机器人的研究现状及其发展趋势

…　．………………一……………………………璺．铸－熏　……２０１３．．　竺…４１堂塑一塑…．　盛顿大学生物机器人研究室研制的微细作业系统可　用于蛋白晶体操作和处理。日本东京工业大学的纳　米机器人系统可在电子显微镜下完成超大规模集成　电路的铝线切割实验　。　微机器人的核心是微机电系统（以下简称　ＭＥＭＳ）。２００８年，康奈尔大学和Ｂｏｙｃｅ　Ｔｈｏｍｐｓｏｎ　见。　目前用于规划和优化自重构模块机器人的路径　有分布式和集中式两种算法。分布式算法是指每个　模块仅根据模块的局部信息来规划其运动路径。集　中式算法是指通过采集各模块的连接状态和位置信　息，分析机器人的整体状态，再实现机器人重　构¨　。在控制方面，常采用Ａｇｅｎｔ（ｍｕｌｔｉ—ａｇｅｎｔ）系　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ的研究人员运用昆虫变态发育早期植入技　术，首次将ＭＥＭＳ器件植人烟草天蛾的蛹体内，待　其发育成熟后，通过植入飞蛾体内的ＭＥＭＳ芯片发　统技术。在该系统中，主机是管理Ａｇｅｎｔ，负责任　务和资源的动态分配与调度，每个配置（传感器和　放刺激信号，成功实现了对飞蛾翅膀扇动及飞行方　向的控制　。通过对这类技术的进一步研究，植入　ＭＥＭＳ器件的动物机器人将可能在军事侦察方面发　挥较大的作用。　（３）农业机器人　、由于经济上和技术上的特殊性，机器人在农业　方面的应用相对比较滞后。自上世纪８０年代起，以　日本为代表的发达国家开始研制农业机器人　ｊ。　２０１　１年，日本农研机构和涉谷精机联合研制了一款　草莓采摘机器人。该机器人由ＣＣＤ摄像头、ＬＥＤ照　明灯、采果手以及机械臂构成。首先利用ＣＣＤ摄像　头测量草莓的位置和成熟情况，然后利用安装在机　械臂顶端具备根据果梗的倾斜度调整角度功能的采　果手采摘草莓。以采摘机器人为代表的农业机器人　可以提高生产效率，减轻农民的负担，在未来应该会　有较大的发展空间。　（４）类人机器人　２０世纪６０年代的双足步行机器人是类人机器　人的开端。１９７３年，日本早稻田大学加藤一郎实验　室研制出了世界上第一台真正意义上的类人形机器　人ＷＡＢＯＴ一１。它可以与人交流，静态行走，可抓取　物体　，是现代机器人的雏形。２０１２年，日本大阪　大学Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｉｓｈｉｇｕｒｏ教授研制的最新女性仿真机器　人“Ｇｅｍｉｎｏｉｄ　Ｆ”（如图２所示），不仅能做出眨眼、　天　ｉ：一部唱表“恐表歌演怖情，。而谷但，且”同需理时还论要还参是指能与研出说过制的话类是剧和人，一　—■■■圈网—嘲■嬲■Ｐ—赚■　－—啊・■ｌ一＿—■　关节）都是执行Ａｇｅｎｔ，各Ａｇｅｎｔ间具有协作机　制　“］。　１．２国内机器人研究的现状　我国机器人的研究制造始于２Ｏ世纪７０年代，　１９７５年川崎重工在北京展出了Ｕｎｉｍａｔｅ一２０００型搬　运机器人。此后，国内的各高等院校和科研院所纷　纷开始研制机器人。虽然我国机器人技术的研发起　步较晚，但发展较为迅速。２０１２年１１月，工业和信　息化部在上海表示，中国工业机器人市场已经从示　范性推广到全面运用，工业机器人将被作为重点支　持领域。　（１）微机器人　２０１０年上海交通大学针对人体肠道无创检查　的特殊环境，研制了以微型电机为执行机构的肠道　机器人，如图３所示。　根据步态要求，该机器　人由紧凑式轴向螺旋传动　和径向柔性微泵液压两部　分构成。图中左舱ｂ较长，包含提供动力的微电机；右　图３肠道机器人示意图　　舱ｄ较短且中空，可搭载传感器和医疗设备；ａ与ｄ　是配合完成径向运动；ｅ是两舱之间的柔性连接。　以上４舱的相互配合，使机器人能完成蠕动运　动　他］。　２００５年浙江大学发明了一种仿蝌蚪的微机器　人。操作者利用图像采集和无线数据收发功能控制　机器人，使其通过微电机驱动柔性尾部和螺旋头部　完成前进后退等动作。　（２）清洁机器人　２００３年北京航空航天大学以国家大剧院的超　椭球外表面清洗为应用背景，研制了复杂曲面自攀　爬式机器人，如图４所示。　机器人的本体分为攀爬机构、移动机构、清洗机　构和俯仰调节机构，机身由主框架和后箱体组成，攀　升电机安装于主框架顶部，同步带活动端位于后箱　体上，同步带运动，带动后箱体相对框架上下移动，　两组下插机构用于在攀爬时交替抓持滑动导杆。从　…蔓壁皇　…２０…１３　塑　…………………………………一　而使机器人可以从一层钛　板（玻璃）自由运动到另一　层钛板（玻璃），并且可以　实现从下向上和从上向下　两种攀爬方式　。　…＿　（３）反恐防暴机器人图４自攀爬机器人在大　＿　了应对方案，否则机器人不能很好地处理突发情况。　即便是不遇到突发情况，机器人的控制系统也比不　上人的眼一脑一手组成的高级闭环系统。例如在工　件装配中，当焊缝坡口下料不直或不均匀，装配间隙　不合适时，手工焊接可以随时弥补，而机器人焊接却　不具备这些能力　。　反恐防暴是当今国际剧院真实环境下作业照片　安全形势的新问题，我国也不例外。２０１２年８月，　根据用户需求，沈阳自动化研究所研制了一款独立　四驱全地形排爆机器人。该机器人配备了主从随动　机械手，采用国际先进的末端直接跟踪技术，利用四　自由度蛇形飞行摇杆直接控制机械臂末端手爪运动　的姿态、位置和速度。今后，这类机器人的相关技术　还可以应用在矿难救援、地震救灾等我国经常发生　的险情处置中。　２难点和不足　从几十年的发展历程看，机器人为人类社会的　发展做出了巨大的贡献。机器人的大量优点使其得　以迅猛发展，但是机器人产品也还存在一些推广上　的障碍和技术上的难点需要攻克。下面以工业焊接　机器人为例，作简要分析。　（１）开发周期较长　相比于人工来说，用机器人进行工业焊接，需要　前期对工业环境和加工要求进行调研，以选择或研　制合适的机器人，并根据特定工序编制焊接程序。　这比培训人工焊接更耗费时间和技术投入。　（２）运营成本较高　一般来说，机器人的造价普遍较高，所采用的技　术也比较复杂，其安装、维护和保养都需要专业人士　和专业设备来进行，这些都增加了其运营成本。　（３）易受到干扰　机器人易受到电磁干扰的影响。对水下焊接机　器人而言，还会受到水对光的散射及吸收、泥沙、弧　光、气泡和烟雾等的干扰¨　。这些因素都会影响到　提取焊缝的图像。　（４）实时性与精确性存在矛盾　常用的光学传感器的信息处理速度不超过１Ｏ　一２０　Ｈｚ，有时很难满足焊接过程的实时性要求。并　且大量引进以模糊理论和神经网络为代表的人工智　能技术也增加了计算机处理时间，影响焊接过程的　实时性控制　。目前实际应用中只能尽量权衡两　者关系。　（５）应变能力不足　在实际生产中，机器人会遇到各种各样的突发　情况，除非该突发情况能够预知并已在系统中设置　３机器人的发展趋势　通过对国内外机器人现状的分析与研究，并结　；合目前机器人存在的不足和难点，我们认为未来机　ｊ器人有如下发展趋势：　　；（１）小型化和微型化　小型化和微型化一直是机器人发展的一个趋；　势。机器人小型化可以节约能源，缩小热变形误差，　提高响应速度，拓宽应用领域等。利用微型机械概　念设计和通过微加工技术生产的微型机器人已经在　医疗、工业管道检测等领域得到应用¨　。　（２）多样化　机器人技术最早大规模应用于工业领域，随后　开始走进其他领域。现在，出现了清洗机器人、农业　ｊ机器人、生物机器人、宠物机器狗和类人机器人等各　；种各样的机器人，甚至在农业机器人方面又发展出　了耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人和采摘机器ｉ　人等种类繁多的专门机器人。随着新技术新材料的　不断涌现，机器人将会应用于更多的场景，呈现出分　类更加多样化的态势。　；　（３）操作简单化　：　目前市面上机器人的操作普遍比较复杂，有的；　甚至需要专门的技术人员才能操作，这大大阻碍了　机器人的应用和推广。例如，农业机器人的使用对　；象是文化水平相对较低的农民，因此这类机器人就；　需要满足操作简单的要求。　（４）群体化　，　ｉ　由于机器人的应用领域和范围正在不断扩展，！　单个机器人往往难以完成较为复杂的任务，人们通　过设计多个机器人间的相互协作来完成预定的任；　务，这就是机器人的群体化。它使机器人组成了一　天　个类似人类的机器人社会。机器人群体系统可用于！　自动化生产线中物料的组织运输、生产加工等环节，　嘉　以及环境监测、军事侦察等方面¨　。　状　（５）可重构化　箕　在工业应用领域，企业可以利用机器人的可重ｉ趸　构性迅速将其结构和装备重组，生产出满足用户个　冀　性化需求的产品，响应市场的快速变化。在军事应　用方面，如果机器人的体积太大，容易暴露目标；而　（下转第５７页）　５ｌ　触持电棚　２０１３年第４１卷第４期　势［Ｊ］．江西农业大学，２００３，２５（Ｓ１）：１６３—１６６．　［Ｄ］．天津：河北工业大学，２０１０．　［４］　阮娴静．新能源汽车技术经济综合评价及其发展策略研究　［１６］　谭平．抑制开关磁阻电机振动和噪声方法的研究［Ｄ］．长沙：　［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２０１０　湖南工业大学，２０ｌ１．　［５］周有为．电动汽车驱动系统的实现与优化［Ｄ］．重庆：重庆大　［１７］　欧阳启．电动车用开关磁阻电机控制系统研究及实现［Ｄ］．　学，２０ｏ６．　长沙：湖南大学，２００６．　［６］徐萍萍，宋建国，沈光地．电动汽车电机驱动系统特性研究　［１８］　林远春．小型电动车用开关磁阻电机设计［Ｄ］．广州：华南理　［Ｊ］．微电机，２００７，４０（１１）：４３—４６．　工大学，２０１１．　［７］　日本电气学会、电动汽车驱动系统调查专门委员会编．电动汽　［１９］　孙立志，赵辉，陆永平．电动汽车中的电机驱动系统［Ｊ］．电工　车最新技术［Ｍ］．康龙云译．北京：机械工业出版社，２００８．　电能新技术，１９９７，４：１４－１９．　［８］吴秋德．电动汽车动力系统匹配设计及性能仿真研究［Ｄ］．长　［２Ｏ］　王双红．混合动力电动车用开关磁阻电机控制系统研究　春：吉林大学，２０１１．　［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００５．　［９］　黄妙华．电动车用异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真　［２１］　施凯，赵德安，茅靖峰，等．混合动力汽车中开关磁阻电动机　［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００５．　或发电机纯硬件控制器的研究［Ｊ］．中小型电机，２００５，３２　［１０］　吴峻，李圣怡，潘盂春．电动车异步电机驱动技术的应用和发　（４）：３１—３４．　展［Ｊ］．中小型电机，２００１，２８（１）：３０—３２．　［２２］　李涛．电动车用开关磁阻电机控制系统的设计［Ｄ］．镇江：江　［１１］徐惠明．国内外电动车用电机的发展概况及趋势［Ｊ］．船电技　苏大学，２０１０．　术，２００１（４）：２５—３０．　［２３］　辜承林．轮毂电机发展思考［Ｊ］．电机技术，２００６（３）：３－６．　［１２］　曹永娟．高性能永磁同步电机性能分析与设计［Ｄ］．南京：东　［２４］　Ｊｏｈａｎｓｅｎ　Ｐ　Ｒ．Ｕｓｅ　ｏｆ　ａｎ　ａｘｉａｌ　ｆｌｕｘ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｉｎ—ｗｈｅｅｌ　南大学，２００５．　ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅ　ｉｎ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｉｃｙｃｌｅ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００１，　［１３］　闫大伟，陈世元．电动汽车驱动电机性能比较［Ｊ］．汽车电器，　２２（１）：１５１—１５７．　２００４（２）：４－６．　［２５］　王玲珑，黄妙华．轮毂式电动汽车驱动系统的研究与开发　［１４］代颖．电动车驱动用永磁同步电机的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔　［Ｊ］．汽车电器，２００７（３）：７—１０．　滨工业大学，２００４．　［１５］　李洁．开关磁阻电机的性能分析及其优化设计方法研究　作者简介：柴海波（１９８５一），男，硕士，主要从事电机设计及优化。　（上接第５１页）　［７］　于秀丽，魏世民，廖启征．仿人机器人发展及其技术探索［Ｊ］．　体积太小，又难以完成复杂任务，可重构机器人就可　机械工程学报，２００９（３）：７１—７５　以根据不同的地形、环境和任务，自动重构成各种最　［８］　岳翠萍，梅涛，骆敏舟．表情机器人研究现状［Ｊ］．机器人技术　与应用，２００９（１）：３８－４６．　佳形状，满足任务要求　。　［９］姚俊武，徐超，刘晶晶．自重构机器人的研究与发展现状［ｊ］．　４结　语　黄石理工学院学报，２００５（１）：５—９．　［１０］赵杰，张亮，杨冬，等．自重构模块机器人的研究与发展现状　过去几十年，机器人技术的研究与应用，大大推　［Ｊ］．中国机械工程，２００２（１７）：９１－９５．　动了人类的工业化和现代化进程，并逐步形成了机　［１１］李斌，吴镇炜，谈大龙，等．可重构机器人技术的探讨［Ｊ］．信　器人的产业链，使机器人的应用范围也日趋广泛。　息与控制，２００１（ｓ１）：１１２－１１６，１２７．　［１２］林蔚，颜国正，王志武，等．基于微型电机的肠道机器人机构　近年来，我国机器人技术的研究取得了大量成果，机　设计［Ｊ］．机器人，２０１１（５）：３１９—３２３．　器人产品的市场前景广阔。同时，机器人技术还有　［１３］王巍，张厚祥．曲面幕墙清洁机器人攀爬技术［Ｊ］．北京航空　许多值得我们研究的问题，特别是仿人化和智能化　航天大学学报，２００８（１）：１７—２１．　等方面将是未来的主要研究方向。　［１４］　徐鹏飞，张华，贾剑平，等．水下焊接机器人视觉传感系统图　像干扰因素分析［Ｊ］．焊接，２００８（５）：３３—３７．　参考文献　［１５］　郑相锋，胡小建．弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技　［１］毕胜．国内外工业机器人的发展现状［Ｊ］．机械工程师，２００８　术［Ｊ］．电焊机，２００５（６）：３４—３８．　（７）：５—８．　【１６］夏旭新．焊接机器人在工程中的应用［Ｊ　．电焊机，２０１１（５）：　［２］许燕玲，林涛，陈善本．焊接机器人应用现状与研究发展趋势　１７—２１．　电　［Ｊ］．金属加工（热加工），２０１０（８）：３２－３６．　［１７］彭冬亮，吴铁军．微型机器人的模型及研究方向［Ｊ］．科技通　动　坌　［３］　宋金虎．焊接机器人的研究现状与发展方向［Ｊ］．现代焊接，　报，２００３（１）：６—９．　驱　２００９（５）：１—３．　［１８］马斌奇．多机器人系统的研究现状及发展［Ｊ］．科技信息，　动　电　［４］孙立宁，孙绍云，荣伟彬，等．微操作机器人的发展现状［Ｊ］．　２００９（４）：５０４．　机　机器人，２００２（２）：１８４—１８７．　［１９］　黄政艳．焊接机器人的应用现状与技术展望［Ｊ］．装备制造技　发　展　［５］　王文波，戴振东．动物机器人的研究现状与发展［Ｊ］．机械制造　术，２ＯＤ７（３）：４６—４８．　现　与自动化，２０１０（２）：１—７．　状　［６］　宋健，张铁中，张宾，等．农业机器人的研究现状与发展展望　作者简介：李航（１９９０一），男，硕士研究生，研究方向为智能机器　［Ｊ］．潍坊学院学报，２００５（４）：１—５．　人技术。　５７