機(jī)器人展品研發(fā)規(guī)律研究

孫 帆

（自貢市摯誠(chéng)科技有限公司， 四川自貢，643000）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是綜合多學(xué)科成果的先進(jìn)技術(shù)，被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一，而且機(jī)器人經(jīng)常在博覽會(huì)、影視片中頻繁亮相，深受觀眾的喜愛(ài)和關(guān)注。各種類(lèi)型和功能的機(jī)器人越來(lái)越多地進(jìn)入工業(yè)制造和生活服務(wù)各領(lǐng)域，為人類(lèi)提供服務(wù)。

隨著我國(guó)科技館建設(shè)水平的提升、科普教育活動(dòng)的大力開(kāi)展和國(guó)民素質(zhì)的提高，公眾對(duì)機(jī)器人展品的需求也大大增加。然而，在科技館中面向觀眾進(jìn)行展示的機(jī)器人展品卻十分缺乏，且存在表現(xiàn)形式落后、缺乏互動(dòng)性和創(chuàng)新性等諸多問(wèn)題，難以滿足公眾探索機(jī)器人技術(shù)的興趣和愿望，也無(wú)法系統(tǒng)展示機(jī)器人技術(shù)的構(gòu)成和發(fā)展，因此，探索機(jī)器人展品研發(fā)規(guī)律具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

古箏機(jī)器人

“機(jī)器人技術(shù)互動(dòng)體驗(yàn)系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”課題研究，旨在提高科技館機(jī)器人展品的科技水平，增加公眾對(duì)機(jī)器人技術(shù)的認(rèn)知，培養(yǎng)機(jī)器人展品研發(fā)人才隊(duì)伍，總結(jié)出機(jī)器人展品研發(fā)的規(guī)律。

1 機(jī)器人展品現(xiàn)狀調(diào)查

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科成果的高新技術(shù)。機(jī)器人展品的研制普遍存在專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)難度大、制作成本高、控制技術(shù)復(fù)雜等問(wèn)題，且需要機(jī)器人技術(shù)和科技館展示技術(shù)相結(jié)合。因此科技館中機(jī)器人展品很缺乏，僅在少數(shù)科技館中有部分工業(yè)機(jī)器人、小型舞蹈機(jī)器人展品，難以滿足公眾日益增長(zhǎng)的對(duì)機(jī)器人技術(shù)的探索需求。

2 機(jī)器人展品的特殊要求

科技館作為社會(huì)大眾科普教育的重要陣地，其教育方法強(qiáng)調(diào)的是從激發(fā)公眾的興趣出發(fā)，引導(dǎo)公眾從觀察到的現(xiàn)象中提出問(wèn)題，進(jìn)而思考解決問(wèn)題的方法，并在深入探究中得到科學(xué)方法和科學(xué)思想的啟迪。因此，科技館研發(fā)和展示的機(jī)器人展品與社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)器人有所不同，需要具備如下特點(diǎn)：

1）表現(xiàn)形式要能激發(fā)公眾的探索興趣，能讓觀眾在自主的探索過(guò)程中了解機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用的科學(xué)方法，讓公眾得到科學(xué)思想培養(yǎng)和科學(xué)方法的啟迪。

2）受眾群體是廣大公眾，而非專(zhuān)業(yè)人員，展示過(guò)程強(qiáng)調(diào)互動(dòng)性，展示現(xiàn)象需要能夠重復(fù)。展品的耐用性和抗人為破壞性方面須有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)及考慮。特別是機(jī)器人這一類(lèi)專(zhuān)業(yè)操作性要求比較強(qiáng)的產(chǎn)品，更是既要讓公眾能在與機(jī)器人的互動(dòng)體驗(yàn)中了解機(jī)器人技術(shù)的特點(diǎn)，產(chǎn)生探索的興趣，又要讓機(jī)器人展品能適應(yīng)非專(zhuān)業(yè)人員操作和互動(dòng)，避免觀眾錯(cuò)誤操作給機(jī)器人展品造成損害。

3）科技館屬于公共事業(yè)單位，機(jī)器人展品的成本控制也十分重要，目前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都十分缺乏機(jī)器人展品，機(jī)器人展品高昂的成本是十分重要的因素。

3 機(jī)器人展品研發(fā)流程

3.1 確定展示內(nèi)容

科技館展示的機(jī)器人展品，既要具有機(jī)器人的基本功能，能展現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)，更要滿足科技館普通觀眾的認(rèn)知需求，展示內(nèi)容需要既具有科學(xué)性，又能引發(fā)公眾探索興趣，讓觀眾在充滿樂(lè)趣的探索過(guò)程中，積累科學(xué)知識(shí)，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)思想。

本課題在研究前期，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外50多家大型科技場(chǎng)館的問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)，了解到80%以上的觀眾對(duì)機(jī)器人技術(shù)充滿期待和興趣。特別是機(jī)器人的高精度、靈活性技術(shù)，機(jī)器人平衡技術(shù)，仿生機(jī)器人技術(shù)，擬人型機(jī)器人等受到廣大觀眾的關(guān)注。因此本課題確定了從以上幾個(gè)方面研發(fā)展品，展示相應(yīng)的機(jī)器人技術(shù)。

3.2 確定展示形式

機(jī)器人展品研制，要根據(jù)展示內(nèi)容結(jié)合科技館展品的功能要求，確定合理的展示形式，滿足以下要求。

1）互動(dòng)性強(qiáng)：機(jī)器人展品要具有足夠的互動(dòng)性和參與性，以符合動(dòng)手動(dòng)腦相結(jié)合的學(xué)習(xí)規(guī)律，通過(guò)互動(dòng)參與體現(xiàn)展品的趣味性，也是科技館展品與博物館展示的最大區(qū)別。

2）操作參與可重復(fù)：科技館人流量大，展品使用頻率極高，要求展品的操作要滿足不同受眾群體的習(xí)慣，演示現(xiàn)象和效果要在合理的時(shí)間內(nèi)能夠重復(fù)再現(xiàn)，滿足多數(shù)觀眾參與的需求。

本課題根據(jù)公眾感興趣的機(jī)器人高精度、靈活性技術(shù)，機(jī)器人平衡技術(shù)，仿生機(jī)器人技術(shù)，擬人型機(jī)器人技術(shù)，研制了“機(jī)器人移動(dòng)投籃、機(jī)器人裝配生產(chǎn)線、自行車(chē)機(jī)器人、機(jī)器孔雀、坦克機(jī)器人、體感機(jī)器人、古箏機(jī)器人”七件創(chuàng)新機(jī)器人展品。

展品將復(fù)雜的機(jī)器人技術(shù)與觀眾所熟知的項(xiàng)目或運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，通過(guò)互動(dòng)參與，讓觀眾了解機(jī)器人技術(shù)的知識(shí)及應(yīng)用的科學(xué)方法，激發(fā)他們對(duì)機(jī)器人技術(shù)的探索興趣。例如，在機(jī)器人高精度定位技術(shù)展示中，將工業(yè)機(jī)器人與籃球運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，通過(guò)機(jī)器人定點(diǎn)投籃、移動(dòng)籃筐投籃和人機(jī)對(duì)抗等高難度投籃運(yùn)動(dòng)，展示工業(yè)機(jī)器人高精度的重復(fù)定位精度和穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)性能。在擬人型機(jī)器人展示中，通過(guò)觀眾選曲讓機(jī)器人彈奏古箏，將人形機(jī)器人與中國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器古箏相結(jié)合，突出中國(guó)古典音樂(lè)文化和現(xiàn)代高科技技術(shù)的融合，形式新穎，內(nèi)涵豐富。讓觀眾既能直觀看到動(dòng)態(tài)的機(jī)器人技術(shù)展示，更能參與其中，與平時(shí)難以接觸的機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)或與機(jī)器人進(jìn)行比賽，在親身體驗(yàn)中，了解展品所蘊(yùn)含的原理和應(yīng)用的技術(shù)。

展品研制完成后，在自貢、北京兩地，組織了十余場(chǎng)臨時(shí)科普展示活動(dòng)，邀請(qǐng)當(dāng)?shù)囟嗨鶎W(xué)校及社會(huì)團(tuán)體參觀和體驗(yàn)，受到廣大公眾廣泛關(guān)注和一致好評(píng)，充分調(diào)動(dòng)了公眾的好奇心和探索熱情，激發(fā)了廣大觀眾對(duì)機(jī)器人技術(shù)的興趣。

3.3 功能及構(gòu)成分析

機(jī)器人展品要與科技館展示技術(shù)、展示形式相結(jié)合，在充分考慮展示效果、參與性、安全性、維護(hù)性、制作成本的基礎(chǔ)上，還要對(duì)展品進(jìn)行詳細(xì)的功能分析，確定展項(xiàng)的構(gòu)成。

例如：投籃機(jī)器人要完成投籃球展示，除了需要高精度的工業(yè)機(jī)器人，投球抓手、行走機(jī)構(gòu)之外，為解決展品可互動(dòng)和重復(fù)性操作的功能，需要對(duì)多媒體系統(tǒng)、球框、回球裝置、圍欄、音箱等配套設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，為方便觀眾參與和管理，而且還需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的表演及參與流程設(shè)計(jì)。此外，由于展品應(yīng)用于科技館向公眾展示，機(jī)器人展品的外觀也需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的展示設(shè)計(jì)，保證整體展示效果與觀眾感受良好。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人展品與社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)器人不同，要滿足科技館的展示需求。機(jī)器人的操作互動(dòng)不是由受過(guò)培訓(xùn)的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行，而是普通的公眾，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要滿足以下要求：

1）安全可靠。機(jī)器人展品要充分考慮觀眾對(duì)展品的非正常和破壞性操作，一方面保證展品運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，同時(shí)也要避免展品運(yùn)行過(guò)程中可能給觀眾造成的傷害和安全隱患。

比如坦克機(jī)器人展示系統(tǒng)中，在樓梯、獨(dú)木橋等危險(xiǎn)路段地面設(shè)置電磁信號(hào)導(dǎo)向帶，機(jī)器人行進(jìn)到識(shí)別位置后，將按照電磁信號(hào)導(dǎo)向帶的引導(dǎo)軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)樓梯、獨(dú)木橋等復(fù)雜路段，避免觀眾錯(cuò)誤操作使機(jī)器人從高處跌落造成損壞；在坦克機(jī)器人四周安裝有超聲波傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取傳感器測(cè)定的位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)軟件避障模型輸出機(jī)器人自動(dòng)避障指令，機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中將自動(dòng)避開(kāi)四周障礙物，避免觀眾錯(cuò)誤操作時(shí)造成機(jī)器人碰撞損壞；在機(jī)械手臂上安裝有力傳感器，能準(zhǔn)確感知手部左右上下方向受力大小，由此避免抓取過(guò)重的物體損壞手臂，起到保護(hù)機(jī)器人的作用。

2）維護(hù)方便。機(jī)器人展品要避免需要專(zhuān)人值守才能正常運(yùn)行，以滿足觀眾自由參與、自主體驗(yàn)的目的，同時(shí)方便管理和減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

坦克機(jī)器人設(shè)置兩個(gè)操作臺(tái)，操作臺(tái)控制系統(tǒng)通過(guò)USR-WIFI232-602通信模塊與坦克機(jī)器人進(jìn)行Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸，觀眾可通過(guò)操作臺(tái)遠(yuǎn)程控制坦克機(jī)器人分別執(zhí)行不同的任務(wù)，自主進(jìn)行參與體驗(yàn)，減少工作人員對(duì)展品進(jìn)行值守維護(hù)。

同時(shí)，坦克機(jī)器人設(shè)置自檢及故障報(bào)警功能，通過(guò)串口通信檢測(cè)通信故障；通過(guò)直流伺服電機(jī)過(guò)流系統(tǒng)，檢測(cè)電機(jī)過(guò)流保護(hù)；通過(guò)增量式編碼器檢測(cè)電機(jī)編碼器錯(cuò)誤等。

總之，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷、反饋并做出報(bào)警提示，確保展項(xiàng)使用的安全性，有利于降低展項(xiàng)的日常管理及維護(hù)成本。

3）成本合理。科技館作為公共服務(wù)機(jī)構(gòu)，必須嚴(yán)格控制正常運(yùn)行的人力、物力成本，減少展品研發(fā)費(fèi)用。確保展品合理的成本是促進(jìn)科技館持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

例如，古箏機(jī)器人研制過(guò)程中，針對(duì)古箏需要左、右手配合彈奏的特點(diǎn)，機(jī)器人的兩只6自由度機(jī)械臂，需要高速精確地配合，使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)，且購(gòu)買(mǎi)成本高。因此,我們自主開(kāi)發(fā)出基于安川MP2300運(yùn)動(dòng)控制器的分布式交流伺服控制系統(tǒng)，與購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)相比，開(kāi)發(fā)成本更低，對(duì)于機(jī)器人展品的推廣應(yīng)用具有很高的成本優(yōu)勢(shì)。

4 團(tuán)隊(duì)協(xié)作

機(jī)器人展品作為一個(gè)系統(tǒng)性的工程，綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科技術(shù)，還要與科技館展示技術(shù)相結(jié)合，滿足科技館展品的特殊要求，綜合性要求高，研制過(guò)程中需要圍繞展示需求進(jìn)行大量的技術(shù)攻關(guān)。

目前的機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)器人研制具有較強(qiáng)的技術(shù)能力，但還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行機(jī)器人展品研發(fā)的單位。因?yàn)闄C(jī)器人展品的應(yīng)用沒(méi)有社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)器人廣泛，且需要與科技館的展示技術(shù)相結(jié)合，綜合性要求高，研發(fā)成本高，利潤(rùn)較低，難以維持機(jī)器人展品研發(fā)的持續(xù)發(fā)展。而科技館和普通的科普展品研發(fā)單位，又缺乏機(jī)器人展品研發(fā)所需的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，很難滿足機(jī)器人展品的技術(shù)要求。因此，機(jī)器人展品的研制，必須通過(guò)科技館、科普展品研制單位、機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手、分工協(xié)作的合作模式，依靠不同學(xué)科和領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人才隊(duì)伍進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，既要有明確的分工，又需要相互協(xié)作，資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

坦克機(jī)器人

基于上述共識(shí)，本課題組各單位緊密配合、交流協(xié)作，為課題研究的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。最終不僅圓滿完成了創(chuàng)新機(jī)器人展品研發(fā)的課題任務(wù)，還組建起了一支技術(shù)水平綜合全面、創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀研發(fā)團(tuán)隊(duì)，為將來(lái)科技館機(jī)器人展品的研發(fā)創(chuàng)新打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

“機(jī)器人技術(shù)互動(dòng)體驗(yàn)系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”課題，研究探索出機(jī)器人展品研發(fā)應(yīng)遵循的普遍規(guī)律是：

1）充分做好現(xiàn)狀調(diào)查，理清機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向和科技館展示需求，確定展示內(nèi)容。

2）與科技館展示技術(shù)相結(jié)合，確定展示形式，且符合科技館展品的特殊要求。

3）對(duì)展品進(jìn)行詳細(xì)的功能分析，根據(jù)展示效果、參與性和安全性確定展品的構(gòu)成。

4）展品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足安全可靠、維護(hù)方便、成本合理的要求。

5）機(jī)器人展品的研發(fā)要依靠科技館、科普展品研制單位、機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

[1]賈玉贊.淺議智能機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用[J].太原科技，2003(3)∶20.

[2]任福繼.智能機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015(33)∶32-38.