孫 帆

（自貢市摯誠科技有限公司， 四川自貢，643000）

0 引言

機器人技術是綜合多學科成果的先進技術，被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創(chuàng)新能力和產業(yè)競爭力的重要標志之一，而且機器人經常在博覽會、影視片中頻繁亮相，深受觀眾的喜愛和關注。各種類型和功能的機器人越來越多地進入工業(yè)制造和生活服務各領域，為人類提供服務。

隨著我國科技館建設水平的提升、科普教育活動的大力開展和國民素質的提高，公眾對機器人展品的需求也大大增加。然而，在科技館中面向觀眾進行展示的機器人展品卻十分缺乏，且存在表現形式落后、缺乏互動性和創(chuàng)新性等諸多問題，難以滿足公眾探索機器人技術的興趣和愿望，也無法系統(tǒng)展示機器人技術的構成和發(fā)展，因此，探索機器人展品研發(fā)規(guī)律具有十分重要的現實意義。

古箏機器人

“機器人技術互動體驗系列展品展示關鍵技術研發(fā)”課題研究，旨在提高科技館機器人展品的科技水平，增加公眾對機器人技術的認知，培養(yǎng)機器人展品研發(fā)人才隊伍，總結出機器人展品研發(fā)的規(guī)律。

1 機器人展品現狀調查

機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科成果的高新技術。機器人展品的研制普遍存在專業(yè)性強、技術難度大、制作成本高、控制技術復雜等問題，且需要機器人技術和科技館展示技術相結合。因此科技館中機器人展品很缺乏，僅在少數科技館中有部分工業(yè)機器人、小型舞蹈機器人展品，難以滿足公眾日益增長的對機器人技術的探索需求。

2 機器人展品的特殊要求

科技館作為社會大眾科普教育的重要陣地，其教育方法強調的是從激發(fā)公眾的興趣出發(fā)，引導公眾從觀察到的現象中提出問題，進而思考解決問題的方法，并在深入探究中得到科學方法和科學思想的啟迪。因此，科技館研發(fā)和展示的機器人展品與社會生產領域的機器人有所不同，需要具備如下特點：

1）表現形式要能激發(fā)公眾的探索興趣，能讓觀眾在自主的探索過程中了解機器人技術及應用的科學方法，讓公眾得到科學思想培養(yǎng)和科學方法的啟迪。

2）受眾群體是廣大公眾，而非專業(yè)人員，展示過程強調互動性，展示現象需要能夠重復。展品的耐用性和抗人為破壞性方面須有專門的設計及考慮。特別是機器人這一類專業(yè)操作性要求比較強的產品，更是既要讓公眾能在與機器人的互動體驗中了解機器人技術的特點，產生探索的興趣，又要讓機器人展品能適應非專業(yè)人員操作和互動，避免觀眾錯誤操作給機器人展品造成損害。

3）科技館屬于公共事業(yè)單位，機器人展品的成本控制也十分重要，目前無論國內還是國外，都十分缺乏機器人展品，機器人展品高昂的成本是十分重要的因素。

3 機器人展品研發(fā)流程

3.1 確定展示內容

科技館展示的機器人展品，既要具有機器人的基本功能，能展現機器人技術，更要滿足科技館普通觀眾的認知需求，展示內容需要既具有科學性，又能引發(fā)公眾探索興趣，讓觀眾在充滿樂趣的探索過程中，積累科學知識，學習科學方法，培養(yǎng)科學思想。

本課題在研究前期，通過對國內外50多家大型科技場館的問卷調查統(tǒng)計，了解到80%以上的觀眾對機器人技術充滿期待和興趣。特別是機器人的高精度、靈活性技術，機器人平衡技術，仿生機器人技術，擬人型機器人等受到廣大觀眾的關注。因此本課題確定了從以上幾個方面研發(fā)展品，展示相應的機器人技術。

3.2 確定展示形式

機器人展品研制，要根據展示內容結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）互動性強：機器人展品要具有足夠的互動性和參與性，以符合動手動腦相結合的學習規(guī)律，通過互動參與體現展品的趣味性，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：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慣，演示現象和效果要在合理的時間內能夠重復再現，滿足多數觀眾參與的需求。

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

展品將復雜的機器人技術與觀眾所熟知的項目或運動相結合，通過互動參與，讓觀眾了解機器人技術的知識及應用的科學方法，激發(fā)他們對機器人技術的探索興趣。例如，在機器人高精度定位技術展示中，將工業(yè)機器人與籃球運動相結合，通過機器人定點投籃、移動籃筐投籃和人機對抗等高難度投籃運動，展示工業(yè)機器人高精度的重復定位精度和穩(wěn)定的運動性能。在擬人型機器人展示中，通過觀眾選曲讓機器人彈奏古箏，將人形機器人與中國傳統(tǒng)樂器古箏相結合，突出中國古典音樂文化和現代高科技技術的融合，形式新穎，內涵豐富。讓觀眾既能直觀看到動態(tài)的機器人技術展示，更能參與其中，與平時難以接觸的機器人進行互動或與機器人進行比賽，在親身體驗中，了解展品所蘊含的原理和應用的技術。

展品研制完成后，在自貢、北京兩地，組織了十余場臨時科普展示活動，邀請當地多所學校及社會團體參觀和體驗，受到廣大公眾廣泛關注和一致好評，充分調動了公眾的好奇心和探索熱情，激發(fā)了廣大觀眾對機器人技術的興趣。

3.3 功能及構成分析

機器人展品要與科技館展示技術、展示形式相結合，在充分考慮展示效果、參與性、安全性、維護性、制作成本的基礎上，還要對展品進行詳細的功能分析，確定展項的構成。

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

3.4 結構設計

機器人展品與社會生產領域的機器人不同，要滿足科技館的展示需求。機器人的操作互動不是由受過培訓的專業(yè)人員進行，而是普通的公眾，因此結構設計上需要滿足以下要求：

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

比如坦克機器人展示系統(tǒng)中，在樓梯、獨木橋等危險路段地面設置電磁信號導向帶，機器人行進到識別位置后，將按照電磁信號導向帶的引導軌跡運動，通過樓梯、獨木橋等復雜路段，避免觀眾錯誤操作使機器人從高處跌落造成損壞；在坦克機器人四周安裝有超聲波傳感器，通過實時讀取傳感器測定的位置數據，經過軟件避障模型輸出機器人自動避障指令，機器人在行進過程中將自動避開四周障礙物，避免觀眾錯誤操作時造成機器人碰撞損壞；在機械手臂上安裝有力傳感器，能準確感知手部左右上下方向受力大小，由此避免抓取過重的物體損壞手臂，起到保護機器人的作用。

2）維護方便。機器人展品要避免需要專人值守才能正常運行，以滿足觀眾自由參與、自主體驗的目的，同時方便管理和減少運行維護費用。

坦克機器人設置兩個操作臺，操作臺控制系統(tǒng)通過USR-WIFI232-602通信模塊與坦克機器人進行Wi-Fi數據傳輸，觀眾可通過操作臺遠程控制坦克機器人分別執(zhí)行不同的任務，自主進行參與體驗，減少工作人員對展品進行值守維護。

同時，坦克機器人設置自檢及故障報警功能，通過串口通信檢測通信故障；通過直流伺服電機過流系統(tǒng)，檢測電機過流保護；通過增量式編碼器檢測電機編碼器錯誤等。

總之，實現自動診斷、反饋并做出報警提示，確保展項使用的安全性，有利于降低展項的日常管理及維護成本。

3）成本合理?？萍拣^作為公共服務機構，必須嚴格控制正常運行的人力、物力成本，減少展品研發(fā)費用。確保展品合理的成本是促進科技館持續(xù)發(fā)展的基礎。

例如，古箏機器人研制過程中，針對古箏需要左、右手配合彈奏的特點，機器人的兩只6自由度機械臂，需要高速精確地配合，使用標準的機器人控制系統(tǒng)很難實現，且購買成本高。因此,我們自主開發(fā)出基于安川MP2300運動控制器的分布式交流伺服控制系統(tǒng)，與購買標準控制系統(tǒng)相比，開發(fā)成本更低，對于機器人展品的推廣應用具有很高的成本優(yōu)勢。

4 團隊協(xié)作

機器人展品作為一個系統(tǒng)性的工程，綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科技術，還要與科技館展示技術相結合，滿足科技館展品的特殊要求，綜合性要求高，研制過程中需要圍繞展示需求進行大量的技術攻關。

目前的機器人研發(fā)機構對社會生產領域的機器人研制具有較強的技術能力，但還沒有專門進行機器人展品研發(fā)的單位。因為機器人展品的應用沒有社會生產領域的機器人廣泛，且需要與科技館的展示技術相結合，綜合性要求高，研發(fā)成本高，利潤較低，難以維持機器人展品研發(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，又缺乏機器人展品研發(fā)所需的專業(yè)技術，很難滿足機器人展品的技術要求。因此，機器人展品的研制，必須通過科技館、科普展品研制單位、機器人研發(fā)機構強強聯手、分工協(xié)作的合作模式，依靠不同學科和領域的專業(yè)人才隊伍進行團隊合作，既要有明確的分工，又需要相互協(xié)作，資源共享、優(yōu)勢互補。

坦克機器人

基于上述共識，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行奠定了基礎。最終不僅圓滿完成了創(chuàng)新機器人展品研發(fā)的課題任務，還組建起了一支技術水平綜合全面、創(chuàng)新能力強的優(yōu)秀研發(fā)團隊，為將來科技館機器人展品的研發(fā)創(chuàng)新打下了堅實基礎。

5 結論

“機器人技術互動體驗系列展品展示關鍵技術研發(fā)”課題，研究探索出機器人展品研發(fā)應遵循的普遍規(guī)律是：

1）充分做好現狀調查，理清機器人技術的發(fā)展方向和科技館展示需求，確定展示內容。

2）與科技館展示技術相結合，確定展示形式，且符合科技館展品的特殊要求。

3）對展品進行詳細的功能分析，根據展示效果、參與性和安全性確定展品的構成。

4）展品的結構設計需滿足安全可靠、維護方便、成本合理的要求。

5）機器人展品的研發(fā)要依靠科技館、科普展品研制單位、機器人研發(fā)機構優(yōu)勢互補，團隊協(xié)作。

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

[2]任福繼.智能機器人的現狀及發(fā)展[J].科技導報，2015(33)∶32-38.