第5章-特种机器人应用

机器人技术虽然以工业机器人起步，但随着近年来微电子技术、信息技术、计算机技术、材料技术等的迅速发展，现代机器人技术已突破了传统工业机器人的范畴，逐渐转向对应用于特殊环境中特种机器人技术的研究。目前国际上对非制造领域机器人（我国称为特种机器人）的研究和开发非常活跃。特种机器人技术主要是指非制造业中的各种先进机器人及其相关高技术。特种机器人是替代人在危险、恶劣环境下作业必不可少的工具,可以辅助完成人类无法完成的如空间与深海作业、精密操作、管道内作业等。第5章特种机器人应用5.1特种机器人应用与意义特种机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的前沿发展,它在人类生活应用领域的不断扩大,正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。正因为如此，研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视,许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术发展计划或国家的关键技术进行研究和开发。如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”计划,欧共体的“尤里卡计划(EUREKA)”和“信息技术研究发展战略计划(ESPAIT)”,新加坡、韩国、巴西等发展中国家都有相应的计划内容。第5章特种机器人应用5.1特种机器人应用与意义与工业机器人相比,特种机器人通常在非结构环境下自主工作,且更多地依赖于对环境信息的获取和智能决策能力，因此特种机器人更强调感知、思维和复杂行动能力。特种机器人从外观上也远远脱离了最初工业机器人所具有的形状。特种机器人融合了更多学科的知识,如机构学、控制工程、计算机科学、人工智能、微电子学、光学、传感技术、材料科学、仿生学等,因此,特种机器人研究不仅能促进本学科的发展,还可带动其他学科的进步。特种机器人研究特别强调智能性和对环境的适应性,使其具有更广阔的应用领域。第5章特种机器人应用5.1特种机器人应用与意义特种机器人目前主要有3种控制方式：人机遥控方式、自主控制方式、遥控自主混合方式。由于环境的非结构化和动态的特点，遥控自主混合方式成为比较广泛的控制方式，也是一种比较可靠和设计上可行的控制方式。特种机器人大都工作在非结构性环境中,在现在及可以预见的将来,人机遥控加上局部自治,仍将是一种主要的控制方式。操作者和机器人可能在同一环境中,也可能分布在两处。分布在两处时,其联系的通信时间,在空间及海中可能长达分的数量级,而其工作环境,在大多数的情形下又是未知的。感知、规划、行动和交互技术是特种机器人的共性技术。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统5.2.1特种机器人共性技术特种机器人各种各样，在每类特种机器人中都有一些关键技术，但特种机器人仍存在以下共性技术。（1）遥控及监控技术机器人高水平的半自治功能；多机器人和操作者之间的协调控制；通过网络建立大范围内的机器人遥控系统；对有时延的环境,克服时延所造成的控制上的困难；通过事先对可能出现的情况及对策的详细研究,进行局部自治控制等。（2）人机接口在包括虚拟环境的人机接口方面的研究工作非常活跃,开发出了各式各样的输人和输出装置,如三维鼠标、数据手套、快门眼镜、头盔等,各种具有更好性能的临场感方法相继被提出来,如具有类似人的大小的手、臂和双眼视觉系统等。利用临境技术建立机器人工作环境,让操作者身临其境的进行操作。目前在利用多种传感器的实时信息动态实时地建立环境模型方面,有很多问题有待研究。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统（3）传感器和信息融合技术只有借助于大量的智能传感器的帮助，特种机器人才能够为遥控者提供环境参数，才能在需要的时候实现在动态环境中的自主控制。随着传感器系统的复杂化，如何有效地进行传感信息的分析利用也是特种机器人设计的一个重点内容。（4）导航和定位问题大部分工业机器人不存在机器人本体的导航和定位问题，但是对于大部分特种机器人而言，导航和定位功能是实现最终功能的一个基础。目前常用的特种机器人导航定位技术主要是轨道导航定位、光学导航定位、感应导航定位，新型智能导航定位技术将给特种机器人的发展带来新的突破。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统（5）机器智能特种机器人大多对其智能程度有更高的期望,满足其在未知或部分未知环境中自主作业的需要。特种机器人的智能可以体现在其工作的各个方面,包括诸如对环境的感知、信息的处理、行为决策、与人的协调和自学习等。传统的符号推理系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等都是人们在实现人工智能方面的努力。这方面的研究还远没有达到人类期望的目标。（6）虚拟机器人技术许多特种机器人,在用于空间、水下、地面、地下、农业和食品加工、消防和救援、医疗和护理、休闲和娱乐等时,遥控不失为一个主要手段。基于多传感器、多媒体和虚拟现实、临场感的虚拟遥控操作和人机交互,成为需要共同发展的一项技术。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统（7）机器人网络协作现代网络技术的发展促进了人对机器人异地控制的进步。同时，随着功能要求和环境复杂程度的提高，多机器人协同完成特定任务成为一种可行的技术。机器人网络协作研究主要包括网络接口技术与装置、众多信息组的压缩与解压方法及传输方法的研究。（8）多智能体协调控制技术包括用于实现决策和操作自主的多智能体组成的群体行为控制技术。微型和微小机器人技术包括微机构、微传感及相应的微系统集成技术等。软机器人技术主要研究在未来众多的人与机器人共存的环境中,机器人对人的安全保护性技术。仿人与仿生技术包括机构、传感控制和系统技术。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统5.2.2基于行为的特种机器人体系结构对于特种机器人的体系结构，布鲁克斯(Brooks)提出的包容体系结构是最有名的基于行为的控制体系结构。在基于行为的控制系统中，直接从传感器的感知数据计算得出特种机器人的动作，系统由一组并行运行的行为组成。每个行为知道如何对环境中的事件和状态做出反应。每个行为只需接收检测到的事件和状态所需要的传感器数据，并推算出相应的响应，从而将传感器数据处理减到最少。此外，每个行为直接向执行机构发送命令，在任一时刻通过协调行为选择控制特种机器人所需要的行为来执行任务。这种类型的控制系统最明显的优点是在环境空间中运行时能够及时地对环境中不可预测的事件做出反应。基于行为体系结构的一个重要特点是只需少量的内存和简单的表示。它没有世界模型，系统模块之间信息流的表示也很简单。因为没有表示之间复杂的变换，也不需要刷新复杂的模型，这些特点有利于提高系统的快速反应性。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统5.2.3特种机器人研究关键科学问题针对21世纪发展特种机器人技术的战略性需求,结合国际机器人与自动化学科的前沿发展,有如下重点研究的科学问题:（1）特种机器人学中的拟人智能技术研究；（2）未知环境信息获取、理解和控制的新机制新理论；（3）复杂环境中的机器人自主工作新方法与新理论；（4）机器人精确自定位新手段与新技术；（5）生态机器人学研究,即研究生态学原理在特种机器人设计中的应用；（6）仿人机器人运动学、动力学控制新方法；（7）特种机器人的人机交互问题研究,包括监控技术、通讯技术和远程操作技术。第5章特种机器人应用5.2特种机器人系统5.3.1水下机器人水下机器人诞生于20世纪50年代初，由于所涉及的新技术在当时还不够成熟，同时电子设备的故障率高，通信的匹配以及起吊回收等问题也未能很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视。到了60年代，国际上兴起两大开发技术，即宇宙和海洋开发，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展。在近几十年，由于海洋开发与军事上的需要，同时水下机器人本体所需的各种材料及技术也已得到了较好的解决，因而水下机器人得到了很大发展，开发出了一批能工作在不同深度，并进行多种作业的机器人。这些水下机器人可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道铺设和检查、电缆铺设和检查、海上养殖、江河水库的大坝检查及军事等领域。因此，有理由相信随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到更大的发展。第5章特种机器人应用5.3特种机器人应用实例与载人潜水器相比，水下机器人具有以下优点：（1）水下连续作业持续时间长；（2）由于无需生命维持保障设备，可以小型化；（3）对人没有危险性；（4）机动性较大；（5）在许多场合对气候条件的依赖性较小；（6）制造和使用成本较低；（7）能在非专用船上使用。第5章特种机器人应用5.3特种机器人应用实例在1934年,美国研制出下潜934米的载人潜水器。1953年又研制出无人有缆遥控潜水器。其后的发展大致经历了三个阶段。第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。第二阶段1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。第三阶段1985年后，潜水器进入一个新的发展时期。80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发,研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人,成功地进行了水下实验。第5章特种机器人应用5.3特种机器人应用实例1.水下机器人结构水下机器人由3个主要系统组成：执行系统、传感系统和计算机控制系统。执行系统包括机器人主动作用于周围介质的各种装置，如在水中运动的装置、作业执行装置——机械手、岩心采样器和水样采样器等。水下机器人的传感系统是用来搜集有关外界和系统工作全面信息的“感觉器官”。通过机器人这种传感系统，在与周围环境进行信息交互的过程中，便可建立外部世界的内部模型。水下机器人的计算机控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的设备的综合系统，根据这些信息形成对执行系统的控制功能。水下机器人在工作时，不管其独立性如何，都必须与操作者保持通信联系。（1）水下机器人载体外形特点和形状的选择水下机器人的大小各不相同，最小的只有几公斤，最大的则有几十吨(用于海底管线和通信电缆埋设的爬行式水下机器人)。大多数水下机器人结构具有长方体外形的开放式金属框架，如图所示，框架大多采用铝型材。第5章特种机器人应用5.3特种机器人应用实例（2）推进模式除个别水下机器人采用喷水推进外，大多浮游式水下机器人采用螺旋桨推进（如图所示）。一般在螺旋桨外还加导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。推进器驱动方式一般有电动机驱动和液压驱动两种，小型ROV和AUV多采用电动机驱动，大功率、作业型水下机器人推进器通常采用液压驱动。水下机器人要实现水下空间的6自由度运动，即3个平移运动(推进、升沉、横移)和3个回转运动(转首、纵倾、横摇)。第5章特种机器人应用5.3特种机器人应用实例（3）密封及耐压壳体结构水下机器人密闭容器如电子舱通常采用常压封装，相对于环境压力的密封通常采用O形圈密封，与陆地密封条件不同的是水下为外压密封，在设计中要特殊考虑。压力补偿技术是水下机器人常用的耐压密封技术，水下机器人设备(如液压系统、分线盒)内部充满介质(液压油、变压器油、硅脂等)，另设一个带有弹簧的补偿器与设备舱体用一个管路连接，补偿器的外部与水连通，内部压力始终高于外部压力。带有补偿器可使水下容器的密封和耐压变得简单可靠，且重量轻。浮游式水下机器人采用浮力材料来为载体提供浮力，以保证水下的灵活运动。浮力材料通常采用高分子复合材料(树脂发泡或玻璃微珠)。浮力材料要求密度小、耐压强度高、变形小、吸水率小。考虑到流体运动的阻力和重量与排水量的比例等因素，潜水器耐压壳体的形状大致有如下几种：球形、椭圆形和圆筒形。其各自的优缺点如表所示。第5章特种机器人应用5.3特种机器人应用实例第5章特种机器人应用耐压壳体形状优点缺点球形①具有最佳的质量—排水量比②容易进行应力分析而且较正确①不便于内部布置②流体运动阻力大椭圆形①具有较好的质量—排水量比②能较好地利用内部空间③容易安装客体贯穿体①制造费用高②结构