急：目前機器人技術的進展與現狀
中國科學院沈陽自動化研究所 曲道奎 張念哲
壹、國外機器人的最新進展
從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了壹個長期緩慢的發展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機器人技術也得到了飛速發展。除了工業機器人水平不斷提高之外，各種用於非制造業的先進機器人系統也有了長足的進展。下將按工業機器人和先進機器人兩條技術發展路線分述機器人的最新進展情況。
1．工業機器人
（1）機器人操作機：通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實現了優化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人並聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作範圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。
（2）並聯機器人：采用並聯機構，利用機器人技術，實現高精度測量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控技術壹體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發出了此類產品。
（3）控制系統：控制系統的性能進壹步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發展到現在能夠控制21軸甚至27軸，並且實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基於圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。
（4）傳感系統：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統中已得到成功應用，並實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。
（5）網絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現了與Canbus、Profibus總線及壹些網絡的聯接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了壹大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發展。
（6）可靠性：由於微電子技術的快速發展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提高。過去機器人系統的可靠性MTBF壹般為幾千小時，而現在已達到5萬小時，幾冬天可以滿足任何場合的需求。
2．先進機器人
近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建築、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業與制造業相比，其主要特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規劃能力等，是機器人技術的壹個重要發展方向。
（1）水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用於海洋石油開采，海底勘查、救撈作業、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。
（2）空間機器人：空間機器人壹直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人Sojanor等。Sljanor是壹輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關註。
（3）核工業用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便於裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統，如美國ORML基於機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監測與故障診斷系統，德國的C7靈巧手等。
（4）地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩在類。主要研究內容為：機械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通信及遙控技術。目前日、美、德等發達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統正在研制中。
（5）醫用機器人：醫用機器人的主要研究內容包括：醫療外科手術的規劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用於戰場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用於外科手術的機電手術工具等項目的研究，並已取得壹些卓有成效的結果。
（6）建築機器人：日本已研制出20多種建築機器人。如高層建築抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，並已實際應有和。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等型號的研制、並開展了傳感器、移動技術和系統自動化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。
（7）軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰和後勤支援等任務，在戰場上具有看、嗅和角摸能力，能夠 自動跟蹤地形和選擇道路，並且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車、SSV半自主地面戰車，法國的自主式快速運動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研制和開發Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。
可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統將會進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的夥伴。
二、目前研究熱點及發展趨勢
目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人***性技術的研究，並朝著智能化和多樣化方向發展。主要研究內容集中在以下10個方面：
1．工業機器人操作機結構的優化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進壹步提高負載/自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發展。
2．機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化，以及基於PC機網絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進壹步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。
3．多傳感系統：為進壹步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在於有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。另壹問題就是傳感系統的實用化。
4．機器人的結構靈巧，控制系統愈來愈小，二者正朝著壹體化方向發展。
5．機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大範圍內的機器人遙控系統，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。
6．虛擬機器人技術：基於多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。
7．多智能體（multi-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的壹個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。
8．微型和微小機器人技術（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的壹個新的領域和重點發展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的壹場革命，並且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。
9．軟機器人技術（soft robotics）:主要用於醫療、護理、休閑和娛樂場合。傳統機器人設計未考慮與人緊密***處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。
10．仿人和仿生技術：這是機器人技術發展的最高境界，目前僅在某些方面進行壹些基礎研究。