机器人论文

机器人技术研究进展

21 世纪以来, 国内外对机器人技术的发展越来越重视、机器人技术被认为就是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一、欧盟在第七框架计划中规划了“认知系统与机器人技术” 研究、美国启动了“美国国家机器人计划”、日本、韩国在服务型机器人方面也制定了相应的研究计划, 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, 机器人技术就是未来高技术、新兴产业发展的基础之一, 对于国民经济与国防建设具有重要意义、

近些年来, 机器人技术研究与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, 通过分析与梳理, 探讨机器人技术研究中的难点与热点, 以及可能的发展趋势。

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与开发、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、医疗与康复机器人与仿生机器人领域中的部分典型研究工作进行介绍与分析

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、食品与药品等领域, 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、但由于工业机器人就是一个非线性、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就是研究重点, 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、Force Sensing力觉系统、Robot Link 通信系统与Collision Guard 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, 国内很多大学与研究机构, 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、驱动与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、移动机器人的应用广泛, 覆盖了地面、空中与水下, 乃至外太空、下面简要介绍地面移动机器人中的轮式/履带式、腿足式与仿人形机器人, 以及水下机器人与飞行机器人的一些研究进展、由于外星探索机器人工作环境特殊, 因此也对其研究现状进行简要介绍、

轮式/履带式移动机器人主要有智能轮椅、导游机器人、野外侦查机器人, 以及大型智能车辆等, 其定位、运动规划、自主控制、服务作业等技术与方法也得到广泛研究、

控制与机器人设计等方面、步态生成有离线生成方法与在线生成方法、离线生成方法为预先规划的数据用于在线控制, 可完成如行走、舞蹈等动作[32] , 但无法适应环境变化; 在线规划则实时调整步态规划、确定各关节的期望角、在稳定性控制方面, 零力矩点方法虽广泛应用, 但该方法仅适合于平面情况、

外星探索机器人就是在地外行星上完成勘测作业的移动机器人, 极端的环境下的可靠控制

就是其面临的严峻挑战、美国开发的用于火星探测的移动机器人“探路者”、“勇气号”、“机遇号” 与“好奇号” 都成功登陆火星开展科研探测、其中“好奇号” 火星车采用了六轮独立驱动结构, 长3 m, 宽2、7 m, 高2、2 m, 自重900 公斤, 具有一个2、2 m 的作业臂与摄像头等多种探测设备, 在45 度倾角状态下不会倾翻, 最高速度4 cm/s、不同于以往火星车采用太阳能供电, “好奇号” 采用核电池供电, 使系统续航能力得到极大提升、

通过分析已有的机器人技术研究工作, 机器人技术的应用与研究显现出从工业领域快速向其她领域延伸扩展、而传统工业领域对作业性能提升的需求、其她领域的新需求, 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; 而机器人与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、家庭服务与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、1) 环境适应性、机器人的工作环境可以就是室内、室外、火山、深海、太空, 乃至地外星球, 其复杂的地面或地形、不同的气压变化、巨大的温度变化、不同的辐照、不同的重力条件导致机器人的机构设计与控制方法必须进行针对性、适应性的设计、通过仿生手段研究具有飞行、奔跑、跳跃、爬行、游动等不同运动能力的、适应不同环境条件的机器人机构与控制方法对于提高机器人的环境适应性具有重要的理论价值、(2) 环境感知、面对动态变化、未知、复杂的外部环境, 机器人对环境的准确感知就是进行决策与控制的基础、感知信息的融合、环境建模、环境理解、学习机制就是环境感知研究的重要内容、(3)主控制、面对动态变化的外部环境, 机器人必须依据既定作业任务与环境感知结果利用内建算法进行规划、决策与控制, 以达到最终目标、在无人干预或大延时无法人为干预的情况下, 自主控制可以确保机器人规避危险、完成既定任务、(4) 人机交互、人机交互对于提升机器人作业能力、满足复杂的作业任务需求具有重要作用、实时作业环境的三维建模, 声觉、视觉、力觉、触觉等多种人机交互的实现方式、人机交互中的安全控制等都就是人机交互中的重要研究内容、针对上述问题的研究, 通过与仿生学、神经科学、脑科学, 以及互联网技术的结合, 可能将加速机器人理论、方法与技术研究工作的进展、机器人技术与仿生学的结合, 不仅可以促进高适应性的机器人结构设计方法的研究, 对于机器人的感知、控制与决策方法的研究也能够提供有力的支持、机器人学与神经科学、脑科学的结合, 将使得人–机器人间的应用接口更加方便, 通过神经信号控制智能假肢、外骨骼机器人或远程遥操控机器人系统, 利用生物细胞来提升机器人的智能, 为机器人研究提供了新的思路、机器人学与互联网技术的结合, 使机器人可以通过互联网获取海量的知识, 基于云计算、智能空间等技术辅助机器人的感知与决策, 将极大提升机器人的系统性能、

机器人技术的研究与应用已从传统的工业领域快速扩展到其她领域, 如医疗康复、家政服务、外星探索、勘测勘探等、而无论就是传统的工业领域还就是其她领域, 对机器人性能要求的不断提高, 使机器人必须面对更极端的环境、完成更复杂的任务, 因而, 也为机器人研究提供了新的动力、在概述工业机器人、移动机器人、医疗康复机器人与仿生机器人的主要研究进展基础上, 分析归纳了环境适应性、感知、自主控制、人机交互等机器人研究的主要问题, 并探讨了仿生学、神经科学、互联网等研究与机器人研究相结合的趋势、