未来机器人技术发展方向的探讨

1、未来机器人技术发展方向的探讨蔦嚣孝藉期机器人 robotvo 1.18,no.5sept., 1996ze 己f未来机器人技术发展方向的探讨蒋新松丁？（中国科学院沈阳自动化研究所110015）摘要随着激烈的市场竞争制造技术正以空前的速度迅猛发展中，它 对生产装备提出了种种要求，另一方面技术的发展又提供满足这些要求的可能性我们从这样的形势出发，来探讨未来机器人技术的发展.首先从适应21世纪的主要生产模式敏捷制造出发,从系统技术的角度讨论了工业机器人应发展的方向接着又从当前技术进展的各十方面讨论了工业机器人发展的可能性i随着开发海洋及宇宙空间,进一步改善采掘工业，农业以及服务业等的需求,讨论了在这

2、些非结构性环境中工作的遥控机器人及其相关技术的可能发展方向.关键词敏捷性装备,超轻型机器人，传感一驱动单元，机械电子工程. 机器人化机器，舰爱fl也?匕冀i 一嵌凌1引言1简短的回顾自从为了抓取放射性材料而设计制造的第一台遥控机械手的诞生 至今已48年，而第一台工业机器人间世也已整整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:一条是口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，目前全世界装机容量已达60多万台，近几年来仍以每年20 的速率在增长 一

3、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: 单纯从技术上仿人的某些功能出发，研究智能机器人如:美国,英国的相当的一部分大学及 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今天我们来研究机器人未来的发展方向，回顾这段历史很有必 要,我们必须对需要与可能二者作认真的研究，即按'需求牵引，技术导向”的原则，才能得出正 确的研究方向和制订出条可行的技术路线.1.2工业机器人21世纪面临的形势21世纪即将来临，毫无疑问，技术的发展及世界市场的竞争,将捂着21 世纪90年代展开的道路前进，危机与机遇并存一方面随着技

4、术发展的速度加快及生 活水平提高后，人们对新产品的不断追求，二者结合将给企业提供空前的机遇;另一方面随着 技术装备及工具软件的日新月异，开发周期越来越短，加上有同样能力的企业将日益增多，竞争 将更加激烈竞争使得一个产品生产的批量越来越少，产品的生命周期越来越短一个企业能 否抓住机遇采取各种方式快速开发新产品，将是赢得竞争的主要手段从对制造装备的要求来 说，由于生产批量越来越小，而过去大规模生产系统是依靠大量生产同一产品来降低成本的, 这样生产的需求和生产装备的矛盾就19益突出;因此，能否把现在的大规模生产线作为一块跳 板，跳到具有和它同样效1990521*机器人1996年11月率，能生产中小批

5、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来 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的办法来改造传统机械，发展新机械两种提法中，笔者倾向前一种 提法，因为它含义更确切些.这一切要求我们站在系统观点来发展机器人技术另外材料，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

6、了很好的基础.1.3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随着陆地资源的日益枯竭，向海洋 要资源将比向其他星球耍资源更为现实，大规模的开发和利用海洋的各种资源,将是人 类21世纪的伟大事业随着空间技术的发展，满足特种需求的空间工业的兴起，已不是一件遥 远的事了无论是开发海洋，还是建立空间工业，由于海洋和空问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 时期，如:采掘,建筑，医疗，交通运输，农业等等.这些行业的共同特点是工作无法在事 先布置好的条件下进行，而且在

7、进行过程中环境或随着工作的内容也可能随时发生变化，这 就是所谓非结构化开发适应于非结构环境下工作的机器人仍将是机器人发展的一个长远方 向作为近期可行的技术途径,发展一种人一机系统，把工况分析，判断及决策等高层活动市人来 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.2工业机器人.2.1系统发展方式工业机器人必须改变过去的部件发展方式冷而优先考虑"系统发展 方式二随着工业机器人应用范围的不断地扩大，在今天机器人早已从当初的柔性上下料 装置,成为可编程的高度柔性加工单元，例如:在汽车车身的焊接组装线中,点焊机器人就是最主 要的生产设备随着高刚

8、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，来 考虑工业机器人的发展.从系统观点岀发,首要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通 信现代化的集成都是通过网络及数据库来完成的根据运行的即时命令，每台设备分n从 数据库中调出相应的程序进行工作，完成每一步后发岀相应的信号给总控程序,并等待接受新 的命令而数据库中程序可以通过加工工件的工艺规划预先进行编制机器人和本地数据库 之间的通信从发展方向来看是场地总线，而分布式数据库

9、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.2.2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，但大多不实用随着00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第卷第5期蒋新橙未来机器人技术发展方向的探讨的将来，由于叫壬务的复杂性，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个部分，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

10、目前编程语言依然是每一个供应商独立开 发的,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.当前我们正在形成我们自已的工业机器人产业的过程中,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对进口机器人起码要求有符合iso通信协议的接 口 从系统方法出发，开发种”集成框架，框架中设计一 (ni)的输入翻译接口 及(in)的输出 翻译接口，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e1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

11、监控并可保留原有的编程资料相对于 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蘑灭的作用由于传统的机器人为串联多杆机构,某一个 联杆安装时，有4个几何参数,一个作为可变参数外，还有3个安装参数,6自由度机器人一共 有18个参数因此造成的机械系统误差是一个十分复杂的问题.示教再现的编程方式嚴决 了补偿机械系统误差这一难题，成十倍地提高机器人相对空间某指定点重复定位精度，使机器 人可以成功地进行弧焊，点焊，装配等作业过去机器人作为单台设备孤立地应用，作业对象变 化少的情形下，问题不大如今，机器人作为一个群体在

12、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吋，仍采用示教方式编程,占用吋间过长，严重 影响生产到生产进入敏捷制造后，因为产品变化将变得非常频繁,这一问题就更加突出，应该 说到了非解决不可的时候了这一问题，在80年代,国内外做了很多工作，应该说理论上匕解 决了，但始终未能实用化今天实现的条件，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，有必要研究误差补偿这一问题,从验证8o年代所研究过，诸如: 误差模型的建立,模型参数现场标定的方法及误差的补偿等入手，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，就可使得机器人的编程和

13、机床的数控设备一样，完 全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”.2.3传感器的引人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,将从根木上改变机器人编程及其控制系统的设计.目前，弧焊机器人依靠了焊缝跟踪装置 已可实行离线编程;如果现有的激光测距仪及三维视觉，继续在可靠性及廉价上下功夫，变成 实用的商品，则目前大量应用的点焊机器人也可实行离线编程力及力矩传感器应用将给目 前装配机器人的编程及作业方式带来根本性的变化为了从根本上进一步改善机器人的控制 精

14、度,必须引进动力学的控制或补偿,这在下一世纪将是一个方向在这方面，从机器人一诞生, 就被很多学者所关心，形成了大量的文献，但从实用角度来看，离实用还有相当的差距随着廉 价，可靠小里化的加速度仪，特别是角加速度仪的出现，在目前三环控制的电流环和速度环 之间加上角加速度环，将从根本上改变机器人的动力学控制由于角加速度环的额响可以做 得很高，因此依靠它可做到彻底的解耦，把6自由度机器人改遣成简单的6个独立的双积分环节, 而且和机器人的负载无关，初步研制的结果是令人鼓舞的另外，线加速度的引入，可克服臂 弹性的影响在这系统288机器人1996年11月基础上可构成的真正的力控制系统，可望采样频率做到500

15、hz以上. 这样配合其他在线检测，可使目前机器人发展为轻型的加工设备如果本体改成并行机构，可 望发展成新型机床.随着炭纤维增强的复合材料的出现及大量关于弹性臂的研究，有可 能实现长期以来所追求的负载/自重比为1/2的轻型机器人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，气动申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十有待解决的老问题目前来看，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效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主产设备发

16、展的需 要，工业机器人的发展又到了一十新时期，我们必须从敏捷生产系统岀发，在更高:更广的角 度研究机器人的发展.3高级机器人今后的发展这里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.3.1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要 的工作是:(1)对机器人所处的环境的进行分析及判断(2)根据绘定的命令,以人机交互的方式做出决策及制订 机器人的行动规划(监控时作出分步实施的每一步的宏命令);(3)机器人执行任务过程中的 全程监视等机器人则是执行遥控命令，或将分步的宏命令分解成一连串的动作命令，并执 行之.在技术上,下面几项将是今后研究的重要方面，他们是:

17、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 控系统对有时延的情形下，建立预先显示进行遥控,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于其上,来克服时延所造成的控制上困难;采用事 先对可能出现情况及对策的详细研究，造岀"事件响应表，然后形成''事件一行为响应，'的局部 自治控制等.32人一机接口近年来，在包括虚拟环境的人一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：3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

18、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利用多种传感 器的实时信息，动态实时地建立环境，有很多问题还有待研究.总之，临境技术，临场感技术和各种各样的智能接口技术，将为在他们 的基础上集成发展遥控机器人的人一机接口提供丰富的理论基础及实践的经验另一 方面开发高可靠性，廉价，实用,商业化的人一机接口还有待艰难的努力.第18卷第5期蒋新拾未来机器人技术发展方向的探讨2893.1.3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.采用多个传感器的优点是很明显的,他们是(1)多个传 感器可

19、提供同一环境特征的冗余信息(2)可提供出现在当前环境中有关特征的互补信息,(3) 多个信息可以并行快速地分析当前的场景,(4)多个传感器虽然成本较高，但具有高鲁棒性可 改善完成特定工作的指标(5)在某传感器发生故障的情形下,很快可以重组，重新投入工作.各式各样的融合算法，近年来也发展得很多，但大部分算法是建筑在线性及正态分布的平稳随机过程假设基础上的,扩展的非线性及非平稳非正态分布情形, 还有很多未解决的问题，实用化的问题就更大，都有待进一步研究.1.4导航和定位问题对移动式机器人来说，导航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来说短程机器人定位可

20、以利用短极线, 超短极线或长基板线，而用gps来标定，导航可采用基于方向陀螺和多普勒测速组成的推 算法，按测定的位置定吋校正,对大航程目前还没有好方法，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，而且所花的代价太大目前从理论上还没有好办法，这是一个有待从 原理去探索的问题.3.2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）得到了很大的 发展,开发出来了一批能工作在各种不同深度，进行多种作业的机器人，可用于诸如: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

21、养殖及江河水库的大 坝检查等等.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，诸如:密封技术, 耐高压容器，大深度水密电气接头，高强度轻质合金，适宜各种深度工作的充油水密电机及电 缆,低比重耐高压的浮力材料，模块化结构设计，高效推进器及优化的布局设计等，已得到较为 完善的解决，中国科学院沈阳自动化研究所和国内其他单位通力合作，经十多年的努力,目前 除1000m水深以下的浮力材料外，都已掌握但在能源，导航与定位，控制与高刚度动力定位, 水声信息(声图信息)，无缆水下机器人的回收技术等方面还有很多难题,有

22、待去解决.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 (remoteoperatedvehicle简称rov)i另一类是无缆水下机器人,习惯称自治式水下潜 (autonomou$underwatervehicle,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6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，推力和螺旋桨转速平方成正比，这一切使得控制问 题变得很困难，特别是耍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

23、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:这是一个至今没有完全解决的问题目前来 看深水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4000m 水深的洋面，风平浪静时浪涌也在3m以上这样的情况，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50100m冋收是唯一可行的方案. 这种情形下，已基本没有机器人1996年11月海浪和浪涌影响,回收进站问题，国内外提出了不少的方案，但真正通 过真实环境下实践验证的至今还没有从使用角度来看，这时一个十分迫切待解决的问题因 为它的解决，将能

24、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的来回一 次耗费的时问，水深为6000m时,传输时问就是8s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情况下，提高通信的距离将是一个主要方面,目前通信距离仅十公里. 随着通信距离增大，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) 能源问题:这也是一个棘手问题,auv作业范围限制主要是能源,

25、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，燃料电池将是一 种可供选择的方案未来可能是用可变半衰期的核燃料的电池在这些解决之前，利用前述回 收装置作为中继站，进行水下充电,这样利用两台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服务机器人西方把下列机器人都归纳为服务机器人，诸如: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2012年德国的市场总容量为17045

26、0亿马克.(1) 老年人护理机器人:由于人口老龄化问题，老年人的护理不仅需要 大量的资金，还需要大量的人力，我国执行独生子女政策,到下一世纪这一问题将特别 突出目前护理机器人还存在很多技术问题特别是廉价及高可靠性问题，另外功能范圉的确 定也是一个重要的问题.关于控制大都主张采用标准作业库，库内存放室内地图及标准作业 的宏命令集，用12和乎命令调用作业库内宏命令的参数，可以在安装时设定，也可随时改变.(2) 医用机器人;目前开发的主要有两类;一类是外科手术用辅助机器 人,需要精细的微驱动机构及细微的力位置控制,从长远来看还需要具有灵巧手指的 手，第二类是骨科复位校正用辅助机器人，也需要力和位置的

27、混合控制，在遥控下,辅助外科医生 进行作业.(3) 清洁机器人:虽然从80年代起，就受到人们的注意，例如:欧洲最大 的清洁公司已投资开发，但至今仍没有大量上市清洁的环境基本上是结构，半结构性 的,但要清除的垃圾则完全是非结构性的,造成很多困难，随着机器视觉软硬件的进展,在下世 纪有可能取得进展另外擦窗机器人，虽然已开发了很多，但真止实用的不多，我认为关键在于 效率及清洁度，因此有必要对擦窗全部过程一起研究.这方面的需求,随着高层建筑的兴起，将 日益增加.3.4其他机器人(1)汽车自动驾驶仪，这是一个古老的研究课题，近年来又受到了广泛 的注意.从技术方面来说，随着超大规模电路及图象处理技术的进展

28、，提供了快速测定 前方故障物的可能性，有可能使车速达到80km/h,卡内奇梅隆大学机器人研究所去年完成自 动驾驶车横跨美国的试验时速达80km/h,全程自动驾驶率为9&受到了各大汽车公司的注 目汽车自动驾驶对像美国这样一个老龄化社会，众多老年人开车是一种有力的安全保障 措施，因而受到广泛的重视从目前达到的水平来看,在高速公路上行驶的自动驾驶汽车，本世 纪末也许能达到实用化第18卷第5期蒋新松未来机器人技术发展方向的探讨水平作为一种安全措施，下世纪初,也许会开始出现在市场上.(2)下世纪采掘业，农业的自动化必将提上日程,自动化的笫一步冃标 是使人脱离作业的线.当然当前这些行业正在实现机械

29、化的过程中各种机器人将是实 现自动化的有力工具.4结论本文从下一世纪我们将面临的竞争形势岀发,简短地回顾了机器人 发展的历史，及近几年来取得的成就，提出了即将来临的21世纪中机器人可能发展的方向. 鸣谢作者特别耍感谢法国国家科研中心所属的自动化系统及分析 实验室(laas)的georgesgerah及时寄来了 iarp今年10月份将在德国召开的"未来 机器人学研究和开发的方向,使能技术和利用”讨论会的几位专家事先的意见本文部分引 用了几位专家的意见，他们是 g.hffzinge 匚 guntherschmidt,martinbuss,e. freund,j. rossmann.和nstitutpro-duktionstechnikundautomati