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1/11特殊环境下机器人的应用及关键技术摘要随着机器人技术的发展，机器人的应用已从最初的工业领域拓展到空间、海洋、军事、农业、医疗、服务等多个领域。本文针对核电站、医疗、水下、空间等特殊环境，介绍了机器人在这些特殊环境下的主要应用，并简要分析了其关键技术。关键词特殊环境；特种机器人0引言在中国，人们把“computer”称为“电脑”，很大程度上表明人们希望计算机能像我们的大脑一样思考，决断，百伶百俐。在科技日新月异的今天，计算机的发展更是电掣风驰。这种二十世纪最重要的发明，为我们现代生活创造了无限奇迹。同样的，人们把“Robot”译为机器人，亦蕴含着我们对这种自动执行工作的机器装置的无限希冀——像人类一样工作，辅助人，替代人，超越人。在人类认识世界和探索世界的过程中，存在许多无法到达或危险的特殊场合，如深海、太空、灾后现场等。随着机器人技术的不断进步，机器人越来越多地被应用到各种特殊环境中，极大推动了诸多领域技术革新和生产方式进步。1特殊环境下服役的机器人的产生及发展1.1历史借鉴——工业机器人技术的发展及应用从1954年，G.C.Devol发表了《通用重复性机器人》专利论文，第一次提出了工业机器人的概念，到1959年，美国的Unimation公司制造出世界上第一台工业机器人，工业机器人的飞速发展，已经成为柔性制造系统（FMS）、自2/11动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。在国外，工业机器人技术已逐步成熟。随着工业机器人成为一种标准设备供工业产业使用，许多机器人公司如雨后春笋般诞生，诸如美国的AdeptTechnology、瑞典的ABBRobotics公司，迅速发展壮大，有了深远的影响力。工业机器人从提出概念至今，也仅有短短60年时间。回顾其发展历程，工业机器人的应用与发展源于制造业自动化发展的需求，又极大地推动了制造业生产模式的变革和制造发展阶段的更新，工业机器人技术亦因此成为先进制造的关键技术之一。1.2需求引领——特殊环境下服役的机器人的产生不同于服务于制造业的工业机器人，人们期望机器人亦能服务于诸如农业、林业、水下、空间、土木建筑、核工业、医疗、救灾、排险、服务、娱乐及军事等领域。通常，我们把这类应用于非结构类环境下的范围广泛的一大类机器人统称为特种机器人。特种机器人为了适合各种特殊环境，其形状已经完全不同于最初的工业机器人，功能和智能程度亦大大超出了工业机器人。20世纪90年代以来，随着人们对生产条件与生活质量要求的提高，非制造业自动化尤其是服务自动化呼之欲出。特种机器人的重要性也日益显著，尤其是用于采掘、建筑、土木工程、水下恶劣环境下替代重体力劳动作业和检查作业，进入石油、煤气、污水等管道内完成特殊的检查、维修，以及能显著加快海洋开发、宇宙探测和提高医疗与服务水平的各种特种机器人，更是有着巨大需求。1.3科技推动——特种机器人技术的快速发展从机器人技术的发展来看，特种机器人是在工业机器人技术的基础上发展起来的。随着工业机器人的广泛应用与工业机器人技术的日趋成熟，人们对机器人3/11技术智能化本质的认识亦日益加深。机器人技术向人类生产、生活的各个领域的渗透就十分自然与必然。结合不同应用领域的特点，人类创造了各式各样的特种机器人，如军用机器人、空间机器人、农业机器人、仿人机器人、水下机器人、医疗机器人、服务机器人等。这些机器人的形状已完全不同于最初的工业机器人,功能和智能程度大大超出了工业机器人。尽管机器人技术尤其是仿人机器人技术的发展远没有人类所期望的那么快（今天，最先进的机器人，其智力也仅相当于一个婴儿），但正如宋健院士在第十四届IFAC世界大会上的演讲中提到的，“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。仅仅花了20年，机器人从爬行学会了两腿走路，成为直立机器人，而人类从爬行到直立花了上百万年。”毋容置疑，机器人技术已经取得了辉煌成就，不仅为机器人学成为一个独立学科奠定了基础，也使机器人技术成为公认的多学科交叉的高技术,综合了机构学、控制科学、计算机科学、微电子学、光学、传感技术、材料科学、生物医学、仿生学等科学技术的最新成果于一体。近20年来，特种机器人不断扩大应用领域、不断取得振奋人心的成果，对经济、社会和国防产生了重大的影响。2特殊环境下机器人的主要应用2.1核电站机器人由于核电站设备结构复杂，设备本身或其运行环境具有放射性，同时还兼具水下、高温、高压等特点，简单的机械手往往不能完成相关操作，利用机器人进行设备检修、乏燃料转运、放射性废物处置和核事故应急处理等工作，可以大幅提高核电站的检修水平或事故处理效率，降低工作人员受照剂量和劳动强度。致力于开发出适应核辐射环境，性能先进、可靠的核电站机器人一直是核工业界追4/11求的目标。美国、法国、日本等发达国家早在上世纪40年代就已经展开了核环境下机器人技术的研究工作，并研制成功了多种样机。美国阿贡实验室开发的世界上最早用于核工业，名为M1的遥控式机械手，它可用于放射性物质的操作，有效降低了人员的受照剂量。1997年，日本早稻田大学开发出世界上第一台双足行走机器人，用于核电站设备的检查工作。现在欧美等国家又研制出功能更强、可靠性更高，并且可以真正适应高辐射环境、实现远距离操作的核电站机器人，例如法国SRA公司的FOSAR系列、美国的SAMSIN系列等。从行业发展趋势来看，工业发达国家，如美国、法国、日本、瑞典等都投入了大量的人力、物力进行了核电智能机器人的研发。核电站机器人发展至今天，已经由早期较简单的遥控式机械手，发展成为融合了先进的传感技术、视觉处理技术、驱动技术和远程控制技术的自动化、智能化产品。2.2石油工业中的机器人石油工业中应用了各种类型的管道，包括油气长距离输送管道、油田内部集油管道、注水管道、供水管道、石化工厂中传递各种介质的管道。这些管道在长期使用过程中会受到管内外介质的作用而产生腐蚀、结垢、裂纹、穿孔等导致管道失效,影响油气生产的正常进行。此外还有一种特殊垂直管道——油气井，在油田的开发过程中无论是完井、测井还是修井作业都需要在井筒中操作，井下操作主要包括在井中安装工作仪器，完成井中参数的测量；检测井的工作状态，以作出准确的修井作业方案。油气管道内部的操作与检测一直是油气生产上的重大技术问题，这种背景下，管道机器人应运而生。5/11管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置，它可以携带一种或多种传感器及操作装置（如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置），在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。20世纪50年代起,为满足长距离管道运输、检测的需要，美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究,其最初成果就是一种无动力的管内检测设备，一般译名称“管道猪”。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展,近些年来,人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走，可以准确接近管道的故障截面，获得故障状况的可靠信息，精确到达操作位置。2.3医疗机器人先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、病人安全救援、无痛转运、康复护理、功能辅助及医院服务等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，是目前机器人领域的一个研究热点。其中，手术机器人、康复和护理机器人已有了较广泛的应用。手术机器人在具备了机器人的基本特点同时，还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等特点。在血管缝合手术时，人工很难进行细于1mm以下的血管缝合，如果使用手术机器人，血管缝合手术可以达到小于0.1mm的精度；用手术机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者感6/11染危险。最早的手术机器人源于美军机器人手术和远程外科计划,并于1994年,由美国国防部下属的国防高级研究计划局（DARPA）研制成原型机。康复机器人可分为辅助性和治疗型两种。辅助型康复机器人主要用来帮助老年人和残疾人更好地适应日常的工作和生活，部分补偿了他们弱化的机体功能；治疗型康复机器人用来帮助患者恢复机体功能。国外开展康复机器人的研究已有相当长的时间，20世纪60年代初期出现了第一台康复机器人CASE。护理机器人一般用来辅助护士完成相关的护理工作，如病人翻身、更换床单等护理，以及食物、药品、医疗器械、病志的传送和投递、与病人对话，提供数据和影像支持等工作。如日本机械工程研究所开发的“MELKONG”护理机器人,专门用来照顾那些不便走动的病人。2.4灾害救援机器人全世界每年都遭受着大量自然灾害和人为灾害的破坏。巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡,灾害发生之后最紧急的事情就是搜救那些困在废墟中的幸存者。复杂危险的灾害现场给救援人员及幸存者带来了巨大的安全威胁,也会阻碍救援工作快速有效地进行。使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。1995发生在日本神户—大阪的大地震及其之后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案揭开了救援机器人技术研究的序幕。2001年美国9·11事件给救援机器人提供了一次宝贵的实践机会,美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援行动。它们是:Foster-Miller公司的SOLEM系统、Tolon系统以及Inuktu公司的VGTV系统和Microtac系统,机器人在此次救援行动中取得了成功。7/112.5其他特殊环境下的机器人水下机器人是一个水下高技术仪器设备的集成体，他除集成有水下机器人载体的推进、控制、动力电源、导航等仪器、设备外，还根据应用目的的不同、配备声、光、电等不同类型的探测仪器。这样，水下机器人可以作为人类进行水下研究、观测和作业的动态实验室平台，作为人类智能和各种感官、器官在水下的眼神，去完成人类肌体无法直接达到的各种水下环境的探索任务。空间机器人是用于代替人类在太空中进行科学试验、出舱操作、空间探测等活动的特种机器人。空间机器人代替宇航员出舱活动可以大幅度降低风险和成本。空间机器人工作在微重力，高真空，超低温，强辐射，照明差的环境中，有体积小,重量轻,抗干扰强，智能程度高，功能较齐全的特点。除上述各种各种特殊环境下的机器人，在农业、服务、娱乐及军事等领域，都有机器人的应用。3特殊环境下机器人的关键技术3.1机器人控制技术和控制系统可靠性技术特殊环境下，人往往无法进入现场，为高效完成任务，需要机器人能够实时完成图像处理、图像理解、传感器信息融合、路径规划等任务。机器人能够高效完成任务，其控制技术至关重要。目前移动机器人控制体系结构主要有功能式结构、行为式结构和混合式结构。功能式控制体系结构结构清晰较易实现高层次智能行为，但其实时性差。基于行为功能的控制体系，实时性高，但难以实现高层次智能控制。混合型控制模型则融合了功能与行为控制体系优点，保证了机器人控制系统的实时性与高智能性，但其结构较为复杂。8/11同时，控制系统是机器人工作的核心，机器人在特殊环境作业时，其环境恶劣，机器人控制系统的可靠性问题越来越突出，严重影响机器人正常任务的完成，控制系统的可靠性成为机器人有效完成任务的关键技术。3.2复杂目标物体形貌快速识别及系统标定技术服役于特殊环境下的移动机器人多携带视频采集设备，以采集特殊环境的视频信息。而特殊环境较为复杂，如何能够基于视频信息快速实现对现场识别成为一个关键技术问题，因此，复杂目标物体表面三维形貌的快速测量与识别是机器人作业的关键技术之一。3.3机器人机构特殊环境现场往往十分复杂，机器人服役的特殊环境要求机器人具备较强的地形适应能力，能够通过多种类型障碍，这就要求能够设计出一系列新型移动机构，为机器人在特殊环境下的作业提供机构保障。因此，依据地形条件，基于机构学、仿生学、机器人学开发新型移动机器人移动机构是