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未来机器人技术发展方向的探讨

未来机器人技术发展方向的探讨

蔫嚣孝藉期机器人ROBoTVo1.18,No.5Sept.,1996

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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?

≈冀i一嵌凌

l引言

1.1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

是日本和瑞典所走的.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

一

条可行的技术路线.

1.2工业机器人2l世纪面临的形势

2l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

199O5—21*

机器人1996年l1月

率,能生产中小批量的”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

一

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

星球要资源更为现实,大规模的开发和利用海洋的各种资源,将是人类2l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.2l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由人来完成,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”,而优先考虑”系统发展方式”.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

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.

从系统观点出发,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,完成每一步后发出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”任务的复杂性,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.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

一

种”集成框架,框架中设计一（N—I）的输入翻译接口.及（I—N）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El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

上起过不可磨灭的作用.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鼹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.当投产一个新产品时,仍采用示教方式编程,占用时间过长,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8O年代,国内外做了很多工作,应该说理论上已解决了,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,将从根本上改变机器

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.小型化的加速

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l1月

基础上可构成的真正的力控制系统,可望采样频率做到500Hz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

一

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生产设备发展的需要,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出发,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:

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,造出”事件～响应表,然后形成”事件一行为响应”的局部自治控制等.

3.1.2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289

3.1.3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,按测定的位置定时

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2O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,海上养殖及江河水库的大坝检查等等.2l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（RemoteOperated

Vehicle简称ROV）I另一类是无缆水下机器人,习惯称自治式水下潜器（Autonomou$under

—

WaterVehicle,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,特别是要

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50~100m回收是唯一可行的方案.这种情形下,已基本没有

机器人1996年l1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,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170~450亿马克.

（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,另外功能范围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I2”呼命令调

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8O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,但真正实用的不多,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,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98,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,自动化的第一步目标是使人脱离作业的

一

线.当然当前这些行业正在实现机械化的过程中.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出发,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.

鸣谢作者特别要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.Hffzinger.GuntherSchmidt,MartinBuss,E.Freund,J.Rossmann.和]nstitutPro-

dukti0nstechnikundAutomatisierung.

AN0VERVIEW0FTHEPR0SPECTS0F

R0B0TTECHN0L0GIES

JIANGXinsong

（She~cangInstitu2eofAstomation-chi艇AcademyofScie.ceJShenyang?

1100031

AbstractAlongwiththeseriouscompetitionintheworldmarketthetechnologiesfiredevelopingwith

leapsandbounds.Firstly-basedontherequirementsadvancedbythedevelopmentofthemanufacturing

technologiesandthetechnologypossibilitiestosatlsfytheserequirements,theactiveprospectsofindustrial

robotsintheagilemanufacturingandthedevelopmentsoftheirvariousaspectstosatlsfytheagilemanuhc—

turingatereviewedandd{scussed.Secondly,basedontherequirementsadvancedbythevariousFlOUt—rilanu—

facturingenterprisessuch8sspaceindustries,marineexplorationandexploitationindustries,coalextraction

andotherminingindustries-andserviceenterprises,thedevelopmentsofthevar;ousprospectsoftele—opar—

atedrobotsarediscussed.

KeywordsAgileequipment,super—light—wei