“我們相信廣義并聯機器人跟無人機、具身智能結合起來，在2025年會非常興旺，相信隨著人工智能的高水平發展，智能機器人會成為人類生活中不可或缺的一部分。”
12月25日，第三期網易《未來公開課》上，機器人領域的權威專家，加拿大工程院院士、香港理工大學（南京）技術創新研究院院長張丹圍繞《智能制造業當中機器人系統創新設計以及應用》分享了傳統并聯機器人的定義設計過程，闡述各類機器人系統應用過程存在的優缺點，在其中尋找創新之道。
張丹提到，傳統的并聯機器人有很多優點，比如說它的速度很快、載荷很大，而且精度也很高，但是有很多的問題，它的工作空間非常小，加工的時候容易受力不均勻，適應性非常小。廣義的并聯機器人擴展了原來的傳統并聯機器人，一定程度上改善了這些缺點。
“我團隊在這方面做的一些工作，做了一個創新的設計，叫paralyzation of Siri Robot。一個是串聯機器人，一個是并聯機器人，把它結合起來，產生新一代的機器人，是一個繼承了父母親優點的一種機器人，讓它既有串聯的優點又有并聯的優點。”張丹詳盡地分享了團隊實驗的幾個例子，“我們把scale機器人變成一個并聯的scale機器人，把它變成這么一種結構，紫顏色的末端執行器，灰顏色就是它的一個底座，上面大家可以看出有三條腿，符合了并聯機器人是兩條或兩條以上腿。第二個大家可以看出來是一個閉環的結構，那它就是一個并聯的機器人，但是它的運動跟scale是完全一樣的，既有scale串聯機器人的優點，又有并聯的精度高、速度快、載荷大的優點。”
2024年12月23-25日，網易《未來公開課》已邀請中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員、復旦大學光電研究院院長褚君浩，著名醫療衛生體制改革專家、北京大學國家發展研究院經濟學教授、北京大學中國健康發展研究中心主任李玲，加拿大工程院院士、香港理工大學（南京）技術創新研究院院長張丹做了演講分享。接下來，12月26-27日，峰瑞資本創始合伙人李豐，知名經濟學家、全國工商聯智庫委員、萬博新經濟研究院院長滕泰，將用娓娓道來的演講，聚焦熱點經濟問題和國際局勢，談論對未來的見解，共同迎接智能化時代的新篇章。
以下為張丹的演講節錄：
大家好，我是張丹。今天講的主題是《智能制造業當中機器人系統創新設計以及應用》。第一方面講一下傳統并聯機器人它的一些定義以及設計的過程，以及存在的一些問題。接下來講到好多傳統并聯機器人的一些缺點，在現實當中我們怎么樣把這些問題解決？第三部分主要介紹一下我的團隊在這方面做的一些工作。
首先講一下第一部分，傳統并聯機器人的一些定義以及存在的一些問題。現在來說，主要那個機器人有那么幾種，第一種叫講串聯機器人，它的定義就是一個開環的，就好比說你一個人的兩條腿的話，你一條腿收起來以后那就是一個開環，像你的手臂，這手臂伸出來以后就是一個開環的一個結構。這個我們叫串聯機器人，它在工業當中用得比較多。
第二種叫并聯機器人，它的頂端是末端執行器，末端執行器到基座之間有兩條或兩條以上的腿構起來的。并聯機器人這里面要注意，首先一點它是兩條或兩條以上的腿。而且第二點它是一個閉環的。拿人的兩條腿來講，你如果兩條腿都蹲在地上的話，那它就是一個兩條腿，而且是閉環的，就是一個并聯機器人。然后你兩條腿一條腿收起來以后那就是一個串聯機器人。
除了這兩種機器人以外，還有第三種，我們叫混聯機器人，從這幾個圖可以看出來，左上角是一個串聯的結構，串聯結構在一個載荷下面它就有一個彎曲，第二個左上圖的那個，就是一個并聯結構，并聯結構在載荷下面，大家學過力學的話應該知道，這個就是一個二力桿，它的載荷就是向兩條腿分布了，這樣來說如果你腿越多的話，它這個載荷就越多了。
左下圖是一個串聯結構。串聯結構我前面講過，它是一個挨著一個，把它串聯起來，像你的手臂，就是串聯起來。那么串聯以后就有一個問題，你可以想一下，如果你這個手臂上面的每一個零件，如果加工的時候有誤差的話，這么串聯起來它的誤差就累積起來了。第二個，這里面每個關節上面都要裝一個馬達，這樣的話，串聯機器人動的時候，它會非常重，所以這樣的話，導致它一個是誤差比較大，第二個速度不會很快。然后下面右邊那個圖就是個并聯結構，大家可以看出來，從它的末端執行器到它的基座之間只有那么一個桿子，誤差不會累積起來，它的載荷會非常大。
傳統的并聯機器人我剛才講了好多優點，比如說它的速度很快、載荷很大，而且精度也很高，但是有很多的問題，首先它的工作空間非常小。所謂的工作空間就是說它的可達的范圍非常小，你可以想象一個手臂去抓東西，就抓得非常遠，但是兩個手抓在一起以后，就是一個并聯結構。抓的時候，另外一個手它就說我夠不著，這個之間就有一個耦合的關系，這個耦合的關系就會導致它的工作空間非常小。下面有幾個例子一個就是HEXA，它的轉動的角度只有20°，另外那個Sprint set 3的一個并聯機器人，的轉角只有50°。另外一個最典型的steel的平臺，它因為是球角，所以它的轉動的關節也是非常小，一般是小于45°。
第二個問題，并聯機器人它每變一個位置，這個所謂的“位置”拍照的時候我們叫pose,你的pose呢，一個是它的orientation,一個是它的position,一個是位置，一個是轉角。每次并聯機器人它的末端執行器一變的時候，剛度就變了，這樣的話，你在加工的時候，可能會導致受力不均勻。
第三個問題它的適應性非常小，因為它的末端執行器是一個剛體，所以它的適應性比較小，非常古板，沒法兒適合這個工作或者是另外一個工作。為什么會導致這些問題呢？主要是基于它的定義，這里邊我們看一下一個表格，并聯機器人的定義首先一點，就是說它的末端執行器是一個剛體，就導致它的工作空間非常小，第二個，它的適應性非常小。
那么我們現在怎么樣解決？我們提出了一種叫廣義并聯機器人，一個末端執行器可以想象是一塊平板，是固定的，我們把這個平板切成兩片，這兩片之間用一個鉸鏈把它連起來，就變成這么一個板，這樣的話大家可以想象它的轉動角是不是大大增加了？所以這樣的話，大大改善了它的工作空間。所以第一個改善就是我們把末端執行器切成兩片，用個鉸鏈連起來，這個是最基礎的一個表述。我們在具體地做的時候，不一定是一個鉸鏈，可能是一個螺旋的或者其它的一種結構。還有一個像人一樣，每條腿它是獨立的一條腿，這樣的話，會導致最后的結構它的剛度不均勻。
我們現在怎么樣改善這個問題呢？我們的solution就是說把腿跟腿之間耦合起來，腿跟腿之間用一個橡皮筋連在一起，這樣的話，一方面可以改善它的剛度，另外一方面可以消除它的奇異點。
第三個，末端執行器，剛才我講過是一個剛體，不能動，它的工作空間小，其它的性能也比較差，它的適應性比較小。我們的改善的辦法就是說你可以想象，本來比如說我的末端執行器是剛體的一個板，那么就相當于一個三角形，三角形你是不能動的，我現在把這個三角形變成一個四邊形或者是五邊形，大家可以想象就是四邊形的話，它可以不斷的變形，這樣的話末端執行器也不需要安裝任何馬達，可以讓它就是相當于一個驅動，驅動它的那個末端執行器進行操作一些工作，比如說我做一把剪刀或者是其它的工作。
這就是我們做的三項改善，我們稱它為是一個廣義的并聯機器人，就是擴展了原來的傳統并聯機器人。
詳細講一下第二部分，就是怎么樣來改善傳統的并聯機器人？我們現在在它的設計過程當中加了一個，為了它的性能來設計的一個過程，我們叫design for performance 這么一個過程，其它的都沒有改。這個我剛才講過，有那么幾種形式，一種就是把末端執行器切成兩片，把它變形，第二個把它的單獨的一個腿之間連起來變成一個耦合的。第三個把它的末端執行器變成一個四邊形、五邊形或者六邊形。還有就是說增加一個被動腿，增加它的剛度。還有一個呢，就是我們可以把它變成一個可重構的結構，這些都是可以改善它的特性的做法。那么這樣的話就是把原來的優點全部保留下來了，然后把原來的那些缺點全部克服掉了。
那最后介紹一下我團隊在這方面做的一些工作。首先我們做了一個創新的設計叫paralyzation of Siri Robot。現在90%的機器人在工業當中應用都是串聯機器人，那么我們能不能把這些最流行的串聯機器人并聯化？就是說把那個串聯機器人，并聯機器人，結合起來，產生新一代的機器人，是一個繼承了父母親的優點的一種機器人，意思就是說把本來是串聯的變成一個并聯的，讓它既有串聯的優點又有并聯的優點。
我們首先進行一些分析，比如說上面那個是Skyler機器人，下面一個是ABB機器人，要設計一個機器人首先我們要考慮把這個機器人我們應該怎么樣安裝？我們觀察這兩臺機器人以后，知道它是安裝在地面上，而且它那個軸呢，是朝上的，那么我們也做這么一種基座。
第二種導軌式的，像三維打印或者是繪圖儀，它在導軌上滑動的那種結構，我們也做這么一種基座，右邊這個圖，我們做的新型的機器人也做這么一種導軌式的。
接下來我講第一個例子就是我們把那個scale機器人變成一個并聯的一個scale機器人。這個是一個scale機器人，在實驗室里邊用得非常多。這么一種結構，紫顏色的末端執行器，灰顏色就是它的一個底座，上面大家可以看出有三條腿，符合了并聯機器人是兩條或兩條以上腿。第二個我前面講過要閉環的，這里邊大家可以看出來是一個閉環的結構，那它就是一個并聯的機器人，對吧？
但是大家可以看出來它的運動，它跟scale是完全一樣的，但是它是一個并聯機器人，它實現了那個串聯的scale機器人的所有的動作。這樣的一個結構既有scale串聯機器人的優點，又有并聯的精度高、速度快，載荷大的優點，這是我們把串聯機器人并聯化。
下一個我們是把ABB的一個機器人，轉換成了一個并聯機器人。ABB機器人本來是一個串聯機器人，我們現在把它變成這么一個結構。紫顏色還是它的末端執行器，然后它的基座是灰顏色的。可以看出來第一它是三條腿，第二個呢，它是一個閉環的，所以這是一個并聯機器人。然后大家可以看一下它的運動是跟那個ABB那個機器人是完全一樣，但是它是一個并聯機器人，所以說這么一個結構呢，既有串聯的優點，又有并聯的優點。最后一種是我講導軌式的那種機器人，非常簡單了，只要把這么一種并聯機器人，兩條或兩條以上腿的結構掛在那個導軌上，那它就是一個新型的一個并聯機器人了，這個例子是三條腿的一個閉環的，它的運動肯定是導軌越長，工作空間越大。
大家可以看出來，在那個家具業里邊，切割那種木材的時候可以用到這樣的結構，所以它這是一個并聯結構。這個是第一部分把串連機器人并聯化。
第二個就是我們加了一個被動腿以后，這個是剛度分析，大家可以看出來，顏色最深的地方呢，是它的剛度最高的。我講過并聯機器人每變一個位置它的剛度就變了，為什么我們產生這樣一種剛度的圖呢？如果是對于同樣的一個刀具的切割的路程的話，我們為什么不去走那個最紅的地方呢？因為這個地方一方面剛度最大，而且它的變化也最小，所以這個主要是給我們進行路徑規劃的時候利用這個圖進行規劃。
這個是我們用這么一種并聯機器人做了一個防土撥鼠的煤礦救援機器人，在它的頸部，做了一個并聯結構，而且是加了一個被動腿，這樣的話大大增加它的剛度。因為土撥鼠它的特性就是它的頭可以鉆孔，前腿可以撥土，這樣我們在救援的時候可以用，用防土撥鼠的一種煤礦救援機器人去進行工作。
我前面講過那個末端執行器本來是一塊板，我們現在把它切割成兩片，不一定是用一個鉸鏈把它連起來，我們是有各種各樣的形狀，比如說剪刀式的，或者是一個其它的那種方式，這里邊舉了幾個例子。
這個還是末端執行器，我們就做了其它的形狀，包括其它的一些能力的圖。那這個呢，是我們把無人機跟廣義并聯機器人結合起來，一方面可以讓這么一種無人機停在不同的地面上。第二個，它在空中可以抓取不同形狀的物體。
有一個就是非常好的例子就是說我們是可重構的一個抓手。大家可以看出來，下邊幾個抓手是一樣的，它的底盤也是一樣，左邊的那個三個圖從底部、從下邊朝上看的話，它是怎么樣安裝的？三個抓手安裝的時候，有一個槽子，這個槽子有兩個是極端位置，還有一個中間位置，然后我們通過調整這個位置呢，我們可以抓取不同的形狀的物件。比如說第一排就是兩個移動跟一個轉動這樣一種運動。那么第二個就是一個移動兩個轉動。第三排也是一個移動兩個轉動，這樣我們對不同形狀的物件都可以進行抓取。
第三種我們是放在另外一個極端位置，這樣其中的一個手指就可以作為其它的一種工具一樣進行。
最后我講一下我們叫manipulander，這個是機器人跟起落架結合的一個詞，也是我們自己創建的一個詞匯。這個主要就是我講把無人機跟廣義并聯機器人怎么樣結合起來。把無人機跟廣義并聯機器人結合起來，要實現兩個任務，第一當那個無人機在飛行的時候我可以用并聯機器人在空中抓取東西。第二個在降落的時候這個廣義并聯機器人又轉換成了一個自身起落架，這所謂的自身起落架就是說無論這個地面情況怎么樣，比如說在斜坡臺階或者是雜亂無章的地面，你都可以讓這個無人機停得非常水平。那這里面我們用到了一個人工智能的姿勢，把它結合起來，再進行計算，計算下來以后呢，把三條腿的位置、角度都調整好以后降下來，這個是我們做的這方面的工作。
這個是我們做了一個多模態的水陸空應該說，一方面在岸上可以爬行，然后在水面上，水底下也可以進行潛水。這個在水面上又可以起來。這個有的時候在做救援的時候我們可以用到這樣的無人機去進行一些工作。
那么這個呢我剛才講我現在把這個無人機跟這么一個三爪的抓手結合起來，你們大家前面看到各種各樣形狀球狀、圓柱形或者是立方體都可以抓取。這樣一個三個抓手呢，跟無人機結合起來，在飛行的時候它就抓取東西，降落的時候三個抓手就可以調整它的角度跟它的長度來讓無人機停得水平。
大家可以看出來左上圖的幾個圖就是我們的一個演示，在斜坡上、在臺階上，跟雜亂無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狀。這個主要是什么意義呢？在軍事里邊，比如說艦艇在海里邊航行的時候，它那個海浪的作用會導致甲板會不斷的那個變化，這樣的話，它的甲板就相當于是一個動態的斜坡，我們通過這樣一種人工智能的姿勢，調整它的三個抓手或者是三個起落架的位置，可以讓這么一種無人機停下來非常水平。目前像那種艦艇上要停這種大型的無人機或者是直升機的，它專門有一種助降系統，這個系統比較復雜而且非常貴。如果這個無人機救援的時候不知道路面情況，那么這個時候像我們這樣的一種自身起落架就非常管用。
這個是我們做的一個實驗，第一個圖就是在斜坡上，讓這么一個無人機停得非常水平。第二個圖是在臺階上，這個臺階是10個厘米，第一個斜坡是30°現在我們可以達到60°的斜度。第三個是在雜亂無章的地面上都可以停得非常水平。
好，今天講的主要就是這些內容，好，謝謝大家。