工程機器人技術(shù)的發(fā)展與應用

　　早在1989年，工業(yè)機器人的開(kāi)拓者JoeEngelberger就預測：未來(lái)機器人最大量的應用領(lǐng)域是非工業(yè)領(lǐng)域。這個(gè)預測準確地反映了機器人的發(fā)展方向，經(jīng)過(guò)幾十年技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人正在從車(chē)間走向野外和服務(wù)場(chǎng)所。工程機器人就是其中的一個(gè)重要分支。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程機器人越來(lái)越廣泛地被應用到許多行業(yè)當中，尤其是在高危、惡劣環(huán)境以及枯燥、繁重的作業(yè)領(lǐng)域，對工程機器人的需求更加迫切。因而，工程機器人的開(kāi)發(fā)與應用，引起了世界各國的高度重視，產(chǎn)品發(fā)展前景十分廣闊。

　　1 工程機器人的定義與分類(lèi)

　　工程機器人是一種面向高危及特殊環(huán)境下依靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)進(jìn)行工程施工作業(yè)的遙操作多關(guān)節機械手或多自由度機器人。它既具有工程機械的大功率、多功能、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，又具有機器人的靈活移動(dòng)、環(huán)境感知、智能識別等各種功能。

　　工程機器人是機器人家族中的新成員。與工業(yè)機器人在固定環(huán)境下依據事先編制的程序運行不同，工程機器人主要在非結構環(huán)境下工作，靠接受人類(lèi)指揮，或依據以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。因此工程機器人更強調感知、思維和復雜行動(dòng)的能力，比一般意義上的工業(yè)機器人需要更大的靈活性、機動(dòng)性，具有更強的感知能力、決策能力、反應能力以及行動(dòng)能力。工程機器人從外觀(guān)上也遠遠脫離了最初工業(yè)機器人所具有的形狀。工程機器人融合了更多學(xué)科的知識，如機構學(xué)、控制工程、計算機科學(xué)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)、仿生學(xué)等。

　　工程機器人根據應用領(lǐng)域可以分為：農林業(yè)工程機器人、工業(yè)工程機器人、建筑工程機器人、礦業(yè)工程機器人、核工業(yè)工程機器人、搶險救援工程機器人、軍事工程機器人等；按作業(yè)方式可以分為：破拆機器人、搬運機器人、抓取裝卸機器人、探測機器人等。

　　2 工程機器人的基本結構與工作特性

　　工程機器人的基本特征是液壓驅動(dòng)、遙操作、移動(dòng)作業(yè)，具有大功率作業(yè)、寬范圍作業(yè)、多功能作業(yè)和智能作業(yè)的特點(diǎn)。

　　工程機器人的基本構成包括：控制系統、驅動(dòng)裝置、執行機構和感知系統組成，如圖1所示。

　　圖1 工程機械人的基本構成

　　驅動(dòng)系統：工程機器人大多采用液壓驅動(dòng)，其特點(diǎn)是：驅動(dòng)功率大，功率密度高，易于實(shí)現大范圍無(wú)級調速和力控制，防過(guò)載性能好。由于液壓驅動(dòng)可以實(shí)現直接驅動(dòng)，省去工業(yè)機器人的減速機加伺服電機的傳動(dòng)機構，使得驅動(dòng)系統簡(jiǎn)單，結構緊湊。隨著(zhù)液壓伺服控制技術(shù)不斷提高以及數值液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓驅動(dòng)將更能代表機器人的節能化、輕量化、緊湊化和智能化的發(fā)展方向。

　　執行系統：與工業(yè)機器人相比，工程機器人執行系統主要增加了行走系統。尤其是在不同環(huán)境下使用，要求工程機器人具備全地形行走功能。圖2所示vcb為一種典型工程機器人——破拆機器人的執行機構。

　　圖2 破拆機器人典型的執行機構

　　這種典型的執行機構由手部、腕部、小臂（上臂）、大臂（下臂）、腰部、足部等組成。其中手部為末端執行器，如夾持工具之類(lèi)的屬具?？梢愿鼡Q不同的屬具，如液壓剪、液壓錘、液壓抓斗等，以實(shí)現不同的作業(yè)能力。腕部通常具有3自由度，實(shí)現手部動(dòng)作，是執行機構最復雜的部分。臂部用于連接腰部和腕部，帶動(dòng)腕部做平面運動(dòng)。腰部用來(lái)連接臂部與基座，做回轉運動(dòng)，是執行機構的關(guān)鍵部件。足部包括行走系統和作業(yè)時(shí)用于支撐機體的支腿。

　　控制系統：工程機器人的控制系統一般比較復雜，涉及到行走、避障、有效作業(yè)等方面，要求控制系統具有較強的推理和思維能力，實(shí)時(shí)響應能力強，適應非結構性環(huán)境能力強?？刂葡到y是機器人系統功能實(shí)現的核心，如果把機器人機械結構比作人的骨豁和肌肉的話(huà)，機器人控制系統就相當于人的神經(jīng)系統。機器人要實(shí)現自身的運動(dòng)、對環(huán)境的感知以及與外界的交互等功能，都需要控制系統對各機械部件以及傳感器單元進(jìn)行協(xié)調和控制。

　　感知系統：工程機器人的感知能力是未來(lái)工程機器人智能化的研究重點(diǎn)之一。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，機器人傳感器分為內部傳感器和外部傳感器2大類(lèi)。內部傳感器主要有位置傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器、平衡傳感器。內部傳感器用測量到的角度、角速度、力等檢測機器人的內部狀態(tài)，了解機器人各執行機構的位置和姿態(tài)、運動(dòng)速度等，以調整和控制機器人的自身行動(dòng)。外部傳感器主要有視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、冷覺(jué)傳感器、病覺(jué)（異常）傳感器、味覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器等。外部傳感器用來(lái)檢測機器人所處環(huán)境、外部物體的狀態(tài)或機器人與外部物體的關(guān)系。

　　工程機器人研究的現狀表明，由于受到機構、控制、傳感器以及人工智能水平的限制，研究出能在未知環(huán)境中全自主方式工作的機器人是目前難以實(shí)現的目標。因此，目前在核工業(yè)、搶險救災等高危、惡劣的環(huán)境中被廣泛應用的是遙操作機器人。遙操作機器人主要分為視覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作機器人、力覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作機器人、觸覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作機器人及運動(dòng)覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作機器人等?；谂R場(chǎng)感的遙操作機器人系統原理如圖3所示，它由操作者、主機器人（手控器）、通訊環(huán)節、從機器人和作業(yè)環(huán)境5部分構成。在臨場(chǎng)感系統工作過(guò)程中，由操作者向主機器人發(fā)出操作命令（如位置指令）操作主機器人運動(dòng)，主機器人的運動(dòng)信息通過(guò)通訊環(huán)節傳給遠方的從機器人，從而控制從機器人的運動(dòng)；當從機器人同環(huán)境交互時(shí)，從機器人的運動(dòng)信息（如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等信息）又通過(guò)通訊環(huán)節反饋給本地主機器人，使操作者對于現場(chǎng)作業(yè)情況有了有效的感知，從而能夠及時(shí)做出準確判斷，發(fā)出相應的操作命令，控制遠方從機器人準確、高效地完成作業(yè)任務(wù)。目前，基于視覺(jué)臨場(chǎng)感的工程機器人遙操作控制主要是用攝像機獲取現場(chǎng)的視頻圖像并回傳到主控端，操縱者通過(guò)監視器來(lái)完成對工程機器人的操作任務(wù)。

　　圖3 基于臨場(chǎng)感的遙控操作機器人系統原理框圖

　　其中，通訊環(huán)節作為臨場(chǎng)感系統的數據交換和連接環(huán)節，是控制量信息、傳感器信息及視頻、圖像信息的傳輸通道，是臨場(chǎng)感系統進(jìn)行可靠工作的基本保障。

　　3 工程機器人國內外發(fā)展概況

　　在國外，早在20世紀70年代歐美、日本等國家就開(kāi)始在工程機械基礎上研制開(kāi)發(fā)各類(lèi)工程施工自動(dòng)作業(yè)機械，并形成兩大發(fā)展方向，一是工程機械智能化，一是專(zhuān)門(mén)發(fā)展起來(lái)的工程機器人分支。針對高危、惡劣環(huán)境的施工作業(yè)，歐美、日韓等國家都已經(jīng)全部采用工程機器人或機械手，技術(shù)水平先進(jìn)。

　　其中，破拆機器人是在工程施工中應用最廣泛的工程機器人之一，由于采用無(wú)線(xiàn)遙控作業(yè)方式，破拆機器人可以應用在冶金、礦山、建筑、交通以及搶險救援等眾多領(lǐng)域。瑞士布魯克公司是目前居于世界領(lǐng)先地位的破拆機器人專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)廠(chǎng)商，公司自20世紀70年代就開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)遙控電液式多功能破拆機器人，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)與發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，無(wú)論是設計、選材還是制造水平都處于國際領(lǐng)先地位，是目前拆除機器人最大的供應商，產(chǎn)品銷(xiāo)往世界各地［3］。另外，日本、德國等發(fā)達國家在破拆機器人領(lǐng)域也都走在了世界前列。像德國TOPTEC公司生產(chǎn)的TOPTEC1850E、 TOPTEC2500E工程機器人，日本TmsukT52型和T53型雙機械臂機器人等，技術(shù)水平先進(jìn)。破拆機器人的末端執行器通常為液壓錘、液壓剪等，以實(shí)現破碎、拆除作業(yè)。將末端執行器更換成液壓抓手等其他專(zhuān)用屬具，再將主體結構和控制系統根據作業(yè)環(huán)境作適當的改變，則可演變成其他類(lèi)型的機器人，像搬運機器人、抓取裝卸機器人等。

　　破拆機器人

　　在搶險救援領(lǐng)域，20世紀80年代就已經(jīng)有人對將機器人應用于救援工作中進(jìn)行探討，但救援機器人技術(shù)的正式研究始于1995年的日本神戶(hù)- 大阪大地震，并于2001年的美國9·11事件中，救援機器人正式投入使用。日本作為一個(gè)多地震災害的國家，十分重視救援機器人的研制，其技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。美國在9·11事件后，對救援機器人的研究更加重視。其中，極具代表意義的由Irobot公司研制的小型便攜帶式機器人Packbot系列和“Warrior（6戰士）”等，均得到了較好的應用。其他國家也很重視救援機器人的研究。如加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV及 Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機器人、西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、英國的“手推車(chē)”（Weelbarrow）Mk7型排爆機器人、德國TEODORG公司的MV4機器人、法國的MK4D智能排爆機器人等。

　　救援機器人

　　在農林業(yè)方面，進(jìn)入后工業(yè)化的發(fā)達國家，隨著(zhù)農林業(yè)生產(chǎn)的日趨工業(yè)化、規?；熬珳驶牟粩喟l(fā)展，農林業(yè)機器人研發(fā)早已成為其科研的重點(diǎn)內容之一，在伐木、育苗、移苗、嫁接、農產(chǎn)品收獲等方面得到諸多試驗與應用，相繼研制出了伐木機器人、嫁接機器人、扦插機器人、移栽機器人和采摘機器人等多種產(chǎn)品。

　　而在國內，工程機器人的研制開(kāi)發(fā)才剛剛起步，工程機械主機廠(chǎng)和部分科研院所開(kāi)始加大對智能型工程機械的研發(fā)投入，但專(zhuān)業(yè)從事工程機器人研發(fā)制造的企業(yè)和研究機構很少。應用方面也僅限于一些常規的工業(yè)應用，而且產(chǎn)品幾乎全為進(jìn)口。

　　驚天智能裝備股份有限公司自2005年自主立項，開(kāi)始研制破拆機器人，目前已研制出多款工程機器人產(chǎn)品，并且已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化和應用推廣階段。

　　在搶險救援領(lǐng)域，國內的救災機器人的研究起步較晚，但受到的重視程度很高。如國家“863”計劃支持研發(fā)地震救援輔助機器人等的一系列措施，國內各大高校、研究機構以及企業(yè)單位等都進(jìn)行了積極研究，近年來(lái)取得了很大進(jìn)展。國家“十二五”科技支撐計劃的重點(diǎn)項目“龍蝦”救援機器人是目前世界上最大的搶險救援機器。

　　4 工程機器人的應用

　　工程機器人主要應用于各種高危和特殊環(huán)境施工領(lǐng)域，如高溫高壓、易燃易爆易坍塌、有毒有害氣體、核輻射、危險品搬運以及軍事應用，因此，在金屬渣錠破碎、建筑拆除、隧道施工、井下作業(yè)、搶險救援，以及農林業(yè)、核工業(yè)等都得到了廣泛的應用。

　　4.1工業(yè)破碎作業(yè)

　　在鋼鐵冶煉廠(chǎng)，工程機器人主要用途包括：主溝及渣溝破碎、開(kāi)鐵口、爐口除渣、拆爐拆包、魚(yú)雷罐熱態(tài)耐材、混鐵車(chē)解體等。在有色行業(yè)用來(lái)進(jìn)行余熱鍋爐清灰、陽(yáng)極爐清理、金屬錠破碎、煙道和溜槽的清理等。在鋁行業(yè)用來(lái)清鋁包、清理陽(yáng)極、在線(xiàn)刨槽、刨保溫爐和集中槽大修等。

　　在水泥廠(chǎng)，破拆機器人是水泥回轉窯維修的新一代拆磚設備，遙控作業(yè)，用以代替人工和小挖維修回轉窯，大大縮短停窯時(shí)間，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。

　　4.2搶險救援應用

　　災害現場(chǎng)的搶險救援工作，是機器人開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一大難題。不同環(huán)境條件下，機器人的解決方案大不相同。目前，多功能作業(yè)機器人，已廣泛應用于消防破拆救援、災后搶修搶建、地震后救援、反恐排爆、核事故應急救援等。

　　4.3建筑應用

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑施工要求越來(lái)越高，建筑樓宇的改造工作越來(lái)越多，但勞動(dòng)力成本卻逐年攀升。使用工程機器人進(jìn)行作業(yè)，不但安全可靠，而且縮短工期，減少人力需求。相較于傳統的混凝土切割鋸、風(fēng)鎬和挖掘機等拆除設備，使用破拆機器人使施工能在無(wú)振動(dòng)、低噪音、無(wú)廢氣、無(wú)揚塵等情況下進(jìn)行，對周?chē)h(huán)境影響降到最小，而且降低施工成本，大大提高工作效率。為避免局部破拆對整個(gè)基礎的影響，近年來(lái)水力破拆機器人亦日益受到業(yè)界的高度重視。

　　4.4隧道應用

　　工程機器人在隧道施工方面有廣泛的應用，是開(kāi)鑿聯(lián)絡(luò )通道、安全硐室、隧道維修改造的理想設備。常用于地鐵隧道臨時(shí)墻的拆除、隧道的開(kāi)拓、巷道的支護、排水和電纜隧道的開(kāi)挖，在空間狹小和鉆爆法施工工藝不能使用的場(chǎng)所具有巨大優(yōu)勢。

　　通常工程機器人車(chē)小力大，機動(dòng)靈活，可以進(jìn)入大型設備不能到達的狹窄的工作面和危險場(chǎng)所作業(yè)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本?？梢詭诙?、分裂機、液壓錘、液壓鉆等作業(yè)，在隧道施工中，發(fā)揮“一機多能”的優(yōu)勢。

　　4.5礦山應用

　　工程機器人在地下礦山有廣泛的應用，可用來(lái)進(jìn)行巷道支護、撬毛、二次破碎、鉆錨固孔和爆破孔等作業(yè)。很多有色金屬礦山和黃金礦山可以用工程機器人進(jìn)行破大塊、剪錨索、挖水溝、修理斜坡道和整修變形的巷道等作業(yè)。同時(shí)，機器人可用做溜井格篩旁邊的固定破碎站，也可作為窄礦脈的礦石回采和扒礦。機器人采用無(wú)線(xiàn)遙控操作，地下礦山作業(yè)時(shí)，操作人員可以選擇安全、視線(xiàn)好的位置操作機器，避免落石對人員的傷害。

　　4.6核工業(yè)

　　由于核電站設備結構復雜，設備本身或其運行環(huán)境具有放射性，同時(shí)還兼具水下、高溫、高壓等特點(diǎn)，簡(jiǎn)單的機械手往往不能完成相關(guān)操作，利用機器人進(jìn)行設備檢修、乏燃料轉運、放射性廢物處置和核事故應急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照劑量和勞動(dòng)強度。

　　5總結與展望

　　工程機器人最大的特點(diǎn)是工作在非結構環(huán)境下，且面臨的工作環(huán)境更復雜。從某種意義上講，一個(gè)國家工程機器人的技術(shù)水平反映了這個(gè)國家機器人的技術(shù)水平。工程機器人因其先進(jìn)的性能已被廣泛地應用到核工業(yè)、搶險救援、建筑工程、農業(yè)、冶金行業(yè)等，隨著(zhù)科技進(jìn)步和技術(shù)積累，工程機器人在未來(lái)必將發(fā)揮更大的作用。

　　我國的工程機器人起步較晚，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，雖取得了一定的成績(jì)，但和國外發(fā)達國家相比，差距還很大。毋庸質(zhì)疑，21世紀機器人技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭的高科技制高點(diǎn)。我們必須緊跟世界科技發(fā)展的潮流，加大對戰略性、基礎性、關(guān)鍵性作用的重大課題的投入，不畏艱難、刻苦攻關(guān)、提高自主創(chuàng )新的能力。同時(shí)，我們也要加強同國際科技界的交流與合作，努力學(xué)習和運用世界先進(jìn)科技成果，為我國機器人事業(yè)的發(fā)展作出應有貢獻。