于安川MP2300运动控制器的分布式交流伺服控制系统，与购买标准控制系统相比，开发成本更低，对于机器人展品的推广应用具有很高的成本优势。

4 团队协作

机器人展品作为一个系统性的工程，综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科技术，还要与科技馆展示技术相结合，满足科技馆展品的特殊要求，综合性要求高，研制过程中需要围绕展示需求进行大量的技术攻关。

目前的机器人研发机构对社会生产领域的机器人研制具有较强的技术能力，但还没有专门进行机器人展品研发的单位。因为机器人展品的应用没有社会生产领域的机器人广泛，且需要与科技馆的展示技术相结合，综合性要求高，研发成本高，利润较低，难以维持机器人展品研发的持续发展。而科技馆和普通的科普展品研发单位，又缺乏机器人展品研发所需的专业技术，很难满足机器人展品的技术要求。因此，机器人展品的研制，必须通过科技馆、科普展品研制单位、机器人研发机构强强联手、分工协作的合作模式，依靠不同学科和领域的专业人才队伍进行团队合作，既要有明确的分工，又需要相互协作，资源共享、优势互补。

坦克机器人

基于上述共识，本课题组各单位紧密配合、交流协作，为课题研究的顺利进行奠定了基础。最终不仅圆满完成了创新机器人展品研发的课题任务，还组建起了一支技术水平综合全面、创新能力强的优秀研发团队，为将来科技馆机器人展品的研发创新打下了坚实基础。

5 结论

“机器人技术互动体验系列展品展示关键技术研发”课题，研究探索出机器人展品研发应遵循的普遍规律是：

1）充分做好现状调查，理清机器人技术的发展方向和科技馆展示需求，确定展示内容。

2）与科技馆展示技术相结合，确定展示形式，且符合科技馆展品的特殊要求。

3）对展品进行详细的功能分析，根据展示效果、参与性和安全性确定展品的构成。

4）展品的结构设计需满足安全可靠、维护方便、成本合理的要求。

5）机器人展品的研发要依靠科技馆、科普展品研制单位、机器人研发机构优势互补，团队协作。

[1]贾玉赞.浅议智能机器人发展及应用[J].太原科技，2003(3)∶20.

[2]任福继.智能机器人的现状及发展[J].科技导报，2015(33)∶32-38.