高峰在 2025 世界機器人大會主論壇上演講。圖 / 2025 世界機器人大會供圖

隨著新一輪科技革命與產業變革的深入推進，智能機器人作為融合機械工程、人工智能、控制科學等多學科的載體，已成為衡量國家科技實力與產業競爭力的關鍵指標。在工業制造升級、民生服務提質、特種場景攻堅等需求的驅動下，全球智能機器人領域正迎來前所未有的發展機遇，但同時也面臨著智能內核構建、技術落地轉化、應用場景適配等多重挑戰。

當前，機器人技術研發常存在“重理論輕實踐”“重 AI 輕機構”等認知偏差，行業對智能的理解與界定尚未形成統一標準，關鍵核心技術與高端裝備仍存在短板。在此背景下，梳理機器人智能的本質邏輯、辨析科學與技術的邊界差異、探索分領域突破路徑，對推動智能機器人從“技術探索”走向“工程應用”、實現自主創新發展具有重要意義。

基于此，本文結合長期在機器人機構學、智能控制及工程應用領域的實踐經驗，圍繞“靈魂”與“肢體”協同的智能核心、科學與技術的本質差異、分領域應用機遇及實踐成果展開分析，旨在為智能機器人創新設計提供理論參考與實踐路徑，助力行業突破發展瓶頸，邁向更高質量的發展階段。

在 2025 世界機器人大會上，觀眾正在與機器人互動。圖 / 2025 世界機器人大會供圖

在過往的機器人研究中，高校常陷入“以論文發表為導向”的誤區，忽視了科學與技術的本質區別。具體而言，具有廣泛學術影響力、易獲得關注的成果多歸屬于科學范疇，而難以公開披露但可切實解決實際問題的成果則歸屬于技術范疇。技術是產業實現盈利的核心支撐，論文發表則更多是在學術領域內實現成果傳播與學術聲譽提升的途徑。需特別說明的是，一些綜合性期刊側重科學成果的傳播，并非機器人領域的專業期刊，不能僅憑成果在此類期刊上發表便判定其具備實用價值。

從技術落地層面出發，機器人創新設計的核心挑戰可歸納為四個方面，且需依據邏輯順序逐步推進，具體如下。

一是功能驅動的機構構型設計。若無法運用數學語言對機器人的功能進行精準描述，該功能便無法轉化為可落地的設計方案，機構構型設計也將失去明確方向。

二是性能驅動的機構綜合。在確定機構構型后，需進一步明確機器人尺寸參數與運動學、動力學之間的內在關聯，實現機器人性能與實際需求的匹配。

三是行為智能突破。計算機智能與機器人行為智能存在本質差異，不能因計算機技術的快速發展，便默認機器人已實現同等水平的智能。

四是工程應用導向。機器人研究不應局限于興趣探索層面，而需聚焦具體工程問題。工程需求通常具有明確的針對性，難以通過通用技術方案滿足。同時，在國際競爭壓力下，以工程應用為起點，突破技術瓶頸，已成為機器人領域發展的必然要求。

在上述挑戰中，機構學是易被忽視但至關重要的核心領域之一。機器人是物理世界的具象載體，而機構是體現其物理特征的關鍵要素，既是科學轉化為工程的橋梁，也是人工智能落地為機器人應用的橋梁。脫離機構學基礎，無法設計出高性能機器人。例如，前文提及的“功能驅動構型”，本質上便是機構學的核心應用場景。

從機構構型分類來看，機器人僅包含串聯、并聯、混聯三種形式。串聯構型廣泛應用于工業機械臂，但并聯與混聯構型的價值尚未得到充分挖掘。從生物運動特性來看，人類站立時雙腳著地的結構屬于并聯結構，抬起一只腳時則轉為串聯結構；手指抓取物體時呈現并聯特性，張開時則呈現串聯特性，這是并聯與串聯結構協同工作的典型案例。

在實際應用場景中，并聯與混聯機器人具有巨大潛力。例如，大型模擬器、重載裝備等特殊場景，均需依賴并聯機構實現高性能運作。但由于并聯機構屬于知識密集型技術，設計難度較高，掌握其設計方法的從業者數量有限，導致相關產品的落地進程較為緩慢。

依據應用場景的差異，機器人可劃分為工業機器人、服務機器人、特種機器人三類，各類機器人均存在明確的技術痛點與突破方向。

（一）工業機器人：接觸作業領域仍存應用空白

當前，工業機器人的核心問題并非精度提升。傳統串聯機械臂雖可實現 0.05 毫米級精度，但存在響應頻率低、剛度差的固有缺陷，僅能完成噴漆、上下料、焊接等非接觸作業。一旦涉及接觸作業（如裝配、擰螺絲等），由于對機器人的精度（微米級）與響應頻率提出更高要求，現有工業機器人與協作機器人難以滿足需求。

以汽車總裝與 3C 裝配場景為例：在汽車總裝環節，機器人的應用占比相對較低；在 3C 行業的手機裝配過程中，擰螺絲、布線等工序仍依賴人工操作，體現了工業機器人在接觸作業領域的應用空白。

要突破上述困境，工業機器人需實現“三高”指標，即高精度（微米級）、高剛度、高頻響。傳統串聯構型機器人無法滿足這些指標要求，而并聯與混聯構型機器人是解決該問題的關鍵技術路徑。在“接觸作業機器人”技術領域實現突破，是推動中國機器人技術邁向世界前沿的重要契機。需特別指出的是，傳統機械臂賽道已進入高度成熟階段，市場競爭激烈，企業若繼續聚焦該領域，極易陷入“生產一臺虧損一臺”的困境；而“高頻響、高精度、重載接觸作業機器人”是當前工業機器人領域的短板，同時也是具備巨大發展潛力的機遇領域。

（二）服務機器人：康養領域的差異化優勢

中國康養服務機器人的發展速度較快，部分技術已達到世界領先水平，但在養老、助殘等細分場景中，仍存在大量未解決的技術問題。只要聚焦具體應用需求，便能在康養服務機器人領域找到明確的創新方向。

（三）特種機器人：拒絕通用化，堅持專業化

特種機器人涵蓋兩足、四足、六足、輪式、履帶式等多種形態，其發展的核心原則為專業化而非通用化。在人才培養領域，“通才”往往意味著缺乏明確的專業方向，難以匹配精準的崗位需求；這一規律同樣適用于機器人設計，“通用設計”無法滿足特種場景的應用需求。例如，針對擰螺絲作業設計的專用機器人，若能將“擰螺絲”功能優化至極致，便是成功的產品設計，無需追求“兼具擰螺絲與搬運功能”的通用化設計。

人類劃分專業領域，本質上是由于個體無法掌握所有領域的知識；機器人設計同樣受限于技術邊界與場景需求，因此專業化是特種機器人的重要發展路徑。

我們研究團隊長期深耕機器人領域，尤其在并聯機器人方向積累了豐富的理論與實踐經驗，是國內少數能夠承擔冬奧會專項項目、航天領域項目及企業合作項目等各類國家級項目的團隊。這些實踐工作不僅沉淀了大量技術與科學成果，更驗證了“功能驅動構型”等理論的可行性。

（一）理論突破：機構綜合與廣義功能集方法

機器人設計要實現正向創新，關鍵在于突破機構綜合技術。當前主流的機械設計軟件均基于數學與力學的分析方法開發，僅能完成性能分析任務，無法實現綜合創造式正向設計；而機構學是唯一涵蓋機構綜合理論的學科。由此引出一個關鍵問題：若當前人工智能大模型采用分析方法設計機器人，本質上僅為數據統計過程，需依賴海量數據支撐；若采用綜合方法設計機器人，則具備真正的創造能力。因此，研發具有綜合能力的設計大模型，是機器人領域的理想研究目標。

建立完備的構型理論，是國際機構學界公認的學術難題。為此，我們研究團隊創新提出機器人功能構型的“廣義功能集”方法（簡稱“GF 集”），將 GF 集劃分為完整型、非完整型和部分完整型三類，并利用 GF 集的有序性進一步分類出三類 26 種子集；建立各子集之間的相互求交定律與包容性五項運算法則，構建機構末端特征、支鏈、驅動和約束等參數的數綜合模型；發現支鏈轉動軸線遷移規律，并創建相應定律用于匹配給定 GF 集的支鏈運動副，最終實現并聯機器人功能驅動的構型正向設計。基于 GF 集理論，團隊開發出“功能構型正向設計軟件”，擺脫了對國外技術的依賴，可批量生成原創機器人構型。

（二）技術落地：從重載作業到智能裝配

基于上述理論成果，我們研究團隊研發了多款填補國內空白的機器人產品，所有產品均未采用開源技術，核心設計均為自主創新。具體如下。

1. 巨型重載鍛造裝備

400 噸·米重載機器人。在國家重點基礎研究發展 973 計劃的支持下，團隊發明冗余驅動各向異性操作機構，提出重載六維力感知與辨識接觸剛度的力控方法，突破巨型重載操作機構構型設計、動力學設計、智能控制等關鍵技術。研究團隊聯合產學研合作單位研制 400 噸·米鍛造操作機器人，由中國一重集團有限公司（簡稱“中國一重”）負責生產，該機器人與萬噸壓機協同作業，用于大型鍛件生產，于 2009 年正式投入使用，有效解決了大型鍛件精準操控與制造的技術難題，并于 2014 年獲得美國 ASME 設計工程領域達芬奇獎。

2500 噸四驅動伺服壓機。團隊發明由四 個 400kW 伺服電機驅動的并聯機構，解決了空載高速運行與沖壓低速增力之間的設計沖突。2014 年，與中國一重聯合研制 2500 噸伺服壓機，該設備應用于江淮汽車沖壓線，其壓力、節拍等核心指標優于國際同類產品，對提升我國大型伺服壓機開發水平與汽車沖壓件加工質量具有重要意義。

2. 動力學性能考核裝備（航天、核電領域）

該類裝備均采用電動驅動方式（區別于傳統液壓驅動系統），突破“重載與高精度、高速度、高頻響、高剛度兼顧”的技術難題。具體如下。

嫦娥五號飛船對接地面模擬器。針對飛船月軌交會對接需求，團隊設計“3-3 正交并聯機構”與“雙絲杠差動冗余驅動”的模擬器系統，實現高頻響、高剛度的碰撞與對接模擬。與國外傳統液壓系統相比，該設備的模擬精度與頻響更高。該模擬器完成嫦娥五號對接的全部地面實驗，為我國探月工程嫦娥五號、六號采樣返回對接機構的地面考核提供了關鍵支撐。

太空望遠鏡地面實驗臺。我國巡天空間望遠鏡的探測廣度為哈勃望遠鏡的 300 倍，其地面性能測試精度要求為哈勃望遠鏡的 2倍，微調定位臺是巡天空間望遠鏡性能考核的關鍵測試裝備。我們發明“宏動—微動—卸載—測量”功能融合的重載高精度并聯機構，設計高分辨率精密驅動器與全柔性鉸鏈的重載精密驅動裝置，開發六維微米在線測量儀，最終研制出六自由度微調定位臺。該設備實現負載自重比 10 噸 /15 噸、定位精度 6.58 微米與 0.33 角秒，性能指標優于哈勃望遠鏡定位臺，已在長光所真空低溫環境（-140℃）下完成望遠鏡地面考核試驗，為我國太空望遠鏡研發提供關鍵測試保障。

海上核電裝備考核臺。重載高速、大行程 6 自由度搖擺臺是海洋裝置關鍵試驗設備。我們發明增速增程雙輸入傳動、雙絲杠機械協調與平衡卸載功能融合的并聯機構，解決驅動力與速度等功率特性匹配難題，開發出具備 ±45°/7s 和 ±30°/3s 高速測試能力的 6 自由度并聯搖擺臺。該設備由24 臺 70kW 電機驅動，可實現 10 噸負載驅動，其工作范圍、速度、承載等指標優于國際同類產品，已在上海核工院完成海洋核動力堆穩壓器、控制棒驅動機構的 1000 余種工況試驗。

3. 智能裝配機器人（3C、汽車、航空領域）

針對工業機器人接觸作業的痛點，我們研究團隊研發三類協作裝配機器人，所有產品均融合力覺與視覺感知技術，實現智能操控。具體如下。

“并聯—并聯”協作裝配機器人。包含6 種構型，覆蓋 4—6 自由度，可實現大范圍位姿運動，解決傳統并聯機器人工作空間小的問題。該機器人成功完成 0.6—1 毫米直徑螺絲與 13 毫米窄邊手機螺絲的鎖付作業，以及通訊設備內存條的插裝作業，有望成為 3C 行業產品核心裝配的新型機器人裝備。“串聯—并聯”協作裝配機器人。由“6自由度并聯力補償器 + 工業機械臂”組成，已獲得美國通用汽車研究院項目合作機會。該機器人可在生產線存在振動、晃動的情況下，完成高精度螺絲鎖付作業，實現“12 維控制”（6 維位姿運動控制 + 6 維力補償），拓寬了工業機器人的應用范圍，能在生產線不停機、設備不損壞的前提下，自適應完成復雜裝配作業。

“六足—并聯”協作裝配機器人。團隊研發的飛機裝配機器人，由 2 臺 6 自由度并聯步行器協同工作，通過視覺與力覺感知技術實現雙機器人同步控制。該機器人可完成雙機協同抬起 100 多公斤飛機機翼，并執行插孔裝配等任務，此類應用在全球范圍內均較為罕見。

4. 智能六足機器人：差異化的穩定設計研究團隊選擇研發六足機器人，核心原因在于六足構型的力學優勢。兩足機器人單腿站立時易失衡；四足機器人抬起兩條腿時易產生晃動（因無腰部結構，快速倒腿導致能耗較高、發熱嚴重）；而六足機器人每次抬起三條腿時，仍有三條腿保持支撐狀態，可實現“身體六自由度可控”，具備穩定性高、能耗低、負重能力強的特點。

基于六足構型，團隊開發出昆蟲型、螃蟹型、蜘蛛型、章魚型四種六足機器人。矮體型版本可鉆至車底完成維修作業，負重能力達 100 多公斤；導盲版本無需遙控即可自主完成全路徑導盲；餐廳送餐版本也已實現全智能自主作業。這些機器人均具備“望聞問切”的感知能力（涵蓋視覺、聽覺、語音、力覺）與執行能力。

值得關注的是，六足機器人將應用于航天領域。嫦娥七號搭載的月球飛躍器采用六足構型，這是中國乃至人類首次將六足機器人應用于探月工程，也是我國航天裝備從跟蹤創新轉向自主創新的標志性成果。

在前期研發過程中，研究團隊主導完成四足構型向六足構型的轉換，并完成了著陸、容錯性等關鍵實驗，為項目落地提供核心技術支撐。

此外，在 2022 年北京冬奧會期間，研究團隊研發的滑雪機器人與冰壺機器人成為“中國科技名片”。冰壺機器人在 45 米遠距離的“6 打 6 中”表演獲得廣泛關注，其核心技術在于融入國際裁判的經驗模型，即瞄準位置需與目標球保持 2.2 度偏角，旋轉速度控制在 3—5 圈；滑雪機器人采用人類滑雪的平行式、犁式模型，通過加裝渦噴裝置實現上下坡雪面行駛，可應用于大雪天邊疆搜救等場景。這些成果獲得行業與社會的廣泛認可。

關于機器人領域的未來發展，可借鑒如下案例。第二次世界大戰期間，一支部隊在雪山中迷失方向，在一間草屋內發現一張舊的拉丁文地圖，指揮官依據直覺按照地圖指示方向行進，最終成功脫困。兩年后的慶典活動中，該部隊才得知這張地圖并非當地地圖，但正是這張看似無用的地圖，為其指引了脫困方向。

希望本文的分享能為機器人領域研究者提供參考。當前，機器人領域的諸多探索可能看似無實用價值，但只要堅持以自主創新為核心，以工程應用為導向，這些探索終將轉化為推動行業進步的重要力量。

（高峰系上海交通大學機械與動力工程學院講席教授、973 計劃首席科學家、國家杰出青年科學基金獲得者；曾任河北工業大學校長、上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室主任；先后擔任美國 ASME 機構學與機器人委員會委員，Robotica、Engineering等國際期刊編委，《機械工程學報》( 英文版 )副主編；長期研究并聯機構設計理論與應用技術，在 SCI 期刊上發表論文 300 余篇，應邀作國際大會報告 24 次，獲授權發明專利179 項，出版專著 4 本；獲國家自然科學獎二等獎、省部級一等獎 5 項；獲 2014 年度ASME 達芬奇獎、2015 年度何梁何利基金科學與技術進步獎）

（本文根據作者在 2025 世界機器人大會主論壇上的演講整理，有刪減，經作者授權刊發于《新經濟導刊》2025年第9期）

（來源：新經濟導刊微信公眾號）