研究領(lǐng)域及發(fā)展前景簡(jiǎn)介

1、研究領(lǐng)域及發(fā)展前景簡(jiǎn)介（程紅太）1）新一代智能工業(yè)機(jī)器人智能工業(yè)機(jī)器人是新一代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人誕生半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，各項(xiàng)技術(shù)逐步完善，依靠高重復(fù)定位精度， 廣泛應(yīng)用于以汽車制造業(yè)為代表的生產(chǎn)過(guò)程中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。然而， 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人工作于靜態(tài)、結(jié)構(gòu)化、確定性的無(wú)人環(huán)境中，機(jī)械地完成重復(fù)性 作業(yè)，在空間上機(jī)器人與人相隔離、通過(guò)預(yù)先編程或示教再現(xiàn)控制。近十年以來(lái)， 隨著信息化、全球一體化和互聯(lián)網(wǎng)化的深入，當(dāng)今制造業(yè)逐漸展現(xiàn)出小批量、個(gè) 性化、短周期、高品質(zhì)等特征。新興生產(chǎn)模式對(duì)現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人提出了更高的需 求和新的挑戰(zhàn)。這些新的巨大需求是傳統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)不具備的，這種局限性制

2、約 了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和產(chǎn)業(yè)的深層發(fā)展。因此，新一代工業(yè)機(jī)器人成為 當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。新一代工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該是一種可融入人類生產(chǎn)、生活環(huán)境、與人優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、 合作互助，進(jìn)而成為具備靈活作業(yè)能力的人類“工友型”機(jī)器人，而其中“人機(jī) 協(xié)作”是下一代工業(yè)機(jī)器人所應(yīng)具備的基本特征，這主要體現(xiàn)在三個(gè)層面：（1）任務(wù)融合；（2）行為融合；（3）智能融合。其中任務(wù)融合是目標(biāo)，指人與機(jī)器人 相互配合共同完成一個(gè)指定任務(wù)，而達(dá)成這樣的目標(biāo)，需要人與機(jī)器人在行為上 一致、協(xié)調(diào)、互助，并且提升機(jī)器人智能水平，使人的智能與機(jī)器人的自主行為 能力相融合。這是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，需要從以上三個(gè)方面聯(lián)合創(chuàng)新。然而，當(dāng) 前的

3、機(jī)器人技術(shù)尚缺乏有效地的人機(jī)協(xié)作型新一代工業(yè)機(jī)器人解決方案。要想實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)方面的融合，僅僅靠增加一套視覺(jué)傳感器、力傳感器和一些智能控制 算法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要從本體、結(jié)構(gòu)、功能和感識(shí)、決策等諸多方面做出整 體優(yōu)化與調(diào)整。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的獨(dú)占工作空間的應(yīng)用模式不同， 人機(jī)協(xié)作型 工業(yè)機(jī)器人需要與人分享工作空間，并共同完成同一任務(wù)。因此，如何保證人的 生命安全，如何快速“教會(huì)”工業(yè)機(jī)器人新工藝，如何與人靈活配合完成新任務(wù)， 都是需要解決的問(wèn)題。概括地說(shuō)，柔順性、靈活性、智能化是“人機(jī)協(xié)作”新一 代工業(yè)機(jī)器人所應(yīng)具備的必要條件。智能工業(yè)機(jī)器人的研究即是在傳統(tǒng)機(jī)器人的基礎(chǔ)之上， 研究對(duì)其進(jìn)行智能化

4、 升級(jí)的共性關(guān)鍵技術(shù)：自學(xué)習(xí)技術(shù)（即機(jī)器人利用自身傳感器獲得的數(shù)據(jù)， 結(jié)合 人工智能技術(shù)，自主優(yōu)化其工藝水平的過(guò)程）和示教學(xué)習(xí)技術(shù)（即機(jī)器人通過(guò)觀 察由人類直接的、“言傳身教”式的演示操作，來(lái)學(xué)習(xí)新工藝的過(guò)程）。此項(xiàng)研究 對(duì)于提升機(jī)器人智能化水平，擴(kuò)展我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實(shí) 和理論意義。當(dāng)前，隨著柔性制造、云制造等潮流，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了新一代智能機(jī)器人的 研究步伐。美國(guó)提出“制造業(yè)再回歸”戰(zhàn)略，旨在利用自身在技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)， 通過(guò)提升制造業(yè)自動(dòng)化水平彌補(bǔ)自身勞動(dòng)力的劣勢(shì)， 其中一個(gè)很重要的方面即為 如何進(jìn)一步提升機(jī)器人的智能化水平，使機(jī)器人可以更深地融入制造業(yè)的方方面 面。美國(guó)

5、學(xué)者們?yōu)槲磥?lái)5-15年美國(guó)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域指出了若干研究方向。從 其列出的10項(xiàng)重點(diǎn)研究的基礎(chǔ)理論方向可以看出，除新型機(jī)構(gòu)和高性能驅(qū)動(dòng)器、 魯棒高精度傳感器外，均側(cè)重于人類知識(shí)技能的表達(dá)、機(jī)器人學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力， 智能控制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，人機(jī)交互方法等“軟”技術(shù)。可以看出，國(guó)外已從注重機(jī) 器人本體向著注重機(jī)器人應(yīng)用相關(guān)技術(shù)；從面向傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人向新一代智能工 業(yè)機(jī)器人的方向邁進(jìn)。隨著歐美國(guó)家“再工業(yè)化”的興起，以工業(yè)機(jī)器人為代表的高端智能制造必 將成為未來(lái)各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的主要方向。如何順應(yīng)并把握這一趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn) 型升級(jí)、發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)意義重大。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，我國(guó)從70年代理論跟蹤到80年代

6、樣機(jī)研制，再到如今， 在某些機(jī)器人領(lǐng)域已具備進(jìn)口替代實(shí)力， 在汽車行業(yè)已形成良好產(chǎn)業(yè)化局面，已 經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。然而，我國(guó)自主研制工業(yè)機(jī)器人的智能化水平與國(guó)外同類產(chǎn) 品尚有相當(dāng)大的差距，例如，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)機(jī)器人力控制尚處在試驗(yàn)階段， 而國(guó)外產(chǎn) 品早已將力控制作為集成在其控制器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊實(shí)用化，極大提升系統(tǒng)使用的便利性；受限于智能化水平，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域有很大局限性， 無(wú)法應(yīng) 用于整個(gè)生產(chǎn)流程，而 FANUC已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人生產(chǎn)機(jī)器人， ABB也正在 探索高精度裝配任務(wù)下機(jī)器人自學(xué)習(xí)能力， 準(zhǔn)備將其作為控制器標(biāo)準(zhǔn)功能模塊的 一部分。因此，在國(guó)產(chǎn)機(jī)器人初具規(guī)模、國(guó)外機(jī)器人智能化浪潮方興未

7、艾的形勢(shì)下,依靠國(guó)內(nèi)廣闊的市場(chǎng)，充分提升機(jī)器人智能化水平，拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，提 高我國(guó)制造業(yè)自動(dòng)化、智能化水平具有十分重要的意義。2)智能材料驅(qū)動(dòng)柔順機(jī)器人柔順性是保證機(jī)器人使用過(guò)程中人身安全的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人建立在伺服電機(jī)和諧波減速器的基礎(chǔ)之上，為保證足夠的伺服精度，機(jī)器人往往采用高增益控制器， 這使得機(jī)器人具有很高的剛度，一旦與 外部發(fā)生碰撞，會(huì)產(chǎn)生十分巨大的撞擊力；另外，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人不具備逆向驅(qū) 動(dòng)能力(back driven),因此，在與人協(xié)作時(shí)，有可能對(duì)人類造成傷害。2015年7月大眾汽車公司工業(yè)機(jī)器人撞死工程師即是一個(gè)最直接的案例；傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人大多采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這使得機(jī)

8、器人自重、體積較大，而其提供的負(fù)重能力卻很 小；常用的電機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)式，需要若干個(gè)減速后關(guān)節(jié)串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)，這使得機(jī)構(gòu)復(fù)雜而負(fù)載能力不高；三是柔順控制難以實(shí)現(xiàn)，缺乏本質(zhì)柔順性。雖然 可以通過(guò)彈性關(guān)節(jié)引入被動(dòng)柔順性 (例如COMpliant huMANoid COMAN 機(jī)器人) 和集成傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順性(例如DLR-LWR機(jī)器人)，但這既額外增加了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致控制系統(tǒng)和關(guān)節(jié)模塊十分復(fù)雜， 又付出了成本和可靠 性方面的代價(jià)。近年來(lái)，以氣動(dòng)人工肌肉(Pneumatic Muscle Actuator PMA)、電制形變材料 (Electro-Active Polymer EAP

9、),形狀記憶合金(Shape-memory alloy SMA),離 子交換聚合金屬?gòu)?fù)合物(Ionic polymer - metal composites IPMC)等為代表的一 批人工肌肉智能驅(qū)動(dòng)材料逐漸涌現(xiàn)，相比伺服電機(jī)，它們具有更高的功率密度比、 功率體積比，適中的驅(qū)動(dòng)速度和與生俱來(lái)的柔順性，因此，是十分合適的柔順?lè)氯朔?wù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。然而，雖然這些材料極具潛力，但現(xiàn)階段，它們?cè)隍?qū) 動(dòng)和使用方面都有諸多限制。例如：PMA需要空氣壓縮機(jī)，整體來(lái)看，功率密 度比并不比電機(jī)高；EAP需要高電壓驅(qū)動(dòng)，而將穩(wěn)定可靠的高壓電源嵌入家用 服務(wù)機(jī)器人，很難保證安全性；SMA整體電流加熱，回復(fù)緩慢，

10、響應(yīng)頻率受限， 另外需要散熱裝置；IPMC需要潮濕環(huán)境也使其應(yīng)與用領(lǐng)域受限。綜上所述，盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)谔剿魅犴槞C(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)展了許多理論與實(shí)踐 研究，從主動(dòng)柔順控制、彈性關(guān)節(jié)、智能新材料與新結(jié)構(gòu)等思路尋找該問(wèn)題的解 決方法，但尚缺乏有效的完善的解決方案。 相較而言，具有本質(zhì)柔順特性和輕量高功率密度特性的智能新材料是未來(lái)的發(fā)展方向，是最具潛力的柔順機(jī)器人的 驅(qū)動(dòng)技術(shù)。課題組通過(guò)對(duì)智能材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、特性研究和驅(qū)動(dòng)控制、感知驅(qū)動(dòng) 一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、柔順驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模與智能控制等等一系列問(wèn)題的研究。并將 其應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、仿人服務(wù)機(jī)器人等不同類型的機(jī)器人系統(tǒng)中，增強(qiáng)機(jī)器人 在非結(jié)構(gòu)日常環(huán)境中的

11、適應(yīng)能力， 使其真正可以服務(wù)于人，可靠地，安全地完成 多種工業(yè)生產(chǎn)和家庭服務(wù)工作，可以在生產(chǎn)、生活、軍事等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮重要 的作用。因此，開(kāi)展相應(yīng)的研究工作將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。3)仿人服務(wù)機(jī)器人全仿人服務(wù)機(jī)器人將是未來(lái)的主流。機(jī)器人技術(shù)誕生半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，各項(xiàng)技術(shù)逐步完善，以工業(yè)機(jī)器人為代表 的機(jī)器人服務(wù)于現(xiàn)代化生產(chǎn)生活，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著人們生活水平的 提高，將機(jī)器人應(yīng)用于日常生活中，直接服務(wù)于人，提供看護(hù)、陪伴、照顧、協(xié) 助等服務(wù)的需求日趨迫切。特別在當(dāng)前人口老齡化，人口結(jié)構(gòu)不平衡，勞動(dòng)力短 缺的趨勢(shì)下，家用服務(wù)機(jī)器人將可以極大提高人們生活質(zhì)量。由于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，家用服務(wù)

12、機(jī)器人將會(huì)與當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人大不相同。 家用服務(wù)機(jī)器人需要與人共享工作空間，需要友好的人機(jī)界面，需要與人協(xié)作， 需要具備移動(dòng)能力，需要具備幾十個(gè)自由度，并且最重要的，需要保證人的人身 安全，要想實(shí)現(xiàn)上述功能，豐富的感知能力、輕量化的設(shè)計(jì)以及軟體特征將是家 用服務(wù)機(jī)器人必備的條件。因此，從緊湊性、輕量性和安全性考慮，傳統(tǒng)的工業(yè) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)、元件、技術(shù)都很難直接應(yīng)用其中。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)International Federation of Robotics (IFR)的定義，服 務(wù)機(jī)器人是一種半自動(dòng)或全自動(dòng)地為人類提供除制造外的有用的服務(wù)的機(jī)器人。 從定義中可以看出，服務(wù)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人在

13、應(yīng)用中有著顯著的區(qū)別。然而， 該定義并未對(duì)機(jī)器人形態(tài)、功能有著任何約束，因此，現(xiàn)實(shí)中的服務(wù)機(jī)器人千差 萬(wàn)別，既存在小型的，僅可以完成清潔任務(wù)的吸塵器機(jī)器人， 例如iRobot Roomba 系列機(jī)器人，也存在具備一定交互能力的陪伴、娛樂(lè)機(jī)器人例如Sony AIBO,WooWee MiP機(jī)器人，還存在一些擁有手臂，能夠操作一定工具的移動(dòng)機(jī)械臂式 服務(wù)機(jī)器人，例如 Kuka Youbot, Stanford STAIR和德國(guó)的Care-O-Bot 3服務(wù)機(jī) 器人。這其中，擁有雙臂的仿人服務(wù)機(jī)器人，因其在操作能力、負(fù)載能力、工作空間、人機(jī)界面等方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為家用服務(wù)機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向。以工業(yè)

14、機(jī)器人技術(shù)為背景，涌現(xiàn)出一批先進(jìn)的仿人服務(wù)機(jī)器人， 典型的有本田公司的 Asimo機(jī)器人，日本早稻田大學(xué)的TWENDY-ONE機(jī)器人等，這些機(jī)器人擁有雙 手足、雙目視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別、觸覺(jué)等系統(tǒng)，能夠利用四肢完成端盤(pán)、導(dǎo)引、奔跑、 跳躍和踢球等動(dòng)作，可以向老年人、殘疾人等行動(dòng)不便者提供輔助取物，輔助站立、攙扶、抱起等多種功能，取得了不小的成功。然而，受限于這些材料在驅(qū)動(dòng)方法、結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)模塊、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面 的限制，尚缺乏完善的全柔順?lè)氯朔?wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案和主動(dòng)柔順智能控制方法。 課題組以智能材料和智能工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究為基礎(chǔ)，主要開(kāi)展了仿人服務(wù)機(jī) 器人本體設(shè)計(jì)、機(jī)器人柔順驅(qū)動(dòng)控制、人機(jī)交互、

15、示教學(xué)習(xí)等方面的研究。這 些技術(shù)是構(gòu)成仿人服務(wù)機(jī)器人、降低機(jī)器人使用難度、提高機(jī)器人在家庭復(fù)雜 環(huán)境中適應(yīng)能力的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)老齡化社會(huì)進(jìn)程加快，勞動(dòng)力短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，以及機(jī)器人應(yīng)用 的擴(kuò)張，服務(wù)機(jī)器人將迎來(lái)井噴。我國(guó)國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）把智能服務(wù)機(jī)器人列為未來(lái)15年重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)，并于 2012年制定了服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃支持行業(yè)發(fā)展。因 此，相信未來(lái)15年，隨著需求的不斷增長(zhǎng)和技術(shù)的逐漸成熟，將是仿人服務(wù)機(jī) 器人市場(chǎng)爆發(fā)的時(shí)期。4）靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人師法自然是科技發(fā)展的源泉。靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人是一類特殊的移動(dòng)機(jī)器人。它是以長(zhǎng)臂猿為模仿對(duì)

16、象，模擬其雙足/四足步行、跳躍、爬行、攀爬、懸臂運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)模式的仿生機(jī)器人。豐富的運(yùn)動(dòng)模式使其可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。其中 Brachiation（懸臂運(yùn)動(dòng)/臂力擺蕩/蕩枝）是其所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式，一直是靈長(zhǎng)類 仿生機(jī)器人研究中的核心問(wèn)題。近年來(lái)，隨著地震/核電站等災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救、電力線巡檢、叢林作戰(zhàn)等一批 特殊需求的涌現(xiàn)，具有懸臂運(yùn)動(dòng)能力的靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人顯現(xiàn)出無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。 與足、腿和輪式等依靠下肢和地面支撐的運(yùn)動(dòng)模式不同，懸臂運(yùn)動(dòng)主要依賴前肢 和空中支撐物交替驅(qū)動(dòng)軀干前行。其中起支撐作用的前肢為支撐臂，自由擺動(dòng)的 前肢為擺動(dòng)臂。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軀干始終位于支撐點(diǎn)下方，是一種非常適合于在叢 林樹(shù)冠這種缺乏支撐點(diǎn)的空間中快速移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式?，F(xiàn)有的靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人已經(jīng)具備在實(shí)驗(yàn)室條件下連續(xù)懸臂運(yùn)動(dòng)的能力?？梢赃m應(yīng)不同間隔、不同高度的支撐桿。然而，實(shí)驗(yàn)室中所采用