|
作者：中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 曲道奎 張念哲 一、國外機器人的最新進(jìn)展 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(cháng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了90年代，隨著(zhù)計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機器人系統也有了長(cháng)足的進(jìn)展。下將按工業(yè)機器人和先進(jìn)機器人兩條技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)分述機器人的最新進(jìn)展情況。 1．工業(yè)機器人 （1）機器人操作機：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實(shí)現了優(yōu)化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開(kāi)鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。 （2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構，利用機器人技術(shù)，實(shí)現高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數控技術(shù)的拓展，為將來(lái)實(shí)現機器人和數控技術(shù)一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開(kāi)發(fā)出了此類(lèi)產(chǎn)品。 （3）控制系統：控制系統的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問(wèn)世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線(xiàn)編程已實(shí)現實(shí)用化。 （4）傳感系統：激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器在機器人系統中已得到成功應用，并實(shí)現了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類(lèi)產(chǎn)品。 （5）網(wǎng)絡(luò )通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實(shí)現了與Canbus、Profibus總線(xiàn)及一些網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)接，使機器人由過(guò)去的獨立應用向網(wǎng)絡(luò )化應用邁進(jìn)了一大步，也使機器人由過(guò)去的專(zhuān)用設備向標準化設備發(fā)展。 （6）可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提高。過(guò)去機器人系統的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現在已達到5萬(wàn)小時(shí)，幾冬天可以滿(mǎn)足任何場(chǎng)合的需求。 2．先進(jìn)機器人 近年來(lái)，人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴大，機器人應用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè )等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規劃能力等，是機器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 （1）水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用于海洋石油開(kāi)采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無(wú)纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類(lèi)。 2）空間機器人：空間機器人一直是先進(jìn)機器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人 Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動(dòng)車(chē)，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個(gè)車(chē)輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關(guān)注。 （3）核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動(dòng)作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機器人。已完成的典型系統，如美國ORML基于機器人的放射性?xún)耷謇硐到y、反應堆用雙臂操作器，加拿來(lái)大研制成功的輻射監測與故障診斷系統，德國的C7 靈巧手等。 （4）地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩在類(lèi)。主要研究?jì)热轂椋簷C械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動(dòng)化系統正在研制中。 （5）醫用機器人：醫用機器人的主要研究?jì)热莅ǎ横t療外科手術(shù)的規劃與仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開(kāi)展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術(shù)的機電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結果。 （6）建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實(shí)際應有和。美國卡內基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等型號的研制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統自動(dòng)化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開(kāi)展這方面的研究。 （7）軍用機器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰和后勤支援等任務(wù)，在戰場(chǎng)上具有看、嗅和角摸能力，能夠 自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車(chē)、SSV半自主地面戰車(chē)，法國的自主式快速運動(dòng)偵察車(chē)（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研制和開(kāi)發(fā)Abrams坦克、愛(ài)國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。 可以預見(jiàn)，在21世紀各種先進(jìn)的機器人系統將會(huì )進(jìn)入人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類(lèi)良好的助手和親密的伙伴。 二、目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著(zhù)智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jì)热菁性谝韵?0個(gè)方面： 1．工業(yè)機器人操作機結構的優(yōu)化設計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負載/自重比，同時(shí)機構向著(zhù)模塊化、可重構方向發(fā)展。 2．機器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統，人機界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò )化，以及基于 PC機網(wǎng)絡(luò )式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線(xiàn)編程的可操作性之外，離線(xiàn)編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。 3．多傳感系統：為進(jìn)一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線(xiàn)性及非平穩、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統的實(shí)用化。 4．機器人的結構靈巧，控制系統愈來(lái)愈小，二者正朝著(zhù)一體化方向發(fā)展。 5．機器人遙控及監控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )建立大范圍內的機器人遙控系統，在有時(shí)延的情況下，建立預先顯示進(jìn)行遙控等。 6．虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現機器人的虛擬遙操作和人機交互。 7．多智能體（multi-agent）調控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 8．微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì )引起機器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對社會(huì )進(jìn)步和人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統結構、運動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 9．軟機器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫療、護理、休閑和娛樂(lè )場(chǎng)合。傳統機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術(shù)要求其結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機器人對人是友好的。 10．仿人和仿生技術(shù)：這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎研究。 |
