研究领域及发展前景简介

研究领域及发展前景简介(程红太)1)新一代智能工业机器人智能工业机器人是新一代工业机器人的发展趋势。工业机器人诞生半个多世纪以来，各项技术逐步完善，依靠高重复定位精度，广泛应用于以汽车制造业为代表的生产过程中，取得了显著的经济效益。然而，传统工业机器人工作于静态、结构化、确定性的无人环境中，机械地完成重复性作业，在空间上机器人与人相隔离、通过预先编程或示教再现控制。近十年以来，随着信息化、全球一体化和互联网化的深入，当今制造业逐渐展现出小批量、个性化、短周期、高品质等特征。新兴生产模式对现有工业机器人提出了更高的需求和新的挑战。这些新的巨大需求是传统机器人技术不具备的，这种局限性制约了工业机器人应用领域的拓宽和产业的深层发展。因此，新一代工业机器人成为当前的研究热点。新一代工业机器人应该是一种可融入人类生产、生活环境、与人优势互补、合作互助，进而成为具备灵活作业能力的人类“工友型”机器人，而其中“人机协作”是下一代工业机器人所应具备的基本特征，这主要体现在三个层面：（1）任务融合；（2）行为融合；（3）智能融合。其中任务融合是目标，指人与机器人相互配合共同完成一个指定任务，而达成这样的目标，需要人与机器人在行为上一致、协调、互助，并且提升机器人智能水平，使人的智能与机器人的自主行为能力相融合。这是一个系统化的工程，需要从以上三个方面联合创新。然而，当前的机器人技术尚缺乏有效地的人机协作型新一代工业机器人解决方案。要想实现上述三个方面的融合，仅仅靠增加一套视觉传感器、力传感器和一些智能控制算法是远远不够的，需要从本体、结构、功能和感识、决策等诸多方面做出整体优化与调整。与传统工业机器人的独占工作空间的应用模式不同，人机协作型工业机器人需要与人分享工作空间，并共同完成同一任务。因此，如何保证人的生命安全，如何快速“教会”工业机器人新工艺，如何与人灵活配合完成新任务，都是需要解决的问题。概括地说，柔顺性、灵活性、智能化是“人机协作”新一代工业机器人所应具备的必要条件。智能工业机器人的研究即是在传统机器人的基础之上，研究对其进行智能化升级的共性关键技术：自学习技术（即机器人利用自身传感器获得的数据，结合人工智能技术，自主优化其工艺水平的过程）和示教学习技术（即机器人通过观察由人类直接的、“言传身教”式的演示操作，来学习新工艺的过程）。此项研究对于提升机器人智能化水平，扩展我国机器人应用范围和领域，具有重要的现实和理论意义。当前，随着柔性制造、云制造等潮流，国外已经开展了新一代智能机器人的研究步伐。美国提出“制造业再回归”战略，旨在利用自身在技术方面的优势，通过提升制造业自动化水平弥补自身劳动力的劣势，其中一个很重要的方面即为如何进一步提升机器人的智能化水平，使机器人可以更深地融入制造业的方方面面。美国学者们为未来5-15年美国在工业机器人领域指出了若干研究方向。从其列出的10项重点研究的基础理论方向可以看出，除新型机构和高性能驱动器、鲁棒高精度传感器外，均侧重于人类知识技能的表达、机器人学习与自适应能力，智能控制与运动规划，人机交互方法等“软”技术。可以看出，国外已从注重机器人本体向着注重机器人应用相关技术；从面向传统工业机器人向新一代智能工业机器人的方向迈进。随着欧美国家“再工业化”的兴起，以工业机器人为代表的高端智能制造必将成为未来各国竞争的主要方向。如何顺应并把握这一趋势，对我国实现工业转型升级、发展先进制造业意义重大。在工业机器人领域，我国从70年代理论跟踪到80年代样机研制，再到如今，在某些机器人领域已具备进口替代实力，在汽车行业已形成良好产业化局面，已经有了长足的进步。然而，我国自主研制工业机器人的智能化水平与国外同类产品尚有相当大的差距，例如，当前国产机器人力控制尚处在试验阶段，而国外产品早已将力控制作为集成在其控制器内部的标准功能模块实用化，极大提升系统使用的便利性；受限于智能化水平，国产机器人应用领域有很大局限性，无法应用于整个生产流程，而FANUC已经成功实现机器人生产机器人，ABB也正在探索高精度装配任务下机器人自学习能力，准备将其作为控制器标准功能模块的一部分。因此，在国产机器人初具规模、国外机器人智能化浪潮方兴未艾的形势下，依靠国内广阔的市场，充分提升机器人智能化水平，拓展机器人的应用领域，提高我国制造业自动化、智能化水平具有十分重要的意义。2)智能材料驱动柔顺机器人柔顺性是保证机器人使用过程中人身安全的基础。传统工业机器人建立在伺服电机和谐波减速器的基础之上，为保证足够的伺服精度，机器人往往采用高增益控制器，这使得机器人具有很高的刚度，一旦与外部发生碰撞，会产生十分巨大的撞击力；另外，传统工业机器人不具备逆向驱动能力（backdriven），因此，在与人协作时，有可能对人类造成伤害。2015年7月大众汽车公司工业机器人撞死工程师即是一个最直接的案例；传统工业机器人大多采用串联结构，这使得机器人自重、体积较大，而其提供的负重能力却很小；常用的电机是高速旋转式，需要若干个减速后关节串联以实现灵活运动，这使得机构复杂而负载能力不高；三是柔顺控制难以实现，缺乏本质柔顺性。虽然可以通过弹性关节引入被动柔顺性（例如COMplianthuMANoidCOMAN机器人）和集成传感器来实现主动柔顺性（例如DLR-LWR机器人），但这既额外增加了机器人结构的复杂性，导致控制系统和关节模块十分复杂，又付出了成本和可靠性方面的代价。近年来，以气动人工肌肉（PneumaticMuscleActuatorPMA）、电制形变材料（Electro-ActivePolymerEAP），形状记忆合金（Shape-memoryalloySMA），离子交换聚合金属复合物（Ionicpolymer–metalcompositesIPMC）等为代表的一批人工肌肉智能驱动材料逐渐涌现，相比伺服电机，它们具有更高的功率密度比、功率体积比，适中的驱动速度和与生俱来的柔顺性，因此，是十分合适的柔顺仿人服务机器人的驱动元件。然而，虽然这些材料极具潜力，但现阶段，它们在驱动和使用方面都有诸多限制。例如：PMA需要空气压缩机，整体来看，功率密度比并不比电机高；EAP需要高电压驱动，而将稳定可靠的高压电源嵌入家用服务机器人，很难保证安全性；SMA整体电流加热，回复缓慢，响应频率受限，另外需要散热装置；IPMC需要潮湿环境也使其应与用领域受限。综上所述，尽管国内外学者们在探索柔顺机器人领域开展了许多理论与实践研究，从主动柔顺控制、弹性关节、智能新材料与新结构等思路寻找该问题的解决方法，但尚缺乏有效的完善的解决方案。相较而言，具有本质柔顺特性和轻量高功率密度特性的智能新材料是未来的发展方向，是最具潜力的柔顺机器人的驱动技术。课题组通过对智能材料结构进行优化设计、特性研究和驱动控制、感知驱动一体化关节设计、柔顺驱动动力学建模与智能控制等等一系列问题的研究。并将其应用于工业机器人、仿人服务机器人等不同类型的机器人系统中，增强机器人在非结构日常环境中的适应能力，使其真正可以服务于人，可靠地，安全地完成多种工业生产和家庭服务工作，可以在生产、生活、军事等诸多领域中发挥重要的作用。因此，开展相应的研究工作将具有十分重要的现实意义。3)仿人服务机器人全仿人服务机器人将是未来的主流。机器人技术诞生半个多世纪以来，各项技术逐步完善，以工业机器人为代表的机器人服务于现代化生产生活，取得了显著的经济效益。随着人们生活水平的提高，将机器人应用于日常生活中，直接服务于人，提供看护、陪伴、照顾、协助等服务的需求日趋迫切。特别在当前人口老龄化，人口结构不平衡，劳动力短缺的趋势下，家用服务机器人将可以极大提高人们生活质量。由于应用场景的不同，家用服务机器人将会与当今的工业机器人大不相同。家用服务机器人需要与人共享工作空间，需要友好的人机界面，需要与人协作，需要具备移动能力，需要具备几十个自由度，并且最重要的，需要保证人的人身安全，要想实现上述功能，丰富的感知能力、轻量化的设计以及软体特征将是家用服务机器人必备的条件。因此，从紧凑性、轻量性和安全性考虑，传统的工业机器人结构、元件、技术都很难直接应用其中。根据国际机器人联合会InternationalFederationofRobotics(IFR)的定义，服务机器人是一种半自动或全自动地为人类提供除制造外的有用的服务的机器人。从定义中可以看出，服务机器人与工业机器人在应用中有着显著的区别。然而，该定义并未对机器人形态、功能有着任何约束，因此，现实中的服务机器人千差万别，既存在小型的，仅可以完成清洁任务的吸尘器机器人，例如iRobotRoomba系列机器人，也存在具备一定交互能力的陪伴、娱乐机器人例如SonyAIBO,WooWeeMiP机器人，还存在一些拥有手臂，能够操作一定工具的移动机械臂式服务机器人，例如KukaYoubot，StanfordSTAIR和德国的Care-O-Bot3服务机器人。这其中，拥有双臂的仿人服务机器人，因其在操作能力、负载能力、工作空间、人机界面等方面的优势，逐渐成为家用服务机器人未来的发展方向。以工业机器人技术为背景，涌现出一批先进的仿人服务机器人，典型的有本田公司的Asimo机器人，日本早稻田大学的TWENDY-ONE机器人等，这些机器人拥有双手足、双目视觉和语音识别、触觉等系统，能够利用四肢完成端盘、导引、奔跑、跳跃和踢球等动作，可以向老年人、残疾人等行动不便者提供辅助取物，辅助站立、搀扶、抱起等多种功能，取得了不小的成功。然而，受限于这些材料在驱动方法、结构、关节模块、仿生结构设计等方面的限制，尚缺乏完善的全柔顺仿人服务机器人设计方案和主动柔顺智能控制方法。课题组以智能材料和智能工业机器人领域的研究为基础，主要开展了仿人服务机器人本体设计、机器人柔顺驱动控制、人机交互、示教学习等方面的研究。这些技术是构成仿人服务机器人、降低机器人使用难度、提高机器人在家庭复杂环境中适应能力的基础。随着我国老龄化社会进程加快，劳动力短缺问题日益严峻，以及机器人应用的扩张，服务机器人将迎来井喷。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把智能服务机器人列为未来15年重点发展的前沿技术，并于2012年制定了《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》支持行业发展。因此，相信未来15年，随着需求的不断增长和技术的逐渐成熟，将是仿人服务机器人市场爆发的时期。4)灵长类仿生机器人师法自然是科技发展的源泉。灵长类仿生机器人是一类特殊的移动机器人。它是以长臂猿为模仿对象，模拟其双足/四足步行、跳跃、爬行、攀爬、悬臂运动等运动模式的仿生机器人。丰富的运动模式使其可以适应复杂的环境，具有十分广阔的应用前景。其中Brachiation(悬臂运动/臂力摆荡/荡枝)是其所特有的一种运动形式，一直是灵长类仿生机器人研究中的核心问题。近年来，随着地震/核电站等灾难现场搜救、电力线巡检、丛林作战等一批特殊需求的涌现，具有悬臂运动能力的灵长类仿生机器人显现出无与伦比的优势。与足、腿和轮式等依靠下肢和地面支撑的运动模式不同，悬臂运动主要依赖前肢和空中支撑物交替驱动躯干前行。其中起支撑作用的前肢为支撑臂，自由摆动的前肢为摆动臂。在运动过程中躯干始终位于支撑点下方，是一种非常适合于在丛林树冠这种缺乏支撑点的空间中快速移动的运动形式。现有的灵长类仿生机器人已经具备在实验室条件下连续悬臂运动的能力。可以适应不同间隔、不同高度的支撑杆。然而，实验室中所采用的支撑杆是刚性的和固定的，与长臂猿真实自然环境具有很大差异。灾难现场和丛林等往往是复杂的和非结构化的，如何在未知的环境、粗糙的地形、不确定的障碍物和柔性外界接触等条件下保证原有功能的完整性是亟待解决的问题。课题组结合前期研究基础，沿着刚性支撑、弹性支撑、直线支撑这样的路线，研究解决不同支撑条件下，灵长类仿生机器人结构、建模与动力学控制问题，以期解决不同地形条件下其运动控制问题。相信随着此项技术的成熟，其将作为轮式、腿式移动技术的重要补充，具有十分重大意义，为灾难搜救、电力线巡检、作战提供服务