机器人技术研究进展

机器人技术研究进展摘要：机器人学是当今世界极为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个学科。自从20世纪50年代末世界上第一台机器人诞生之后，机器人技术得到了迅速的发展。随着机器人技术的发展，其在教育领域的应用也逐步得到重视。目前教育机器人主要应用于课内外教学和参加各级各类科技创新活动，表现出了无可比拟的教育价值和极待挖掘的发展前景。机器人技术的研究已从传统的工业领域扩展到医疗服务、教育娱乐、勘探勘测、生物工程、救灾救援等新领域,并快速发展。本文简要介绍了军用机器人、民用机器人部分主要进展,并通过分析和梳理,归纳了机器人技术发展中的一些重要问题,探讨机器人技术的发展趋势。关键词：工业机器人水下机器人飞行机器人太空机器人地面军用机器人Abstract:roboticsisoneofthemostactiveresearchareasintheworldtodayitinvolvescomputerscience,mechanics,electronics,automaticcontrol,artificialintelligence,andmanyotherdisciplines.Sincethelate1950safterthebirthoftheworld'sfirstrobot,robottechnologyhasbeenrapiddevelopment.Withthedevelopmentofrobottechnology,anditsapplicationinthefieldofeducationalsograduallygetattention.Educationoftoday'srobotsaremainlyusedinclassteachingandtoparticipateinallkindsofscienceandtechnologyinnovationactivitiesatalllevels,bothinsideandoutsideshowtheincomparableeducationvalueandextremelyforminingdevelopmentprospects.Roboticsresearchhasextendedfromtraditionalindustrytothemedicalservice,education,entertainment,explorationsurvey,biologicalengineering,newareassuchasdisasterrelief,andrapiddevelopment.Thispaperbrieflyintroducedthemainprogressofmilitaryrobots,civilianrobotparts,andthroughtheanalysisandcomb,discussessomeimportantproblemsinthedevelopmentofrobottechnology,discussesthetrendofthedevelopmentofrobottechnology.Keywords:industrialrobotunderwaterrobotflightrobotspacerobotThegroundmilitaryrobots引言21世纪以来,国内外对机器人技术的发展越来越重视。机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一；我国在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予极大的重视。国内外产业界对机器人技术引领未来产业发展也寄予厚望。由此可见,机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一,对于国民经济和国防建设具有重要意义。近些年来,机器人技术研究和应用取得了突出的进展,但仍面临着巨大挑战。本文针对近年来国内外机器人领域的一些主要研究进展进行介绍,并以此为基础,通过分析和梳理,探讨机器人技术研究中的难点和热点,以及可能的发展趋势。1.机器人技术研究主要进展在计算机技术、网络技术、MEMS技术等新技术发展的推动下,机器人技术正从传统的工业制造领域向医疗服务、教育娱乐、勘探勘测、生物工程、救灾救援等领域迅速扩展,适应不同领域需求的机器人系统被深入研究和开发，机器人技术所涉及的应用领域众多,本文仅选取工业机器人、移动机器人、医疗与康复机器人和仿生机器人领域中的部分典型研究工作进行介绍和分析。1.1工业机器人工业机器人已广泛应用于汽车工业的点焊、弧焊、喷漆、热处理、搬运、装配、上下料、检测等作业。在物流、码垛、食品和药品等领域,工业机器人正逐步代替人工从事繁重枯燥的包装、码垛、搬运作业。工业机器人研究的运动学标定、运动规划、控制等已有成熟的控制方案。但由于工业机器人是一个非线性、多变量的控制对象,而制造业也对机器人性能提出新需求,机器人的控制方法仍是研究重点,工业机器人技术也朝着智能化、重载、高精度、高速、网络化等方向发展。结合位置、力矩、力、视觉等信息反馈,柔顺控制、力位混合控制、视觉伺服控制等方法得到大量研究,以适应高速、高精度智能化作业的需求。利用网络技术,工业机器人不仅简化了系统结构,同时也实现了协同作业。例如,FANUC公司的并联六轴结构的机器人3iA具有很高的柔性,集成iRVision视觉系统、ForceSensing力觉系统、RobotLink通信系统和CollisionGuard碰撞保护系统等多个智能功能,可对工件进行快速识别,利用视觉跟踪系统引导完成作业.在工业机器人研究中,国内很多大学和研究机构,如哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院自动化研究所、清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、天津大学、南开大学华南理工大学、湖南大学、上海大学等,开展了大量工作,在机构、驱动和控制等方面取得了丰富成果,为国内机器人产业的发展奠定了技术基础。而随着国内工业机器人的需求越来越迫切,沈阳新松机器人自动化公司、哈尔滨工业大学博实公司、广州数控设备有限公司、上海沃迪公司、奇瑞公司等企业在工业机器人产业方面也不断发展壮大。1.2水下机器人水下机器人,包括远程操作水下机器人和自治水下机器人,在军事、水下观测、水下作业方面具有很大的应用价值,其研究工作集中在系统模型、环境感知、定位导航、以及欠驱动和全驱动的推进系统控制、稳定控制等方面。远程操作水下机器人(Remotelyoperatedvehicle,ROV)是通过拖缆与母船连接,实现供能、通讯、遥控操纵,可完成水下设备的安装、监控、部件替换,水下探测等。日本研制的装配有摄像头、声纳等传感器和双机械臂的、可深潜11000m的机器人Kaiko,实现了10911m深潜,共完成296次深潜作业。日本JAMSTEC研制了ABISMO并进行了深潜测试。美国伍兹霍尔海洋研究所(WoodsHoleOceanographicInstitution,WHOI)研制自治水下机器人(Autonomousunderwatervehicle,AUV)Nereus完成了10902m的深潜探测.该机器人不仅可以自主探测,也可以拖缆作为ROV使用。目前,对于水下机器人的容错控制、水下机器人载体和作业臂的协调控制、多水下机器人协作等方面的研究得到越来越多的关注。如多个水下滑翔器协作的研究,水下滑翔器通过控制机器人的比重和方向舵以高度节能的方式实现水下运动,多个水下滑翔器可以进行长时间、大范围的环境信息采集。我国在水下机器人方面的研究也取得了丰富的成果。1.3飞行机器人飞行机器人、无人机的研究和应用在近些年得到越来越多的重视，美国研制开发了全球鹰、捕食者、扫描鹰等一系列军用固定翼无人机,并在实战中完成了搜索、侦察和攻击任务;研制了无人直升机MQ-8火力侦察兵,可在海军舰船上的起飞和着舰.美国波音公司的两架X45A无人机完成了编队飞行和协同攻击任务的模拟演练。此外,美国还在研制X37B、X43等新型高空高超声速无人飞行系统.欧洲联合研制了无人战斗机NEURON。日本、以色列等国也研制开发了大量无人机系统.国内北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、上海大学、中国科学院自动化研究所、华南理工大学、浙江大学、国防科学技术大学、上海交通大学等单位在固定翼飞行器、旋翼飞行器、飞艇等飞行机器人方面开展了大量工作。北京航空航天大学研制了固定翼wz-5型无人机、海鸥M22无人驾驶直升机、折叠投放微小型无人机等。南京航空航天大学研制了CK-1无人机、西北工业大学研制了ASN系列无人机以及小型无人旋翼直升机等。上海大学研制了旋翼无人直升机和无人飞艇。中国科学院沈阳自动化研究所研制了多款旋翼无人直升机,起飞重量可达120公斤,有效载荷40公斤,最大巡航速度每小时100km,最长续航时间４小时。总参60所研制的Z-5型无人直升机最大起飞重量450公斤,可携带60-100公斤的各种装备连续飞行3-6小时.武警工程学院研制了天眼无人驾驶直升机。此外,国内在高超声速飞行器控制方面也开展了很多工作地面军用机器人：主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆。它又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航，躲避障碍物，独立完成各种战斗任务；半自主车辆可在人的监视下自主行使，在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。1.4太空机器人是一种轻型遥控机器人。可在行星的大气环境中导航及飞行。它能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航，能够实时确定空间的位置及状态，需要对它的垂直运动进行控制，并要为它的星际飞行预测及规划路径。太空领域的争夺将成为未来战争的焦点，控制了太空就将获得了更多更快的打击能力，通过对空间卫星的破坏，能有效的摧毁敌方的侦测和定位系统，还能阻止信息的传输等等。1.5工业机器人我国是制造大国，随着劳动力成本的逐渐上升，廉价劳动力成本优势已经没有竞争力。“刘易斯拐点”理论已经越来越明显，工业机器人取代劳动力的趋势已经成为必然，这也是我国工业机器人产业形成的基本动力。目前，除减速机外，国内基本上可以生产机器人整机以及零部件产品。但由于国外品牌与质量，依旧高于国内市场，导致民族机器人企业自主研发的产品，使得用户对于民族机器人产品的认知度不是很高。随着国外机器人产业化的快速发展，导致民族机器人集成成本与国外销售价格相差无几，我国机器人企业也正处于临界点。其中，搬用机器人自动化成套装备在200kg/20万左右，点焊机器人在165kg/万左右。我国工业机器人还没有形成产业化，政府补贴的力度也需要加强。工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。2.机器人技术发展趋势通过分析已有的机器人技术研究工作,机器人技术的应用和研究显现出从工业领域快速向其他领域延伸扩展。而传统工业领域对作业性能提升的需求、其他领域的新需求,极大促进了机器人理论与技术的进一步发展。在工业领域,工业机器人的应用已不再仅限于简单的动作重复。对于复杂作业需求,工业机器人的智能化、群体协调作业成为解决问题的关键;对于高速度、高精度、重载荷的作业,工业机器人的动力学、运动学标定、力控制还有待深入研究;而机器人和操作员在重叠的工作空间合作作业问题,则对机器人结构设计、感知、控制等研究提出了确保人机协同作业安全的新要求。在工业领域以外,机器人在医疗服务、野外勘测、深空深海探测、家庭服务和智能交通等领域都有广泛的应用前景.在这些领域,机器人需要在动态、未知、非结构化的复杂环境完成不同类型的作业任务,这就对机器人的环境适应性、环境感知、自主控制、人机交互提出了更高的要求。2.1环境适应性机器人的工作环