未来机器人的发展方向.doc

一、前言 1.简短的回顾 第一台工业机器人问世已整整40年了。在机器人发展的历史上,存在着两条不同的技术路线:一条是日本和瑞典所走的需求牵引,技术驱动,把美国开拓的机器人,结合工业发展的需求,开发出一系列特定应用的机器人,如弧焊、点焊、喷漆装配、刷胶、建筑等等,从而形成了庞大的机器人产业;另一条是把机器人作为研究人工智能的载体,看成计算机科学的一部分,即从单纯技术上模仿人的某些功能出发,研究智能机器人,如美国、英国相当一部分大学及研究所所做的,由于人工智能和其他智能技术的发展远落后于人们对它的冀望,致使绝大部分研究成果始终走不出实验室。我们必须对需要与可能二者作认真的研究,按需求牵引,技术导向的原则,才能得出正确的研究方向,制订出一条可行的技术路线。 2.21世纪工业机器人面临的形势 21世纪即将来临,毫无疑问,技术的发展及世界市场的竞争,将沿着20世纪90年代展开的道路前进,危机与机遇并存。能否把现在的大规模生产线作为一块跳板,跳到具有和它具有同样效率,能生产中小批量的敏捷生产线,以期达到生产同一类产品的价格和批量无关。这将决定一个企业、一个地区以至一个国家在未来竞争中的地位。这一发展态势将为机器人技术的进一步研究与开发提供极大的机遇。在用通过编程可重组的生产单元实现敏捷制造装备中,传统机械的机器人化及新一代机器人化的机器将是两个重要的发展方向。这里所谓的机器人化,是赋予机器以一定的感知、思维(问题解题、决策和规划)和动作的能力,或者说采用机械电子工程(Mechantronics)的办法来改造传统机械,发展新机械。另外材料、传感器、控制等技术的发展又为机器及机器人本体的发展提供了很好的基础。 3.非制造业用机器人面临的形势 21世纪将是人类开发海洋的世纪。由于海洋和空间都不适宜于人类的生存。适应这种需求,发展各种机器人将是一个可选择的途径,这将大大促进机器人的发展。 从自动化的发展来看,21世纪前20年内,将是非制造业的自动化发展的时期。开发适应于非结构环境工作的机器人仍将是机器人发展的一个长远方向。作为长期可行的技术途径,发展一种人机系统,把工况分析、判断及决策等高层活动由人来完成,低层由机器人完成,使人脱离危险的工作面,或辅助人进行更精细的动作(如医疗机器人)等。 二、工业机器人 1.系统发展方式 工业机器人必须改变过去的部件发展方式,而优先考虑系统发展方式。随着工业机器人应用范围的不断扩大,在今天机器人早已从当初的柔性上下料装置,发展成为可编程的高度柔性加工单元。随着高刚性及微驱动问题的解决,机器人作为高精度、高柔性的敏捷性加工设备的时代,迟早将会到来。不论机器人在生产线中起什么样的作用,它总是作为系统中的一员而存在。考虑到我们即将进入敏捷制造的时代,我们更应该从组成敏捷生产系统的观点出发,考虑工业机器人的发展。 从系统观点出发,首先要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通信。机器人和本地数据库之间的通信从发展方向看是场地总线,而分布式数据库之间则采用以太网,我国应该根据国际的情况尽快地制订相应的通信规范及协议,以便我们在开发机器人系统时可以遵循。总之,从系统观点来看,设计和开发机器人必须考虑和其他设备互联和协调工作的能力。 2.编程语言及编程方式 通用的工业机器人程序语言仍是动作级语言,虽然开发了很多种任务级语言,但多不实用。随着OO技术的发展及离线编程技术的成熟,任务级语言可能会日趋成熟。但在可以预见的将来,由于任务的复杂性,实用的语言仍将是动作级语言。机器人群作为整个集成化的生产装备的一部分,编程及监控技术必须进一步改进,使得它能和整个生产设备在统一的框架下进行编程、仿真及监控。目前的编程语言仍然是供应商独立开发,五花八门,各式各样。在今后的发展中,随着机器人控制器采用通用计算机已成为一个主流,机器人语言完全可以像计算机语言一样规范化,这将大大有利于系统集成,便于系统的编程、仿真及监控。当前在形成我们自己的工业机器人产业中,完全有条件制订机器人语言规范,特别是动作级的编程语言规范。这样系统可以在统一的语言下进行编程,经仿真验证后,通过输出接口直接下装到每一台机器人,通过输入接口对整个运行情况进行监控,并可保留原有的编程资料。相对而言底层设备的集成框架的开发工作,应及早安排。 机器人编程方式是一个大问题。目前仍在广泛应用的示教编程方式,在机器人发展的历史上起过不可磨灭的作用。如今,机器人作为一个群体在生产线上工作,例如汽车车身组装线,有的多达上百台机器人。当投产一个新产品时,仍采用示教方式编程,则占用时间过长,严重影响生产效率。生产进入敏捷制造后,因为产品变化非常频繁,这一问题就显得更加突出,应该说到了非解决不可的时候了。 依今天实现的条件,可从三方面着手:一是改进结构,改善加工精度;二是在开发新一代控制器时,有必要重新研究误差补偿问题,研究实用化方法;三是加入传感器来补偿机械精度。这一问题的解决,可使机器人的编程和机床的数控设备一样,完全可以实现离线编程,配合易于大规模安全修改的软件,就可实现敏捷制造生产线。 3.传感器的引入及机器人本体的进化 十多年来,各式各样的机器人传感器发展得很快,随着微机构的出现,下一世纪将是传感器发生革命性变化的时代。超小型化、高可靠性及廉价的传感器的出现,将从根本上改变机器人编程及其控制系统的设计。 随着炭纤维增强的材料的出现,及大量关于弹性臂的研究,有可能实现长期以来人们所追求的负载/自重比为12的轻型机器人。另外一个瓶颈问题是驱动单元问题。从过去的经验来看,形状记忆合金、磁至伸缩、气动伸缩驱动单元的应用范围很有限,驱动主体还是电机。但电机的自重是一个有待解决的老问题,从目前来看,还没有什么新的概念和原理出现,研究的重点还是开发耐高温及具有高校顽磁力的磁性材料,另外把力及力矩传感器、加速度传感器等和电机及驱动单元组合成所谓新传感驱动单元。 总之,为了适应下一世纪敏捷制造企业底层敏捷生产设备发展的需要,工业机器人的发展又到了一个新时期,我们必须从敏捷产生系统出发,在更高、更广的角度研究机器人的发展。 三、高级机器人的发展 沿用国际上通用的名词,称遥控机器人及特种机器人为高级机器人(Advanced Robot)。 1.共性技术 高级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,在空间及深海中,可能长达分的数量级,而工作的环境,在大多数的情形下又是未知的,如何提高作业的效率,减轻操作者负荷,在相当长的一段时间内,将是我们主要的研究方向。从更一般性的角度来看,人机界面始终是技术发展的前沿。 (1)遥控及监控技术 在技术上,下面几项将是今后研究的重要方面: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,对预先显示进行遥控,即在准实时显示工作环境的屏幕上,将机器人经控制后的结果,以预测方法动态叠加显示,克服时延所造成的控制上的困难;事先对可能出现情况及对策的详细研究,造出事件-响应表,然后形成事件-行为响应的局部自治控制等。 (2)人机接口 近年来,在包括虚拟环境的人机接口方面的研究工作非常活跃,开发出来了各式各样的输入和输出装置,如三维鼠标、数据手套、快门眼镜、头盔等等。各种具有更好性能的临场感方法和装置相继被提出来了,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。但在利用多种传感器的实时信息,动态实时地建立环境方面,有很多问题还有待研究。 (3)多传感器系统 多传感器及先进的感知算法,将是在现实环境中实现具有高度灵活性及高鲁棒性行为的机器人的关键。 (4)导般和定位问题 对移动式机器人来说,导般和定位是两个重要的问题,对陆上机器人来说,里程计、方向陀螺、GPS等都比较成熟;对水下短程机器人来说,定位可以利用短极线、超短极线或长基极线,而用GPS来标定,导航可采用基于方向陀螺和多普鲁测速组成的死推算法,并按测定的位置定时校正;对水下大航程机器人来说,目前还没有好的方法。由于长距离的水下通信问题没有解决,而海底图匹配、海底图的地理特征很难确定,试验过的方法很多,如地貌匹配、重力场、重力梯度场等,都不理想,而且代价太大。目前从理论上还没有好办法,这是一个有待从原理上去探索的问题。 2.水下机器人 在本世纪最近的20多年内,水下机器人(指无人潜器)得到了很大发展,开发出了一批能工作在各种不同深度、进行多种作业的机器人,可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和检查、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。21世纪是开发海洋的世纪,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。水下机器人本体所需的各种材料及技术已得到了较好的解决。 水下机器人可分为两大类:一类是有缆水下机器人,习惯称遥控潜器(Remote OperatedVehicle,简称ROV);另一类是无缆水下机器人,习惯称为自治式水下潜器(Autonomous Under-Water Vehicle,简称AUV)。除了上述共性问题外,还有几个特殊问题。 (1)水下机器人控制问题 水下机器人是在水中运动的具有六个自由度的刚体,它本身就是一个强耦合的非线性系统;由于在水中运动,水动力(阻力)系数和运动速度的平方成比例;采用螺旋桨推进,推力和螺旋浆转速平方成正比。这一切使得控制问题变得很困难,特别是要求在定点进行作业时,上述原因造成在零速时的零增益、零阻尼现象,使得动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求。这是一个有待研究的问题。 (2)水下机器人回收问题 这是一个至今还没有完全解决的问题。目前,深水AUV水面回收是不现实的,这是因为深海区浪涌很大。海试经验表明,在4000米水深的洋面,风平浪静时浪涌也在3米以上,这样则很难保证回收时,机器人本体和回收装置在同一水平的波面上,这将带来极大的危险。水下50100米回收是唯一可行的方案。从使用角度来看,这是一个十分重要的问题,它的解决,将大大减少回收时人身及设备的危险。 (3)水下机器人的通信问题 水下通信的唯一手段是水声。目前从国内外的情况来看,可靠的通信速率为1200波特率。通信时延取决于水声在水中来回一次所耗费的时间,水深为6000米时,传输时间就是8秒。传输的距离取决于使用的载波频率及发射的功率,对水下机器人来说,这两者都受到了很大的限制。通信时延是一个本质上不能克服的问题,因此如何在功率限制的情况下,提高通信的距离将是一个主要问题,目前通信距离仅十公里。随着通信距离的增大,AUV的作业范围也可随之增大。利用水声信息实现监控,必须克服传输时延所带来的困难。 (4)水下机器人的能源问题 这也是一个棘手的问题,限制AUV作业范围的主要因素是能源。研究开发比能率高的能源是一个长期努力的方向。在可以预见的将来,然料电池是一种可供选择的方案。未来可能用可变半衰期的核燃料的电池。在这些问题解决之前,可以利用前述回收装置作为中继站,进行水下充电,这样就可以利用两台AUV交替充电,实现水下无限期的作业。当然这样并不能解决AUV的大范围工作问题。 3.服务机器人 服务机器人的种类很多,随着应用场合的不同而不同。西方把下列机器人都归纳为服务机器人:建筑机器人、救灾机器人、公共服务(清洁)机器人、家用机器人、娱乐机器人、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等等。德国Fraunhofer学会的生产技术和自动化研究所估计到2010年德国的市场总容量为170450亿马克。 4.其他机器人 随着技术的进步,机器人的应用将日益广泛,下一世纪将是各式各样机器人大发展的时代。从控制方式来看,将采用遥控、监控、预编程、局部自治或其组合等。 (1)汽车自动驾驶仪 从技术方面来说,随着超大规模电路及图