摘要：“我们相信广义并联机器人跟无人机、具身智能结合起来，在2025年会非常兴旺，相信随着人工智能的高水平发展，智能机器人会成为人类生活中不可或缺的一部分。”
转自网易公开课，权属于原作者，仅用于学术分享
“我们相信广义并联机器人跟无人机、具身智能结合起来，在2025年会非常兴旺，相信随着人工智能的高水平发展，智能机器人会成为人类生活中不可或缺的一部分。”
12月25日，第三期网易《未来公开课》上，机器人领域的权威专家，加拿大工程院院士、香港理工大学（南京）技术创新研究院院长张丹围绕《智能制造业当中机器人系统创新设计以及应用》分享了传统并联机器人的定义设计过程，阐述各类机器人系统应用过程存在的优缺点，在其中寻找创新之道。
张丹提到，传统的并联机器人有很多优点，比如说它的速度很快、载荷很大，而且精度也很高，但是有很多的问题，它的工作空间非常小，加工的时候容易受力不均匀，适应性非常小。广义的并联机器人扩展了原来的传统并联机器人，一定程度上改善了这些缺点。
“我团队在这方面做的一些工作，做了一个创新的设计，叫paralyzation of Siri Robot。一个是串联机器人，一个是并联机器人，把它结合起来，产生新一代的机器人，是一个继承了父母亲优点的一种机器人，让它既有串联的优点又有并联的优点。”张丹详尽地分享了团队实验的几个例子，“我们把scale机器人变成一个并联的scale机器人，把它变成这么一种结构，紫颜色的末端执行器，灰颜色就是它的一个底座，上面大家可以看出有三条腿，符合了并联机器人是两条或两条以上腿。第二个大家可以看出来是一个闭环的结构，那它就是一个并联的机器人，但是它的运动跟scale是完全一样的，既有scale串联机器人的优点，又有并联的精度高、速度快、载荷大的优点。”
2024年12月23-25日，网易《未来公开课》已邀请中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员、复旦大学光电研究院院长褚君浩，著名医疗卫生体制改革专家、北京大学国家发展研究院经济学教授、北京大学中国健康发展研究中心主任李玲，加拿大工程院院士、香港理工大学（南京）技术创新研究院院长张丹做了演讲分享。接下来，12月26-27日，峰瑞资本创始合伙人李丰，知名经济学家、全国工商联智库委员、万博新经济研究院院长滕泰，将用娓娓道来的演讲，聚焦热点经济问题和国际局势，谈论对未来的见解，共同迎接智能化时代的新篇章。
以下为张丹的演讲节录：
大家好，我是张丹。今天讲的主题是智能制造业当中机器人系统创新设计以及应用。第一方面讲一下传统并联机器人它的一些定义以及设计的过程，以及存在的一些问题。接下来讲到好多传统并联机器人的一些缺点，在现实当中我们怎么样把这些问题解决？第三部分主要介绍一下我的团队在这方面做的一些工作。
首先讲一下第一部分，传统并联机器人的一些定义以及存在的一些问题。现在来说，主要那个机器人有那么几种，第一种叫讲串联机器人，它的定义就是一个开环的，就好比说你一个人的两条腿的话，你一条腿收起来以后那就是一个开环，像你的手臂，这手臂伸出来以后就是一个开环的一个结构。这个我们叫串联机器人，它在工业当中用得比较多。
第二种叫并联机器人，它的顶端是末端执行器，末端执行器到基座之间有两条或两条以上的腿构起来的。并联机器人这里面要注意，首先一点它是两条或两条以上的腿。而且第二点它是一个闭环的。拿人的两条腿来讲，你如果两条腿都蹲在地上的话，那它就是一个两条腿，而且是闭环的，就是一个并联机器人。然后你两条腿一条腿收起来以后那就是一个串联机器人。
除了这两种机器人以外，还有第三种，我们叫混联机器人，从这几个图可以看出来，左上角是一个串联的结构，串联结构在一个载荷下面它就有一个弯曲，第二个左上图的那个，就是一个并联结构，并联结构在载荷下面，大家学过力学的话应该知道，这个就是一个二力杆，它的载荷就是向两条腿分布了，这样来说如果你腿越多的话，它这个载荷就越多了。
左下图是一个串联结构。串联结构我前面讲过，它是一个挨着一个，把它串联起来，像你的手臂，就是串联起来。那么串联以后就有一个问题，你可以想一下，如果你这个手臂上面的每一个零件，如果加工的时候有误差的话，这么串联起来它的误差就累积起来了。第二个，这里面每个关节上面都要装一个马达，这样的话，串联机器人动的时候，它会非常重，所以这样的话，导致它一个是误差比较大，第二个速度不会很快。然后下面右边那个图就是个并联结构，大家可以看出来，从它的末端执行器到它的基座之间只有那么一个杆子，误差不会累积起来，它的载荷会非常大。
传统的并联机器人我刚才讲了好多优点，比如说它的速度很快、载荷很大，而且精度也很高，但是有很多的问题，首先它的工作空间非常小。所谓的工作空间就是说它的可达的范围非常小，你可以想象一个手臂去抓东西，就抓得非常远，但是两个手抓在一起以后，就是一个并联结构。抓的时候，另外一个手它就说我够不着，这个之间就有一个耦合的关系，这个耦合的关系就会导致它的工作空间非常小。下面有几个例子一个就是HEXA，它的转动的角度只有20°，另外那个Sprint set 3的一个并联机器人，的转角只有50°。另外一个最典型的steel的平台，它因为是球角，所以它的转动的关节也是非常小，一般是小于45°。
第二个问题，并联机器人它每变一个位置，这个所谓的“位置”拍照的时候我们叫pose,你的pose呢，一个是它的orientation,一个是它的position,一个是位置，一个是转角。每次并联机器人它的末端执行器一变的时候，刚度就变了，这样的话，你在加工的时候，可能会导致受力不均匀。
第三个问题它的适应性非常小，因为它的末端执行器是一个刚体，所以它的适应性比较小，非常古板，没法儿适合这个工作或者是另外一个工作。为什么会导致这些问题呢？主要是基于它的定义，这里边我们看一下一个表格，并联机器人的定义首先一点，就是说它的末端执行器是一个刚体，就导致它的工作空间非常小，第二个，它的适应性非常小。
那么我们现在怎么样解决？我们提出了一种叫广义并联机器人，一个末端执行器可以想象是一块平板，是固定的，我们把这个平板切成两片，这两片之间用一个铰链把它连起来，就变成这么一个板，这样的话大家可以想象它的转动角是不是大大增加了？所以这样的话，大大改善了它的工作空间。所以第一个改善就是我们把末端执行器切成两片，用个铰链连起来，这个是最基础的一个表述。我们在具体地做的时候，不一定是一个铰链，可能是一个螺旋的或者其它的一种结构。还有一个像人一样，每条腿它是独立的一条腿，这样的话，会导致最后的结构它的刚度不均匀。
我们现在怎么样改善这个问题呢？我们的solution就是说把腿跟腿之间耦合起来，腿跟腿之间用一个橡皮筋连在一起，这样的话，一方面可以改善它的刚度，另外一方面可以消除它的奇异点。
第三个，末端执行器，刚才我讲过是一个刚体，不能动，它的工作空间小，其它的性能也比较差，它的适应性比较小。我们的改善的办法就是说你可以想象，本来比如说我的末端执行器是刚体的一个板，那么就相当于一个三角形，三角形你是不能动的，我现在把这个三角形变成一个四边形或者是五边形，大家可以想象就是四边形的话，它可以不断的变形，这样的话末端执行器也不需要安装任何马达，可以让它就是相当于一个驱动，驱动它的那个末端执行器进行操作一些工作，比如说我做一把剪刀或者是其它的工作。
这就是我们做的三项改善，我们称它为是一个广义的并联机器人，就是扩展了原来的传统并联机器人。
详细讲一下第二部分，就是怎么样来改善传统的并联机器人？我们现在在它的设计过程当中加了一个，为了它的性能来设计的一个过程，我们叫design for performance 这么一个过程，其它的都没有改。这个我刚才讲过，有那么几种形式，一种就是把末端执行器切成两片，把它变形，第二个把它的单独的一个腿之间连起来变成一个耦合的。第三个把它的末端执行器变成一个四边形、五边形或者六边形。还有就是说增加一个被动腿，增加它的刚度。还有一个呢，就是我们可以把它变成一个可重构的结构，这些都是可以改善它的特性的做法。那么这样的话就是把原来的优点全部保留下来了，然后把原来的那些缺点全部克服掉了。
那最后介绍一下我团队在这方面做的一些工作。首先我们做了一个创新的设计叫paralyzation of Siri Robot。现在90%的机器人在工业当中应用都是串联机器人，那么我们能不能把这些最流行的串联机器人并联化？就是说把那个串联机器人，并联机器人，结合起来，产生新一代的机器人，是一个继承了父母亲的优点的一种机器人，意思就是说把本来是串联的变成一个并联的，让它既有串联的优点又有并联的优点。
我们首先进行一些分析，比如说上面那个是Skyler机器人，下面一个是ABB机器人，要设计一个机器人首先我们要考虑把这个机器人我们应该怎么样安装？我们观察这两台机器人以后，知道它是安装在地面上，而且它那个轴呢，是朝上的，那么我们也做这么一种基座。
第二种导轨式的，像三维打印或者是绘图仪，它在导轨上滑动的那种结构，我们也做这么一种基座，右边这个图，我们做的新型的机器人也做这么一种导轨式的。
接下来我讲第一个例子就是我们把那个scale机器人变成一个并联的一个scale机器人。这个是一个scale机器人，在实验室里边用得非常多。这么一种结构，紫颜色的末端执行器，灰颜色就是它的一个底座，上面大家可以看出有三条腿，符合了并联机器人是两条或两条以上腿。第二个我前面讲过要闭环的，这里边大家可以看出来是一个闭环的结构，那它就是一个并联的机器人，对吧？
但是大家可以看出来它的运动，它跟scale是完全一样的，但是它是一个并联机器人，它实现了那个串联的scale机器人的所有的动作。这样的一个结构既有scale串联机器人的优点，又有并联的精度高、速度快，载荷大的优点，这是我们把串联机器人并联化。
下一个我们是把ABB的一个机器人，转换成了一个并联机器人。ABB机器人本来是一个串联机器人，我们现在把它变成这么一个结构。紫颜色还是它的末端执行器，然后它的基座是灰颜色的。可以看出来第一它是三条腿，第二个呢，它是一个闭环的，所以这是一个并联机器人。然后大家可以看一下它的运动是跟那个ABB那个机器人是完全一样，但是它是一个并联机器人，所以说这么一个结构呢，既有串联的优点，又有并联的优点。最后一种是我讲导轨式的那种机器人，非常简单了，只要把这么一种并联机器人，两条或两条以上腿的结构挂在那个导轨上，那它就是一个新型的一个并联机器人了，这个例子是三条腿的一个闭环的，它的运动肯定是导轨越长，工作空间越大。
大家可以看出来，在那个家具业里边，切割那种木材的时候可以用到这样的结构，所以它这是一个并联结构。这个是第一部分把串连机器人并联化。
第二个就是我们加了一个被动腿以后，这个是刚度分析，大家可以看出来，颜色最深的地方呢，是它的刚度最高的。我讲过并联机器人每变一个位置它的刚度就变了，为什么我们产生这样一种刚度的图呢？如果是对于同样的一个刀具的切割的路程的话，我们为什么不去走那个最红的地方呢？因为这个地方一方面刚度最大，而且它的变化也最小，所以这个主要是给我们进行路径规划的时候利用这个图进行规划。
这个是我们用这么一种并联机器人做了一个防土拨鼠的煤矿救援机器人，在它的颈部，做了一个并联结构，而且是加了一个被动腿，这样的话大大增加它的刚度。因为土拨鼠它的特性就是它的头可以钻孔，前腿可以拨土，这样我们在救援的时候可以用，用防土拨鼠的一种煤矿救援机器人去进行工作。
我前面讲过那个末端执行器本来是一块板，我们现在把它切割成两片，不一定是用一个铰链把它连起来，我们是有各种各样的形状，比如说剪刀式的，或者是一个其它的那种方式，这里边举了几个例子。
这个还是末端执行器，我们就做了其它的形状，包括其它的一些能力的图。那这个呢，是我们把无人机跟广义并联机器人结合起来，一方面可以让这么一种无人机停在不同的地面上。第二个，它在空中可以抓取不同形状的物体。
有一个就是非常好的例子就是说我们是可重构的一个抓手。大家可以看出来，下边几个抓手是一样的，它的底盘也是一样，左边的那个三个图从底部、从下边朝上看的话，它是怎么样安装的？三个抓手安装的时候，有一个槽子，这个槽子有两个是极端位置，还有一个中间位置，然后我们通过调整这个位置呢，我们可以抓取不同的形状的物件。比如说第一排就是两个移动跟一个转动这样一种运动。那么第二个就是一个移动两个转动。第三排也是一个移动两个转动，这样我们对不同形状的物件都可以进行抓取。
第三种我们是放在另外一个极端位置，这样其中的一个手指就可以作为其它的一种工具一样进行。
最后我讲一下我们叫manipulander，这个是机器人跟起落架结合的一个词，也是我们自己创建的一个词汇。这个主要就是我讲把无人机跟广义并联机器人怎么样结合起来。把无人机跟广义并联机器人结合起来，要实现两个任务，第一当那个无人机在飞行的时候我可以用并联机器人在空中抓取东西。第二个在降落的时候这个广义并联机器人又转换成了一个自身起落架，这所谓的自身起落架就是说无论这个地面情况怎么样，比如说在斜坡台阶或者是杂乱无章的地面，你都可以让这个无人机停得非常水平。那这里面我们用到了一个人工智能的姿势，把它结合起来，再进行计算，计算下来以后呢，把三条腿的位置、角度都调整好以后降下来，这个是我们做的这方面的工作。
这个是我们做了一个多模态的水陆空应该说，一方面在岸上可以爬行，然后在水面上，水底下也可以进行潜水。这个在水面上又可以起来。这个有的时候在做救援的时候我们可以用到这样的无人机去进行一些工作。
那么这个呢我刚才讲我现在把这个无人机跟这么一个三爪的抓手结合起来，你们大家前面看到各种各样形状球状、圆柱形或者是立方体都可以抓取。这样一个三个抓手呢，跟无人机结合起来，在飞行的时候它就抓取东西，降落的时候三个抓手就可以调整它的角度跟它的长度来让无人机停得水平。
大家可以看出来左上图的几个图就是我们的一个演示，在斜坡上、在台阶上，跟杂乱无章的地面上停得水平。然后下面就是可以在空中抓取不同的形状。这个主要是什么意义呢？在军事里边，比如说舰艇在海里边航行的时候，它那个海浪的作用会导致甲板会不断的那个变化，这样的话，它的甲板就相当于是一个动态的斜坡，我们通过这样一种人工智能的姿势，调整它的三个抓手或者是三个起落架的位置，可以让这么一种无人机停下来非常水平。目前像那种舰艇上要停这种大型的无人机或者是直升机的，它专门有一种助降系统，这个系统比较复杂而且非常贵。如果这个无人机救援的时候不知道路面情况，那么这个时候像我们这样的一种自身起落架就非常管用。
这个是我们做的一个实验，第一个图就是在斜坡上，让这么一个无人机停得非常水平。第二个图是在台阶上，这个台阶是10个厘米，第一个斜坡是30°现在我们可以达到60°的斜度。第三个是在杂乱无章的地面上都可以停得非常水平。
好，今天讲的主要就是这些内容，好，谢谢大家。
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来源：人工智能学家