姚蕊：AI時代，機器人的前世今生！

關於繩索機器人的設計

姚蕊

中國科學院國家天文台

FAST 工程副研究員

姚蕊老師@演繹inSite演講視頻：

以下為姚蕊老師演講文字稿：

（根據演講現場整理，基於原意有所刪減，完整版請看視頻）

大家好，我是中國科學院國家天文台的姚蕊，我的研究領域是並聯機器人以及天文技術與方法，今天要和大家分享的題目是繩索並聯機器人。

機器人最早是從哪裡來的？

2016 年 9 月 25 日，被譽為“中國天眼”的500 米口徑球面射電望遠鏡 FAST在中國貴州落成，它受到了國內外天文學家的廣泛關注，其高靈敏度和綜合能力一直被大家所推崇，在兩年多的調試期間，它一共發現了 80 顆優質脈衝星候選體（等待進一步驗證的新脈衝星，一旦被其他射電望遠鏡或者FAST自身進一步驗證為脈衝星後，就可以成為是“新證實的脈衝星”。），其中 55 顆已被證實。

FAST - 500 米口徑球面射電望遠鏡

同時備受大家關注的還有它的自主創新技術，其中一個就是饋源支撐系統（饋源接收機的定位系統）。

它通過 6 根長達 600 米的繩索來組成繩索並聯機器人，牽引著直徑 13 米、重達 30 噸的饋源艙，在 140 米的高空、206 米的範圍內運動，它的控制精度可以達到毫米級，這是大型繩索並聯機器人的首次大型高空運動。

在受到多人關注的同時，很多人也開始好奇：究竟什麽是繩索並聯機器人？它都被應用在什麽地方？它擁有什麽樣的特點？那麽今天我就帶領大家去揭開這個神秘面紗的一角。

講到繩索並聯機器人，我想分為三個詞來給大家解釋：機器人、並聯機器人、繩索並聯機器人。

機器人這個詞最早來源於一本科幻小說，是人類幻想能夠脫離勞動的一種想法。現在隨著工業技術的發展，機器人的種類很多，分類也是五花八門，在圖中我們看到的分類只是其中寥寥無幾的幾種。

機器人的既定概念是——可編程與多功能操作機，或者是為了執行不同任務而具有的可用電腦改變和可編程動作的專用系統。而並聯機器人則是一種分類方法，其經常會和串聯機器人放在一起討論，它主要是根據機器人執行機構形式來劃分為串聯和並聯。

如上，左圖是串聯機構，從它的機平台到執行器之間是一個串聯的回路，我們一般把這種形式叫做串聯機器人。右圖是並聯機構，從它的機平台到執行器之間會超過兩個或兩個以上的回路，我們就將其稱之為並聯機器人。

下面為大家展示“串聯機器人”和“並聯機器人”的兩個典型動畫。

串聯機器人示意動畫

串聯機器人很靈活且工作空間及範圍極大，如同用一隻手隨意完成操作，我們現在看到的很多工業機器手臂基本上都是串聯機器人。

並聯機器人示意動畫

上面這張圖是一個典型的 6 自由度並聯機器人，通過 6 根杆的伸縮來實現 6 個自由度，所謂的 6 個自由度就是一般我們講的：物體在三維空間之內運動，它能夠實現的最多自由度就是6 個，三個方向 XYZ 的平動，以及沿 X 軸 Y 軸和 Z 軸的三個轉動，所以這個並聯機器人已經實現了物體在三維空間中的最大自由度。

這個機構是在 1965 年被一個叫做 Stewart 的德國人發明的，所以此平台也經常會被稱為 Stewart 平台，它最早是用來給飛行員做飛行模擬器及訓練的，現在這個平台我們也經常能在生活中看到，比如眾多娛樂場所、飛行模擬器、以及遊戲機構中都能看到它們的身影。

生活中我們常見的“繩索並聯機器人”都有哪些？

當我們理解了並聯機器人後，我們就能更好地去理解繩索並聯機器人——

它就是用繩索去代替剛性並聯機構裡的一些操作杆件，然後用它來實現並聯機器人同樣的功能，其優勢在於繩索材質簡單且便宜。另外，在同樣重量的情況下，繩索的承載能力會更強，其工作範圍會更大，因為不會受到加工能力、裝配誤差等多方面的因素影響。

左圖是 1987 年在美國誕生的第一台 Skycam ，現在我們可以在很多運動場看到它的身影。它是通過 4 根或是 8 根繩索來牽引一個攝影機平台，從而高速穩定地拍攝畫面，最高時速可達到 50 公里以上。

右圖是根據美國標準化與工業系統設計的一個並聯機器人，它就是用 6 根繩索來代替了 Stewart 平台 6 個杆件從而實現它的運動，在隨後的十幾二十年期間，它已經被應用在了眾多工業場所，其中包括水上救援、地下管道鋪設等等。

隨著繩索並聯機器人的應用，其理論在不斷完善的同時，它的應用也開始不斷擴展。一方面應用在了飛機的去漆、噴漆，以及大型的倉儲管理、甚至是月球的起落架實驗等等。

另外一個有趣的應用設想是在 2002 年，加拿大人準備使用 8 根繩索去牽引一個熱氣球，在熱氣球上放置饋源接收機（接受天體無線電波信號的儀器）來實現一個 200 米口徑射電望遠鏡的饋源支撐功能，很可惜這個項目最終並沒有進行下去，讓我們缺少了一個繩索並聯機器人的典型利用。

繩索並聯機器人的另外一個優勢就是靈活與高速，並且現在仍在不斷突破極限，其應用也開始慢慢從工業走向了更多場所，比如一些醫療輔助機構等。

繩索並聯機器人從上世紀 80 年代末開始，其部分應用及理論體系已經開始穩步發展。到 2000 年左右，大家已經將繩索並聯機器人列為一個單獨學科。

在設計它的時候會考慮到很多因素，其中一個很有意思的點就是繩索並聯機器人和並聯機器人，也就是我們傳統說的剛性並聯機器人，最大的區別在於繩索只能承受拉力而不能承受壓力，所以在設計過程中一定要注意，它的拉力必須是正值，其受力方向一定是拉力方向，否則在這個機構不可控的同時還無法實現最初要求的自由度。

但是到底有多少根繩索？能夠實現多少自由度？它們之間又有什麽關係？

這個問題一直到了 1998 年才有系統性的答案：如果你想製造一個 N自由度的繩索並聯機器人，那麽你需要的繩索至少是 N+1 根，也就是說，如果要實現 3 個方向的平動，要做一個完全約束的繩索並聯機器人則至少需要 4 根繩索。

FAST 饋源支撐系統是如何走到現在的？

再回到 FAST 的饋源支撐系統，它要實現的自由度是什麽呢？

為了滿足它的天文觀測需求，它需要實現 3 個方向的平動，以及繞 X 和 Y 軸兩個方向的俯仰角度，所以它需要 5 個自由度，這意味著它所需要的繩索至少為6 根。但這就是我們選擇 6 根繩索的原因嗎？

我們回過頭來看，FAST 饋源支撐系統是怎麽一步一步地走到現在的？

FAST 整個概念提出是在 1993 年到 1994 年的時候，那時候我們希望建造一個類似美國 Arecibo 的望遠鏡，很多的時候大家看到 FAST 都會想到它，但實際上我們的饋源支撐系統和它有很大的區別。

美國 Arecibo 望遠鏡

這張圖是美國的Arecibo，通過 3 個高塔來牽引 3 根繩索，但是這 3 根繩索是不可移動的，它的饋源支撐系統就是利用 3 根鋼索去牽引中間巨大的三角形鋼結構，而饋源艙就是在此鋼結構上運動，整個饋源支撐的那部分重量可以近千噸。

如果將 Arecibo 的尺寸換算到 FAST 上面，那我們整個饋源支撐系統的重量可能會達到上萬噸，這是從設計到實現都不可能完成的事情，所以那時就提出了讓繩索動起來的概念，用繩索去牽引饋源接收機，在要求的範圍內去運動、去接收這些天文信號。但那時我們對於繩索並聯機器人還沒有太深的理解，到底用幾根繩索、如何運動等問題還僅僅是個概念。但確實在那時，FAST 第一次提出要用繩索並聯機器人來實現它的饋源支撐，隨後便是大量理論和實驗的研究。

2000 年左右，西安電子科技大學提出過“六索”的方案，當然和我們現在看到的六索方案的布局有所不同。 2004 年，清華大學也提出過多種繩索牽小車，然後再通過 AB 軸加上 Stewart 平台等方案。但是在這些方案的研究及實驗過程中，我們發現一個問題：好的力學特性以及能夠實現的工作空間之間很難同時匹配，那麽這時就需要取捨。一直到 2005 至 2006 年間，我們通過仿真最終確定採用了現在的“六索”方案：6 座高塔均勻地分布在一個直徑 600 米的圓圈上，每根繩索往中心牽引饋源艙，兩兩繩索鉸在一點。

首先，對於一個射電望遠鏡來說，繩索越少、則對於它天文觀測的影響就會越少。其次， 6 根繩索能夠滿足 5 自由度的要求，所以說它既滿足了工作空間的要求，又滿足了天文觀測的需求。

但目前唯一的遺憾就是它無法達到我們對於角度的要求，所以解決方案就是在饋源艙內再加上一個 AB 軸，然後在下面再加一個 Stewart 平台做精調，這是一種方案的取捨。經過這件事後，我們做了大量研究，從力學特性到均勻分布，比如上面繩索如何分布、如何兩兩攪在一點等問題，通過一些研究之後，最終確定了如今的繩索方案。

針對這個“六索”方案， 2009 年，國家天文台和清華大學一起在北京密雲建立了一個 1:15 的饋源支撐系統模型，當時我本人除了做繩索並聯機器人的理論研究以外，還負責設計了繩索並聯機器人的機械結構部分，當時之所以讓我涉及這個版塊，其實還有一個小故事在裡面。

2005 年至 2006 年期間，我自己做繩索並聯機器的理論研究時需要搭建一個小模型，於是老師就給了經費讓我自己搭建。一般來說，傳統的繩索並聯機器人結構非常簡單，可以用一個電機來帶卷揚機（用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條提升或牽引重物的輕小型起重設備，又稱絞車），再加一個滑輪就可以完成它的整個傳動。但狀況也就隨之而來，因為繩索並聯機器的研究需要較高精度，如果僅僅使用滑輪和卷揚機的形式，那就面臨了一個問題：我自己需要搭建一個複雜的數學模型，在此基礎上，卷揚機的旋轉輪在哪裡出索？對應的電機轉多少圈？它到底出索出多少長度？這些問題都必須得到精準的答案。

當卷揚機尺寸較小的時候，也許需要繞 2 — 3 圈，那麽數學模型會變得更加複雜。我希望把這個設計變得簡單一些，於是做了一個取巧的設計：用兩個直線輪去代替常用螺旋輪，這樣的設計方式既能夠保證出索位置永遠唯一，同時還增加了一個可轉動的滑輪。滑輪會根據索力的不同情況隨時改變自己的方向來進行跟隨，動平台到哪個位置，滑輪方向就會對著哪個位置，這樣就永遠保證了出索位置的唯一性。

隨後這個設計被用在了 40 米的模型之上，一方面是運用雙滑輪形式來減少運動誤差，另一方面是使用轉動輪形式讓它永遠跟隨著饋源艙的位置，保證出索精度，同時減少繩索與繩輪之間的摩擦，這個設計最終也在 FAST 上得以應用。

上圖這張照片是 2016 年夏天 FAST 附近的星空，今天我的介紹就像是帶領大家看到了繩索並聯機器人這片璀璨的星空，但是我沒有辦法告訴大家每一顆星分別代表什麽，它有什麽特點，因為裡面還有太多未知等待著我們去探索，太多機器人的設計等待著我們去創造、去創新。今天我的內容就是這些，謝謝！

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