工业机器人研究现状及发展趋势_曹文祥
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第 3 代：智能机器人。 定义为“可自动控制的装置， 能理解指示命令，感知环境，识别对象，规划自身操作 程序来完成任务”。 如 John Vannoy 等人采用实时可适 应性的运动 规划（RAMP）算法的 PUMA560 机械臂，它 能在复杂动态环境中自动识别来自不同方向的移动或 静止的障碍物，主动规划路径，进而完成预定任务。
随着 SLAM 技术的发展，产生的许多 SLAM 算法。 包 括 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 算 法 （EKF-SLAM）、粒 子 滤 波 算 法 （Fast-SLAM）、 扩 展 信 息 滤 波 算 法 （EIF-SLAM）、 扫 描 匹 配 算 法 （DP-SLAM）、 解 耦 算 法 （D-SLAM）、 压 缩 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 算 法 （CEKF-SLAM）、 快 速 扩 展 信 息 滤 波 算 法 （FEIF-SLAM）、 无 迹 卡 尔 曼 滤 波 算 法 （UKF SLAM）、Rao -Blackwelled 粒 子 滤 波 算 法 （RBPR SLAM）、Uncented FastSLAM 法 （UFastSLAM）法 等 。 较 常用的是 EKF、Fast-SLAM、UKF、RBPF 以及 UFastSLAM 法。 EKF 的数学严谨，估计准确，但线性相关较差，UKF 不适于解决存在非线性和高斯噪声情况。 粒子滤波算 法对线性和噪声没有要求， 但问题的维数较高时计算 量较大，难以满足系统实时性要求 。 FEIF 是 EIF 的对 称形式，保留了 EIF 的优点，但滤波的一致性更好。 而 UKF 比 EKF 有着更好的滤波一致性，并且适用于室外 大的复 杂环境。 RBPF 对解 决非线性和 非 高 斯 噪 声 时 具有很好的特性。 相比 Fast-SLAM 和 RBPF-SLAM 在 雅 各 比 线 性 逼 近 非 线 性 功 能 不 足 的 问 题 ，Uncented FastSLAM 就能更好地解决线性逼近问题，并且有很好 的估计精度和滤波一致性。 2.3 机器人-环境交互
第 1 代：示教再现型机器人，但不具备反馈能力。 如 郭 勇 等 人[1] 研 制 的 挖 掘 机 手 柄 自 动 操 作 机 构 ，该 机 构结构简单，能够实现动作示教再现。
第 2 代：有感觉的机器人，不仅具有内部传感器， 而 且 具 有 外 部 传 感 器 ， 能 获 得 外 部 环 境 信 息 。 如 P.l Liljeb.ck 等人研制的蛇形 机器人就装 有内部测 转速的 传感器，以及外部测力的传感器，该机器人能够在不规 则环境中具有一定的运动能力。
新型机构也是当前研究的热点之一。 随着对机器 人的柔性程度和精度要求越来越高。 于是对可重构机 器人和并联机构的研究成为了时代的必要。 Michael D. M.Kutzer 等人设计的一种新型的独立移动可重构模块 化的机器人，工作时可以是链式或晶状式，在危险环境 中表现出了出色的运动能力 。 Hongxing Wei 等人设计 了一种自组装和自重构的模块化机器人，而 Graham G Ryland 等 人 设 计 了 专 门 用 于 搜 救 行 动 中 的 可 重 构 iMobot 机器人，它有 4 个可控自由度，通过驱动轮子将 自身举起来成为一个摄像平台。 并联机构因其具有精 度高、结构紧凑、刚度高等优点，引起了众多科研人员 的兴趣， 采用多目标遗传算法对 2 自由度的微型并联 机构进行了优化设计。 Sergiu-Dan Stan 等人运用遗传 算法和模拟退火的优化方法对一个 2 自由度并联微型 机器人的工作空间进行了优化分析， 实验表明该方法 具有可行性。 2.2 机器人的定位与环境地图的创建
2 国外工业机器人的研究现状
2.1 仿生机器人与新型机构 对人的研究，国外侧重于对人行走时的步态分析，
通过对人脚形状的分析， 得出具有圆形截面的脚趾和 脚后跟以及具有扁平截面的连接脚趾和脚后跟的中间 收稿日期：2010 年 9 月
部分具有最佳的动力学性能。 对人形机器人步态规划 问 题 ，Xia Zeyang 等 人 提 出 了 一 种 基 于 样 品 的 决 定 性 的脚步规划方法， 该方法综合考虑了自身独特的运动 能力和稳定性。 对于在不同类型障碍的复杂环境中脚 步 规 划 ，Yasar Ayaz 采 用 与 人 走 近 障 碍 物 时 绕 过 的 方 法，通过脚步实时的生成成功避开障碍物。 此外，对于 双足步行机器人的复杂地面运动的研究也有新的进 展，研究出一种新型的双足机构，能实现不平区域稳定 地行走，该足由 4 个分别带光学传感器的鞋钉组成，总 重 1.5 kg。 对动物的研究则表现为对诸如蛇、鱼的结构 以及运动性能的研究。 仿蛇机器人不仅可以作为管道 检测装置，也可以作为地震或矿难探索装置，更可以当 作 极 地 探 测 器 来 进 行 科 研 活 动 。 Shigeo 和 Hiroya Yamada 就将仿蛇机器人的机械结构分为 5 种类型：活 动的弯曲关节式；活动的弯曲和拉伸关节式；活动的弯 曲关节和活动的车轮式；被动弯曲关节和活动车轮式； 活动的弯曲关节 和履带式。 Aksel Andreas Transeth 等 采用摩擦力模型方法建立了一蛇形机器人模型， 该机 器人能与包括地面的障碍物以外的物体接触， 对地震 或矿区救援很有帮 助。 Kristin Y.Pettersen 等人对蛇 形 机器人在存在障碍物环境中运动进行了复合建模，仿 真结构证明该模型能实现不规则环境中的一般运动。 但蛇形机器人目前要真正达到在复杂环境中畅通无阻 地运动，还有待进一步研究。 对海洋的开发，相对于其 它的水下自动化装置， 仿生鱼具有更好的推进力和流 体适应性。 其研究主要体现在结构和运动特性上。 Jun Gao 和 K.H.Low 等人对胸 鳍驱动和尾 鳍驱动鱼形 机器 人进行了分析， 讨论了鱼结构和运动各参数的关系。 Yu Zhong 等 人 对 由 阀 体 与 尾 鳍 构 成 的 机 器 人 鱼 的 运 动性能进行了研究，采用量纲分析方法，建立了一种能 预测运动的机器鱼模型。 Giuseppe Tortora 等人设计了
随着工业机器人技术的发展， 其应用范围日趋广 泛。 由室内到室外，由结构环境到非结构的复杂环境， 使机器人创建环境地图的同时进行自主定位和导航成 为当今机器人研究领域的一大热点问题。 机器人的同 时 定 位 与 建 图 （SLAM）可 以 描 述 为 ：在 未 知 的 环 境 中 移 动的机器人，根据传感器获得的环境信息，采用某些算 法对信息进行处理， 最后经控制器进行自身位置估计 与环境地图的创建。
The current situation of research hot points of IR is presented and the developing trend forecasted.
Key Words: Industrial Robot (IR) Current Situation Developing Trend
机械制造 49 卷 第 558 期
2011 ／ 2 41
现 状·趋 势·战 略
类水母微型机器人，它由磁体驱动自身的运动,具有较 好的运动性能。但机器鱼在结构仿生度、性能如直线游 泳与拐弯半径等方面还有待进一步的研究。 此外， Kazuya Kobayashi 等 人 对 用 于 抓 掐 、 旋 转 细 小 物 体 的 手指尖进行了设计和分析，并进行了 抓取 USB 插头 的 实验，验证了该设计的可行性，但其抓取策略还有待进 一 步 的 优 化 。 Jian S.Dai 等 人 第 一 次 提 出 了 可 变 构 手 掌，并设计了多指可变构手 Metahand,该手可折叠也可 展开，具有相当高的灵活性。
纵观历史研究文献， 国内外对工业机器人的研究 热点问题主要分为 3 个方面：仿生机器人与新型机构、 机器人的定位与地图创建、机器人-环境交互。 本文将 分别就以上 3 方面对研究现状进行简要分析， 并对工 业机器人的发展趋势作了预测。
1 工业机器人的发展历程
自 1954 年 美 国 戴 沃 尔 最 早 提 出 了 工 业 机 器 人 的 概念以来，工业机器人就得以不断地发展。 概括起来， 工业机器人的发展历程为 3 代：
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1000 － 4998 (2011) 02 － 0041－ 03
Abstract: As the typical high-tech equipment of mechanoelectronic integration, industrial robots have been widely used.
机器人最重要的功能是辅助或完全替代人类完成
机械制造 49 卷 第 558 期
现 状·趋 势·战 略
作业任务， 因而它的路径规划与导航问题也一直是研 究的焦点。目前对机器人路径规划提出的方法有：A* 算 法 、 快 速 行 进 法 （FMM）、 边 界 跟 踪 的 快 速 行 进 法 （BFFMM）、非线性规划法、进化算法（EAs）等。 FMM 法 对解决最短路径规划很有效， 但只能应用在完全已知 的环境中，而 BFFMM 法只需要知道运动的起始点和目 的地，用于未知的多边性环境中，效果优于 FMM 法。 无 人飞行器的飞行最优路径搜索中多采用 EAs 法。
现 状·趋 势·战 略
工业机器人研究现状及发展趋势
□ 曹文祥 □ 冯雪梅
武汉理工大学 机电工程学院 武汉 430070
摘 要：作为最典型的机电一体化的高科技装备，工业机器人得到了非常广泛的应用。 综述了国内外工业机器人的
研究热点现状，并预测了其发展趋势。
关键词：工业机器人 现状 发展趋势
中 图 分 类 号 ：TP242.2
42 2011 wenku.baidu.com 2
一帧需要 8 s，实时性并不高，同时也无法很好地嵌入 微小型自动机器人中；第 2 类是相机网络，能获得环境 的全景， 主要的问题是各相机获得图片的同步性以及 较多的照片处理；第 3 类是兼反射和折射的相机，它是 由朝向同一旋转对称镜的一个透视摄像机构成， 无活 动件，一次对焦能提供 360°的高分辨率的全视野。
随着民用、应急响应、灾难控制、环境监测等场合 对机器人的需求不断增大， 机器人与环境的交互成为 机器人领域的又一研究热点。 主要表现为机器人作用 对象的识别，路径规划，最后实现自主导航完成任务。
机器人通过立体视觉、激光测距仪、超声波、红外 线、声纳、光束等工具对环境进行数据收集。 超声波测 距仪由于超声波受周围环境影响较大， 测量距离比较 短，测量精度比较低；红外测距的优点是便宜、易制、安 全，缺点是精度低、距离近、方向性差。非接触的距离测 量应用最广的两种方法是激光和超声波， 无论哪种方 法,测量区域的图像都是不可见的，同时，目标物的反 射表面状态也会影响测量的精度， 能同时实现图像的 显示与距离的测量方法有：模式识别和图像分析方法。 机器人根据采集到的环境信息进行数据处理， 得到对 图像匹配有用的信息， 如物体边缘轮廓、 关键特征点 等 ，主 要 方 法 有 尺 度 不 变 特 征 转 换 法 （SIFT）和 更 为 有 效的傅里叶描叙子（FD）法。 最后将得到的特征信息与 机器人的数据特征库进行匹配，进行对象识别。
机器人的定位可分为相对定位和绝对定位两种。 前者是根据机器人本身或从环境中提取某些特征信 息，如物体外部几何结构点、里程信息等，结合上一次 的位置和姿态来判断出机器人的当前位姿， 该方法灵 活性高，有利于机器人的导航与定位，但误差累积较大 会造成定位精度降低。 而后者是通过人们在环境中预 先设置的路标或显眼节点等来计算机器人实时的位 姿，此法快速可靠，但适用范围较窄，在无法设置路标 场合难以工作。 通常将以上两种方法相结合来提高机 器人的定位精度， 目前对环境图像的获取可通过不同 的视觉系统， 有学者提出了不同的方法， 主要分为 3 类：第 1 类是可旋转的相机，可提供高分辨率图片但每
随着 SLAM 技术的发展，产生的许多 SLAM 算法。 包 括 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 算 法 （EKF-SLAM）、粒 子 滤 波 算 法 （Fast-SLAM）、 扩 展 信 息 滤 波 算 法 （EIF-SLAM）、 扫 描 匹 配 算 法 （DP-SLAM）、 解 耦 算 法 （D-SLAM）、 压 缩 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 算 法 （CEKF-SLAM）、 快 速 扩 展 信 息 滤 波 算 法 （FEIF-SLAM）、 无 迹 卡 尔 曼 滤 波 算 法 （UKF SLAM）、Rao -Blackwelled 粒 子 滤 波 算 法 （RBPR SLAM）、Uncented FastSLAM 法 （UFastSLAM）法 等 。 较 常用的是 EKF、Fast-SLAM、UKF、RBPF 以及 UFastSLAM 法。 EKF 的数学严谨，估计准确，但线性相关较差，UKF 不适于解决存在非线性和高斯噪声情况。 粒子滤波算 法对线性和噪声没有要求， 但问题的维数较高时计算 量较大，难以满足系统实时性要求 。 FEIF 是 EIF 的对 称形式，保留了 EIF 的优点，但滤波的一致性更好。 而 UKF 比 EKF 有着更好的滤波一致性，并且适用于室外 大的复 杂环境。 RBPF 对解 决非线性和 非 高 斯 噪 声 时 具有很好的特性。 相比 Fast-SLAM 和 RBPF-SLAM 在 雅 各 比 线 性 逼 近 非 线 性 功 能 不 足 的 问 题 ，Uncented FastSLAM 就能更好地解决线性逼近问题，并且有很好 的估计精度和滤波一致性。 2.3 机器人-环境交互
第 1 代：示教再现型机器人，但不具备反馈能力。 如 郭 勇 等 人[1] 研 制 的 挖 掘 机 手 柄 自 动 操 作 机 构 ，该 机 构结构简单，能够实现动作示教再现。
第 2 代：有感觉的机器人，不仅具有内部传感器， 而 且 具 有 外 部 传 感 器 ， 能 获 得 外 部 环 境 信 息 。 如 P.l Liljeb.ck 等人研制的蛇形 机器人就装 有内部测 转速的 传感器，以及外部测力的传感器，该机器人能够在不规 则环境中具有一定的运动能力。
新型机构也是当前研究的热点之一。 随着对机器 人的柔性程度和精度要求越来越高。 于是对可重构机 器人和并联机构的研究成为了时代的必要。 Michael D. M.Kutzer 等人设计的一种新型的独立移动可重构模块 化的机器人，工作时可以是链式或晶状式，在危险环境 中表现出了出色的运动能力 。 Hongxing Wei 等人设计 了一种自组装和自重构的模块化机器人，而 Graham G Ryland 等 人 设 计 了 专 门 用 于 搜 救 行 动 中 的 可 重 构 iMobot 机器人，它有 4 个可控自由度，通过驱动轮子将 自身举起来成为一个摄像平台。 并联机构因其具有精 度高、结构紧凑、刚度高等优点，引起了众多科研人员 的兴趣， 采用多目标遗传算法对 2 自由度的微型并联 机构进行了优化设计。 Sergiu-Dan Stan 等人运用遗传 算法和模拟退火的优化方法对一个 2 自由度并联微型 机器人的工作空间进行了优化分析， 实验表明该方法 具有可行性。 2.2 机器人的定位与环境地图的创建
2 国外工业机器人的研究现状
2.1 仿生机器人与新型机构 对人的研究，国外侧重于对人行走时的步态分析，
通过对人脚形状的分析， 得出具有圆形截面的脚趾和 脚后跟以及具有扁平截面的连接脚趾和脚后跟的中间 收稿日期：2010 年 9 月
部分具有最佳的动力学性能。 对人形机器人步态规划 问 题 ，Xia Zeyang 等 人 提 出 了 一 种 基 于 样 品 的 决 定 性 的脚步规划方法， 该方法综合考虑了自身独特的运动 能力和稳定性。 对于在不同类型障碍的复杂环境中脚 步 规 划 ，Yasar Ayaz 采 用 与 人 走 近 障 碍 物 时 绕 过 的 方 法，通过脚步实时的生成成功避开障碍物。 此外，对于 双足步行机器人的复杂地面运动的研究也有新的进 展，研究出一种新型的双足机构，能实现不平区域稳定 地行走，该足由 4 个分别带光学传感器的鞋钉组成，总 重 1.5 kg。 对动物的研究则表现为对诸如蛇、鱼的结构 以及运动性能的研究。 仿蛇机器人不仅可以作为管道 检测装置，也可以作为地震或矿难探索装置，更可以当 作 极 地 探 测 器 来 进 行 科 研 活 动 。 Shigeo 和 Hiroya Yamada 就将仿蛇机器人的机械结构分为 5 种类型：活 动的弯曲关节式；活动的弯曲和拉伸关节式；活动的弯 曲关节和活动的车轮式；被动弯曲关节和活动车轮式； 活动的弯曲关节 和履带式。 Aksel Andreas Transeth 等 采用摩擦力模型方法建立了一蛇形机器人模型， 该机 器人能与包括地面的障碍物以外的物体接触， 对地震 或矿区救援很有帮 助。 Kristin Y.Pettersen 等人对蛇 形 机器人在存在障碍物环境中运动进行了复合建模，仿 真结构证明该模型能实现不规则环境中的一般运动。 但蛇形机器人目前要真正达到在复杂环境中畅通无阻 地运动，还有待进一步研究。 对海洋的开发，相对于其 它的水下自动化装置， 仿生鱼具有更好的推进力和流 体适应性。 其研究主要体现在结构和运动特性上。 Jun Gao 和 K.H.Low 等人对胸 鳍驱动和尾 鳍驱动鱼形 机器 人进行了分析， 讨论了鱼结构和运动各参数的关系。 Yu Zhong 等 人 对 由 阀 体 与 尾 鳍 构 成 的 机 器 人 鱼 的 运 动性能进行了研究，采用量纲分析方法，建立了一种能 预测运动的机器鱼模型。 Giuseppe Tortora 等人设计了
随着工业机器人技术的发展， 其应用范围日趋广 泛。 由室内到室外，由结构环境到非结构的复杂环境， 使机器人创建环境地图的同时进行自主定位和导航成 为当今机器人研究领域的一大热点问题。 机器人的同 时 定 位 与 建 图 （SLAM）可 以 描 述 为 ：在 未 知 的 环 境 中 移 动的机器人，根据传感器获得的环境信息，采用某些算 法对信息进行处理， 最后经控制器进行自身位置估计 与环境地图的创建。
The current situation of research hot points of IR is presented and the developing trend forecasted.
Key Words: Industrial Robot (IR) Current Situation Developing Trend
机械制造 49 卷 第 558 期
2011 ／ 2 41
现 状·趋 势·战 略
类水母微型机器人，它由磁体驱动自身的运动,具有较 好的运动性能。但机器鱼在结构仿生度、性能如直线游 泳与拐弯半径等方面还有待进一步的研究。 此外， Kazuya Kobayashi 等 人 对 用 于 抓 掐 、 旋 转 细 小 物 体 的 手指尖进行了设计和分析，并进行了 抓取 USB 插头 的 实验，验证了该设计的可行性，但其抓取策略还有待进 一 步 的 优 化 。 Jian S.Dai 等 人 第 一 次 提 出 了 可 变 构 手 掌，并设计了多指可变构手 Metahand,该手可折叠也可 展开，具有相当高的灵活性。
纵观历史研究文献， 国内外对工业机器人的研究 热点问题主要分为 3 个方面：仿生机器人与新型机构、 机器人的定位与地图创建、机器人-环境交互。 本文将 分别就以上 3 方面对研究现状进行简要分析， 并对工 业机器人的发展趋势作了预测。
1 工业机器人的发展历程
自 1954 年 美 国 戴 沃 尔 最 早 提 出 了 工 业 机 器 人 的 概念以来，工业机器人就得以不断地发展。 概括起来， 工业机器人的发展历程为 3 代：
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1000 － 4998 (2011) 02 － 0041－ 03
Abstract: As the typical high-tech equipment of mechanoelectronic integration, industrial robots have been widely used.
机器人最重要的功能是辅助或完全替代人类完成
机械制造 49 卷 第 558 期
现 状·趋 势·战 略
作业任务， 因而它的路径规划与导航问题也一直是研 究的焦点。目前对机器人路径规划提出的方法有：A* 算 法 、 快 速 行 进 法 （FMM）、 边 界 跟 踪 的 快 速 行 进 法 （BFFMM）、非线性规划法、进化算法（EAs）等。 FMM 法 对解决最短路径规划很有效， 但只能应用在完全已知 的环境中，而 BFFMM 法只需要知道运动的起始点和目 的地，用于未知的多边性环境中，效果优于 FMM 法。 无 人飞行器的飞行最优路径搜索中多采用 EAs 法。
现 状·趋 势·战 略
工业机器人研究现状及发展趋势
□ 曹文祥 □ 冯雪梅
武汉理工大学 机电工程学院 武汉 430070
摘 要：作为最典型的机电一体化的高科技装备，工业机器人得到了非常广泛的应用。 综述了国内外工业机器人的
研究热点现状，并预测了其发展趋势。
关键词：工业机器人 现状 发展趋势
中 图 分 类 号 ：TP242.2
42 2011 wenku.baidu.com 2
一帧需要 8 s，实时性并不高，同时也无法很好地嵌入 微小型自动机器人中；第 2 类是相机网络，能获得环境 的全景， 主要的问题是各相机获得图片的同步性以及 较多的照片处理；第 3 类是兼反射和折射的相机，它是 由朝向同一旋转对称镜的一个透视摄像机构成， 无活 动件，一次对焦能提供 360°的高分辨率的全视野。
随着民用、应急响应、灾难控制、环境监测等场合 对机器人的需求不断增大， 机器人与环境的交互成为 机器人领域的又一研究热点。 主要表现为机器人作用 对象的识别，路径规划，最后实现自主导航完成任务。
机器人通过立体视觉、激光测距仪、超声波、红外 线、声纳、光束等工具对环境进行数据收集。 超声波测 距仪由于超声波受周围环境影响较大， 测量距离比较 短，测量精度比较低；红外测距的优点是便宜、易制、安 全，缺点是精度低、距离近、方向性差。非接触的距离测 量应用最广的两种方法是激光和超声波， 无论哪种方 法,测量区域的图像都是不可见的，同时，目标物的反 射表面状态也会影响测量的精度， 能同时实现图像的 显示与距离的测量方法有：模式识别和图像分析方法。 机器人根据采集到的环境信息进行数据处理， 得到对 图像匹配有用的信息， 如物体边缘轮廓、 关键特征点 等 ，主 要 方 法 有 尺 度 不 变 特 征 转 换 法 （SIFT）和 更 为 有 效的傅里叶描叙子（FD）法。 最后将得到的特征信息与 机器人的数据特征库进行匹配，进行对象识别。
机器人的定位可分为相对定位和绝对定位两种。 前者是根据机器人本身或从环境中提取某些特征信 息，如物体外部几何结构点、里程信息等，结合上一次 的位置和姿态来判断出机器人的当前位姿， 该方法灵 活性高，有利于机器人的导航与定位，但误差累积较大 会造成定位精度降低。 而后者是通过人们在环境中预 先设置的路标或显眼节点等来计算机器人实时的位 姿，此法快速可靠，但适用范围较窄，在无法设置路标 场合难以工作。 通常将以上两种方法相结合来提高机 器人的定位精度， 目前对环境图像的获取可通过不同 的视觉系统， 有学者提出了不同的方法， 主要分为 3 类：第 1 类是可旋转的相机，可提供高分辨率图片但每