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工程機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

早在1989年，工業(yè)機器人的開拓者JoeEngelberger就預(yù)測：未來機器人最大量的應(yīng)用領(lǐng)域是非工業(yè)領(lǐng)域。這個預(yù)測準(zhǔn)確地反映了機器人的發(fā)展方向，經(jīng)過幾十年技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人正在從車間走向野外和服務(wù)場所。工程機器人就是其中的一個重要分支。　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程機器人越來越廣泛地被應(yīng)用到許多行業(yè)當(dāng)中，尤其是在高危、惡劣環(huán)境以及枯燥、繁重的作業(yè)領(lǐng)域，對工程機器人的需求更加迫切。因而，工程機器人的開發(fā)與應(yīng)用，引起了世界各國的高度重視，產(chǎn)品發(fā)展前景十分廣闊。　　1 工程機器人的定義與分類　　工程機器人是一種面向高危及特殊環(huán)境下依靠自身動力和控制能力來進行工程施工作業(yè)的遙操作多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。它既具有工程機械的大功率、多功能、適用范圍廣的優(yōu)點，又具有機器人的靈活移動、環(huán)境感知、智能識別等各種功能。　　工程機器人是機器人家族中的新成員。與工業(yè)機器人在固定環(huán)境下依據(jù)事先編制的程序運行不同，工程機器人主要在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作，靠接受人類指揮，或依據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。因此工程機器人更強調(diào)感知、思維和復(fù)雜行動的能力，比一般意義上的工業(yè)機器人需要更大的靈活性、機動性，具有更強的感知能力、決策能力、反應(yīng)能力以及行動能力。工程機器人從外觀上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初工業(yè)機器人所具有的形狀。工程機器人融合了更多學(xué)科的知識，如機構(gòu)學(xué)、控制工程、計算機科學(xué)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)、仿生學(xué)等。　　工程機器人根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可以分為：農(nóng)林業(yè)工程機器人、工業(yè)工程機器人、建筑工程機器人、礦業(yè)工程機器人、核工業(yè)工程機器人、搶險救援工程機器人、軍事工程機器人等；按作業(yè)方式可以分為：破拆機器人、搬運機器人、抓取裝卸機器人、探測機器人等。　　2 工程機器人的基本結(jié)構(gòu)與工作特性　　工程機器人的基本特征是液壓驅(qū)動、遙操作、移動作業(yè)，具有大功率作業(yè)、寬范圍作業(yè)、多功能作業(yè)和智能作業(yè)的特點。　　工程機器人的基本構(gòu)成包括：控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、執(zhí)行機構(gòu)和感知系統(tǒng)組成，如圖1所示。　　　　圖1 工程機械人的基本構(gòu)成　　驅(qū)動系統(tǒng)：工程機器人大多采用液壓驅(qū)動，其特點是：驅(qū)動功率大，功率密度高，易于實現(xiàn)大范圍無級調(diào)速和力控制，防過載性能好。由于液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)直接驅(qū)動，省去工業(yè)機器人的減速機加伺服電機的傳動機構(gòu)，使得驅(qū)動系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。隨著液壓伺服控制技術(shù)不斷提高以及數(shù)值液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓驅(qū)動將更能代表機器人的節(jié)能化、輕量化、緊湊化和智能化的發(fā)展方向。　　執(zhí)行系統(tǒng)：與工業(yè)機器人相比，工程機器人執(zhí)行系統(tǒng)主要增加了行走系統(tǒng)。尤其是在不同環(huán)境下使用，要求工程機器人具備全地形行走功能。圖2所示vcb為一種典型工程機器人——破拆機器人的執(zhí)行機構(gòu)。　　　　圖2 破拆機器人典型的執(zhí)行機構(gòu) 　　這種典型的執(zhí)行機構(gòu)由手部、腕部、小臂（上臂）、大臂（下臂）、腰部、足部等組成。其中手部為末端執(zhí)行器，如夾持工具之類的屬具?？梢愿鼡Q不同的屬具，如液壓剪、液壓錘、液壓抓斗等，以實現(xiàn)不同的作業(yè)能力。腕部通常具有3自由度，實現(xiàn)手部動作，是執(zhí)行機構(gòu)最復(fù)雜的部分。臂部用于連接腰部和腕部，帶動腕部做平面運動。腰部用來連接臂部與基座，做回轉(zhuǎn)運動，是執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件。足部包括行走系統(tǒng)和作業(yè)時用于支撐機體的支腿。　　控制系統(tǒng)：工程機器人的控制系統(tǒng)一般比較復(fù)雜，涉及到行走、避障、有效作業(yè)等方面，要求控制系統(tǒng)具有較強的推理和思維能力，實時響應(yīng)能力強，適應(yīng)非結(jié)構(gòu)性環(huán)境能力強?？刂葡到y(tǒng)是機器人系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，如果把機器人機械結(jié)構(gòu)比作人的骨豁和肌肉的話，機器人控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。機器人要實現(xiàn)自身的運動、對環(huán)境的感知以及與外界的交互等功能，都需要控制系統(tǒng)對各機械部件以及傳感器單元進行協(xié)調(diào)和控制。　　感知系統(tǒng)：工程機器人的感知能力是未來工程機器人智能化的研究重點之一。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，機器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器2大類。內(nèi)部傳感器主要有位置傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器、平衡傳感器。內(nèi)部傳感器用測量到的角度、角速度、力等檢測機器人的內(nèi)部狀態(tài)，了解機器人各執(zhí)行機構(gòu)的位置和姿態(tài)、運動速度等，以調(diào)整和控制機器人的自身行動。外部傳感器主要有視覺傳感器、觸覺傳感器、聽覺傳感器、冷覺傳感器、病覺（異常）傳感器、味覺傳感器、嗅覺傳感器等。外部傳感器用來檢測機器人所處環(huán)境、外部物體的狀態(tài)或機器人與外部物體的關(guān)系。　　工程機器人研究的現(xiàn)狀表明，由于受到機構(gòu)、控制、傳感器以及人工智能水平的限制，研究出能在未知環(huán)境中全自主方式工作的機器人是目前難以實現(xiàn)的目標(biāo)。因此，目前在核工業(yè)、搶險救災(zāi)等高危、惡劣的環(huán)境中被廣泛應(yīng)用的是遙操作機器人。遙操作機器人主要分為視覺臨場感遙操作機器人、力覺臨場感遙操作機器人、觸覺臨場感遙操作機器人及運動覺臨場感遙操作機器人等?；谂R場感的遙操作機器人系統(tǒng)原理如圖3所示，它由操作者、主機器人（手控器）、通訊環(huán)節(jié)、從機器人和作業(yè)環(huán)境5部分構(gòu)成。在臨場感系統(tǒng)工作過程中，由操作者向主機器人發(fā)出操作命令（如位置指令）操作主機器人運動，主機器人的運動信息通過通訊環(huán)節(jié)傳給遠(yuǎn)方的從機器人，從而控制從機器人的運動；當(dāng)從機器人同環(huán)境交互時，從機器人的運動信息（如視覺、力覺、觸覺等信息）又通過通訊環(huán)節(jié)反饋給本地主機器人，使操作者對于現(xiàn)場作業(yè)情況有了有效的感知，從而能夠及時做出準(zhǔn)確判斷，發(fā)出相應(yīng)的操作命令，控制遠(yuǎn)方從機器人準(zhǔn)確、高效地完成作業(yè)任務(wù)。目前，基于視覺臨場感的工程機器人遙操作控制主要是用攝像機獲取現(xiàn)場的視頻圖像并回傳到主控端，操縱者通過監(jiān)視器來完成對工程機器人的操作任務(wù)。　　　　圖3 基于臨場感的遙控操作機器人系統(tǒng)原理框圖　　其中，通訊環(huán)節(jié)作為臨場感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和連接環(huán)節(jié)，是控制量信息、傳感器信息及視頻、圖像信息的傳輸通道，是臨場感系統(tǒng)進行可靠工作的基本保障。　　3 工程機器人國內(nèi)外發(fā)展概況　　在國外，早在20世紀(jì)70年代歐美、日本等國家就開始在工程機械基礎(chǔ)上研制開發(fā)各類工程施工自動作業(yè)機械，并形成兩大發(fā)展方向，一是工程機械智能化，一是專門發(fā)展起來的工程機器人分支。針對高危、惡劣環(huán)境的施工作業(yè)，歐美、日韓等國家都已經(jīng)全部采用工程機器人或機械手，技術(shù)水平先進。　　其中，破拆機器人是在工程施工中應(yīng)用最廣泛的工程機器人之一，由于采用無線遙控作業(yè)方式，破拆機器人可以應(yīng)用在冶金、礦山、建筑、交通以及搶險救援等眾多領(lǐng)域。瑞士布魯克公司是目前居于世界領(lǐng)先地位的破拆機器人專門生產(chǎn)廠商，公司自20世紀(jì)70年代就開發(fā)、研制、生產(chǎn)遙控電液式多功能破拆機器人，經(jīng)過不斷的改進與發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，無論是設(shè)計、選材還是制造水平都處于國際領(lǐng)先地位，是目前拆除機器人最大的供應(yīng)商，產(chǎn)品銷往世界各地［3］。另外，日本、德國等發(fā)達(dá)國家在破拆機器人領(lǐng)域也都走在了世界前列。像德國TOPTEC公司生產(chǎn)的TOPTEC1850E、 TOPTEC2500E工程機器人，日本TmsukT52型和T53型雙機械臂機器人等，技術(shù)水平先進。破拆機器人的末端執(zhí)行器通常為液壓錘、液壓剪等，以實現(xiàn)破碎、拆除作業(yè)。將末端執(zhí)行器更換成液壓抓手等其他專用屬具，再將主體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境作適當(dāng)?shù)母淖?，則可演變成其他類型的機器人，像搬運機器人、抓取裝卸機器人等。　　　　破拆機器人　　在搶險救援領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有人對將機器人應(yīng)用于救援工作中進行探討，但救援機器人技術(shù)的正式研究始于1995年的日本神戶- 大阪大地震，并于2001年的美國9·11事件中，救援機器人正式投入使用。日本作為一個多地震災(zāi)害的國家，十分重視救援機器人的研制，其技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。美國在9·11事件后，對救援機器人的研究更加重視。其中，極具代表意義的由Irobot公司研制的小型便攜帶式機器人Packbot系列和Warrior（6戰(zhàn)士）等，均得到了較好的應(yīng)用。其他國家也很重視救援機器人的研究。如加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV及 Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機器人、西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、英國的手推車（Weelbarrow）Mk7型排爆機器人、德國TEODORG公司的MV4機器人、法國的MK4D智能排爆機器人等。　　　　救援機器人　　在農(nóng)林業(yè)方面，進入后工業(yè)化的發(fā)達(dá)國家，隨著農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的日趨工業(yè)化、規(guī)模化及精準(zhǔn)化的不斷發(fā)展，農(nóng)林業(yè)機器人研發(fā)早已成為其科研的重點內(nèi)容之一，在伐木、育苗、移苗、嫁接、農(nóng)產(chǎn)品收獲等方面得到諸多試驗與應(yīng)用，相繼研制出了伐木機器人、嫁接機器人、扦插機器人、移栽機器人和采摘機器人等多種產(chǎn)品。　　而在國內(nèi)，工程機器人的研制開發(fā)才剛剛起步，工程機械主機廠和部分科研院所開始加大對智能型工程機械的研發(fā)投入，但專業(yè)從事工程機器人研發(fā)制造的企業(yè)和研究機構(gòu)很少。應(yīng)用方面也僅限于一些常規(guī)的工業(yè)應(yīng)用，而且產(chǎn)品幾乎全為進口。　　驚天智能裝備股份有限公司自2005年自主立項，開始研制破拆機器人，目前已研制出多款工程機器人產(chǎn)品，并且已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣階段。　　在搶險救援領(lǐng)域，國內(nèi)的救災(zāi)機器人的研究起步較晚，但受到的重視程度很高。如國家863計劃支持研發(fā)地震救援輔助機器人等的一系列措施，國內(nèi)各大高校、研究機構(gòu)以及企業(yè)單位等都進行了積極研究，近年來取得了很大進展。國家十二五科技支撐計劃的重點項目龍蝦救援機器人是目前世界上最大的搶險救援機器。　　4 工程機器人的應(yīng)用　　工程機器人主要應(yīng)用于各種高危和特殊環(huán)境施工領(lǐng)域，如高溫高壓、易燃易爆易坍塌、有毒有害氣體、核輻射、危險品搬運以及軍事應(yīng)用，因此，在金屬渣錠破碎、建筑拆除、隧道施工、井下作業(yè)、搶險救援，以及農(nóng)林業(yè)、核工業(yè)等都得到了廣泛的應(yīng)用。　　4.1工業(yè)破碎作業(yè) 　　在鋼鐵冶煉廠，工程機器人主要用途包括：主溝及渣溝破碎、開鐵口、爐口除渣、拆爐拆包、魚雷罐熱態(tài)耐材、混鐵車解體等。在有色行業(yè)用來進行余熱鍋爐清灰、陽極爐清理、金屬錠破碎、煙道和溜槽的清理等。在鋁行業(yè)用來清鋁包、清理陽極、在線刨槽、刨保溫爐和集中槽大修等。　　在水泥廠，破拆機器人是水泥回轉(zhuǎn)窯維修的新一代拆磚設(shè)備，遙控作業(yè)，用以代替人工和小挖維修回轉(zhuǎn)窯，大大縮短停窯時間，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。　　4.2搶險救援應(yīng)用　　災(zāi)害現(xiàn)場的搶險救援工作，是機器人開發(fā)領(lǐng)域的一大難題。不同環(huán)境條件下，機器人的解決方案大不相同。目前，多功能作業(yè)機器人，已廣泛應(yīng)用于消防破拆救援、災(zāi)后搶修搶建、地震后救援、反恐排爆、核事故應(yīng)急救援等。　　4.3建筑應(yīng)用　　隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑施工要求越來越高，建筑樓宇的改造工作越來越多，但勞動力成本卻逐年攀升。使用工程機器人進行作業(yè)，不但安全可靠，而且縮短工期，減少人力需求。相較于傳統(tǒng)的混凝土切割鋸、風(fēng)鎬和挖掘機等拆除設(shè)備，使用破拆機器人使施工能在無振動、低噪音、無廢氣、無揚塵等情況下進行，對周圍環(huán)境影響降到最小，而且降低施工成本，大大提高工作效率。為避免局部破拆對整個基礎(chǔ)的影響，近年來水力破拆機器人亦日益受到業(yè)界的高度重視。　　4.4隧道應(yīng)用　　工程機器人在隧道施工方面有廣泛的應(yīng)用，是開鑿聯(lián)絡(luò)通道、安全硐室、隧道維修改造的理想設(shè)備。常用于地鐵隧道臨時墻的拆除、隧道的開拓、巷道的支護、排水和電纜隧道的開挖，在空間狹小和鉆爆法施工工藝不能使用的場所具有巨大優(yōu)勢。　　通常工程機器人車小力大，機動靈活，可以進入大型設(shè)備不能到達(dá)的狹窄的工作面和危險場所作業(yè)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。可以帶挖斗、分裂機、液壓錘、液壓鉆等作業(yè)，在隧道施工中，發(fā)揮一機多能的優(yōu)勢。　　4.5礦山應(yīng)用　　工程機器人在地下礦山有廣泛的應(yīng)用，可用來進行巷道支護、撬毛、二次破碎、鉆錨固孔和爆破孔等作業(yè)。很多有色金屬礦山和黃金礦山可以用工程機器人進行破大塊、剪錨索、挖水溝、修理斜坡道和整修變形的巷道等作業(yè)。同時，機器人可用做溜井格篩旁邊的固定破碎站，也可作為窄礦脈的礦石回采和扒礦。機器人采用無線遙控操作，地下礦山作業(yè)時，操作人員可以選擇安全、視線好的位置操作機器，避免落石對人員的傷害。　　4.6核工業(yè) 　　由于核電站設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備本身或其運行環(huán)境具有放射性，同時還兼具水下、高溫、高壓等特點，簡單的機械手往往不能完成相關(guān)操作，利用機器人進行設(shè)備檢修、乏燃料轉(zhuǎn)運、放射性廢物處置和核事故應(yīng)急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照劑量和勞動強度。　　5總結(jié)與展望　　工程機器人最大的特點是工作在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，且面臨的工作環(huán)境更復(fù)雜。從某種意義上講，一個國家工程機器人的技術(shù)水平反映了這個國家機器人的技術(shù)水平。工程機器人因其先進的性能已被廣泛地應(yīng)用到核工業(yè)、搶險救援、建筑工程、農(nóng)業(yè)、冶金行業(yè)等，隨著科技進步和技術(shù)積累，工程機器人在未來必將發(fā)揮更大的作用。　　我國的工程機器人起步較晚，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖取得了一定的成績，但和國外發(fā)達(dá)國家相比，差距還很大。毋庸質(zhì)疑，21世紀(jì)機器人技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭的高科技制高點。我們必須緊跟世界科技發(fā)展的潮流，加大對戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用的重大課題的投入，不畏艱難、刻苦攻關(guān)、提高自主創(chuàng)新的能力。同時，我們也要加強同國際科技界的交流與合作，努力學(xué)習(xí)和運用世界先進科技成果，為我國機器人事業(yè)的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

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