1、國內機器人技術研究現狀分析王守龍摘要：隨著經濟全球化對工農業生產提出越來越高的要求，計算機技術向著智能化發展，機器人越來越普遍的被工農業應用，其在提高工農業產品質量，增加經濟效益方面發揮著重大作用。本文又介紹分析了移動機器人和小口徑管內機器人及其在我國的技術研究現狀。中國的機器人事業面臨著新的機遇和挑戰。關鍵詞：機器人；技術研究；移動機器人；小口徑管內機器人前言 有人認為, 應用機器人只是為了節省勞動力, 而我國勞動力資源豐富, 發展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國, 會主義制度的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益, 而

2、且將為我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。1 工農業機器人1.1 工業機器人研究現狀分析機器人產業是近30年發展起來的新型產業。我國政府早在“七·五”期間就開始組織了對工業機器人的攻關,到了1987年，國家高技術研究開發計劃就把智能機器人作為七大重點領域之一進行集中研究。經過十幾年的艱苦奮斗，我國在水下、空間、核領域等特殊機器人方面取得了令人欣慰的成果，一批機器人產品和機器人應用工程應運而生。到20世紀90年代末，我國共完成了l00多項工業機器人應用工程，建成了20個機器人產業化基地，從事機器人研究、開發和應用工程單位200多家，專業從事機器人產業開發的

3、50家左右，全國工業機器人用戶近800家，擁有工業機器人約4000臺。2006年發布的國家中長期科學和技術發展規劃綱要前沿技術中，我國將智能服務機器人列為重點方向，提出加大科技投入與科技基礎條件平臺建設。 然而，由于主要依靠科技部門研究開發計劃的支持，從資金到產業的支持力度不夠，在機器人關鍵技術方面，我國與國外的差距并沒有明顯縮小，在關鍵部件、產品產業化以及基礎研究方面的差距還在拉大。到1998年，863計劃推動的幾個機器人產業化基地產值僅僅1億元。然而，國外各大機器人公司認識到高速發展中的中國機器人市場的巨大潛力，憑借其技術和資金的優勢紛紛進入了中國市場。可以說，目前的中國機器人市場仍然是外

4、國企業一統天下，我國機器人發展尚未進入規模開發利用和產業化的階段。我國經過幾十年來的研究與引進, 在機器人運動學仿真、動力學仿真和某些典型工業機器人機構分析軟件方面取得了一些成果 ，但總的看來, 我國機器人機械技術的研究狀況與國外相比還有較大的差距, 目前既沒有建立一種多功能的機器人系統, 也缺乏利用技術對機器人機械學的很多專門問題進行深人研究。我國目前研制的幾種工業機器人機型結構主要是直接仿制日本90年代初的樣機, 一些主要關鍵元器件依賴國外進口。雖然國家“七五” 期間安排了一些單項研究課題, 但這些課題一時還難于直接用于國產工業機器人, 還遠不能從理論及實際技術上建立起我國機器人的完整設計

5、體系, 這與國外相比差距較大。國內利用國產機器人開展應用工程的研究工作剛剛起步 。我國對移動機器人研究, 近年來在步行機基礎理論方面的成果較多, 而步行機實物模型或樣機較少，與國外先進水平相比也存在較大的差距。 1.1 農業機器人技術研究進展 農業機器人技術是當今國際農業機械化研究的前沿領域，其迅速發展的主要動力有三點：一是社會的進步要求農業作業更精確、更快速、更省力、更舒適；二是人類已經快速進入老齡進入老齡化社會，一些繁重、單調的農業生產需要機械化、自動化、智能化的機器來替代；三是計算機、微電子、傳感器以及GPS衛星定位技術的發展，給農業機器人技術和智能化農業生產裝備的發展提供了前所未有的可

6、能。因此，農業機器人技術在一些發達國家取得了較大發展。近年來，我國農業機械化和工廠化農業取得了長足發展，特別是作業量多、勞動量大、作業精細、操作單調、但生產收益相對較高的農作業發展迅速，這給農業機器人的發展提供了巨大的市場需求。農業機器人以及智能化農業裝備以作業的高效率、高精度，低強度、低能耗、環境友好為特點，展示了廣闊的應用前景。目前，國內農業機器人主要有果蔬采摘機器人、蔬菜嫁接機器人、果蔬分選機器人和農田作業機器人。我國在自動化果蔬采摘技術領域的研究還處于起步階段。中國農業大學張鐵中等人在草莓、黃瓜、西紅柿、茄子等果蔬果實采摘機器人方面做了較深入地研究，并研制出了試驗樣機；在草莓果實目標識

7、別、果實重心提取、果柄位置確定、采摘機器人及手抓等方面的研究取得了一定成果，初步建立了草莓采摘機器人實驗系統，采用雙目視覺等圖像處理技術實現了草莓的識別和定位，對草莓果實的互相重疊或遮擋等情況進行了研究，并取得了一些研究成果。但果蔬采摘機器人還存在一些問題，主要是果實的識別率和采摘率不高、果實的平均采摘時間較長和機器人的制造成本較高。我國自1993年中國農業大學張鐵中教授開始蔬菜自動化嫁接技術研究以來，在多個領域取得了較大成就，部分樣機已投入生產，已具備比較成熟的自動化嫁接技術和裝備，下一步需要盡快產業化，以滿足廣大育苗農戶的需求。對于果蔬分選機器人最新研究現狀，陳英等人于2010年設計了一套

8、基于計算機視覺的葡萄檢測分級系統，與人工分級對比，其顏色和大小形狀分級的準確率分別90%和88.3%，同時在分級過程中不會對葡萄造成損傷。但國內的研究主要集中在實驗研究階段，研究的內容以圖像處理和系統的控制實現為主，研究的對象主要為蘋果為主的球形水果，對蔬菜以及其他形狀的水果研究的較少，產品主要集中在實驗樣機上，還沒有投入市場的商用智能化分選機器人。農田作業生產的現代化，經歷了機械化、自動化、無人化等幾個發展階段，現正處于自動化向無人化過渡的階段。農田作業機器人的研究歸根結底是導航方式的研究。根據國內研究歷史和現狀，農田作業機器人有效的導航方式，大致可以歸為3類：DESM(detecting

9、established signal methods),通過接收固定位置發出的信號來確定行走方向和自我定位；GPSM(global position system methods),由GPS其他傳感方式進行導航和自我定位；DNEM(detecting natural environment methods),通過認識周圍環境來確定自己的行走方向、自我定位和監測障礙物，一般以視覺傳感為主。我國農業機器人的發展需緊緊圍繞農業生產實際，選準對象、瞄準關鍵，以作業量多、勞動量大、操作精細、生產收益高的農業作業為切入點，把先進性、實用性和經濟性緊密結合，研制出頂用、好用、耐用的機器，才能有所突破和作為。

10、要使農業機器人真正在農業上發揮作用，必須提高農業機器人的環境適應性、提高工作效率和降低成本。2 移動機器人 2.1 國內移動機器人研究概況 移動機器人研究是機器人學中的一個重要分支。移動機器人避障與路徑規劃又是機器人研究的一個重要方向。目前，隨著機器人技術的不斷進步，機器人學科越來越具有強大的生命力，它在某種程度上已經代表當今信息技術、自動化技術、系統集成等技術的最新發展。 國內在移動機器人的研究起步較晚，大多數研究尚處于某個單項研究階段，主要的研究工作有:清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定。香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人。中國科學院沈陽自動化研究所

11、的AGV和防爆機器人。中國科學院自動化所自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統。清華大學于2003年7月研制成功的THMR-V智能車等。2.2 移動機器人主要研究的方向2.2.1 導航和定位 導航和定位是移動機器人研究的兩個重要問題。移動機器人的導航方式可分為川:基于境信息的地圖模型匹配導航;基于各種導航信號的陸標導航、基于視覺導航和味覺導航等。環境地圖模型匹配導航是機器人通過自身的各種傳感器，探測周圍環境，利用感知到的局部環境信息進行局部地圖構造，并與其內部事先存儲的完整地圖進行匹配。2.2.2 路徑規劃 路徑規劃技術是機器人研究領域中的一個重要分支。所謂機器人的最優路徑規劃問題，就

12、是依據某個或某些優化準則(如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短、行走能量消耗最低等)，在其工作空間中找到一條從起始狀態到目標狀態的能避開障礙物的最優路徑。機 器人視 覺機器視覺系統吸引了眾多研究人員的注意，經過多年的努力，機器人視覺系統正在廣泛地應用于 視覺檢測、機器人的視覺引導和自動化裝配領域中。2.2.3 多傳感器信息融合 單一傳感器只能獲得環境特征的部分信息段，為了完整、準確地反映環境特征，在智能移動機器人導航系統中往往裝有多種傳感器，它們提供的信息有些是互補的，有些是冗余的，必須以一定的方法融合這些互補或冗余的傳感器信息，以充分利用多傳感器提供的信息，才能獲得最佳的、可靠的信息，

13、從而更準確，更全面地反映外界環境的特征，為導航決策提供正確的依據。2.2.4 多移動機器人協調 多機器人系統的研究始于20世紀70年代，隨著機器人應用領域的不斷拓展、機器人工作環境復雜度、任務的加重，對機器人的要求不再局限于單個機器人，多機器人的研究己經成為機器人學研究的一個熱點。多機器人系統的研究分為多機器人合作(Multi-robotC oordination)和多機器人協調(Multi-robotCo operation)兩大類。3 小口徑管內機器人3.1 小口徑管內機器人的概念 小口徑管內機器人主要指適用管道直徑小于80mm、可攜帶相關儀器設備進入管道內部進行無損檢測或維修的移動平臺,

14、 通過及時獲得管道內壁的實時狀態參數可減小因管道泄漏所帶來的環境污染與經濟損失。 小口徑管內機器人的研究機構在國內則主要有上海大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、中國科學技術大學、廣州工業大學與國防科學技術大學等。從小口徑管內機器人的特殊應用場合出發, 針對無流體管道工作環境, 將小口徑管內機人按運動方式概括為輪式、蠕動式與振動式三種類型。3.2 輪式小口徑管內機器人輪式小口徑管內機器人的基本工作原理為: 驅動輪依靠重力、彈簧力、磁性力等壓緊在管道內壁上以支承機器人本體并產生一定的正壓力, 由驅動輪與管壁之間的摩擦力產生機器人前后行走的驅動力, 以實現機器人的移動 3 。輪式管內機器人在目前實

15、際工程中應用最多, 分為直進式與螺旋式,前者驅動輪與行進方向平行, 后者驅動輪與行進方向成一定角度, 基于螺旋傳動思想, 由傾斜安裝的摩擦輪與管壁之間的摩擦推力產生運動，如圖1所示. 圖1 直進輪式 2009 年中國科學院沈陽自動化研究所完成了具有自適應能力的管內機器人, 在不增加驅電機數量的前提下, 機器人的傳動機構能夠在管道直徑改變時, 自動改變行走部件的輸出形式以克服障礙, 完成越障任務。為了提高機器人的管道適應性, 蘇毅等于2008年提出了一種同軸雙牽引輪組螺旋驅動機器人, 該機器人可實現跨空行走、彎道引導、逾越障礙等。同時期一種帶有檢測功能的螺旋式小口徑管內機器人在沈陽自動化所研制成

16、功。3.3 蠕動式小口徑管內機器人 蠕動式小口徑管內機器人的運動是通過模仿蚯蚓、毛毛蟲等尺蠼類動物的伸縮運動來實現的,其研究最為引人關注。該類機器人的結構組成為前后各一組支撐機構, 中間為伸縮機構, 如圖2所示。該類機器人主要包括氣壓式、超越式、慣性沖擊式與SMA式等。 1. 支撐機構1 􀀁 2. 伸縮機構􀀁 3. 支撐機構2 圖2 蠕動式機器人運動原理3.4 發展方向 小口徑管內機器人技術的研究按其系統組成可分為四個階段: 移動機構的設計與優化, 特殊傳感器的設計, 能源與信號傳輸的無纜化以及自主控制的實現。5 結論根據以上分析, 我國機器人技術現狀是工業

17、機器人目前尚在仿制, 機器人應用處在起步階段, 機器人機械學的研究工作取得不少研究成果, 其中一些理論研究成果甚至已達到或超過國際先進水平, 但總的說來還不能做到系統、全面地指導機器人整機設計，一些先進的研究成果一時尚難于直接用于國產樣機。為此近期發展的原則應是加強機器人機械學的實用性理論和基礎技術研究, 使我國在近期內切實掌握第一代工業機器人的研究、設計、生產、維修及其應用技術，提高關鍵元器件的國產配套率，提高國產機器人可靠性加強機器人應用工程的研究特別應重視與鼓勵國產機器人應用工程的開發，使機器人技術盡早為我國社會主義經濟建設服務。 加強機器人機械學基礎理論研究, 強化機器人機械學與信 息學、計算技術等學科的結合, 跟蹤國外機器人高技術和其它有關學科高技術集中反映的實用目標。 在新世紀，中國人和中國的機器人事業面臨著新的機遇和挑戰，因此，科研工作者應堅持“有所為，有所不為”的原則，以市場需求為導向，以技術進步為驅動，沿著知識創新、技術創新、制度創新、產品創新的創新型道路，為增強綜合國力、實現中華民族偉大復興努力開拓向前。參考文獻：1 潘麗霞.論工業機器人的發展與應用J.山西:山西科技,2010,25(3):22-23.2 近藤直，門田充司，野口仲.農業機器人M.喬軍，李民贊等譯.北京:中國農業大學 出版社, 2009.5. 3 苪延年.機器人技術及其應用M.北京: