国内机器人技术研究现状分析

国内机器人技术研究现状分析王守龙摘要：随着经济济全球化对工工农业生产提提出越来越高高的要求，计计算机技术向向着智能化发发展，机器人越来越越普遍的被工工农业应用，其其在提高工农农业产品质量量，增加经济济效益方面发发挥着重大作作用。本文又又介绍分析了移动机机器人和小口径管内内机器人及其其在我国的技技术研究现状状。中国的机机器人事业面面临着新的机机遇和挑战。关键词：机器人人；技术研究究；移动机器器人；小口径径管内机器人人前言 有人认认为, 应用用机器人只是是为了节省劳劳动力, 而而我国劳动力力资源丰富, 发展机器器人不一定符符合我国国情情。这是一种种误解。在我我国, 会主主义制度的优优越性决定了了机器人能够够充分发挥其其长处。它不不仅能为我国国的经济建设设带来高度的的生产力和巨巨大的经济效效益, 而且且将为我国的的宇宙开发、海海洋开发、核核能利用等新新兴领域的发发展做出卓越越的贡献。1 工农业机器器人1.1 工业机机器人研究现现状分析机器人产业是近近30年发展展起来的新型型产业。我国政府早早在“七五”期间就开始始组织了对工工业机器人的的攻关,到了了1987年年，国家高技技术研究开发发计划就把智智能机器人作作为七大重点点领域之一进进行集中研究究。经过十几几年的艰苦奋奋斗，我国在在水下、空间间、核领域等等特殊机器人人方面取得了了令人欣慰的的成果，一批批机器人产品品和机器人应应用工程应运运而生。到220世纪900年代末，我我国共完成了了l00多项项工业机器人人应用工程，建建成了20个个机器人产业业化基地，从从事机器人研研究、开发和和应用工程单单位200多多家，专业从从事机器人产产业开发的550家左右，全全国工业机器器人用户近8800家，拥拥有工业机器器人约40000台。20006年发布布的国家中中长期科学和和技术发展规规划纲要前前沿技术中，我我国将智能服服务机器人列列为重点方向向，提出加大大科技投入与与科技基础条条件平台建设设。 然而，由由于主要依靠靠科技部门研研究开发计划划的支持，从从资金到产业业的支持力度度不够，在机机器人关键技技术方面，我我国与国外的的差距并没有有明显缩小，在在关键部件、产产品产业化以以及基础研究究方面的差距距还在拉大。到到1998年年，863计计划推动的几几个机器人产产业化基地产产值仅仅1亿亿元。然而，国国外各大机器器人公司认识识到高速发展展中的中国机机器人市场的的巨大潜力，凭凭借其技术和和资金的优势势纷纷进入了了中国市场。可可以说，目前前的中国机器器人市场仍然然是外国企业业一统天下，我我国机器人发发展尚未进入入规模开发利利用和产业化化的阶段。我国经过几十年年来的研究与与引进, 在在机器人运动动学仿真、动动力学仿真和和某些典型工工业机器人机机构分析软件件方面取得了了一些成果 ，但总的看来来, 我国机机器人机械技技术的研究状状况与国外相相比还有较大大的差距, 目前既没有有建立一种多多功能的机器器人系统, 也缺乏利用用技术对机器器人机械学的的很多专门问问题进行深人人研究。我国目前研研制的几种工工业机器人机机型结构主要要是直接仿制制日本90年代初的的样机, 一一些主要关键键元器件依赖赖国外进口。虽然国家“七五” 期间安排排了一些单项项研究课题, 但这些课课题一时还难难于直接用于于国产工业机机器人, 还还远不能从理理论及实际技技术上建立起起我国机器人人的完整设计计体系, 这这与国外相比比差距较大。国内利用国国产机器人开开展应用工程程的研究工作作刚刚起步 。我国对移动动机器人研究究, 近年来来在步行机基基础理论方面面的成果较多多, 而步行行机实物模型型或样机较少少，与国外先进进水平相比也也存在较大的的差距。 1.1 农业机机器人技术研研究进展 农业机器器人技术是当当今国际农业业机械化研究究的前沿领域域，其迅速发发展的主要动动力有三点：一是社会的的进步要求农农业作业更精精确、更快速速、更省力、更更舒适；二是是人类已经快快速进入老龄龄进入老龄化化社会，一些些繁重、单调调的农业生产产需要机械化化、自动化、智智能化的机器器来替代；三三是计算机、微微电子、传感感器以及GPPS卫星定位位技术的发展展，给农业机机器人技术和和智能化农业业生产装备的的发展提供了了前所未有的的可能。因此此，农业机器器人技术在一一些发达国家家取得了较大大发展。近年来，我国农农业机械化和和工厂化农业业取得了长足足发展，特别别是作业量多多、劳动量大大、作业精细细、操作单调调、但生产收收益相对较高高的农作业发发展迅速，这这给农业机器器人的发展提提供了巨大的的市场需求。农农业机器人以以及智能化农农业装备以作作业的高效率率、高精度，低低强度、低能能耗、环境友友好为特点，展展示了广阔的的应用前景。目前，国内农业业机器人主要要有果蔬采摘摘机器人、蔬蔬菜嫁接机器器人、果蔬分分选机器人和和农田作业机机器人。我国国在自动化果果蔬采摘技术术领域的研究究还处于起步步阶段。中国国农业大学张张铁中等人在在草莓、黄瓜瓜、西红柿、茄茄子等果蔬果果实采摘机器器人方面做了了较深入地研研究，并研制制出了试验样样机；在草莓莓果实目标识识别、果实重重心提取、果果柄位置确定定、采摘机器器人及手抓等等方面的研究究取得了一定定成果，初步步建立了草莓莓采摘机器人人实验系统，采采用双目视觉觉等图像处理理技术实现了了草莓的识别别和定位，对对草莓果实的的互相重叠或或遮挡等情况况进行了研究究，并取得了了一些研究成成果。但果蔬蔬采摘机器人人还存在一些些问题，主要要是果实的识识别率和采摘摘率不高、果果实的平均采采摘时间较长长和机器人的的制造成本较较高。我国自自1993年年中国农业大大学张铁中教教授开始蔬菜菜自动化嫁接接技术研究以以来，在多个个领域取得了了较大成就，部部分样机已投投入生产，已已具备比较成成熟的自动化化嫁接技术和和装备，下一一步需要尽快快产业化，以以满足广大育育苗农户的需需求。对于果果蔬分选机器器人最新研究究现状，陈英英等人于20010年设计计了一套基于于计算机视觉觉的葡萄检测测分级系统，与与人工分级对对比，其颜色色和大小形状状分级的准确确率分别900%和88.3%，同时时在分级过程程中不会对葡葡萄造成损伤伤。但国内的的研究主要集集中在实验研研究阶段，研研究的内容以以图像处理和和系统的控制制实现为主，研研究的对象主主要为苹果为为主的球形水水果，对蔬菜菜以及其他形形状的水果研研究的较少，产产品主要集中中在实验样机机上，还没有有投入市场的的商用智能化化分选机器人人。农田作业业生产的现代代化，经历了了机械化、自自动化、无人人化等几个发发展阶段，现现正处于自动动化向无人化化过渡的阶段段。农田作业业机器人的研研究归根结底底是导航方式式的研究。根根据国内研究究历史和现状状，农田作业业机器人有效效的导航方式式，大致可以以归为3类：DESM(deteccting estabblisheed siggnal mmethodds),通过过接收固定位位置发出的信信号来确定行行走方向和自自我定位；GGPSM(ggloball posiition systeem metthods),由GPSS其他传感方方式进行导航航和自我定位位；DNEMM(deteectingg natuural eenviroonmentt methhods),通过认识周周围环境来确确定自己的行行走方向、自自我定位和监监测障碍物，一一般以视觉传传感为主。我国农业机器人人的发展需紧紧紧围绕农业业生产实际，选选准对象、瞄瞄准关键，以以作业量多、劳劳动量大、操操作精细、生生产收益高的的农业作业为为切入点，把把先进性、实实用性和经济济性紧密结合合，研制出顶顶用、好用、耐耐用的机器，才才能有所突破破和作为。要要使农业机器器人真正在农农业上发挥作作用，必须提提高农业机器器人的环境适适应性、提高高工作效率和和降低成本。2 移动机器人人 2.1 国内内移动机器人人研究概况 移动机机器人研究是是机器人学中中的一个重要要分支。移动动机器人避障障与路径规划划又是机器人人研究的一个个重要方向。目目前，随着机机器人技术的的不断进步，机机器人学科越越来越具有强强大的生命力力，它在某种种程度上已经经代表当今信信息技术、自自动化技术、系系统集成等技技术的最新发发展。 国内在在移动机器人人的研究起步步较晚，大多多数研究尚处处于某个单项项研究阶段，主主要的研究工工作有:清华华大学智能移移动机器人于于1994年年通过鉴定。香香港城市大学学智能设计、自自动化及制造造研究中心的的自动导航车车和服务机器器人。中国科科学院沈阳自自动化研究所所的AGV和和防爆机器人人。中国科学学院自动化所所自行设计、制制造的全方位位移动式机器器人视觉导航航系统。清华华大学于20003年7月月研制成功的的THMR-V智能车等等。2.2 移动机机器人主要研研究的方向2.2.1 导导航和定位 导航和和定位是移动动机器人研究究的两个重要要问题。移动动机器人的导导航方式可分分为川:基于于境信息的地地图模型匹配配导航;基于于各种导航信信号的陆标导导航、基于视视觉导航和味味觉导航等。环环境地图模型型匹配导航是是机器人通过过自身的各种种传感器，探探测周围环境境，利用感知知到的局部环环境信息进行行局部地图构构造，并与其其内部事先存存储的完整地地图进行匹配配。2.2.2 路路径规划 路径规规划技术是机机器人研究领领域中的一个个重要分支。所所谓机器人的的最优路径规规划问题，就就是依据某个个或某些优化化准则(如工工作代价最小小、行走路线线最短、行走走时间最短、行行走能量消耗耗最低等)，在在其工作空间间中找到一条条从起始状态态到目标状态态的能避开障障碍物的最优优路径。机 器人视 觉觉机器视觉系系统吸引了众众多研究人员员的注意，经经过多年的努努力，机器人人视觉系统正正在广泛地应应用于 视觉觉检测、机器器人的视觉引引导和自动化化装配领域中中。2.2.3 多多传感器信息息融合 单一传传感器只能获获得环境特征征的部分信息息段，为了完完整、准确地地反映环境特特征，在智能能移动机器人人导航系统中中往往装有多多种传感器，它它们提供的信信息有些是互互补的，有些些是冗余的，必必须以一定的的方法融合这这些互补或冗冗余的传感器器信息，以充充分利用多传传感器提供的的信息，才能能获得最佳的的、可靠的信信息，从而更更准确，更全全面地反映外外界环境的特特征，为导航航决策提供正正确的依据。2.2.4 多多移动机器人人协调 多机器器人系统的研研究始于200世纪70年年代，随着机机器人应用领领域的不断拓拓展、机器人人工作环境复复杂度、任务务的加重，对对机器人的要要求不再局限限于单个机器器人，多机器器人的研究己己经成为机器器人学研究的的一个热点。多多机器人系统统的研究分为为多机器人合合作(Mullti-roobotC oordiinatioon)和多机机器人协调(Multii-robootCo ooperattion)两两大类。3 小口径管内内机器人3.1 小口径径管内机器人人的概念 小口径管管内机器人主主要指适用管管道直径小于于80mm、可携带相关关仪器设备进进入管道内部部进行无损检检测或维修的的移动平台, 通过及时时获得管道内内壁的实时状状态参数可减减小因管道泄泄漏所带来的的环境污染与与经济损失。 小口径径管内机器人人的研究机构构在国内则主主要有上海大大学、上海交交通大学、哈哈尔滨工业大大学、中国科科学技术大学学、广州工业业大学与国防防科学技术大大学等。从小小口径管内机机器人的特殊殊应用场合出出发, 针对对无流体管道道工作环境, 将小口径径管内机人按按运动方式概概括为轮式、蠕蠕动式与振动动式三种类型型。3.2 轮式小小口径管内机机器人轮式小口径管内内机器人的基基本工作原理理为: 驱动动轮依靠重力力、弹簧力、磁磁性力等压紧紧在管道内壁壁上以支承机机器人本体并并产生一定的的正压力, 由驱动轮与与管壁之间的的摩擦力产生生机器人前后后行走的驱动动力, 以实实现机器人的的移动 33 。轮式式管内机器人人在目前实际际工程中应用用最多, 分分为直进式与与螺旋式,前前者驱动轮与与行进方向平平行, 后者者驱动轮与行行进方向成一一定角度, 基于螺旋传传动思想, 由倾斜安装装的摩擦轮与与管壁之间的的摩擦推力产产生运动，如如图1所示. 图图1 直进轮轮式 20009 年中国国科学院沈阳阳自动化研究究所完成了具具有自适应能能力的管内机机器人, 在在不增加驱电电机数量的前前提下, 机机器人的传动动机构能够在在管道直径改改变时, 自自动改变行走走部件的输出出形式以克服服障碍, 完完成越障任务务。为了提高高机器人的管管道适应性, 苏毅等于于2008年年提出了一种种同轴双牵引引轮组螺旋驱驱动机器人, 该机器人人可实现跨空空行走、弯道道引导、逾越越障碍等。同同时期一种带带有检测功能能的螺旋式小小口径管内机机器人在沈阳阳自动化所研研制成功。3.3 蠕动式式小口径管内内机器人 蠕动式式小口径管内内机器人的运运动是通过模模仿蚯蚓、毛毛毛虫等尺蠼蠼类动物的伸伸缩运动来实实现的,其研研究最为引人人关注。该类类机器人的结结构组成为前前后各一组支支撑机构, 中间为伸缩缩机构, 如如图2所示。该该类机器人主主要包括气压压式、超越式式、惯性冲击击式与SMAA式等。 1. 支撑撑机构1 􀀁 2. 伸缩机构􀀁 3. 支撑机构22 图2 蠕动式式机器人运动动原理3.4 发展方方向 小口径径管内机器人人技术的研究究按其系统组组成可分为四四个阶段: 移动机构的的设计与优化化, 特殊传传感器的设计计, 能源与与信号传输的的无缆化以及及自主控制的的实现。5 结论根据以上分析, 我国机器器人技术现状状是工业机器器人目前尚在在仿制, 机机器人应用处处在起步阶段段, 机器人人机械学的研研究工作取得得不少研究成成果, 其中中一些理论研研究成果甚至至已达到或超超过国际先进进水平, 但但总的说来还还不能做到系系统、全面地地指导机器人人整机设计，一些先进的的研究成果一一时尚难于直直接用于国产产样机。为此近期发发展的原则应应是加强机器器人机械学的的实用性理论论和基础技术术研究, 使使我国在近期期内切实掌握握第一代工业业机器人的研研究、设计、生生产、维修及及其应用技术术，提高关键元元器件的国产产配套率，提高国产机机器人可靠性性加强机器人人应用工程的的研究特别应应重视与鼓励励国产机器人人应用工程的的开发，使机器人技技术尽早为我我国社会主义义经济建设服服务。 加强机器器人机械学基基础理论研究究, 强化机机器人机械学学与信 息息学、计算技技术等学科的的结合, 跟跟踪国外机器器人高技术和和其它有关学学科高技术集集中反映的实实用目标。 在新世世纪，中国人人和中国的机机器人事业面面临着新的机机遇和挑战，因因此，科研工工作者应坚持持“有所为，有有所不为”的原则，以以市场需求为为导向，以技技术进步为驱驱动，沿着知知识创新、技技术创新、制制度创新、产产品创新的创创新型道路，为为增强综合国国力、实现中中华民族伟大大复兴努力开开拓向前。参考文献：1 潘丽霞霞.论工业机机器人的发展展与应用JJ.山西:山西科技,2010,25(3):22-223.2 近藤直直，门田充司司，野口仲.农业机器人人M.乔乔军，李民赞赞等译.北京京:中国农业业大学 出版社社, 20009.5. 3 苪延年年.机器人技技术及其应用用M.北北京:化学工工业出版社，22008,55.4 张永顺顺，邓总全，贾贾正元等.管管内轮式移动动机器人内驱驱动控制方式式J.中中国机械工程程， 20002,13(18).5 徐国华华，谭民.移移动机器人的的发展现状及及其趋势JJ.机器人人技术与应用用，20011, (3):7- 88.6 蒋新松松.未来移动动机器人将是是21世纪技技术发展的热热点.中国机机械工程，22000,112( 111 ): 58-60. 7 孟伟，洪洪炳，韩学东东一种多机器器人协作控制制方法.机器器人，20004, 266(1):558-59.8 田海晏晏, 薛龙, 孙章军. 直进轮式式微型管道机机器人的行走走系统设计 J . 北京石油油化 工学院院学报, 22006, 14(2).