■人工智能

随着新一轮科技革命与产业变革的深入推进，智能机器人作为融合机械工程、人工智能、控制科学等多学科的载体，已成为衡量国家科技实力与产业竞争力的关键指标。在工业制造升级、民生服务提质、特种场景攻坚等需求的驱动下，全球智能机器人领域正迎来前所未有的发展机遇，但同时也面临着智能内核构建、技术落地转化、应用场景适配等多重挑战。

当前，机器人技术研发常存在“重理论轻实践”“重AI轻机构”等认知偏差，行业对智能的理解与界定尚未形成统一标准，关键核心技术与高端装备仍存在短板。在此背景下，梳理机器人智能的本质逻辑、辨析科学与技术的边界差异、探索分领域突破路径，对推动智能机器人从“技术探索”走向“工程应用”、实现自主创新发展具有重要意义。

基于此，本文结合长期在机器人机构学、智能控制及工程应用领域的实践经验，围绕“灵魂”与“肢体”协同的智能核心、科学与技术的本质差异、分领域应用机遇及实践成果展开分析，旨在为智能机器人创新设计提供理论参考与实践路径，助力行业突破发展瓶颈，迈向更高质量的发展阶段。

一、机器人智能的核心：“灵魂”与“肢体”的协同

自然界在演化过程中，既为生物赋予了“肢体”（物理形态），也赋予了其“灵魂”（智能内核）。从行为学视角分析，人类的智能行为本质上是“肢体”与“灵魂”相互依存、不可分割的协同结果。然而，人类对自身“灵魂”的认知仍处于探索阶段，而机器人的“智能”则需通过人类主动设计实现。需明确的是，机器人无法通过自主学习生成智能，只有预先设计出支持机器人学习的底层逻辑，其才具备学习能力。若未能为机器人设计“灵魂”，其将始终无法实现真正意义上的智能，该领域研究需长期持续推进。近年机器人智能领域的研究热度高涨，研究过程中应遵循科学规律，避免急于求成。只要人类文明持续发展，机器人智能领域的研究便会不断深入。

二、机器人研究的认知纠偏：科学与技术的本质差异

在过往的机器人研究中，高校常陷入“以论文发表为导向”的误区，忽视了科学与技术的本质区别。具体而言，具有广泛学术影响力、易获得关注的成果多归属于科学范畴，而难以公开披露但可切实解决实际问题的成果则归属于技术范畴。技术是产业实现盈利的核心支撑，论文发表则更多是在学术领域内实现成果传播与学术声誉提升的途径。需特别说明的是，一些综合性期刊侧重科学成果的传播，并非机器人领域的专业期刊，不能仅凭成果在此类期刊上发表便判定其具备实用价值。

从技术落地层面出发，机器人创新设计的核心挑战可归纳为四个方面，且需依据逻辑顺序逐步推进，具体如下。

一是功能驱动的机构构型设计。若无法运用数学语言对机器人的功能进行精准描述，该功能便无法转化为可落地的设计方案，机构构型设计也将失去明确方向。

二是性能驱动的机构综合。在确定机构构型后，需进一步明确机器人尺寸参数与运动学、动力学之间的内在关联，实现机器人性能与实际需求的匹配。

三是行为智能突破。计算机智能与机器人行为智能存在本质差异，不能因计算机技术的快速发展，便默认机器人已实现同等水平的智能。

四是工程应用导向。机器人研究不应局限于兴趣探索层面，而需聚焦具体工程问题。工程需求通常具有明确的针对性，难以通过通用技术方案满足。同时，在国际竞争压力下，以工程应用为起点，突破技术瓶颈，已成为机器人领域发展的必然要求。

在上述挑战中，机构学是易被忽视但至关重要的核心领域之一。机器人是物理世界的具象载体，而机构是体现其物理特征的关键要素，既是科学转化为工程的桥梁，也是人工智能落地为机器人应用的桥梁。脱离机构学基础，无法设计出高性能机器人。例如，前文提及的“功能驱动构型”，本质上便是机构学的核心应用场景。

从机构构型分类来看，机器人仅包含串联、并联、混联三种形式。串联构型广泛应用于工业机械臂，但并联与混联构型的价值尚未得到充分挖掘。从生物运动特性来看，人类站立时双脚着地的结构属于并联结构，抬起一只脚时则转为串联结构；手指抓取物体时呈现并联特性，张开时则呈现串联特性，这是并联与串联结构协同工作的典型案例。

在实际应用场景中，并联与混联机器人具有巨大潜力。例如，大型模拟器、重载装备等特殊场景，均需依赖并联机构实现高性能运作。但由于并联机构属于知识密集型技术，设计难度较高，掌握其设计方法的从业者数量有限，导致相关产品的落地进程较为缓慢。

三、分领域突破：机器人应用的现状与机遇

依据应用场景的差异，机器人可划分为工业机器人、服务机器人、特种机器人三类，各类机器人均存在明确的技术痛点与突破方向。

高峰在2025世界机器人大会主论坛上演讲。图/2025世界机器人大会供图

（一）工业机器人：接触作业领域仍存应用空白

当前，工业机器人的核心问题并非精度提升。传统串联机械臂虽可实现0.05毫米级精度，但存在响应频率低、刚度差的固有缺陷，仅能完成喷漆、上下料、焊接等非接触作业。一旦涉及接触作业（如装配、拧螺丝等），由于对机器人的精度（微米级）与响应频率提出更高要求，现有工业机器人与协作机器人难以满足需求。

以汽车总装与3C装配场景为例：在汽车总装环节，机器人的应用占比相对较低；在3C行业的手机装配过程中，拧螺丝、布线等工序仍依赖人工操作，体现了工业机器人在接触作业领域的应用空白。

要突破上述困境，工业机器人需实现“三高”指标，即高精度（微米级）、高刚度、高频响。传统串联构型机器人无法满足这些指标要求，而并联与混联构型机器人是解决该问题的关键技术路径。在“接触作业机器人”技术领域实现突破，是推动中国机器人技术迈向世界前沿的重要契机。需特别指出的是，传统机械臂赛道已进入高度成熟阶段，市场竞争激烈，企业若继续聚焦该领域，极易陷入“生产一台亏损一台”的困境；而“高频响、高精度、重载接触作业机器人”是当前工业机器人领域的短板，同时也是具备巨大发展潜力的机遇领域。

（二）服务机器人：康养领域的差异化优势

中国康养服务机器人的发展速度较快，部分技术已达到世界领先水平，但在养老、助残等细分场景中，仍存在大量未解决的技术问题。只要聚焦具体应用需求，便能在康养服务机器人领域找到明确的创新方向。

（三）特种机器人：拒绝通用化，坚持专业化

特种机器人涵盖两足、四足、六足、轮式、履带式等多种形态，其发展的核心原则为专业化而非通用化。在人才培养领域，“通才”往往意味着缺乏明确的专业方向，难以匹配精准的岗位需求；这一规律同样适用于机器人设计，“通用设计”无法满足特种场景的应用需求。例如，针对拧螺丝作业设计的专用机器人，若能将“拧螺丝”功能优化至极致，便是成功的产品设计，无需追求“兼具拧螺丝与搬运功能”的通用化设计。

人类划分专业领域，本质上是由于个体无法掌握所有领域的知识；机器人设计同样受限于技术边界与场景需求，因此专业化是特种机器人的重要发展路径。

四、实践成果：从理论到应用的创新探索

我们研究团队长期深耕机器人领域，尤其在并联机器人方向积累了丰富的理论与实践经验，是国内少数能够承担冬奥会专项项目、航天领域项目及企业合作项目等各类国家级项目的团队。这些实践工作不仅沉淀了大量技术与科学成果，更验证了“功能驱动构型”等理论的可行性。

（一）理论突破：机构综合与广义功能集方法

机器人设计要实现正向创新，关键在于突破机构综合技术。当前主流的机械设计软件均基于数学与力学的分析方法开发，仅能完成性能分析任务，无法实现综合创造式正向设计；而机构学是唯一涵盖机构综合理论的学科。由此引出一个关键问题：若当前人工智能大模型采用分析方法设计机器人，本质上仅为数据统计过程，需依赖海量数据支撑；若采用综合方法设计机器人，则具备真正的创造能力。因此，研发具有综合能力的设计大模型，是机器人领域的理想研究目标。

建立完备的构型理论，是国际机构学界公认的学术难题。为此，我们研究团队创新提出机器人功能构型的“广义功能集”方法（简称“GF集”），将GF集划分为完整型、非完整型和部分完整型三类，并利用GF集的有序性进一步分类出三类26种子集；建立各子集之间的相互求交定律与包容性五项运算法则，构建机构末端特征、支链、驱动和约束等参数的数综合模型；发现支链转动轴线迁移规律，并创建相应定律用于匹配给定GF集的支链运动副，最终实现并联机器人功能驱动的构型正向设计。基于GF集理论，团队开发出“功能构型正向设计软件”，摆脱了对国外技术的依赖，可批量生成原创机器人构型。

（二）技术落地：从重载作业到智能装配

基于上述理论成果，我们研究团队研发了多款填补国内空白的机器人产品，所有产品均未采用开源技术，核心设计均为自主创新。具体如下。

1. 巨型重载锻造装备

400吨·米重载机器人。在国家重点基础研究发展973计划的支持下，团队发明冗余驱动各向异性操作机构，提出重载六维力感知与辨识接触刚度的力控方法，突破巨型重载操作机构构型设计、动力学设计、智能控制等关键技术。研究团队联合产学研合作单位研制400吨·米锻造操作机器人，由中国一重集团有限公司（简称“中国一重”）负责生产，该机器人与万吨压机协同作业，用于大型锻件生产，于2009年正式投入使用，有效解决了大型锻件精准操控与制造的技术难题，并于2014年获得美国ASME设计工程领域达芬奇奖。

在2025世界机器人大会上，观众正在与机器人互动。图/2025世界机器人大会供图

2500吨四驱动伺服压机。团队发明由四个400kW伺服电机驱动的并联机构，解决了空载高速运行与冲压低速增力之间的设计冲突。2014年，与中国一重联合研制2500吨伺服压机，该设备应用于江淮汽车冲压线，其压力、节拍等核心指标优于国际同类产品，对提升我国大型伺服压机开发水平与汽车冲压件加工质量具有重要意义。

2.动力学性能考核装备（航天、核电领域）

该类装备均采用电动驱动方式（区别于传统液压驱动系统），突破“重载与高精度、高速度、高频响、高刚度兼顾”的技术难题。具体如下。

嫦娥五号飞船对接地面模拟器。针对飞船月轨交会对接需求，团队设计“3-3正交并联机构”与“双丝杠差动冗余驱动”的模拟器系统，实现高频响、高刚度的碰撞与对接模拟。与国外传统液压系统相比，该设备的模拟精度与频响更高。该模拟器完成嫦娥五号对接的全部地面实验，为我国探月工程嫦娥五号、六号采样返回对接机构的地面考核提供了关键支撑。

太空望远镜地面实验台。我国巡天空间望远镜的探测广度为哈勃望远镜的300倍，其地面性能测试精度要求为哈勃望远镜的2倍，微调定位台是巡天空间望远镜性能考核的关键测试装备。我们发明“宏动—微动—卸载—测量”功能融合的重载高精度并联机构，设计高分辨率精密驱动器与全柔性铰链的重载精密驱动装置，开发六维微米在线测量仪，最终研制出六自由度微调定位台。该设备实现负载自重比10吨/15吨、定位精度6.58微米与0.33角秒，性能指标优于哈勃望远镜定位台，已在长光所真空低温环境（-140℃）下完成望远镜地面考核试验，为我国太空望远镜研发提供关键测试保障。

海上核电装备考核台。重载高速、大行程6自由度摇摆台是海洋装置关键试验设备。我们发明增速增程双输入传动、双丝杠机械协调与平衡卸载功能融合的并联机构，解决驱动力与速度等功率特性匹配难题，开发出具备±45°/7s和±30°/3s高速测试能力的6自由度并联摇摆台。该设备由24台70kW电机驱动，可实现10吨负载驱动，其工作范围、速度、承载等指标优于国际同类产品，已在上海核工院完成海洋核动力堆稳压器、控制棒驱动机构的1000余种工况试验。

3.智能装配机器人（3C、汽车、航空领域）

针对工业机器人接触作业的痛点，我们研究团队研发三类协作装配机器人，所有产品均融合力觉与视觉感知技术，实现智能操控。具体如下。

“并联—并联”协作装配机器人。包含6种构型，覆盖4—6自由度，可实现大范围位姿运动，解决传统并联机器人工作空间小的问题。该机器人成功完成0.6—1毫米直径螺丝与13毫米窄边手机螺丝的锁付作业，以及通讯设备内存条的插装作业，有望成为3C行业产品核心装配的新型机器人装备。

“串联—并联”协作装配机器人。由“6自由度并联力补偿器+工业机械臂”组成，已获得美国通用汽车研究院项目合作机会。该机器人可在生产线存在振动、晃动的情况下，完成高精度螺丝锁付作业，实现“12维控制”（6维位姿运动控制+6维力补偿），拓宽了工业机器人的应用范围，能在生产线不停机、设备不损坏的前提下，自适应完成复杂装配作业。

“六足—并联”协作装配机器人。团队研发的飞机装配机器人，由2台6自由度并联步行器协同工作，通过视觉与力觉感知技术实现双机器人同步控制。该机器人可完成双机协同抬起100多公斤飞机机翼，并执行插孔装配等任务，此类应用在全球范围内均较为罕见。

4.智能六足机器人：差异化的稳定设计

研究团队选择研发六足机器人，核心原因在于六足构型的力学优势。两足机器人单腿站立时易失衡；四足机器人抬起两条腿时易产生晃动（因无腰部结构，快速倒腿导致能耗较高、发热严重）；而六足机器人每次抬起三条腿时，仍有三条腿保持支撑状态，可实现“身体六自由度可控”，具备稳定性高、能耗低、负重能力强的特点。

基于六足构型，团队开发出昆虫型、螃蟹型、蜘蛛型、章鱼型四种六足机器人。矮体型版本可钻至车底完成维修作业，负重能力达100多公斤；导盲版本无需遥控即可自主完成全路径导盲；餐厅送餐版本也已实现全智能自主作业。这些机器人均具备“望闻问切”的感知能力（涵盖视觉、听觉、语音、力觉）与执行能力。

值得关注的是，六足机器人将应用于航天领域。嫦娥七号搭载的月球飞跃器采用六足构型，这是中国乃至人类首次将六足机器人应用于探月工程，也是我国航天装备从跟踪创新转向自主创新的标志性成果。在前期研发过程中，研究团队主导完成四足构型向六足构型的转换，并完成了着陆、容错性等关键实验，为项目落地提供核心技术支撑。

此外，在2022年北京冬奥会期间，研究团队研发的滑雪机器人与冰壶机器人成为“中国科技名片”。冰壶机器人在45米远距离的“6打6中”表演获得广泛关注，其核心技术在于融入国际裁判的经验模型，即瞄准位置需与目标球保持2.2度偏角，旋转速度控制在3—5圈；滑雪机器人采用人类滑雪的平行式、犁式模型，通过加装涡喷装置实现上下坡雪面行驶，可应用于大雪天边疆搜救等场景。这些成果获得行业与社会的广泛认可。

五、行业思考：在探索中寻找方向

关于机器人领域的未来发展，可借鉴如下案例。第二次世界大战期间，一支部队在雪山中迷失方向，在一间草屋内发现一张旧的拉丁文地图，指挥官依据直觉按照地图指示方向行进，最终成功脱困。两年后的庆典活动中，该部队才得知这张地图并非当地地图，但正是这张看似无用的地图，为其指引了脱困方向。

希望本文的分享能为机器人领域研究者提供参考。当前，机器人领域的诸多探索可能看似无实用价值，但只要坚持以自主创新为核心，以工程应用为导向，这些探索终将转化为推动行业进步的重要力量。

（高峰系JINNIAN金年会讲席教授、973计划首席科学家、国家杰出青年科学基金获得者；曾任河北工业大学校长、金年会官网机械系统与振动国家重点实验室主任；先后担任美国ASME机构学与机器人委员会委员，Robotica、Engineering等国际期刊编委，《机械工程学报》(英文版)副主编；长期研究并联机构设计理论与应用技术，在SCI期刊上发表论文300余篇，应邀作国际大会报告24次，获授权发明专利179项，出版专著4本；获国家自然科学奖二等奖、省部级一等奖5项；获2014年度ASME达芬奇奖、2015年度何梁何利基金科学与技术进步奖）

（本文根据作者在2025世界机器人大会主论坛上的演讲整理，有删减，经作者授权刊发）

本文刊于《新经济导刊》杂志2025年第9期

原文链接：高峰：智能机器人创新设计的挑战与机遇