机 器 人 技 术
摘要：针对 20 世纪国内外机器人技术的发展历程和 21 世纪知识经济的兴
起, 对 21 世纪机器人技术的发展趋势作了预测。机器人技术作为先进制造与工艺装备发展的关键共性基础技术，已成为一个国家高技术的重要标志之一，它在推进我国经济结构战略性调整、以信息化提升制造与自动化技术水平、促进传统制造行业的技术改造与产业升级、提高综合国力、增强等方面将发挥越来越重要的作用。
关键词：智能机器人；自动化; 发展趋势 。 一．机器人开发现状和趋势
进入 20 世纪 90 年代以来, 由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和, 而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机器人参与,因而促使智能机器人获得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看, 复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人, 以求提高机器人的性能, 扩大其功能和应用领域[1～ 4 ]。这正是从事智能机器人研究和应用的广大科技工作者施展才干的大好时机。回顾近 10 多年来国内外机器人技术的发展历程, 展望 21 世纪知识经济对机器人技术的要求, 可以归纳出下列一些特点和发展趋势。
机器人技术所具有的感知、决策、行动和交互四大技术不断地渗透到传统机械、生产设备和生产系统，形成了智能机器、智能加工的思想，对传统产业的升级换代起了重要的推动作用，从而开拓了生产工具创新性源泉，正在不断产生出新产品、新的制造装备和新的生产系统。
从机器人技术的发展历史及发展趋势看，机器人技术是一个内涵不断丰富，外延不断扩展，应不断扩大，对国民经济和具有重要意义的战略性高技术。机器人为制造业以及人类生活的改善提供了强有力的手段，已成为当代高速发展、应用广泛的高新技术之一。“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” 。
二．机器人技术及自动化
先进机器人技术被宋健同志称为“当代最高意义上的自动化” ，集中反映在“感知(传感器,信息融合)、决策(智能控制)、执行(机构及驱动)和交互(人-机，多机，网络化)”几大技术特征上。机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的智能化机器。在研究和开发未知和不确定环境下的作业机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互四大技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策和行动能力的特种机器人、智能机器和自动化装备，如微机器人、仿人形机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、
空间机器人等。这些机器人从外观上已远远脱离了最初工业机器人所具有的形状，更加符合应用领域的特殊要求，但其功能和智能程度却大大超出了工业机器人的范围，从而使机器人及自动化技术呈现出更加广阔的发展空间。作为传感型机器人基础的机器人传感技术有了新的发展, 各种新型传感器不断出现。例如, 超声波触觉传感器、 静电电容式距离传感器、 基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器, 以及具有工件检测、 识别和定位功能的视觉系统等。我国研究成功了 1 种机器人插入装配主动柔顺策略——模式识别法。在机器人插孔搜索时, 该法采用力- 位置控制的主动柔顺装配方法, 实现了可编程的机器人轴孔装配作业。
多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用。由于单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性, 不能满足智能机器人系统获取环境信息及系统决策能力。采用多传感器集成和融合技术, 利用各种传感信息, 获得对环境的正确理解, 使机器人系统具有容错性, 保证系统信息处理的快速性和正确性。在多传感集成和融合技术研究方面, 人工神经网络的应用特别引人注目, 成为研究热点。这方面的研究成果也层出不穷。例如, 日本三菱电气公司提出了1 种新的定位误差补偿方法。该法引入前馈分层神经网络, 应用人工神经网络的非线性映射功能, 能够补偿一般方法无法补偿的误差因素, 有效地补偿了工业机器人的运动学误差。该研究成果在24 届国际工业机器人会议( IS IR )上荣获日本工业机器人协会的研究开发奖。
三．虚拟现实技术
虚拟现实技术是新近研究的智能技术, 它是 1 种对事件的现实性从时间和空间上进行分解后重新组合的技术。这一技术包括三维计算机图形学技术、 多功能传感器的交互接口技术以及高清晰度的显示技术。虚拟现实技术可应用于遥控机器人和临场感通讯等。例如, 可从地球上对火星探测机器人进行遥控操作, 以采集火星表面上的土壤。形状记忆合金 (SMA ) 被为“智能材料” 。SMA 的电阻随温度的变化而改变, 导致合金变形,可用来执驱动动作, 完成传感和驱动功能。可逆形状记忆合金(RSMA )也在微型机器上得到应用。多智能机器人系统(MARS)是近年来开始探索的又一项智能技术, 它是在单体智能机器发展到需要协调作业的条件下产生的。多个机器人主体具有共同的目标, 完成相互关联的动作或作业。MARS 的作业目标一致, 信息资源共享, 各个局部(分散)运动的主体在全局前提下感知、 行动、 受控和协调, 是群控机器人系统的发展。
在诸多新型智能技术中, 基于模糊逻辑和人工神经网络的识别、 检测、
控制和规划方法的开发和应用占有重要的地位[9～ 13 ]。基于专家系统的机器人 规划获得新的发展, 除了用于任务规划、 装配规划、搬运规划和路径规划外, 又被用于自动抓取规划。把进化编程和遗传算法用于移动机器人自主导航与控制, 是智能机器人技术的最新进展之一。
智能机器人和高级工业机器人的结构要力求简单紧凑, 其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展; 其驱动采用交流伺服电机, 向小型和高输出方向发展; 其控制装置向小型化和智能化发展, 采用高速CPU 和 32 位芯片、 多处理器和多功能操作系统, 提高机器人的实时和快速响应能力。机器人软件的模块化则简化了编程, 发展了离线编程技术, 提高了机器人控制系统的适应性。例如, 日本日产公司的智能型车身焊接和装配系统,由于其软件采用模块化设计技术, 因而功能很强。该系统能显著地减少更换工具的时间, 提高焊接精度和装配生产率。
四．机器人技术在生产中的应用
在生产工程系统中应用机器人, 使自动化发展为综合柔性自动化, 实现生产过程的智能化和机器人化。近年来, 机器人生产工程系统获得不断发展。汽车工业、 工程机械、 建筑、 电子和电机工业以及家电行业在开发新产品时, 引高级机器人技术, 采用柔性自动化和智能化设备, 改造原有生产手段,使机器人及其生产系统的发展呈上升趋势。在加工工业中的机器人工程系统, 涉及下列高级机器人: (1)汽车
自动装配机器人, 码垛堆积和分装机器人。 (2)电气和电子
半导体真空加工用真空机器人, 超净工作室自主搬运机器人。 (3)通用机械
自动磨削和抛光, 自动喷水切割, 用于料箱取料和移动物体识别的三维辨识机器人, 自动仓库顺序取料机器人, 多产品混合流水线柔性装配系统,智能制造系统。 (4)有色金属
铸铝自动去毛刺(倒角)和切口, 熔炉自动浇铸。 (5)钢铁
铸铁自动去毛刺(倒角)和切口, 转炉钢水包自动修理。 (6)石油
石油容器的自动清洗、 检查和喷涂。 (7)木材加工
木器的自动抛光和精整。 (8)造纸
高级纸张的自动预装检查。 (9)纺织
自动缝制系统。 (10)食品加工
肉类去骨和加工自动化。
这些应用领域可供有关加工行业建立机器人工程系统时考虑。
五，机器人技术的展望
以自动化规模化生产为标志，世界范围内的制造业于 20 世纪 50 年代拉开了帷幕。当时生产自动化的概念几乎成了“用机器代替人”的同义语。工业机器人就是为适应当时制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动，提高产品质量而发明的。工业机器人作为新一代的生产机器一问世就在制造业中发挥了巨大的作用。 从 50 年代出现第一台多关节机械手以来，机器人经历了近 半个世纪的历程，从它的研究和开发来看，主要朝两个方向发展，一是增加机器的通用性和适应性，即通过增加机器人的适应性，来扩大其应用范围；第二个向是智能化，即通过提高机器人的性能来扩大机器人的应用范围。从 90 年代开始，机器人的研究中出现了一些新的局面，即机器人与其他领域和学科的交叉，特别是与计算机、通讯、网络的交叉。新世纪智能机器人的研究无论从深度还是从广度上来看，本身出现多样化趋势，而传感器技术的进步，将是机器人智能化的关键和特色，特别是新型传感器的应用、 多传感器的信息融合等将成为新一代机
器人实现更高级智能行为的基础。就传动和控制而言，工程机械已走过机械和液压两代。到 80年代中后期，随着电子技术、计算机控制技术、液压控制技术及传感器技术的发展，工程机械进入了第三代时期，即机器人化时代。日本、美国和欧洲一些国家首先认识到这个方向的重要性，在 80 年代就开展机电一体化、机器人化高技术的研究与开发，其目标就是利用机电一体化、机器人化高技术对传统工程机械产品进行更新换代改造，提高其智能化程度，美国的卡特彼勒公司、德国的利勃海尔公司、日本的小松、东芝、神钢、日立等公司一直致力于这方面的研究，例如 AGV 物流自动化成套系统、基于 GPS 的定位作业、工作面的激光导引等，其产品的发展已经从工程机械机电一体化逐步发展到工程机械机器人化的阶段，工程机械的机器人化无疑是代表其发展最重要的方向。目前国内在这一领域还相对落后，若干中外合资企业引进的产品是国外 80 年代的技术，在国际市场上缺乏竞争力。在我国加入 WTO 之后，这类企业面临的国际竞争十分艰巨，迫切需要进行产品的更新换代。要实现对传统工程机械机器人化升级，有赖于传感信息的提供，目前解决这一问题的主要方法和途径是将智能机器人传感相关技术移植到工程机械中，而机器人传感器的实用化研究是其中的关键和基础。 有人称微型机器和微型机器人为 21 世纪的尖端技术之一。已经开发出手指大小的微型移动机器人, 可用于进入小型管道进行检查作业。预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小(纳米级)的医疗机器人, 可让它们直接进入人体器官, 进行各种疾病的诊断和治疗, 而不伤害人的健康。微型驱动器是开发微型机器人的基础和关键技术之一。它将对精密机械加工、 现代光学仪器、 超大规模集成电路、 现代生物工程、 遗传工程和医学工程产生重要影响。微型机器人在上述工程中将大有用武之地。在微型驱动器的研究方面, 我国的研究成果处于国际先进水平。微型机器人足球比赛系统是这方面的成功应用范例之一。在大中型机器人微型机器人系列之间, 还有小型机器人。小型化也是机器人发展的一个趋势。小型机器人移动灵活方便, 速度快, 精度高, 适于进入大中型工件进行直接作业。比微型机器人还要小的超微型机器人, 应用纳米技术, 将用于医疗和军事侦察目的。
一些人认为, 一般机器人学的最大的难题是需要把机器人的机动性和人工智能提高一个数量级。战场机器人需要对传感器数据进行处理及自动进 行规划, 机器人的机动性有时应当达到与人员驾驶时相同的水平。展望 21 世纪, 人类更需要与机器人和谐共处,更离不开机器人这位得力助手和可靠朋友。本文关于 21 世纪机器人技术发展趋势的讨论, 将有助于制订我国发展机器人的对策, 使我国的机器人技术和产业走上市场, 走向世界, 在国际上真正占有一席之地。
六．结束语
随着经济全球化进程加快，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，国际分工大规模重组，资源配置进一步在全球范围内展开，高技术研究发展已成为国际竞争的主导因素。在这场新的国际竞争较量中，机器人技术作为先进制造与工艺装备发展的关键共性基础技术，已成为一个国家高技术的重要标志之一，它在推进我国经济结构战略性调整、以信息化提升制造与自动化技术水平、促进传统制造行业的技术改造与产业升级、提高综合国力、增强等方面将发挥越来越重要的作用。
参考文献：
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