工业机器人3

第2章 工业机器人

2．1 工业机器人概述

国际上第一台J—业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进入了一个缓慢的发展期，直到进入80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。进人90年代以后，装配机器人和柔性装配技术得到了广泛的应用．并进入了一个大发展时期。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控(NC)、可编程控制器(PLC)一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段。广泛应用于制造业的各个领域之中。纵观世界机器人的发展史，60年代为机器人发明和创建阶段；70年代为机器人走向实用化和产业化初建阶段；80年代为机器人普及和产业化高速发展阶段；90年代机器人进入智能化发展阶段，机器人得到广泛应用，并向非制造业拓展。 机器人由于其作业的高度柔性和可靠性、操作的简便性等特点，满足了工业自动化高速发展的需求，被广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子和电器、计算机和信息以及生物制药等领域。据国际机器人联合会统计，60年代末工业机器人开始产业化发展以来，到1998年末累计年度销售机器人达到1020 000台。

然而，早期的大多数机器人现在已不再服役。所以，实际运行的工业机器人数量要比该数据少。欧洲经济委员会(ECE)和国际机器

人联合会(IFR)伦计．到1998年末，全世界运转的工业机器人总量为720 000台： 日本的机器人保有量占世界的一半还多，然而，近年来它的份额正在持续减少。 1990年全世界的工业机器人的年销量达到8l000多台，创历史最高记录。在经历了199l—1993年的不景气之后，1993年全世界的上业机器人销量急剧下降到约54000台。此后，世界工业机器人市场开始恢复活力，到1997年再创新高，达到85000台。近年来，工业机器人的市场一直在稳步快速增长。随着全球新经济的到来和高新技术的快速发展，机器人的应用领域将会愈来愈广，其作用也会越来越大。

2．2 工业机器人结构

2．2．1 工业机器人定义

工业机器人是机器人家族中的重要一员，也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。世界各国对工业机器人的定义不尽相同，但其内涵基本一致。 国际标准化组织(ISO)曾于1987年对工业机器人给出了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”。日本工业标准(JIS)采用此定义，这也与美国工业机器入学会(RIA)的定义相近。在德国的标准(VDI)中。对工业机器人则给出了更为具体的定义：“工业机器人是具有多自由度的、能进行各种动作的自动机器。它的动作是可以顺序控制的。轴的关节角度或轨迹可以不靠机械调节，而由程序或传感器加以控制。工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工业，可以完成材料搬运和制造等操作”。

ISO 8373对工业机器人给出了更详细、具体的意义：“机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有3个或以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底

座可固定也可移动。”

2．2．2 工业机器人系统结构

工业机器人一般由两大部分组成：一部分是机器人执行机构，也称作机器人操作机(robot manipulator)，它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制器，它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。机器人控制器是机器人中最核心的部分，机器人性能的优劣主要取决于控制系统的品质。机器人控制系统集中体现了各种现代高新技术和相关学科的最新进展。当然，机器人要想进行作业，除去机器人以外，还需要相应的作业机构及配套的周边设备，这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统。图2—1给出了工业机器人的系统结构。

2．2．3 工业机路人操作机结构 迄今为止．典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能，所以机器人操作机也称作机器人手臂或机械手，一船简称为机器人。机器人机构可以视为一种杆件机构，它的基本结构是将机构学中的杆件(1ink)和运动副(pair )相互连接而构成的开式运动链(open loop kinematics chain)。当然也有部分闭链或全部闭链的机器人。图2—2是一个开链结构的工业机器人。

由图2—2可以看出，在机器人中，连杆可称为手臂，运动副称作关节(joint)，关节分为平移关节和转动关节。机器人的末端称为手腕(wrist)，它一般由几个转动关节组成。在机器人中，手臂决定机器人达到的位置，而手腕则决定机器人的姿态。下面详细介绍机器人的几个重要概念及其典型的结构形式。

1)杆件与自由度

机器人是由杆件和连接它的关节(运动副)构成，关节由一个或多个自由度(degree of freedom)组成。

杆件是指两个关节之间的连杆，杆件一般有串联杆件和并联杆件两类。

自由度是表示机器人运动灵活的尺度，意味着独立的单独运动的个数。自由度分为主动自由度和被动自由度两类，前者指该自由度能产生驱动力，而后者不能产生驱动力，只能被动地跟随其他关节运动。∑

表2—1是几种有代表性的单自由度关节的符号和运动形式。

设可动部件的个数为n，自由度为f的关节个数为下式算出

杆件和关节的构成方法大致可分为两种。从手臂的全貌看，构成手臂的杆件和关节是串联连接的，称为串联杆件机械手(serial link manipulator)或开式链机械手；而并联连接的，则称为并联杆件机械手(parallel link manipulator)或闭式链机械手。在图2—3中给出了串联和并联机械手的自由度构成的例子。实际上，大部分机械手是串联杆件型的。

，则杆件机构的自由度数F可由

在三维空间中的无约束物体，可以做平行于x、y、z各轴的平移运动，还可以做围绕各轴的旋转运动，因此它有与位置有关的3个自由度和与姿态有关的3个自由度，共6个自由度。机器人手臂为了能任意操纵物体的位置和姿态，必须最少有6个自由度。

人的手臂有7个自由度，其中肩关节为3，肘关节为2、手关节为2(或从功能观点来看，也可认为肩关节为3，肘关节为1，手关节为3)，它比6还多，把这种比6还多的自由度称为冗余自由度(redundant degree of freedom)。人由于有这样的冗余性，在固定了指尖方向和手腕位置的情况下，可以通过旋转肘关节来改变手臂的姿态，因此就能够回避障碍物。

决定机器人自由度的构成．必须是它能完成与目标作业相适应的动作。例如，若仅限于二维平面内的作业，有3个自由度就够了。另外，在化学工厂这类障碍物很多的有代表性的环境中，如果是用机器人进行维修为目的、那么也许将需要7个以上的自由度。 (2)自由度的构成

自由度的构成方法将极大地影响机器人的可动范围和可操作性等性能。例如，球形关节的构造，是可以向任意方向动作的3个自由度关节，它能方便地决定适应于作业的姿态。然而，由于驱动器可动范围的限制，它很难完全实现这一功能。所以机器人通常是把3个单自由度机构串联连接，以实现这种3个自由度的要求。采用这样的串联连接方法，即使是相同的3个自由度，其自由度的组合方法也有多种，各自的功能也不同。

另外，

在进行这样的自由度组合时，必须注意奇异点(singular point)的存在。所谓奇异点，是指由于手臂机构的约束，导致手臂姿态失掉了某特定方向的自由度功能，加之由于这种自由度的退化，进而在奇异点的附近，关节必须作急剧的姿态变化，驱动系统将承受很大的负荷。奇异点的回避问题，主要是在手臂的轨迹控制中加以解决。所以在设计时．有效的方法是设法使自由度的构成在执行作业内容时能容易地回避奇异点。奇异点的例子如图2—4所示在图中、沿箭头方向的自由度已经退化，机械手不能沿此方向运动。

3)动作形态的分类

手臂的主要目的是在三维空间内定位，为此，如前所述必须要3个自由度。这样的自由度构成法，若考虑平移、旋转、回转三种自由度的组合．则共计存在27种，然而根据它的动作形态，代表性的自由度构成可以分成下面五种： ①圆柱坐标型机器人； ②球坐标型机器人； ③直角坐标型机器人； ④关节型机器人； ⑤并联机器人。

圆柱坐标型机器人(cylindrical coordinate robot，见图2—5)是由一个回转和两个平移的自由度组合构成：球坐标型机器人(polar coordinate robot．见图2—6)是由回转、旋转、平移的自由度组合构成。这两种机器人由于具有中心回转自由度，所以它们都有较大的动作范围(motion range)，其坐标计算也比较简单。世界上最初实用化的工业机器人“Versastran”和“Unimate”分别采用了圆柱坐标型和球坐标型的构成。

直角坐标型机器人(cartesian coordinate robot，见图27)的自由度是独立沿x、y、z轴的，结构简单，精度高，坐标计算和控制也都极为简单。

关节型机器人(articulated rob俄t)主要是由回转和旋转自由度构成，可以看成是仿人手臂的结构，它是具有肘关节的连杆关节结构，见图2—8。从肘(elbow)至手臂根部(肩：shoulder)的部分称为上臂(upper arm)，从肘到手朗(wrist)的部分称为前臂(forearm)。这种结构，对于确定三维空间上的任意位置和姿态是最有效的。它对于各种各样的作业都有良好的适应性，但其缺点是坐标计算和控制比较复杂．且难以达到高精度。

图2—8是一殿关节型机器人手臂，它采用回转、旋转、旋转的自由度结构。 关节型机器人，根据其自由度的构成方法，可再进一步分成几类。

图2—9是在标准手臂上再加上一个自由度(冗亲自由度)，即所谓仿人型(anthropomorphic)。

图2—10的手臂采用了平行四边形连杆，并把前臂关节驱动用的电机装在手臂的根部，可获得更高的运动速度。

图2—11称为SCARA型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)，手臂的前端结构采用在二维空间内能任意移动的自由度，所以它具有垂直方向的刚性高、水平面内刚性低(柔顺性)的特征。但在实际操作中主要不是出于它所具有的这种特殊的柔顺性质．而是因为它更能简单地实现二维平面上的动作，因而在装配作业的应用中普遍采用。

并联机构的机器人(见图2—12)是一种新型结构的机器人，它通过各连杆的复合运动，给出末端的运动轨迹．以完成不同类型的作业。该结构的机器人特点在于刚性好，可用来完成数控机床的一些功能，因此也称之为并联机床。目前已有这方面的样机，它可完成复杂曲面的加工，是数控机床的一种新的结构形式，也是机器人功能的一种拓展。其不足是控制复杂，工作范围比较小，精度也比数控机床低一些。

以上介绍了工业机器人的一些基本结构形式和特点．表2—2给出了常见工业机器人的结构形式和运动形态。

2．3 工业机器人控制

控制系统是机器人中的关键和核心部分，它类似于人的大脑，控制着机器人的全部动作，

机器人功能的强弱以及性能的优劣，主要取决于控制系统。 2．3．1 机器人控制技术的发展

机器人控制技术的发展实际上一直是伴随着自动控制技术、计算机技术、微电子技术、电机驱动技术以及传感器技术等相关技术的发展而发展的。早期的机器人控制器功能很简单，但系统却很庞大，操作起来比较复杂，精度和可靠性也不高．因此机器人仅能完成一些简单的顺序作业，机器人的维护量非常大，寿命也不长，但价格却很昂贵。

进入20世纪80年代以后，随着微电子技术的发展，特别是随着微处理器的出现，机器人控制器也发生了革命性的变化、机器人控制器由过去的一个简易控制装置，变成了一个由计算机控制的高性能控制器。它具有良好的人机界面。具有功能完善的编程语言，系统保护、状态监控、诊断功能日趋完善，对外通讯能力进一步加强。由于计算能力的提高和存储能力的扩大，这时的机器人控制器已能实现一些比较复杂的控制算法，完成复杂轨迹的规划和插补运算．因此大大提高了机器人的控制精度和作业能力。同时机器人的操作也变得非常简单．可靠性有了很大提高。此外由于机器人通讯能力的增强，使得机器人由过去的单台独立工作．变成可以多台机器人同时作业，甚至形成一条多台机器人组成的机器人生产线，大大拓展了机器人的应用领域。图2—13是一条点焊机器人组成的汽车焊接生产线。

90年代以后．计算机性能进一步提高，比的集成度也越来越高，过去需要多个CPU及控制板才能完成的功能，现在一个芯片就可以完成。机器人控制器的功能已变得非常强大，其控制能力已由过去的6—9轴扩展到多达21轴．可同时完成多台机器人及周边装备的协调控制。而机器人控制系统的体积却越来越小．价格也愈来愈低。此外由于计算能力的增强，过去的模拟控制已全部由数字化控制来代替，并且过去许多由硬件来实现的功能现在也完全可由软件来实现，因此大大提高了系统的可靠性和柔性，同时降低了成本。现在机器人系统的可靠性已由最早的几百小时提高到现在的6万小时，并且操作非常简便，几乎不需要维护。 在机器人控制系统中，其开放性和通讯功能也有了很大提高，机器人控制器可方便地实现与其他先进的工业自动设备的互联，，也可通过CAN—BUS、PROFIBUS或Ethernet与企

业不同级别的网络连接，形成一个先进的企业制造系统。 2．3．2 机器人控制的基本原理

要使机器人按照人们的要求去完成特定的作业，须作下面几件事情： ①告诉机器人要做什么；

②机器人接受命令，并形成作业的控制策略；

③去完成作业；

④保证正确完成作业，并通报作业已完成。 上述四个过程就是通过机器人控制器来完成的，也是机器人控制器的基本原理。第一个过程在机器人控制中称作示教，也就是通过计算机可接受方式告诉机器人去做什么，结机器人作业命令；第二个过程则是机器人控制系统中的计算机部分，它负责整个机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策略的制定，作业轨迹的规划等任务，这是机器人控制系统中的核心部分；第三个过程是机器人控制中的伺服驱动部分，它通过不同的控制算法．将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电机，实现机器人的高速、高精度运动，去完成指定的作业。最后一个过程则是机器人控制中的传感器部分，通过传感器的反馈，保证机器人去正确地完成指定作业，同时也将各种姿态反馈到计算机中，以便使计算机实时监控整个系统 的运动情况。图2。14是机器人控制基本原理框图。

2．3．3 机器人控制系统的典型结构

下面以新松机器人自动化公司开发的高性能机器人控制器为例说明机器人控制器的结构和主要功能。新松公司的机器人控制器采用多CPU计算机结构，分为主计算机相编程示教盒〔手控盒)及位置伺服模块，见图2—l 5。主计算机和编程示教盒通过串口进行异步通讯。主计算机和伺服模块分别完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。系统采用模块化结构，根据需要可以配置成不同轴数的机器人系统。

整个机器人控制系统采用开放式和模块化结构、32位计算机全数字控制。在硬件上，采用全新设计的计算机控制系统、控制柜和编程示教盒。在软件上、采用软件工程的思想，实现了以功能键驱动的全菜单操作的汉字机器人操作系统，系统操作更为简单。

(1)系统硬件结构

系统组成如图2—15所示。

(2)人机接口的设计

编程示教盒是机器人控制器中人机交互的主要部件，它通过串行口与主计算机相联。目前对编程示教盒的外形要求符合人体工程学的标准，因此需要进行三维CAD设计，见图2—16。

早期的示教盒只有示教功能，而没有编程功能。编程要使用键盘和显示器，不适合于工业现场的应用。现在已将示教和编程的功能集成在一起，发展出新型的编程示教盒。编程示教盒一般由显示屏、功能按键和急停按钮组成，用单片机进行营理。显示屏采用大屏幕的点阵LCD图形显示器，可显示多行汉字。

编程示教盒的显示界面由四个区域组成，即状态提示行、程序显示区、信息提示区和软键提示行。整个操作采用基于功能键的软键菜单和汉字帮助信息。

(3)软件系统构成

机器人控制器的软件操作系统由机器人基本系统和机器人应用系统组成。基本系统包括实时多任务操作系统、机器人语言系统、机器人模型、输入输出控制、通讯系统等功能。机器人应用系统则是一个机器人作业软件包，针对不同的作业特点，设计相应的作业软件，以实现最优作业。例如．为适应机器人弧焊作业，在软件系统中必须配置完善的弧焊机器人作业控制软件，提供多种焊机文件、焊接文件和摆动文件，以适应不同的焊机、复杂的焊接工艺条件的情况。弧焊机器人的焊接指令具有抗粘丝功能，摆动指令具有直线、L形、三角形和任意波形的摆动算法。

此外，控制器软件还要具有内嵌PLC功能和机器人的协调运动算法，使机器人控制器的控制数达到10个轴以上，以满足多个机器人及周边设备的协调运动控制和作业的要求。同时要具有完善的系统自诊断功能，提供系统的在线帮助，便于对用户进行操作指导利系统维护。

控制软件系统根据软件工程的方法按层次划分为不同的功能模块，其框图如图2—17所示。

新松机器人控制系统的主要性能指标如表2—3所示。

2．4 工业机器人编程及仿真

机器人本来应该能自主地进行运动，但是，现阶段的机器人还没达到这个水平，为了让机器人产生出我们所希望的动作，就必须预先设计机器人的运动过程和编制完成这种运动过程的先后顺序，这利计算机中编制程序的概念是一样的，早期的机器人编程是人通过手把手地示教进行的。示教时把机器人各个关节的角度用多通道记录仪记录下来，然后根据所记录的信号让机器人再现与这些关节角度一样的动作，从而实现人们对机器人的编程。这个过程很像录音机在录制完声音后再重放这种声音的过程。这种方式在机器人技术中叫做示教再现(teaching play—back)。后来，人们使用一种形式语言来描述机器人的运动，这种形式语言叫做机器人语言(robot language)。

机器人语言出现后．人们可以便用示教盒利机器人语言来对机器人进行编程。方法是；用示教盒将机器人移动到作业位置，然后用机器人语言记录这些位置信息、运动形式利作业内容，形成一个用机器人语言编写的机器人作业程序。执行这些程序，机器人就完成了预定的作业任务。通过机器人运动而对其进行示教的方法叫做在线编程(on—line programming)示教法。与此对应．不需要机器人运动而对其进行示教的方法叫做离线编程(off—1ine programming)示教法。在离线编程示教法中，一般使用机器人语言和CAD技术进行编程。

把示教再现法和使用机器人语言进行编程示教法作一比较，可以看出示教再现法的优缺点．如表2—4所示。

两种示教方法的不同之处是，机器人语言编程示教法重视记录机器人运动的文件和资料，以及更强调使用符号语言来进行各种描述；而示教再现法重视连续地用数值记录机器人的运动顺序与运动条件，其操作过程复杂，作业效率低。虽然现阶段的示教再现法比早期的有了很大的进步，但是还不能说已经从根本上克服了表2—4所列的不足之处，因此可以预料，机器人语疗编程示教法与CAD／CAM技术相结合，将会得到推广应用。

2．4．1 机器人编程的种类与特征 (l)机器人语言的定义及其特征

机器人编程是为了使机器人产生运动。在日本工业标准(JIS)中，从广义上对机器入的示教进行了定义，对机器人的编程也进行了定义，后考的定义是：“一种期望机器人完成某种作业的动作顺序的描述”。机器人语言就是为了方便地进行这种描述而发明的一种编程语言。不管是对机器人机械手的控制、还是对机器人两条腿的控制，所谓对机器入的控制，最终归结为对机器人的关节角度(或速度、力矩)的变化进行控制，于是研究与开发了在采样时间间隔内自动地产生能控制机器人关节角度的各种指令的方法。在日本工业标准中指出，机器人语言是“一种程序语言．一种用于向机器人系统进行输人的形式语言，这种形式语言以人们容易理解的方式，使机器入能够完成人们所期望完成的作业或动作”。机器人语言的含义是：“机器人语言是在人与机器人之间的一种记录信息或交换信息的程序语言”。 在设计机器人的运动过程时 ①运动顺序信息： ②环境信息；

③关于机器人的结构信息。 这些信息可以在现场进行实测，或者利用存储在计算机内部的已有信息。根据信息来源的不同，有各式各样的机器人运动的设计方式。但是这些不同的设计方式都介乎于使用机器人实际进行作业的示教再现方式与使用cAD／cAM示教方式之间。 不管是通用的算法语言，或者是系统的描述语言，这些描述机器人动作的形式语言都具有相同的算法结构。机器人语言具有下述四方面的特征： ①实时系统；

②三维空间的运动系统； ③良好的人机接口； ④实际的运动系统。

也就是说，必须在实时处理时间内(在伺服级中在l一10ms之间)能使三维空间内机器人的位置与状态发生物理性的变化。通过对几何模型的运算能够计算出机器人的运动轨迹。此外，机器人语言系统必须是容易掌握和使用的语言系统。 (2)机器人语言程序流程

使用机器人语言的系统流程框图如图2—18所示．包括规划系统和执行系统两大部分。

规划系统计算从零件形状到机器人动作顺序和运动轨迹的全部数据，但是目前已经实现的规划系统的功能还不充分。向执行系统输入机器人动作指令，然后输出机器人各个关节的角度。

所谓机器人语言是用数据和符号的形式对机器人的运动进行程序设计的一种语言，所以希望把这些动作指令在实际的机器人上进行试验或在计算机上进行仿真加以确认。这些动作指令程序不是间歇地执行的，而是能够及时地对指令程序进行解释和执行的人机交互系统。因此，在执行系统中要有对动作指令进行解释和执行的功能体系。目前具有语言功能的机器人系统大多数是把规划系统和执行系统结合在一起应用的，今后随着用于机器人的CAD／LAM技术进一步发展，估计能把零件形状定义、作业规划部分与动作执行部分分离开来。

2．4．2 机器人的语言功能

机器人的语言功能是对机器人动作证行描述和控制作业的流程。机器人运动轨迹的控制方式有两种。

(1)CP控制方式

CP是英文continuous path control的缩写，表示一种机器人连续轨迹控制方式，或表示指定机器人全部运动轨迹的控制方式。 (2)PTP控制方式

PTP是英文point to—point control的缩写，一种点位控制，它仅考虑控制的点位是否到达而不考虑各点位之间的轨迹形态。

对喷漆作业或弧焊作业的机器人进行控制的方式属于CP控制方式，对点焊作业或装配作业的机器人进行控制的方式主要是PTP控制方式．它是一种在时间上对各关节轴同时开始、同时结束的控制，而机器人的运动轨迹则因起始点位置的不同而不同。在CP控制方式小，实际上是在PTP控制方式中尽量把插补点的间隔取得很小，使得这些插补点之间的连线近似于一条连续曲线。

因2—19所示的机器人动作指令的一般形式为： MOVE PTl，VELl

这是从当前位置

0点移动到

l点的动作指令。其中

1是目标点的数据，

VELl表示移动平均速度或最高速度，这与机器人系统的加速或减速有关。表示机器人运动速度指令的表达方式有两种：一种是与动作相结合的方式，例如上述动作指令中的VEL1；

另一种是与动作指令分离的独立指令，这种速度指令的意义是在没有更改命令前保持同等速度，机器人运动速度指令表达方式为SPEED或JSPEED。许多机器人语言采用后一种表达方式。机器人轨迹控制的方式可根据从作业坐标系到关节坐标系的变换方式(逆运动学变换)与指定点的插补方式之间的前后关系来确定和进行分类，如图2—20所示。

一般工业机器人的插补轨迹分为三种类型：一种是直角坐标系中的直线插补，目的是使机器人的末端沿直线运动；另一种是圆弧的插补，它使机器人末端沿圆弧运动；第三种是关节空间中的插补，它只能使机器人从某一点到另一点，而不保证机器人末端的任何轨迹。在机器人作业中，根据不同的作业要求，选取相应的轨迹插补方式，一般情况下是几种插补方法的混合使用。

(1)直角坐标系中的直线插补

首先求出运动时间T，然后在直角坐标系内对如下关系式：

再选择适当的点数进行逆运动学变换，于是得到

在大多数情况下，要选择位置指令所指定的时间

间隔，如有必要，可在关节坐标系内再次对

进行直线插补运算，然后向伺服0和

1两点间进行插补运算，有

系统输出指令。

(2)直角坐标系中的圆弧插补

这是一种对轨迹进行函数关系很明确的插补方法。在几何学上定义一个圆弧有许多方法．例如指定圆周点及圆的半径，或指定三个圆周点等。从这些参数就可以在直角坐标系上列出圆的方程式，这之后与直角坐标系直线插补的方法相同，以适当的间隔在圆周围上进行逆运动学变换，然后得到系直线插补的方法一样。

(3)关节角的直线插补

首先把点

0和点

1在直角坐标系内的距离除以速度以确定通过点

0和

l的时间

以后的步骤与直角坐标

值。在以各关节角为纵轴、时间为横轴的曲线上，在1两点之间进行插补运

和

算。假设第i个关节的运动时间为T，始点和终点的关节角分别为

那么在关节角坐标系内的直线插补运算公式为：

其中点

[PT]表示在PT点的关节角

。

2．4．3 仿真技术 (1)概述

①机器人仿真技术 若要通过计算机自动控制机器人产生人们所期望的动作，就必须在计算机内部建立某种模型，机器人根据这种模型对动作进行规划，并自动地生成完成这些动作的目标程序。为了达到这个目的．需要把机器人操作机和机器人所在的作业环境抽象为某种模型．并且必须对人们所设计的机器人动作进行仿真。仿真技术在机器人的设计和应用中起着重要作用。一般来说，机器人仿真技术涉及的范围很广，但是大致可以把机器人仿真技

术分为两大类：

a．设计机器人时结构分析和运动分析的仿真技术 b．支持机器人编程的仿真技术。

a项仿真技术虽然与机器人的作业示教没有直接关系，但却是进行机器人结构设计时所必不可少的。不仅如此，把机器人结构分析技术与机器人运动分析技术综合在一起的设计支持系统也是当前最新的设计手段。b项仿真技术的出发点是在计算机内建立作业环境模型和使用这种模型对机器人运动进行规划。目前．运动示教是机器人系统技术的基础，而运动示教则是通过使用机器人语言编程来实现的。因此，支持机器人编程的仿真技术对机器人系统来说是一项很重要的技术。这种仿真技术水平的高低能左右机器人软件系统功能的优劣。这里仅介绍第二类仿真技术。

②机器人作业示教的仿真 由于引入了仿真技术，在对机器人进行作为示教的编程系统中就能实现如下的功能；

a．不用让机器人动作就能预先对其运动情况进行检查； b．能以对话形式对机器人运动进行示教；

c．能对机器人的运动进行规划，自动生成运动轨迹，使机器人自主地工作。

图2—2l是为了实现上述功能的编程系统框图。在支持机器人编程系统的仿真技术中有以下几项基础技术；在计算机内描述机器人和作业环境的建模技术；使用模型对机器人要完成的作业进行规划和对机器人运动轨迹进行运算的机器人运动仿真技术；把机器人的运动在图形显示器上进行显示的图形仿真技术等等。

(2)机器人建模

随着机器人技术的高度综合和计算机集成制造技术(CIM)的发展，机器人仿真技术已变得

越来越重要。机器人仿真技术不仅局限于单纯助机器人助机械手．在更有效地利用视觉等传感器助辅助设计方面，在利用传感器的信息从而实现机器人运动的离线编程等方面，都对机器人仿真技术提出了更高和更广泛助要求。为了满足这些要求，必须极大地提高作为仿真技术核心的环境模型的表达能力。在仿真技术与CAD／CAM技术相结合方面，在仿真技术中引入推理机制方而，都有许多急待解决的研究课题。另外如果不把前述两大类仿真技术有机地结合在一起，那么就不能形成完善的机器人仿真系统。 从现阶段仿真技术所达到的水平来看．还不可能一点不差地建立实际环境的模型，也就是说通过仿真技术所建立助环境模型总是与实际环境有不同之处。此外在建模过程中还存在由于误差、示教方法和传感器性能的不完善所带来助不确定因素，如何最大限度地消除这些不确定因素的影响，如何大力提高使用含有这些不确定因素环境模型的仿真系统的性能，都是机器人仿真技术中需要进行研究和开发的重大课题。

在机器人助仿真技术中，建模技术是核心，把计算机辅助设计系统(CAD)和机器人编程系统综合在一起，是机器人仿真系统的重要的研究方向之一。在这种综合系统中建立机器人模型时需要下述几方面的信息： a．对机器人机构进行分析；

b．用于避碰和机器人运动规划助作业对象和机器人本体的三维信息；

c．对作业对象与机器人本体之间的约束关系和连接关系等方面进行描述的信息； d．与机器人完成作业过程有关助知识。

正确地表达这些信息和运用这些信息是机器人建模系统所要求的最重要的条件。另外在仿真技术中重要的是能对三维物体的模型进行描述，为此在建模过程中必须了解以下各项内容：

a．能建立模型的物体种类；

b．对物体进行描述的完整性与唯一性； c．模型的描述与表达效率； d．生成模型的难易程度。 (3)支持机器人编程的仿真技术

①离线仿真技术 机器人的运动主要以程序控制的运动为主。自从在生产线上大量应用机器人以来，人们对采用仿真技术的离线编程系统(off—line programming system)的重要性有了深刻的认识。离线编程系统以CAD系统的零件数据为基础，通过图形仿真技术确认机器人的运动状态。

离线仿真技术(off—line simulation)能验证机器人向目标点靠近时的运动状况，也能验证机器人的运动轨迹、碰撞检测、机器人之间的同步动作以及估计机器人的运动时间等。

目前尚未达到机器人动态仿真的水平，这是因为计算机还没有足够的能力来进行各种数据的实时处理，而且与机器人运动有关的仿真需要较长的运算时间，因此要求仿真系统具有像离线编程系统的实时响应性是困难的。

②在线仿真技术 对机器人在线程序控制系统进行仿真，就是对机器人实际的运动进行仿真，当前的仿真结果将对其后的动作起指导作用，这种在线仿真技术(on—1ine simulation)也是一种重要的仿真技术。对于那些不能预测的事态就不能采用离线仿真方法，而只能用在线仿真方法，根据不同的状况进行机器人运动路径的规划和运动轨迹的修正。例如，实时地实现避碰功能就是一种典型的应用例子。

计算机的能力限制了需要实时处理的计算量，所以必须精心设计简化的环境模型，但到目前为止实现的例子很少。在离线仿真技术所设计的环境模型中，是以对三维物体形状和作业知识等进行符号描述为中心，而在线仿真技术中的环境模型是以动作目标值和势能函数等数值信息为中心的。离线仿真技术预先求出所需的近似数据，与从传感器得到的实际数据

相比较，根据两者之差进行运动轨迹跟踪、避碰检测和异常情况检测．这些都是离线仿真技术所要处理的内容。

2．5 典型的工业机器人

2．5．1 弧焊机器人(arc welding robot) (1)弧焊机器人的应用范围

弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中部有应用，这是因为弧焊工艺早己在诸多行业中得到普及的缘故。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统．而不只是—台以规划的速度和姿态携带焊枪(welding torch)移动的单机。图2—22为焊接系统的基本组成。图2—23为适合机器人应用的弧焊方法。

2)弧焊机器人的性能要求

在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝(bead weld)。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度约取5—50mm／s，轨迹精度约为

(0．2一0．5)mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定

的影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。还有其他一些性能要求，如表2—5所示。作业时为了得到优质焊缝，往往需要在动作的示教以及焊接条件(电流、电压、速度)的设定上花费大量的劳力和时间，所以除了上述性能方面的要求外。如何使机器人便于操作也是一个重要课题。

(3)弧焊机器人的分类

从机构形式看，既有直角坐标型的弧焊机器人，也有关节型的弧焊机器人。对于小型、简单的焊接作业，机器人有四五轴即可以胜任了，对于复杂工件的焊接，采用六轴机器人对调整焊枪的姿态比较方便，对于特大型共件焊接作业，为加大工作空间，有时把关节型机器人悬挂起来，或者安装在运载小车上使用。 (4)典型弧焊机器人的规格

图2—24是一个典型的弧焊机器入系统机器人操作机、机器人控制器和焊接系统，它主要包括三大部分：机器人操作机、机器人控制器和焊接系统；表2—6是典型弧焊机器 人的规格。

(5)弧焊机器人技术的发展趋势

①光学式焊接传感器 当前最普及的焊缝跟踪传感器为电弧传感器。但在焊枪不宜抖动的薄板焊接或对焊时上述传感器有局限性。因此检测焊缝采用下述三种方法：a．把激光束投射到工件表面，由光点位置检测焊缝；b．让激光过缝隙，然后投射到与焊缝正交的方向，由工件表面的缝隙光迹检测焊绕；c．用CCD摄像机直接监视焊接熔池，根据弧光特征检测。目前光学传感器有若干课题尚待解决。例如，光源利接收装置(CDD摄像机)必须做得很小很轻才便于安装在焊枪上，又如光源投光与弧光、飞溅、环境光源的隔离技术等。

②标淮焊接条件设定装置 为了保证焊接质量．在作业前应根据工件的坡口、材料、板厚等情况正确选择焊接条件(焊接电流、电压、速度、焊枪角度以及接近位置等)。以往的做法是按各组件的情况凭经验试焊，找出合适的条件，这样时间利劳动力的投入都比较大，最近，一种焊接条件自动设定装置已经问世并进入实用阶段。它利用微机事先把各种焊接对象的标腥焊接条件存储下来，作业时用人机对话的形式从中加以选择即可。 ③离线示教 大致有两种离线示教的方法：a．在生产线外另安装一台所谓主导机器人，用它模仿焊接作业的动作，然后将制成的示教程序传送给生产线上的机器人；b．借助计算机图形技术，在CRT上技工件与机器人的配置关系对焊接动作进行仿真，然后将示教程序传给生产线上的机器人。但后一种方法还遗留若干问题有待解决，如工件利周边设备图形输入的简化，机器人、焊枪和工件焊接姿态检查的简化，焊枪与工件干涉检查的简化等等。

④其他 在弧焊机器人系统的周边设备中有一种逆变电源。由于它靠集成在机内的微机来控制，因此能够精细地调节焊接电流，人们期待着它在加快薄板焊接速度，减少飞溅，提高起弧率方面发挥作用。

2．5．2 点焊机器人（spot welding robot） (1)点焊机器入的应用范围

汽车工业是点焊机器人一个典型的应用领域，一般装配每台汽车车体大约需要完成3000一4000个焊点，而其中的60％是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上．服段的机器人台数甚至高达150台。引入机器人会取得下述效益：①改善多品种混流生产的柔性；②提高焊接质量；③提高生产率；④把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱装备。 (2)点焊机器入的性能要求

最初，点焊机器人只用于增强焊作业(往已拼接好的工件上增加焊点)。后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。这样点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有：①安装面积小，工作空问大；⑦节距的多点定位(例如每0．3一0．4s移动30

一50mm节距后定位)；②定位精度高(．25mm)，以确保焊接质量；④持重大(60—

150kgf)，以便携带内装变压器的焊钳；⑤示教简单，节省工时；⑥安全可靠性好。 (3)点焊机器人的分类

表2—7列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电机驱动方向过渡。随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面的进步日新月异。在机型方面尽管主流仍是多用途的大型六轴垂直多关节型机器人，但是出于机器人加工条件的需要，一些汽车制造厂家也在进行开发立体配置的3—5轴小型专用机器人的尝试。

(4)典型点焊机器人的规格

以持重120kgf，最高速度4m／s的六轴垂直多关节机器人为例，其规格性能如图2—25、图2—26及表2—8所示。

这是一种典型的点焊机器人，可胜任大多数本体装配工序的点焊作业。由于实用中几乎全部用来完成间隔为30一50mm左右的打点作业，运动中很少能达到最高速度，因此改善最短时间内频繁短节距起、制动的性能，是点焊机器人追求的重点。为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重量，增加驱动系统的输出力矩。同时为了缩短滞后时间，得到高的静态定位精度，采用了低惯性、高刚度减速器和高功率的交流伺服电机。由于庄控制回路中采取了加前馈环节和状态观测器等措施，控制性能大大改善，50mm短距离移动的定位时间被缩短到0．4s以内。表2—9是控制器规格的一个例子。它不仅具备机器人所应有的各种基本功能，而且与焊机的接口功能也要很完备，还带有焊接条件的运算和设定功能以及与焊机定时器的通信功能。最近点焊机器人与CAD系统的通信功能变得重要起来。这种CAD系统主要用来离线示教。 (5)点焊机器人技术的发展动向

目前正在开发一种新的点焊机器人系统，它的概念如图2—27。这种系统力图把焊接技术与CAD、CAM技术完美地结合起来，提高生产准备工作的效率，缩短产品设计投产的周期，从而使整个机器人系统取得更高的效益。从图中可知，该系统拥有关于汽车车体结构信

息、焊接条件计算信息和机器人机构信息的数据库，CAD系统利用该数据库可方便地进行焊枪选择和机器人配置方案设计。至于示教数据，则通过网络、磁带或软盘输人机器人控制器。控制器具有很强的数据转换功能，能针对机器人本身不同的精度和工件之间的相对几何误差及时进行补偿．以保证足够的工程精度。该系统与传统的手工设计。示教系统相比，可以节省工作量50％，把设计至投产的周期缩短2个月。现在点焊机器人正在向汽车行业之外的电机、建筑机械行业普及，能适应该系统的焊接机器人正在开发中。 2．5．3 装配机器人(assembly robot) (1)装配机器人

机器人装配单元见图2—28，机器人装配线见图2—29。

水平多关节型机器人是装配机器人的典型代表。水平多关节型机器人如图2—30所示。对装配操作统计的结果表明，其中大多数为抓住零件从上方插人或连接的工作。水平多关节型机器人就是专门为此而研制的一种成本较低的机器人。它共有4个自由度：两个回转关节，上下移动以及手腕的转动，其中上下移动由安装在水平臂的前端的移动机构来实现。

手爪安装在手部前端，负责抓握对象物的任务，相当于人手的功能，事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件。通常，按抓取对象的不同需要设计其手爪。最近开始在一些机器人上配备各种可换手，以增加通用性。手爪主要有电动手爪和气动手爪两种形式。气动手爪相对来说比较简单，价格便宜，因而在一些要求不太高的场合用得比较多。点动手爪造价比较高，主要用在一些特殊场合。

带有传感器的装配机器人可以更好地顺应对象物进行柔软的操作。装配机器人经常使用的传感器有视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器和力传感器等。 视觉传感器主要用于零件或工件的位置补偿，零件的判别、确认等。

触觉和接近觉传感器一般固定在指端，用来补偿零件或工件的位置误差，防止碰撞等，恰当地配置传感器能有效地降低机器人的价格，改善它的性能。

力传感器一般装在腕部，用来检测腕部受力情况，一般在精密装配或去飞边一类需要力控制的作业中使用。 (2)装配机器人的周边设备

机器人进行装配作业时，除机器入主机、手爪、传感器外，零件供给装置和工件搬运装置也至为重要。无论从投资额的角度还是从安装占地面积的角度，它们往往比机器入主机所占的比例大。周边设备常由可编程控制器控制，此外一般还要有台架、安全栏等。 ①零件供给器 零件供给器的作用是保证机器人能逐个正确地抓取待装配零件，保证装配作业正常进行。目前，机器人利用视觉和触觉传感技术已经达到能够从散堆(适度的堆积)状态把零件一一分拣出来的水平，部分技术已投入使用。可以预料，不久在零件的供给方式上可能会发生显著的改观。目前多采用下述几种零件供给器。

a．给料器 用振动或回转机构把零件排齐，并逐个送到指定位置。送料器以输送小零件为主，实际上在引入装配机器人以前已有许多专用给料设备在小零件的装配线上服务。 b．托盘 大零件或易磕碰划伤的零件加工完毕后一般应码放在称为“托盘”的容器中运输，托盘装置能按一定精度要求把零件送到给定位置，然后再由机器人一个一个取出。由于托盘容纳的零件有限，所以托盘装置往往带有托盘自动更换机构。 ②输送装置 在机器人装配线上，输送装置承担招工件搬运到各作业地点的任务，输送装置中以传送带居多。理论上讲，零件即使随传送带一起移动，借助传感器机器人也能实现所谓“动态”装配，但原则上作业时工件都处于静止，所以最常采用的传送带为游离式，这样装载工件的托盘容易同步停止。

输送装置的技术问题是停止精度、停止时的冲击相减速振震器可用来吸收冲击能。 2．5．4 喷涂机器人(painting robot)

喷涂机器人广泛用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业。

与其他用途的工业机器人比较，喷涂机器人在使用环境和动作要求上有如下的特点： ①工作环境包含易爆的喷涂剂蒸气；

②沿轨迹高速运动，途经各点均为作业点；

③多数和被喷涂件都搭载在传送带上，边移动边喷涂，所以它需要一些特殊性能。 喷涂机器人通常有液压喷涂机器人和电动喷涂机器人两类。 (1)液压喷涂机器人

最早的喷涂机器人一般为液压驱动方式，它由本体、控制柜、液压系统组成。

机器人的结构为六轴多关节型，工作空间大，腰回转采用液压马达驱动，手臂采用油缸驱动。手部采用柔性用腕结构，可绕臂的小心轴沿任意方向做弯曲状态下可绕腕中心轴扭转

弯曲，而且在任意

由于腕部不存在奇异位形，所以能喷涂形态复杂

的工件并具有很高的生产率。

该机器人的控制拒由多个CPU组成，分别用于伺服及全系统的管理、实时坐标变换、液压伺服控制系统、操作板控制。示教有两种方式：直接示教和远距离示教。后一种示教方式具有较强的软件功能，如可以在直线移动的同时保持喷枪头姿态不变，改变喷枪的方向而不影响目标点等。还有一种所谓的跟踪再现动作，指允许在传送带静止的状态示教，再现时则靠实时坐标变换连续跟踪移动的传送带进行作业。这样即使传送带的速度发生变化，也能保持喷枪与工件的距离和姿态—定，从而保证喷涂质量。 为了便于在作业现场实地示教，开发了一种便携式操作板。它实际就是把原操作板从控制柜中取出来自成一体。这种机器人系统配备丰富的软硬件来实现条件转移、定时转移等联锁功能，还配有用边设备和机器人等的联动运行的控制系统。现在，喷涂机器人所具备的自诊断功能已经可以检查出高达400种的故障或误码操作项目。由于具备上述功能，大大提高了喷涂机器人的安全性、可靠性和可操作性。 ①高精度伺服控制技术 众所周知，多关节型机器人运功时，随手臂位置和姿态的改变，其惯性短的变化很大，因此伺服系统很难得到高速运动下的最佳增益。液压喷涂机器人当然也不例外。

加上液压伺服阀死区的影响，使它的轨迹精度有所下降。

后来的液压机器人靠高精度软件伺服系统解决了这个问题。的控制功能如下： a．在补偿臂姿态、变速变化引起的惯性矩变化的位置反馈回路中采用PID（proportional integral and differential）控制；

b．在速度反馈系统中进行可变P控制，以补偿作业中喷涂速度可能发生的大幅度的变化；

c．实施加减速控制，以防止在运动轨迹的拐点产生振动。

出于采取上述三顶控制措施，机器人在1．2m／s的最大喷涂速度下也能平稳地工作。 ②液压系统的限速措施 用遥控操作进行示教和修正时，需要操作者靠近机器人作业。为了安全起见，不但应在软件上采取限速措施，而且在硬件方面应加装限速液压回路。具体地，可以在伺服阀和油缸间设置一个速度切换阀。遥控操作时切换阀限制压力油的流量，把臂的速度控制在0．3m／s。

③防爆技术 喷涂机器人主机和操作板必须满足本质防爆安全规程的有关规定。这些规定归根结底就是要求机器人在可能发生强烈爆炸的0级危险中也能安全工作。在日本是由产业安全技术协会负责认定安全事宜的。在美国FMR(factory mutual research)是负责安全认定的机构。要想进人国际市场，必须经过这两个机构的认可。为了满足认定标准，在技术上可采取两种措施：一是增设稳庆屏蔽电路，把电路的能量降到规定值以内，另一是适当增加液 压系统的机械强度。

图2—31是一个汽车车体喷漆系统。两台能前后、左右移动的台车，各载两台液压机

器人组成该系统。为了避免在互相重叠的工作空间内发生运动干涉，机器人之间的控制柜是互锁的。这个应用例子中，为了缩短示教的时间，提高生产线的运转效率，采用离线示教方式，即在生产线外的某处示教，生成数据，再借助平移、回转、镜像变换等各种功能，把数据转送到在线的机器人控制柜里。

(2)电动喷涂机器人

如前所述，喷涂机器人之所以一直采取液压驱动方式，主要是从充满可燃性溶剂蒸气环境的安全着想。近年来．由于AC伺服电机的应用和高速伺服技术的进步，在喷涂机器人中采用电驱动已经参展为可能。现阶段，电动喷涂机器人多采用耐压或内压防爆结构，限定在l级危险环境(在通常条件下有生成危险气体介质之虞)和2级危险环境(在异常条件下有生成危险气体介质之虞)下使用。图2—32是电动喷涂机器人的照片。

电动喷涂机器人一般也有六个轴，但工作空间大。在设计手臂时注意了减轻重量和简化结构，结果降低了惯性负荷．提高了高速动作的轨迹精度。

该机具有与液压喷涂机器人完全一样的控制功能。只是驱动改用AC伺服电机和帕应的驱动电路，维修保养十分方便。

电动喷涂机器人采用所谓内压防爆方式，就是指往电气箱中人为地注入高压气体(比易爆危险气体介质的压力高)的做法。在此基础上，如再采用无火花AC电机和无刷旋转变压器，则可组成安全性更好的防爆系统。为了保证绝对安全，电气辖内装有监视压力状态的压力传感器，一旦压力降到设定值以下，它便立即感知，切断电源，停止机器人工作。

2．6 其他用途的工业机器人

弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人和涂装机器人是工业中最常用的机器人类型，前面对这四类机器人及其应用进行了介绍。除此之外，工业机器人还有一些其他的类型，如搬运机器人、水切割机器人、激光加工(切割、焊接及表面处理)机器人、检查和测量机器人、真空机器人以及移动式搬运机器人等。这些机器人进一步丰富和发展了机器人技术，同时也拓展了机器人应用领域。并且这些新的机器人和应用领域具有更广阔的发展前景。

搬运机器人主要用于工厂中一些工序的上下料作业、拆垛和码垛作业等。这类机器人精度相对低一些，但负荷比较大，运动速度比较高。其机器人操作机多采用点焊或弧焊机器人结构，也有的采用框架式和直角坐标式结构形式。随着工厂自动化程度的不断提高和生产节拍的加快，搬运机器人使用得越来越多。

水切割机器人、激光加工机器人是一种新的加工手段，它通过高压水和激光这种新的工具，对工件实施切割、焊接或者是金属材料的表面特殊处理，可以实现金属及其他材料的特殊加工，高压水切割的特点是其切缝处光滑，无需进行二次处理，并且避免了其他热加工手段带来的工件变形。激光加工则是充分利用了激光的特性，实现对工件的精密切割、钻孔、焊接以及表面热处理，这些作业往往是传统的加工手段无法完成的。

检查和测量机器人集三种功能于一体，包括机器人的运动控制、操作对象状态的感知以及对所采集到的信息进行分析和判断，最终给出检查和测量结果。检查和测量机器入主要用于工件的形状测量、装配检查以及产品缺陷检查等。在制造业中使用这种机器人，对改善产品质量、提高工作效率以及降低工人劳动强度都具有重要意义。

传统的制造业对环境的要求不高．机器人的作用往往是代替工人工作，在这种需求下诞生了诸如点焊机器人、弧焊机器人等工业机器人。随着信息技术和微电子技术的发展，这些行业也迫切需要机器人进行作业。但这些行业的特点是超精密化和精细化，产品的质量与环境的好坏有直接关系，在这种环境下作业对机器人有特殊要求，因此产生了净化机器人。对于净化机器人，如何抑制尘埃粒子大小和数量是其关银问题。另外，现代制造业中．许多器件的制造需要在真空环境下进行*因此也出现了真空机器人。净化机器人和真空机器人除对环境有很高的要求之外，其速度和精度也有了很大提高。并且机器人的结构不同于一般工业机器人的结构，具有一定的特殊性。

2．7 工业机器人发展趋势

前面介绍了工业机器人的发展历史、技术现状以及应用情况，下面展望丁业机器人技术的发展趋势。机器人技术是一种综合性高技术，它涉及到多种相关技术及学科，如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技术。团此机器人技术的发展一方面带动了相关技术及学科的发展，另一方面也取决于这些相关技术和学科的发展进程。近年来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。

(1)机器人操作机 负载／自重比大、高速高精度的机器人操作机一直是机器人设计者追求的目标，通过有限元模拟分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围。加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人性能：此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 (2)并联机器人（parallel robot)

采用并联机构，利用机器人技术，实现高桔度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术的一体化奠定了基础。意大利comau公司、日本fanuc等公司已开发出了此类产品。 (3)控制系统

控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标猴的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，以实现多机器人系统及周边设备的协调运动，并且实现了软件伺服和全数字控制。在该领域日本YASKAWA和德国KUKA公司处于领先地位。在人机界面方面，采用大屏幕及菜单方式，更易于操作，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示数编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 (4)传感系统 激光传感器、视觉传感器和力传感器在工业机器人系统中已得到广泛应用．并实现了利用激光传感器和视觉传感器进行焊缝自动跟踪以及自动化生产线上物体的自动定位，利用视觉系统和力觉系统进行精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。 日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。

(5)网络通讯功能

日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的连接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。 (6)可靠性

由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。

21世纪是数字化时代，制造业将会采用更先进的制造技术以及全部的数字化装备，而工业机器人则是数字化装备的典型代表，它会在未来的制造业中起着愈来愈重要的作用。同时人类也将进一步加快海洋开发和空间探索的步伐，对微系统的研究也会更深入。这就为先进机器人技术的发展提供了一个更为广阔的空间。因此无论是工业机器人技术还是先进机器人技术，在未来都有着广阔的发展前景。并且随着机器人技术的不断进步，两者将互相融合，向着智能机器人方向发展。

第3章 水下机器人

3．1 水下机器人发展与分类

3．1．1 概述

21世纪是海洋世纪，海洋占整个地球总表面的71％，无论从政治、经济还是从军事角

度看，人类都要进一步扩大开发和利用具有丰富资源的海洋。水下机器人作为一种高技术手段，在海洋开发和利用中扮演重要角色，其重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间的作用。

水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。

根据以上定义可以看出水下机器人具有四个基本特点。 (1)可移动性

移动是指水下机器人在海底爬行、附着在结构物上行进或在海水中浮游。其运动所需的动力由自身携带，也可由外部牵引或通过电缆供给。其运动是在三维空间中进行的。 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性

通过视觉观察水下世界是水下机器人最基本的功能和最主要的用途之一。目前，投人使用的遥控水下机器人中有半数以上被用于完成水下观察使命。应当广义地理解水下机器人的视觉，例如，使用光学和声学成像设备也可以组成水下机器人视觉。在水下机器人中采用了多种传感器，这些传感器构成了水下机器人的知觉，通过这些知觉水下机器人感受内部和外部环境信息。

(3)拥有完成使命所需的执行机构——机械手或其他作业工具

人们研制水下机器人的目的就是用它来代替人进人人类尚无法进入的恶劣环境中去执行某种使命。由于使命和作业对象的复杂性，必须设计许多专门的作业工具以应付不同的需要，机械手是最重要的工具。从完成使命的角度来看，显然机械手是水下机器人的主体和核心，机器人的其他硬件部分是为主体服务的。

(4)能自主地或在人的参与下完成水下作业

水下机器人拥有自己的大脑，通过大脑的思考、决策和指挥完成使命，显然这离不开计算机技术，特别是人工智能技术。近年来计算机技术发展很快，人工智能技术、智能控制技术均有很大的进展，有人预言说，40年后机器智能将达到人的智力水平和意识水平。随着机器智能技术的不断进步，水下机器人的自主能力也会极大地提高。但是，当前人工智能技术水平仍然不能完成复杂的水下作业。因此引入人的能力——遥控或人机结合——监控仍是当前大多数机器人所采用的控制方式。

以上是水下机器人的四个主要特点。应当说明的是，这并不意味着任何一台机器人必须同时具备上述四个特点，因为在实际应用中，人们总是让水下机器人完成指定的任务，并非要将水下机器人的全部功能都用到。机器人上的设备多少是依据任务而定的。 3．1．2 水下机器人分类及用途

水下机器人种类很多。可根据其结构形式、运动方式以及控制、用途等不同的原则进行分类。目前国际上通常将水下机器人按图3—1分类。

水下机器人，也称水下无人潜水器(UUV)，另有一类可以无人也可以载人的潜水器，也称双工潜水器。无人潜水器主要分为有缆遥控潜水器(ROV)和无缆自治水下机器人(AUV)，另外还有海底爬行水下机器人和拖航式水下机器人等。

ROV是从水中进行控制，带有推进器、水下电视、水下机械手和其他作业工具，能够在三维水域运动，由水面提供能源的装置。目前ROV广泛应用在海洋石油开发、救助打捞和水下工程中。ROV的重量在几公斤至几l吨之间，航速为2—4kn。由于航速较低且配置设备较多大多ROV的结构为开放式框架结构。

AUV自带能源，由于无线电信号在水中传播衰减很大，水下通讯主要采用水声通讯。由于声波受到水中传递速度和信号带宽的限制，无法保证AUV在水中的实时控制，因此无缆水下机器人的控制模式采用自治控制方式。所谓自治是指水下机器人具有一定的智能，在水中可根据水下环境和作业任务自动完成轨迹规划、障碍回避、作业实施。受人工智能发展水平的限制，目前可实用的水下机器人还不能完全实现自治控制，每次作业前由人对作业任务进行分解并进行任务规划，以预编程的控制方式保证水下机器人按事先计划的程序完成作业。但水下机器人控制最终发展目标是高度智能化的完全自治控制。监控是将人的因素参与到自治控制中，操作人员可以根据水下传递的信息进行判断和决策，将决策信息以宏命令形式通过水声下传给水下机器人，以修改作业程序或改变作业方式。监控方式可以使目前的水下机器人更加适应复杂的水下环境和作业任务。 3．1．3 水下机器人发展情况

人类利用潜水设备从事水下的采集活动具有很长的历史。早期的潜水设备主要利用类似现代的潜水钟的简易容器为潜水员在水下提供呼吸的空间。从16世纪开始，人类开始制造具有真正意义的潜水装置。这种潜水装置具有封闭空间，可以净化空气，具有观察窗并带有推进装置。关于第一艘“现代化”的潜水器，通常认为是

1890年下水的由西蒙·莱克制造的“阿尔戈纳特I”号(Agronant the First)。它是一艘小型潜艇，看上去很笨拙，用厚木板制成，用沥青进行水密，由一台汽油机作为动力，潜航时用一条通向水面并有浮力支持的软管作为通气管。此外，它还装有用动力驱动的滚轮和一个可以打开的底部舱口盖。当舱内压力与外界压力平衡时可以把舱口盖打开，让潜水员采集海底标本。20世纪60年代中期到70年代中期是载人潜水器的鼎盛时期。目前世界上有载人潜水器大约160艘，其中超过6000m的约有4艘。1960年美国海军的深海潜水器“特里斯特I”号(Triste the first)下潜到11000m深的马里亚纳海沟。“特里斯特”和法国的“阿基米德”(Archimede)是仅有的两艘潜深超过6000m的深潜器，除此之外还有美国、法国、前苏联、日本的一些载人潜水器能下潜到6000m的深处。美国1964年建造的“阿尔文”号(Alvin)一直在使用，被认为是载人潜水器中最起作用和效率最高的。 1985年，美国伍兹霍尔海洋研究所的罗伯特·巴拉德博士和他的两位同事乘坐“阿尔文”号潜水器、对沉没大西洋底70年的“泰坦尼克”探秘，他们携带了一只名叫“杰森”的小机械手，在历经两年多的考察工作中，“杰森”在科学家的操作下，取得了数百件有价值的物品。这一考察结果轰动了世界，也使水下机器人的研究更为人们关注。 由于载人潜水器是人身临危险环境的装备．它的生命维持系统等使得制造与维持费用十分昂贵．而且使用不方便，70年代后载人潜水器的发展进入低谷。随着技术的进步，可制造出无人的潜水器。代替人去深海的危险环境中工作，于是水下机器人便应运而生，开始得到发展。

早在50年代，有人设想把人的视觉延伸到神秘的海底世界，于是，他们就把摄像机密封起来送到了海底，可以说，这是第一代缆控水下机器人的雏形。 世界上第一个真正意义上的有缆水下机器人ROV—“CURV”，是在1960年由美国研制成功的。它在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，这件事在全世界引起了极大地轰

动，ROV技术也开始引起了人们的广泛重视。

70年代以来由于石油价格的上涨．使得海洋石油产业得到迅速的发展，由于在石油开采中使用水下机器人，同时电子技术和计算机技术的发展促进了ROV的迅猛发展，并且开始形成了ROV产业。

1975年，第一个商业化的缆控水下机器人——“RCV—225”问世了。“RCV—225”属于观察型水下机器人．外形就像一只球，所以又称作“眼球”。“眼球”首先工作在北海油田和墨西哥湾。从那时起，ROV的发展更加迅速，一些销量较大的优秀的ROV相继出现。例如，美国阿美泰克(Ametek)公司的“SCOPIO”水下机器人、佩瑞(PERRY)公司的“RECON—IV”中型水下机器人和“TRITON”大型水下机器人、加拿大ISE公司的“HYSUB”水下机器人等。现在，水下机器人在海洋开发的许多领域得到了广泛地应用。 据不完全统计，ROV的数量已经超过110种，全世界近300家厂商提供各种ROV整机、零部件以及ROV服务。

机器人的一个作用就是代替人在危险环境下工作，人们更需要水下机器人在深水能够代替人完成作业。由机器人做这些工作，将大大降低运作成本，同时保证操作人员的人身安全。目前水下机器人最成功的商业化应用是在海洋石油工业中，利用机器人进行钻井平台的检修、维护和抢修。这类水下机器人必须携带机械手才能完成预定的工作。

早在50一60年代，人们就认识到了无缆水下机器人的意义，但是由于技术难度太大，没能得到很大发展。70年代中期，由于微电子技术、计算机技术、人工智能技术、导航技术的飞速发展，加上海洋工程和军事活动的需要，使无缆水下机器人成为发展的热门。目前，世界上大约有四十几艘自治水下机器人，主要分布在美国、法国、加拿大、俄罗期和中国，水深从水面覆盖至6000m，主要用途是海底调查、资源勘探、科学考察、水下工程和军事目的。

内于国际互联网络和跨洋通讯的发展，90年代起，海底通讯电缆、光缆的数量和长度迅速增长。同时随着人类在海洋活动的增加，加大了海底电缆、光缆损坏的可能性。为了在各种水深条件下更合效地保护海底电缆，仪靠传统的铺设方式是不能满足要求的，需要合一种活动灵活、适应各种复杂环境作业的智能海底爬行机器人——自走式海绒埋设机(trencher)。从90年代初，一些国家开始研制海缆埋设机。英园SMD公司在1992年研制的“海床拖拉机“(Seabed tractor)是第—台利用自走式水下爬行机器人实现海底电缆及光缆埋设的设备，目前该类产品已有少量产品投入使用，并有迅速增长的趋势。 3．1．4 水下机器人应用领域

水下机器人初期的研究与发展都是以军事目的为背景。早期的发展主要围绕援潜救生、武器打捞、水雷对抗。真正的水下机器人的发展是在70年代。由于石油价格的上涨，海洋石油工业得到了迅速地发展，在石油开采中使用水下机器人，加上由于技术、计算机技术的日新月异，从而使水下机器人技术得到飞速地成长，其中ROV技术发展最快，并已形成产业。但目前仍有相当数量的水下机器人在军事上应用，尤其是高新技术的产品和研究大多是由军方和政府提出要求并提供经费。目前水下机器人广泛应用在民用和军事领域，以及在海洋、内湖环境下的各类水下工程作业。

水下机器人应用分为军用和民用两类，其主要用途见表3—1。 (1)军用有缆水下机器人

前面提到的美国海军的ROV“CURV”最引入注目。它是专门用于美国海军实验中心打捞沉没于水中的武器，其作业深度6l0m，1958年建成。在最初服役的6年中，平均每年回收约100个鱼雷及其他装置。在CURV的基础上，美国海军后来又改进建造了一艘CURV2和一艘CURV3，它们的作业深度分别增至为762m和2300m。这类水下机器人的另一个重要作用是协助潜水员执行打捞作业。 1973年8月CURV3和载入水下机器人PISCES V共

同打捞起另一艘沉没的载人潜水器PISCES III。当时这艘潜水器沉没在爱尔兰西北角480m

水深的海域，CURV3帮助“PISCES” 姐妹潜水器挂上了一根关键的起吊缆绳，救出了被因在潜水器内3

天零6小时的两名潜水员。1973年6月载人潜水器Johnson—Sea—Link号在佛罗里达海岸110m水深处被一艘沉船缠绕在海底。潜水员企图为它解脱，由于水流过大，多次努力均告失败。在将近32小时后．CURV终于将一个四爪钩固定到Johnson—Sea—Link号上，使它重返水面，救了两名艇员，另两名不幸遇难。1981年1月21日有缆自由航行遥控水下机器人又在斯梯纳斯普来特海200m水深处帮助潜水员解救了一只系统破损的包括两名潜水员的救生钟。1986年1、2月间，这种水下机器人还参加了打捞美国“挑战者”号航天飞机残骸的水下作业。这些成功的打捞活动展现了有缆遥控水下机器人ROV作为水下作业重要手段的良好前景。

(2)军用无缆水下机器人

进人70年代中期，由于微电子、计算机、人工智能、导航、制导、控制硬件和软件方面的技术进展，另一方面海洋工程和军事活动中面临一些特殊任务，要求水下机器人具有更大的续航力和航程，因此国外海洋石油产业和军方再次对AUV发生兴趣。当时许多宇航公司也获得了用于油田开发和军事目的的AUV研究和概念设计合同。研究结果表明，AUV是一种能进行深海搜索、调查、识别、取样、打捞等一系列作业的经济而又安全的工具。由于在系统中排除了人的因素，使系统具有造价低、重量轻、尺寸小和结构简单、系统更新换代周期短、吊放回收方便等一系列的优点。同时由于载入水下机器人的造价不断上涨．以及敌方反潜技术的不断改进和提高，使军方不得不认真地考虑AUV的军事应用价值。 AUV可用来辅助军用潜艇，作为它的体外传感器，为它护航和警戒，以及为它引开敌方攻击充当假目标。在反潜方面，AUV可担任海上反潜警戒，也可当作反潜舰艇进行训练的靶艇。另外，在水雷战和反水雷方面以及其他许多特种作业中，AUV都可以大显身手。 (3)民用水下机器人

由于近年来人们对海洋考察和开发的增多，水下机器人得到广泛的应用，其中ROV大量地被使用在各种水下作业中，AUV大范围、大深度的作业设备近期在深海资源勘探和科学考察上得到了快速地发展。由于造价和人员风险的原因，载人潜水器相对发展放缓。目前水下机器人主要应用领域包括水下工程、海洋石油、打捞救生和海洋科学考察等各方面。 ①水下工程

a．水下检查：查明管道、水下工程、电缆铺设的情况及其位

置，检查石油钻井平台和井口的锈蚀及损坏的程度，检查水库大坝及闸门的裂缝、损坏情况

等。 b．水下监视：监视和辅助潜水员进行水下作业、救助打捞和石油钻井平台的水下作业等。 c．搜索与识别：对海洋、湖泊、江河中的沉船、遗失的仪器、工程设备等搜索寻找、记录和识别。

d．安装与回收：协助石油钻井平台安装、搬迁，扭转阀门、 更换和安放设备，协助水下工程建设、打捞作业等。

e．水下清理：水电站拦污栅清理，海上石油钻井平台基础清理，船体、管道及水下构件除锈、除漆等。

②海洋救助与打捞救生 在海难救助，打拐沉船的作业中独立完成或协助潜水员完成水下作业任务。全球定位、搜索，救援通难舰船、解救受因潜水艇、中继通讯等。 ③海洋科学考察 海洋科学考察主要包括水文地质考察(记录海底地形、绘制海底地图、选择土样和岩石样本等)、海洋生物考察(测定海底生物形态，采集生物样本等)、海洋物理考察(测定地球磁场，考察石油、天然气、矿物资源，考察海底火山活动情况等)、海洋光学考察等等。

④水下考古 确定水下文物位量和性质理考古现场，打捞文物等。 3．1．5 水下机器人关控技术

①能源技术 有缆遥控水下机器人随着深度的增加，高电压的动力输送和动力设备是必须的。目前3000v电压动力较为普遍地应用在ROV设备上。为了减少脐带电缆的尺寸和重量，将来ROV会采用更高的电压等级。目前无缆水下机器人的能源较多是使用铅酸电他和银锌电池，估计5年后高密度电他(大600w·h/kg)将会得到使用。

②精确定位技术 目前水下机器人在水上采用GPS，水下定位采用声学定位设备。水下GPS技术目前正在迅速地发展，自治导航的精度预计将在5年内提高l0倍。 ③零可见度导航技术 混水作业一直是水下机器人应用的最大障碍，利用声学、激光技术以及计算机图形增强技术，将使这个难题得到解决。

④材料技术 在水中每增加10m的水深。外界压力将增加1个大气压(0．1MPa)。高强度、轻质、耐腐蚀的结构材料和浮力材料是水下机器人重点发展的技术问题。 ⑤作业技术 水下机器人的发展目标是代替人完成各种水下作业。柔性水下机械手、专用水下作业工具以及临场感、虚拟现实技术的发展，将使水下机器人在海洋开发中发挥更大的作用。

⑥声学技术 被称为声学技术革命的最新的“矢量换能技术”，可使自主水下机器人的跟踪距离达到100km以上。低频水声通讯技术可使在水下的通讯距离达到1000km以上，图像的水下传输距离可达20km以上。水声技术的发展将使水下机器人真正具有 “千里耳”。

⑦智能技术 机器具有与人相同的智能或超过人的智能是科幻电影的事情，从目前机器智能的发展程度看还需有较长的路要走。由人参与或半自主的水下机器人是解决目前复杂的水下作业的现实办法。

⑧回收技术 水下机器人的吊放回收作业一般是在海面附近 进行，所以常受海况条件的限制而成为影响水下机器人水下作业的 主要因素。

3．2 水下机器人结构

(1)载体结构特点

大多数ROV为长方体外形，开式金属框架．框架则大多采用铝型材。这种框架可以起围护、支承和保护的作用。框架的构件通常采用矩形型材以便于安装。与开式铝框架不同的

另一种结构形式是载体框架完全用玻璃纤维或金属蒙皮所包围组成流线体，这种水下机器人载体形似鱼雷或球。

水下机器人的大小各不相同．最小的只有几公斤，最大的则有几十吨(用于海底管线和通信电线埋设的爬行式水下机器人)。 (2)推进模式

除个别水下机器人采用喷水推进外，大多浮游式水下机器人采用螺旋桨推进，一般在螺旋桨外还加导管，以保证在高滑脱情况下提高报力。推进器驱动方式一般有电机驱动和液压驱动，小型

ROV和AUV多采用电动推进器，大功率、作业型水下机器人推进器通常采用液压驱动。 (3)动力供给

ROV都由水面提供交流电动力，供电电压通常与水下机器人的功率和工作深度有关。一般中小型水下机器人采用220V，50一60Hs单相交流电供电，大型水下机器人多用3000V以上的三相交流电向水下载体供电。

无缆水下机器人和载人潜水器自身携带电池，早期多采用密封的铅酸电他，现在多采用高比能的银锌电他等。 (4)密射及耐压

水下机器人密闭容器如电子仓通常采用常压封装，相对于环境压力的密封一般采用O形围密封，与陆地密封条件不同的是水下为外压密封，在设计中耍特殊考虑。压力补偿技术是水下机器人常用的耐比密封技术，水下机器人设备(如液压系统、分线盒)内部充满介质(液压油、变压器油、硅脂等)，另设一个带有弹簧的补偿器与设备仓体用一个管路连接，补偿器的外部与水连通，内部压力始终高于外部压力。带有补偿器可使水下容器的密封和耐压变得简单可靠，而丛重量轻。

浮游式水下机器人采用浮力材料来为载体提供浮力，以保证在水下的灵活运动；浮力材料通常采用高分于复合材料(树脂发泡或玻璃微珠)。浮力材料要求密度轻、耐压强度高、变形小、吸水率小。 (5)防腐技术

水下机器人载体材料多采用铝型材，铝表面在海水中的防腐一般采用硬质阳极氧化处理。为防止材料间的电化学反应，设计中避免在互相接触的表面采用电位差大的不同材料，如铜和铝。为减少电位腐蚀，铝框架一般采用镁块作为牺牲阳极。

3．3 水下机器人控制

3．3．1 控制基本类型

水下机器人控制所包括的内容比较广泛，主要有水下机器人的导航、驾驶、通信、作业、传感器、人机交互等，涉及包括控制理论、人工智能、机器入学、光学、水声学、海洋学、操纵性在内的多种学科。不同类型的水下机器人的控制问题所包含的内容有所不同。根据人在水下机器人执行使命过程中介人的形式和程度，可把水下机器人控制分成三类：遥控型水下机器人、自治型水下机器人、监控型水下机器人。

遥控型水下机器人在完成使命的过程中，由人来操作，目前广泛应用的ROV就属于这一类。遥控型水下机器人如何完成其使命是由人来思考和决策的，由人及时给出各种动作的控制信号，水下机器人被动地加以执行。由于人实时参与水下机器人的控制，在操作过程中引人了人的智力，能最大限度地发挥水下机器人的潜力，所以使用遥控型水下机器人能够完成较为复杂的使命。但使用这种水下机器人的缺点是人的劳动强度很大，而且人的疲劳还会造成操作失误，进而影响作业质量甚至发生危险。 自治型水下机器人在完成使命的过程中．人不实时介入，由水下机器人自主地执行其担

负的使命，AUV即属于这一类型。使用这种类型水下机器人进行作业效率高、质量好，人的负担很轻。但限于目前的技术水平。特别是机器智能的水平，水下机器人只能完全自主地执行简单的使命，不能进行复杂的作业。

监控型水下机器人在完成使命的过程中，人只是有限地介入或者说只是在高层次介入。例如，人可以告诉水下机器人在某个时刻应该做某件事，但是完成达件事的动作则由机器人自己产生。监控型水下机器人是对上述两种类型水下机器人能力的折衷，人的参与仅限于做一些由机器人无法完成的思考和决策工作，而具体的动作分解和执行则由机器人来完成。例如，人从控制台发出一道“打开阀门”的命令传给水下机器人，令其执行，水下机器人在执行这个命令时，机器人手臂的每个关节该如何动作，并不是由人给出的而 是由水下机器人自主决定的。 3．3．2 控制方法

水下机器人由于工作环境是在水下，其运动受到各种力和力矩的作用，因此研究水下机器人在这些力和力矩作用下的运动规律，由此建立起水下机器人的数学模型，是研究和设计水下机器人控制系统的基础。

机器人在水中受到的力主要有重力、浮力、水动力、推力、脐带电缆引起的干扰力、机械手作业形成的扰动力，此外还受到与这些力有关的力矩的作用。这些力和力矩形成的合力和台力矩．使水下机器人在水下空间产生6个自由度的空间运动。研究水下机器人在外力和外力矩作用下的运动规律，在此基础上可以建立水下机器人的空间运动的数学模型。 此外，水下机器人的水动力特性也是水下机器人控制的基础。研究水动力特性的意义是从操纵性的角度出发，研究水下机器人裁体的稳定性和快速性，尽管这不属于控制的范围，但我们在控制系统设计时必须考虑水动力的影响，以建立水下机器人的数学模型。水下机器人的水动力特性十分复杂，初步设计时通常采用计算的办法来确定某些系数，但要获得较准确的结果，则需要通过试验的办法来获得，本文不进行详细的讨论。

浮游式水下机器人多采用推进器作为运动控制部件，推进器产生的报力也是一种水动力。推进器是水下机器人控制系统的一个重要部件，在水下机器人中常采用的推进器通常驱动马达和螺旋桨组成。驱动马达可以是自流伺服电机或液压马达，在重型的水下机器人中多数采用液压马达，在中型和小型水下机器人中主要采用直流伺服电机。推进器性能的好坏对控制系统的设计影响很大。另外，推进器的布置、效率、响应特性等都是在控制系统设计时需要考虑的。

设计机器人控制系统的日的是使其完成特定的使命。所谓机器人的使命，就是人赋予它的工作任务。无论哪下种水下机器人，它在完成其使命时都要经历以下的过程：首先，根据使命确定任务并把这些任务加以分解，经过分解的任务交给相应的机构去执行，然后再把现场反馈信息判断这些任务分析的情况，如果任务

①水下机器人的航行控制或称驾驶控制； ②作业工具控制，例如水下机械手的控制； ③传感器控制和信号处理。 除水下机械手外，还可能有其他水下作业工具的控制。水下机械手的控制问题与陆上用机械手的控制问题类似。

高层控制则依水下机器人的类型不同而不同，遥控型水下机器人的高层控制是由人来实现的，自治型水下机器人的高层控制是由计算机软件实现的，而监控型水下机器人的高层控制是由人和计算机共同完成的。由于目前机器智能水平尚不能满足所有实际作业的需要，因

此有必要把人引入其中，将目前机器智能尚无法实现的功能由人来完成，这就使监控型水下机器人的能力比单纯自治型的大为提高。从这个意义上来说，监控型是自治型的高级形式。 底层控制和高层控制合在一起构成水下机器人的控制结构，也叫水下机器人的体系结构。

3．3．3 控制系统结构及发展

有缆水下机器人和无缆水下机器人的控制技术既有相同之处，也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角度来看．它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。

有缆水下机器人是目前应用较广泛的一类水下机器人，回顾有缆水下机器人的发展历史，可以看出，它的发展与控制技术的进步是密不可分的。 从50年代有缆水下机器人出现到70年代初期，由于电于技术发展的限制，控制系统中大量采用的是分立元件，因此，电子设备体积较大，可靠性也较差。这一时期的机器人看上去像一个庞然大物，

到了70年代，随着数字技术的发展，开始出现采用模拟—数字混合电于技术的水下机器人控制系统，特别是单片机的应用，不仅使控制设备体积缩，而且性能也有所提高。 从80年代中期起，大规模集成电路技术飞跃发展，特别是计算机得到了普遍应用，电子元件的集成度越来越高，电子设备所占的空间大大地减少，可靠性大大提高。用现在的技术制造的控制设备的体积是早期的十几分之一乃至几十分之一。

有缆水下机器人(ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分：水下控制设备、安装于载体上的水下控制设备和连接这两部分的脐带电缆。水上控制设备的功能是监视和操作水下载体，并向水下载体提供所需的动力。水下控制设备的功能则是执行水面的命令，产生需要的运动以完成给定的作业使命。脐带电缆用来传递信息和输送动力。见图3—2。

ROV控制系统由航行控制系统、导航定位系统、信息采集系统、观察系统、作业设备控制系统、水面支持设备控制系统、电缆等构成，主要是对ROV系统中的水下载体进行控制。由于ROV能通过脐带电缆不断地得到能源，可以对它进行实时控制。所以 ROV的控制过程，是人通过脐带电缆对水下ROV载体进行实时遥控的过程，即由操作人员

通过观察水下电视图像并参考水下各种信息。来实现的一种人—机交互控制过程，人来思考和决策水下机器人的使命并发出各种动作命令，水下机器人被动地加以执行。现阶段这种控制方式比较实用，但对操作者来说劳动强度较大，随着计算机技术的广泛应用，逐步开发出更生动形象化的人机操作界面，使这一工作逐步变得轻松和简单，操作者按照计算机提示的操作步骤和操作顺序进行工作，使复杂的、精确的操作不出现错误。计算机还可以帮助操作人员学习如何操作、维护和修理机器人。

目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术，更形象化地实现对ROV的控制。

人的介入一方面使许多复杂的控制技术得到了简化，另一方面也增强了ROV的功能，因而ROV不仅能用于观察也能用于作业。这一特点是ROV能在不到半个世纪的时间里从诞生走向产业化的根本原因。 任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复杂环境中尤其进人复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解脱这种束缚是各国水下机器人专家追求的目标，这就是自治水下机器人 AUV技术得以发展的理由。可以认为AUV技术是ROV技术的延伸和拓展。

但AUV对控制技术的要求相对于ROV要高。在计算机技术大量应用之前，人们只能用一些逻辑元件去实现自治功能，因此当时AUV的功能极其有限，这也是AUV技术在70年代以前不能得到迅速发展的主要原因。随着计算机技术的发展面兴起的人工智能技术、模式识别技术、机器视觉技术等，使AUV的控制性能有了发展基础并产生丁本质上的飞跃。 AUV的控制问题涉及到许多方面，如机器视觉、环境建模、决策规划、回避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变换、动力学计算、多变量控制、导航、通讯、多传感器信息融合以及包容上述内容的计算机体系结构等。

AUV在完成使命的过程中人不实时介入，由水下机器人自主地执行任务。使用这种类型水下机器人进行作业，其作业效率高、质量好，人的负担轻。这种机器人的控制，除底层控制外，还存在高层控制如何实现的问题。

按照控制技术的特点AUV可分为预编程型和智能型。预编程型是指AUV在完成使命的过程中完全执行预定的程序，在机器人下水前，操作人员根据使命需求，采用专门的语言编制使命程序、并将使命程序下装到机器人上的控制计算机中。机器人入水后，控制系统按照程序的要求，一步一步地执行整个使命，但机器人不具备根据环境变化而蚕新作出规划和决策的能力。

目前，步入实用化阶段的AUV主要是预编程型舶，严格地说这种AUV尚不具有挡能，具有智能行为的AUV还处在试验阶段。

智能型AUV则具有在未知环境中建立环境模型、根据模型重新决策和规划的能力；这种机器人比较复杂，是当前学术界研究的重点。

智能型AUV的控制也分成高层控制和底层控制两部分。高层控制主要是指水下机器人根据使命和环境作出的决策和规划，底层控制是指对水下机器人各执行机构的控制及传感器信号的初级处理。

无缆水下机器人的控制，由于信息传输问题，很难实现实时控制，往往要求实现自治式控制或智能控制，但由于控制对象很难用常规方法进行描述，控制技术十分复杂，因此，无线水下机器人的发展还依赖于人工智能技术和其他技术的进一步提高。 增加水下机器人智能行为一直是科学家们的努力目标，但是由于目前的人工智能技术不能满足水下机器人增强智能的需要，因此将人的智力引入到水下机器人中来，这就是监控型水下机器人的概念。不完全依赖于机器的智能。更多地依赖传感器和人的智能，是今后相当一段时间AUV的一个重要发展方向，我们把这种机器人称为基于传感器的先进水下机器人。

3．4 有缆遥控水下机器人

3．4．1 系统组成

有缆遥控水下机器人通常淘水下潜水器本体、中继器、零浮力脐带缆(系缆)、水上吊放系统、绞车系统、铠装脐带缆(主缆控制系统和动力系统组成，见图3—30。

(1)水下机器人本体

a．潜水器 潜水器是携带观察和作业上具设备的运动载体。在开式框架结构件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为零。在水平、侧向和垂直方向部装有推进器，从而可实现三维空间的运动。框架前部或必要的地方安置云台，在其上装有电视摄像机和照明灯。常规的传感器包括成像声纳、罗盘、深度压力传感器、高度计等。水下电子单元包括水下计算机、驱动器、控制模块，安装在常比的密封仓内。系统监视所需要的传感元件包括动力、压力、温度、漏水等，根据需要进行安装、检测和处理。

b．中继器 为了能迅速、准确地将潜水器达到预定工作水深和较快地收回到水面．同时为了减弱母船摇摆及脐缆所受海流阻力给潜水器运动印作业带来的附加阻力、干扰和影响，一般有缆遥控水下机器人配置中继器。中继器内储存系缆，并装有系缆驱动收放机构，潜水器非工作状态时将与中继器联锁在一起。

c．吊放系统 用以投放、回收中继器和潜水器。吊放系统通常采用门形结构、液压驱动．并设有消摆机构和脐带电缆的储存。

d．系缆 用于潜水器和中继器之间机械软连接及能源馈送和信息传输。系缆套穿浮力材料以使其在水中为零浮力，从而减小水流阻力对个体的干扰：

e．销装主缆 在吊放架与中继器之间完成机械软连接、能源输送、信息传输的作用。它是钢丝销装结构，以便同时起到吊放铜缆的作用，

f．观察作业设备 在运动载体上安装摄像机、成像声纳，构成载体的基本系统。在需要作业时，可再加装1—2支水下机械手和多种水下作业工具。

g．控制间 内放控制台及供电设备，简单维修设备等。水下载体的驾驶、监视、操作、指挥中心。

(2)控制系统

有缆遥控水下机器人的控制系统通常由水面控制、信息采集、信号传输、执行机构控制等几个部分组成。 (3)传感器

a．监视系统 主要指用于水下机器人水下搜索和水下观察的设备，一般包括有水下摄像机、云台及照明、成像声纳、声学和磁学定位系统等。 b．监控系统 主要指介入水下机器人运动控制和保障系统正常运行所需要的传感设备，一般包括有深度计、高度计、方向罗盘、温度、压力、电压电流等。 (4)动力及通讯传输系统

a．动力系统 为水下机器入水上设备(水面控制单元、控制间、维修间、水面设备)和水下设备(中继器、水下机器人本体)提供动力分配及保护措施?所有电气设备都需满足船用电气设备的规范要求。

b．通讯系统 为水下机器人系统的各个工作站点(控制间、水面设备、船长室)提供有线或无线的通讯联系。 (5)中继器系统

中继器(TMS)是有缆遥控水下机器人系统的重要设备之一。为保持水下机器人本体在水中具有良好的动作灵活性、运动平稳性和可操作控制性，在本体与吊放系统之间设置中继器。中继器直接由销装主缆吊放，在中继器与潜水器之间出具有中性浮力的系缆连接，这样既消除铠装主缆、母船的升沉、纵倾和横摇等对它的影响，也减少了本体推近系统所需功率．充分地发挥其本身的最大效率。

水下机器人开始下潜准备作业时，中继器可以作为下潜的压载与水下机器人一起由销装主缆吊放至作业深度。由于靠中继器的重量下潜，不需要水下机器人推进器工作，既节省了能源也提高了下潜的速度。

中继器一般只有系缆的收放功能、与水下机器人本体的锁拴功能和通讯的中继功能。同时可在收放过程中对水下机器人本体起到保护作用。 (6)吊放及绞车系统

吊放系统是将中继器与水下机器人本体安全、迅速地施放和回收的必配设备，同时承受连接母船控制台与机器人本体之间的电力控制和数据信息的传输。吊放系统通常由底架、U形门架(悬臂吊架)、滑轮、锁栓机构、销缆绞车、导电滑环以及液压动力系统组成。为了使工作平稳可靠，对吊放系统的要求是：具有良好的工作可靠性；足够的结构强度；收放时销装主缆锁紧的可靠性；施放过程中的制动能力和缓冲能力。 (7)作业工具系统

ROV在救助打捞作业中可完成的具体任务为水下搜索、水下观察、清除水下障碍、带缆挂钩、水下切割、水下清洗、水下打孔和水下连接等。

水下搜索和水下观察主要由ROV所携带的水下摄像机和声纳设备完成。具体的水下作业工具系统由通用水下工具和专用水下工具组成。

通用水下工具一般是指适应多种水下作业任务的水下工具，多指水下机械手。水下机械手可以将水下工具和其他设备放入适当的位置以便完成作业任务，它可以采用标准模式以获得最大限度地灵活完成多种作业功能。通常水下机械手被视为ROV的作业系统的核心，如果没有水下机械手，ROV只不过是一个可移动的观察底架。目前所有作业型ROV都装备l一2只水下机械手，同时水下机械于作为一些水下工具的安装基座，扩展了水下工具的工作主间。

专用水下工具主要是用来完成一些特定的水下作业．可以扩大水下机械手的作业能力和效率。如用于水下对钢丝绳及销装电缆进行切割的液压剪切器；用于水下管线和平台水下表面进行高效、连续清洗的水下清洗刷；用于水下设施各种表面清除沉积物工作的海水冲洗枪；

用于水下金属表面打磨、钢筋切断的砂轮锯等等。

水下工具按运动方式可分为旋转型、直线型和冲击型。具体分类如表3—2：

水下工具作为深水遥控作业的专用施工工具，应具有易于操作、能承受较高的海水压力、耐海水腐蚀、重量轻、体积小等特点。

水下作业工具系统一般都采用液压系统作为动力驱动系统。水下机械手与水下工具共同使用一个液压温和控制装置。以下就几种典型水下工具作一介绍。 ①水下机械手 水下机械手为老人有效地进行多样的水下作业，一般应具有4或5个自由度并外加一个夹持功能。为减少水下机器人的体积和重量，水下机械手应采取轻量化设计，大量采用铝合金材料。机械手各关节需要可靠的密封，运转灵活。

通常的作业型潜水器的前端一般都装有两个机械手：一只手较灵活，作业精度高，自由度相对多些；而另一只手较简单，但臂力大，能可靠地实施机器人水下悬浮作业的定位功能，并可兼顾部分作业任务。

水下机械手按操作方式—般可分成主从式和开关式。主从式机械手是把水下机械手当作从动手，另设一个与从动手自由度配置相同、尺寸成一定比例关系的主动手，操作者操动主动手，由于是采用位置—位置型伺服系统，主动手的瞬时动作被从动手反映，主从手的位姿保持空间对应。开关式机械手是当开关接通后，动作的传动机构以一种固定的或受到控制的速度进行运动，它通过电磁阀的开关来控制机械手的运动方向。开关式机械手较主从式机械手结构简单，价格低，容易操作和维修，所以得到了广泛的应用。

水下机械手的手臂采用铝合金框形骨架结构，由回转臂、上臂、伸缩臂、腕、夹钳组成(见图3—4)。油缸活塞杆的伸缩使相邻两臂绕回转轴做相对回转运动。手腕和夹钳的转动由腕套内的双作用缸驱动螺杆或液压马达来实现。

⑨剪切器 剪切器是直线运动型水下工具的代表，其工作原理是借助于动力驱动系统产生足够大的推力，推动平行移动的剪切刀片来剪断各种水下电缆和钢丝绳。剪切器一般应能剪断直径25．4mm以内的各种电缆和钢缆。剪切器切断铜缆的能力除受液压油缸的缸径和液压油源的压力限制外，还与切割刀的刀口尺寸、切割刀的材料及材料的热处理状态有关。 剪切器主要由液压油缸、固定刀、切割刀、安装座等组成(见图3—5)。剪切器通过安装座安装在水下机械手上或潜水器底架上。切割刀在油缸的活塞杆带动下做伸出运动时，必须保证切割刀与固定刀平行，为此在剪切器上设有导轨结构。

为减轻重量，剪切器液压油缸缸体等零件可采用铝合金林料。对强度要求较高的零件，采用不锈钢材料。所选用的铝合金材料经硬阳极化处理，其抗腐蚀能力非常高。 ③水下清洗刷 由于水下设施的表面很容易生长海生物或产生锈蚀，所以在进行大部分水下施工作业之前，都需要对其表面预先进行清洁处理。例如在进行水下喷漆、焊接等作业之前，需要将作业部分的表面清洁干净。特别是在安装、更换牺牲阳极的作业前、要求水下设施的金属结构与牺牲阳极间接触良好，这就需要将该处金属结构的表面彻底清刷干净。

清洗刷是旋转运动型水下工具的代表。其工作原理是通过液压马达带动清洗刷顺时针或逆时针旋转，通过刷盘上的钢丝除掉清洗面上的各种附着物（见图3—6）。

④砂轮锯 砂轮锯(见图3—7)属于旋转运动型水下工具，既可用于切割金属链、金属棒， 也可用于切割混凝土、橡胶、塑料等非金属。同时砂轮锯也可以对水下构件表面进行打磨。

在切割混合材料时，砂轮锯尤其具有很大的价值，例如对于钢芯橡胶，它能一次完成对两种材料的切割。

过高的砂轮转速，会导致水的粘滞阻力明显增大。综合考虑砂轮锈转速一般选3000r／min。 ⑤冲击搬手 冲击扳手也称为液压套筒扳手，属于旋转运动型水下工具。冲击扳手的工作原理是采用小而稳定的转矩或反作用力，并在短距离的冲击中把它们施加到输出轴上。在冲击扳手上装有可快速更换的卡盘，以适应不同外形尺寸的螺栓和螺母。 ⑥破碎锤 破碎锤属于旋转运动型水下工具，具有直线冲击的性能。破碎锤通过装在旋转马达上的凸轮去顶起带有负载锤头的弹簧，然后再放松．这样能量就集中在每一次冲击之中。因破碎机构靠一凸轮操纵．液压马达只能顺时针转动，为防止液压马达反转，液压回路 中装有止回阀。驱动破碎锤的动力执行元件与冲击扳手使用的相同。 3．4．2 典型有细遥控水下机器人介绍 (1)海人一号

“海人一号”是我国自主研究的第一台水下机器人沈阳自动化所与上海交通大学等单位于1980年开始研制，为我国水下机器人的起步和发展奠定了基础。图3—8是“海人一号”有缆遥控水下机器人的照片。表3—3是“海人一号”有缆遥控水下机器人的技术规格。

(2)RECON—IV—SIA

1985年沈阳自动化研究所与美国PERRY公司合作并引进生产技术，生产了RECON—IV—SIA中型水下机器人。RECON—IV—SIA是一个典型的有缆遥控水下机器实用化产品，它已在我国多项海祥石油、水下工程等项目中应用。图3—9是RECON—IV—SIA有缆遥控水下机器人的照片。表3—4是RECON—IV—SIA有缆遥控水下机器人的技术规格。

(3)金色号

金鱼号轻型水下机器人是由中科院沈阳自动化所开发的一个低成本的小型观察型有缆遥控水下机器人，可广泛应用在内湖地区的水下观测和检查。图3—10是金鱼号有缆遥控水下机器人的照片。表3—5是金鱼号有缆遥控水下机器人的技术规格。

3．5 无缆自治水下机器人

3．5．1 无缆自治水下机器人用途

无缆水下机器人主要用于海底地形考察及水文考察，搜索海底失事沉船，对失事海域现场进行测量，研究水下资源及海底矿产开发。由于没有脐带电缆，所有的操作都依赖于机器人本身自治完成。所谓自治就是自己管理自己，机器人本身带有能源、环境感知

装置及有效的运动控制系统，它可以在海底障碍物附近运动；自动分析环境的变化，并根据环境的变化作出反应；自动检测内部状态以便进行紧急处理；能按给定的航线自动航行，同

时实现定深、定向、定高、定距航行。

目前，国际上只有为数不多的国家有能力建造此类水下机器人。我国“CR—01”的研制成功，标志着我国的水下机器人技术已跨入世界领先地位，成为世界上少数拥有此项技术的国家之一。同时我国对除海沟以外的97％的全球海域，具备了详细探测的能力。 当前水下机器人的发展状况有如下特点。

①AUV的数量有大幅度地增加。据不完全的统计，80年代末，世界上AUV的总数不到20艘，到了90年代末，增加到近200艘。

②与ROV和载人潜器相比，当前AUV的研究工作倍受世界各国关注。

③AUV仍处于研究阶段，多数AUV属于试验床或试用样机，可作为商品出售的不多。这些项目多由军方资助。

④AUV的应用时代已经开始。以前，AUV的研究开发工作主要集中在大学和研究机构中．企业界并没有介入AUV这一新行业。1997年起企业介入这一领域并在各类机构中已经占一半左右，企业的介入表明AUV的应用时代已经开始。 (1)AUV的分类

目前世界上出现的AUV很多，各不相同，最大的AUV质量达8．6t(加拿大的Theseus)，最小的AUV质量为45kg(日本Aedac)。所有AUV都是针对具体目标专门设计的，还没有形成统一的规范和标准。我们可以根据不同的原则将AUV分类。

按照AUV智能水平可以将AUV分成三类：预编程型、智能型和监控型。

预编程型是AUV中最简单的一种，这种机器人在执行使命时基本上是按照程序的编排进行作业，它具有简单的越过障碍和发生故障时进行处理的能力，有的AUV还能接收简单的遥控命令〔如修改航线)并加以执行。 预编程型AUV已经进入了实用化阶段，法国的“逆载鲸”、俄国的“MT 88”、美国的“AUSS“及我国的“CR—01” 都有良好的应用记录。

按照航程可以将AUV分成近程型和远程型两大类。

一次补充能源，连续航行100km以下的称为近程AUV，大于100km的称为远程AUV。远程AUV以军事应用为主。

按执行的使命范围可以分成局部使命型AUV和大范围使命型AUV 。

局部使命的含义是指AUV在一个较小的作业现场执行使命，例如这个现场是海洋石油钻井井架附近。执行这类任务通常要求AUV与水面支持设备之间能进行高速率的通讯．以便能将水下信息，主要是图像信息传送给控制台，使操作者能像操作ROV那样 操作AUV。这种类型的AUV有时也称为声遥控型AUV。

大范围使命AUV是指在一个几平方公里到几十平方公里的区域里执行使命，例如搜索沉于某已知海域的沉船、飞机、重要军事沉物，对海底地形地貌进行测量，观察海洋生物或取样等作业。这里所说的大范围一般是指长基线声学定位系统覆盖的区域。超出覆盖区需要重新投放海底信标基阵。

按照应用目的还可以把AUV分为军用AUV和民用AUV。

军用AUV的应用目标主要有反水雷、作为攻击型兵器、进行侦察、破坏等。 民用AUV的应用目标比较广泛，主要用于海底资料调查、海洋科学研究等领域。 AUV还可以按其价值分为普通型AUV和经济型AUV。

经济型AUV一般造价在几万美金以下。这类AUV是针对特定应用项目而设计的，结构特别简单，安装设备少，因面价格十分便宜。而普通型AUV造价相对要高。

有些AUV兼有其他类型水下机器人的特点，我们称之为混合型AUV。这种AUV主要有有缆—无缆两用型和自治—拖曳两用型。

正如前面所说的，目前AUV仍处在研究开发阶段，根据不同的应用背景，人们必将开

发出更多类型的AUV。 (2)AUV的特点

AUV具有以下特点。 ① 重量轻、外形尺寸小。 ② 活动范围大，机动件好。活动范围大，机动性好是AUV的突出优点，也是AUV最吸引 人之处。AUV的活动范围不是受脐带电缆长度的约束，而是受能源、导航定位范围的约束。由于选择的能源类型不同，AUV的续航力相差很大。采用铅酸电池作为动力的AUV一般能以2kn速度航行6一l0h。采用银锌电池和热机作为动力，AUV续航力大大增加。小型核动力装置也可用于AUV。当然其代价是极其高昂的。

小体积的AUV可以较为自由地进入复杂的结构物或小尺度的空间中，这是其他类型器入难以做到的。但必须指出的是AUV在这种环境中的操纵与控制也是相当因难的，这对AUV的智能提出了很高的要求。要把这一优点变为可利用的现实还需人工智能、局域导航定位等相关技术的进步和发展。

③对气象条件的依赖性小。研究结果表明只要AUV工作深度在30m以下，基本上不受海洋表面海况的影响，但是AUV在投放入海或从海上回收时还是受海况影响的。恶劣海况会给回收工作造成很大的困难，也有很大的风险存在。因此研制安全的水下自动回收AUV的装置是十分必要的。而从岸基发射并在岸基回收的AUV则没有上述缺点，这也是当前国际上的一个发展方向。

④制造和使用成本低。有一种误解，认为AUV既然是智能水下机器人，技术复杂，必然造价十分昂贵。实际上，AUV的智能是由计算机实现的，而计算机的成本在整个AUV成本中已无足轻重，相比之下，ROV中脐带电缆、吊放系统和绞车等常规性设备的成本倒是占相当大的比重。如果说目前AUV的成本很高，主要是因为AUV尚处于开发阶段。

AUV与载人潜水器相比，具有安全性好的特点，安全性是实际应用中必须考虑的重要因素。载入潜水器的乘员是经过特别训练的专门人员，有的是科学家．其生命代价极其高昂，载人系统的制造、运行和维护成本大大地高于ROV和AUV系统的成本。

⑤快速响应能力。AUV可安装在任何类型的支持母船上，甚至可以用直升飞机将AUV送至事件突发现场，并迅速展开作业。国外曾报道发生海底火山喷发时．为了研究喷发对悔洋生物海床地质、地热裂缝、低层水田，海水的热和化学平衡等问题．需要迅速展开水下机器人的例子。

由于存在上述特点，使得AUV有广泛的用途，能完成相当多的科学使命。

AUV与拖曳式ROV相比也有一些特点。拖曳式ROV由水下拖体、拖缆、绞车和相关的控制设备组成，调查设备和测量仪器安装在水下拖体上，拖体的形状有点像鱼，因而也称这种水下机器人为“拖鱼”。水下拖体本身没有自航能力，由母船通过拖缆拖带航行。“拖鱼”主要用于大范围内搜索沉于海底的重要沉物，或者用于进行各种海洋学测量，这种机器人装备了搜索仪器设备、测量水下环境参数的传感器。机器人通过细素供电和传输信息，它的最大优点是水下载体结构简单，能长时间、长距离地进行调查作业。

但当工作水深增加时，拖曳缆索很长，为此，母船上安装的绞车和吊放设备十分庞大，这使得该系统的制造、使用和维护成本大大增加。它不仅占用母船大量空间，对母船的排水量要求也比较高。

AUV的转弯半径只有10m，有的AUV甚至可以原地转弯。“拖鱼”的转弯则十分困难，如果缆索很长，例如工作深度5000m的“拖鱼”缆索长度可达10km，其转弯半径不小于l0km，这对某些搜索工作是不利的。

“拖鱼”的速度受缆索阻力的限制，一般只能以1—2kn速度进行搜索，AUV的搜索速度可以很高，例如美国的AUSS．搜索速度可达7kn。

水面母船受波浪的影响会产生升沉运动，这种运动通过缆索影响水下拖体的正常行进，从而影响拖体上调查设备的正常工作。因此“拖鱼”系统定位精度很难保证。

资料表明，在某些场合，例如对于一个方形深海海底进行搜索和调查，使用AUV要比“拖鱼”效率高得多，这是因为AUV的机动特性要好于“拖鱼”。

载人潜水器和ROV的机功性较差，执行使命的代价很高，而AUV的机动性好且执行使命花费的代价低，因此用一台或多台AUV先进行大范围的搜索与调查，在这种调查的基础上确定需要进行仔细观察或进行采样作业的小区，再使用载人潜水器或ROV在指定的小区去完成上述作业，这显然是最有效和最为经济的实施策略。

例如常规的地球物理调查和水团调查，最优方案是，先使用多艘AUV确定出在科学上有意义的小区域，然后用载人潜水器有针对性地进行潜水作业，这样可以节省时间，提高效益。

有些场合，需要多次在海底和水面支持母船之间来回传送样品，可以使用AUV作为穿梭机往返水面与海底之间进行工作。这时如果只使用ROV，收放ROV系统会占用很长时间。

应当指出的是AUV技术仍在发展中，目前的自治水下机器人所能实现的功能主要是海底搜索、录像、拍照。受技术水平的限制AUV还不能执行复杂的使命和繁重的作业。军事应用，深水(几公里以下)、大范围(几公里到几百公里)的科学研究和资源调查将是未来自治水下机器人应用的优先领域。伴随着AUV技术的发展，AUV将在更多的领域代替载人潜水器和ROV系统。此外，AUV与上述两类技术互补，能进一步发挥各类水下机器人的优势，从而能更有效地完成更加复杂的使命。

AUV没有脐带电缆，在人和机器人之间的信息交换方面受到了限制，它的能力取决于其自身的自治能力。就是说自治能力的高低决定了AUV功能的强和弱，这是AUV技术发展的关键因索。另一方面如果能开发低成本、高效率、大能量的新能源，AUV将有更加广阔应用前景。

从国际上的各类水下机器人的发展动向上来看，AUV是世界公园研究和发展的热点。就水下机器人面言，21世纪将是AUV的世纪。 3．5．2 典型无缆自治水下机器人介绍

(1)“探索者”号l000m自治水下机器人 我国从20世纪80年代开始AUV的研究，1990年由中科院沈阳自动化所等单位联合研制我国第一台无缆自治水下机器人“探索者”号。1994年“探索者”号研制成功，并进行了深海试验。“探索者”号的主要用途是深海环境下海洋参数的调查。团3—11是“探索者”号无线自治水下机器人的照片。表3—6是“探索者”号无缆自治水下机器人的技术规格。

(2)“CR—0l”6000m自治水下机器人

1995年中国和俄罗斯联合研制开发的“CR—01”6000m自治水下机器人，主要用途是进行海底调查。“CR—01”机器人可进行地形扫描，浅地层剖面测量，温度、盐度、深度等海洋要素测量，拍照，录像等作业。采用预编程方式航行，其最大工作水深为6000m，最大续航能力可达23h。1995年和1997年两次在太平洋进行作业实验，获取了大量深海多金属结核储量和分布的信息。图3—12是“CR—01” 6000m自治水下机器人的照片。表3—7是“CR—0l”6000m自治水下机器人的技术规格。

3．6 水下机器人技术发展趋势

(1)ROV发展趋势

①增加作业深度 向超过l000m以下的大深度发展，这是海洋石油工业向大深度发展的需要。目前工作深度在3000m的ROV已经较为普遍，有的甚至达到10 000m。可以说ROV的工作深度几乎已经能够覆盖全部的海洋空间。

②繁重作业能力 无论是海洋石油开发，还是打捞救生作业，都对ROV的作业提出了越来越高的要求，要求ROV替代人承担繁重的作业，针对各种各样作业任务开发的专用工具也越来越多和复杂。专业他、组合化，根据用户要求进行组合，以适应复杂的情况和作业条件。

③降低成本 与上面的发展趋势相反，为适应ROV不断扩大的应用范围，努力降低作业成本并向小型化发展，全电型、低成本的ROV不断出现，尤其在内湖地区为用户提供了更大的选择余地。

④ 高性能 随着技术的发展，尤其是计算机技术，使ROV具有比以往更高的性能。将来的ROV将具有更高的智能、更真实广阔的视场、更高的运动性能、友好的人机界面，减轻操作者的劳动强度，增加可靠性和安全性，便于操作，以最终实现完全替代潜水员的水下作业的理想目标。

(2)AUV发展趋势

AUV技术代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当今世界各国海洋设备研究工作的热点。

①智能化 目前所开发的AUV的控制和任务的执行大多数采用预编程形式，智能化程度较低。智能化程度的低下也限制了AUV在复杂环境作业的能力。随着机器智能、虚拟现实、遥操作技术的发展，AUV将能得到快速的发展，在更多的领域替代载人潜水器和ROV。 ②远程化 AUV没有ROV所必须具有的电缆联系，使得AUV有条件向更深、更远的方向发展。军事用途是AUV重要的发展方向，作战需要要求AUV技术在远程、精确定位、畸形的技术等方面发展。

③作业化 世界上现有的AUV绝大多数只能用于观察和测量，不具备作业能力。作业型AUV是目前各国努力发展的技术，是一个具有较大姚战的技术难点。

④低成本 目前AUV的发展通常为军事驱动和政府行为，发展低成本的AUV以及发展浅水和极浅水的AUV也是目前AUV的发展方向。

第四章 服务机器人

4．1 服务机器人概述

目前，商品化的机器入主要应用在生产制造业中，如汽车业、摩托车、工程机械、电器制造业。然而，随着机器人技术的发展，机器人的应用领域已不再局限于传统的制造业。在机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现，正在给人们的生活带来越来越多的惊喜，同时也使人们的生活变得越来越舒适和安逸。 由于服务机器人尚处于开发普及的早期阶段，目前国际上对它还没有普遍承认的严格定义，因而它的定义是由操作型的工业机器人引申而来的。国际机器人联合会(IFR)采用了如下的定义，但是经过几年后这个定义也可能改变。 所谓服务机器人是一种以自主或半自主方式运行，能为人类健康提供服务的机器人，或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。根据这个定义，装备在非制造业的工业机器人也可以看作是服务机器人。服务机器人往往是可以移动的，在多数情况下．服务机器人由一个移动平台构成，在它上面装有一只或几只手臂，其控制方式与工业机器人相当。

服务机器人与工业机器人有许多相似之处，如动作规划、自主运行等等，但是服务机器人与工业机器人本质的不同在于应用领域的不同。工业机器入主要应用于生产制造领域，代替或协助人类完成生产性的工作。如焊接、装配和搬运等等；而服务机器人主要是代替或协助人类完成为人类提供服务和安全的各种工作，如清洁、护理、娱乐和执勤等等。因此，服务机器人有别于工业机器人的特征主要体现在任务要求、操作环境和机械结构等方面。

(1)任务要求

服务机器人的主要职能是提供和完成服务。目前，服务机器人涉及的服务类型主要包括清洁、运送、监视、检查和探测等等。这些任务具有多样性，因此与任务相关的专门技术将是服务机器人的核心技术。

清洁机器人主要有家用吸尘器、公共建筑地扳清洗机器人和建筑物外表清洁机器人三类。家用吸尘器主要用于清除家庭地板的灰尘、纸等碎小脏物，它应能在狭小的空间自由移动。公共建筑物地板清洗机器人除具有自主移动功能外，还要具有清洗和干燥的功 能。建筑物外表清洁机器人要具有爬壁和清洗双重功能。其他的还有运送机器人相对比较容易实现，它通常在已知的环境中工作．用来运送邮件、文件、资料、试样、药品等；监视机器人主要用于诸如仓库、博物馆、银行等重要场所，对入侵者进行搜索、侦察，实施火灾检测和报警等；检查机器人主要用于寻找桥梁结构的裂纹，发现原子能发电厂的核辐射、化工厂或有害药品仓库的泄露等；探测机器人主要是在危险场合或人类不可达到的地方完成探索和测量的任务，如火星漫游探测机器人。 (2)作业环境

机器人的作业环境通常分为结构化环境和非结构化环境两类。结构化环境是指机器人工作的周围场所是固定的布局，非结构环境则相反。工业机器人主要是在结构环境下工作，而服务机器人作业环境包括结构化环境和非结构化环境两类，但主要是在非结构环境下工作。特别是服务机器人经常要处于与人共存的环境中。这种环境通常是非结构性的。 非结构环境又可以分为部分非结构化和完全非结构化。部分非结构化环境是指经常发生突发性事件的结构化环境，又称为准结构化环境，如办公室、公共建筑、超级市场、家庭居室等，特征是平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅走廊等。但是，在这种环境中经常会发生机器人与人类或设备发生互动性的突发事件，如家具布局变化，人来往走动。要求机器人必须具有灵活而友善地穿梭于各种物体之间的能力。完全非结构化环境是指环境随时间发生变化，如建筑工地、野外、水下、空中、公路等。目前在这类环境中应用的机器人大都是遥操作型而非自主型机器人。 (3)机械结构

机械结构通常指机器人的本体结构。任务和作业环境决定了服务机器人的结构形式。按照其本体结构的运动能力，服务机器人可分为静止式和移动式两类。 静止式服务机器人通常工作于结构化环境．机器人与环境之间的互动较少，任务比较单一。采用多关节臂结构形式的服务机器人往往就能胜任在这类环境下的作业，如汽车加油、飞机清洗、医疗保健、残疾人自理等。与工业机器人相比，静止式服务机器人的服务对象的模型一般不规范，而且容易受损坏。因此．设计此类机器人的机械结构时安全性和柔顺性应首先予以考虑。静止式服务机器人也可以移动，不过并非用来自主地驾驶它们。 移动式结构是目前大多数服务机器人本体的结构形式。移动机构可分为轮式结构、履带式结构、爬式结构、脚式结构和滚筒式结构等。结构形式不同其复杂程度也不同。服务机器人工作于结构化环境时，一般采用较简单的轮式移动机构。非结构化环境对服务机器人的移动机构要求较高，环境越复杂，移动机器人的移动机构的形式也越复杂，以至于有复合型移动机构。

4．2 服务机器人的关键技术

由于服务机器人经常与人在同一工作空间内，服务机器人比工业机器人要有更强的感知能力、决策能力和与人的交互能力。服务机器人涉及的关键技术主要包括以下方而。 ①环境的表示 服务机器人通常在非结构化环境中以自主方式运行，因此要求对环境有较为准确的描述。如何针对特定的工作环境，寻找实用的、易于实现的提取、表示以及学习环境特征的方法是服务机器人的关键技术之一。

②环境感知传感器和信号处理方法 服务机器人的环境传感器包括机器人与环境相关系的传感器和环境特征传感器，前者包括定位传感器和姿态传感器，后考是与任务相关的专门类型传感器，它随机器人的工作环境变更，如玻璃幕墙清洗机器人所用的玻璃洁净度传感器、窗框传感器等，这类传感器可以是直接的或间接的，通常需要借助多传感器信息融合技术将原始信号再加工。

③控制系统与结构 机器人控制系统和体系结构研究目前主要集中在开放式控制器体系结构、分布式并行算法和多算法融合等方面。对于服务机器人控制器而言．更加注重控制器的专用化、系列化和功能化。在移动机器人中，基于网络的开放式控制器已逐渐成为发展趋势。

④复杂任务和服务的实时规划 机器人运动规划是机器人智能的核心。运动规划主要分为完全规划和随机规划。完全规划是机器人按照环境—行为的完全序列集合进行动作决策，它源于生物学中的刺激—反应原理，环境的微小变化都特使机器人采取不同的动作行为。而随机规划则是机器人按照环境—行为的部分序列计划进行动作决策。

⑤适应于作业环境的机械本体结构 设计在非结构环境下工作的服务机器人是一项富有挑战性的工作。灵巧可靠、结构可重构的移动载体是这类机器人设计成功的关键。服务机器人作为人的助手，经常与人进行接触，所以服务机器人的安全性、友善性应首先考虑。因此，服务机器人的机械本体设计指导思想与工业机器人或其他自动化机械有较大变化。在满足功能的前提下，功能与造型一体化的结构设计也要充分考虑，如柔韧性、平滑的曲线过渡、美观的造型、与人的亲近感等。

⑥人机器人接口 人—机器人接口包含了通用交互式人机界面的开发和友善的人机关系两个方面。服务机器人与工业机器人显著的区别之一是人经常与服务机器人共处于同一空间。因此，安全性、友善性和简单化就显得尤为重要。这里的友善性包含两个含 义：一是指外形的宠物化、拟人化；二是指操作界面应实用美观。 服务机器人的出现主要有两个原因：一是劳动力成本的上升；另一个是人们想摆脱令人烦恼枯燥的工作，如清洁、家务劳动、照料病人和建筑施工等。另外，福利事业，特别是老年人数成比例地上升也为服务机器人创造了一个广大的市场，这类机器人主要是帮助老年人和残疾人能够更加独立地生活。 目前，国内外的研究机构和大学对服务机器人相关技术的研究和产品开发十分活跃，已经出现了多种类型的服务机器人系统。据国际机器人联合会(IFR)的调查，到1998年底，世界服务机器人的总数估计在5000台以上。

4．3 典型的服务机器人

4．3．1 医疗机器人

医疗机器人是指辅助或代替人类医生进行医疗诊治及护理的机器人。医疗机器人有多种类型，如医疗外科机器人、x射线介入性治疗机器人、无损伤诊断与检测微小性机器人、人工器官移植与植入机器人、康复与护理机器人等。目前研究和应用较多的是医疗外科手术机器人，这里介绍两种外科手术机器人系统。 (1)脑神经外科手术辅助机器人

脑神经外科手术辅助机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层面扫描图像(computed tomography)或核磁共振图像(magnetic resonance imaging)的三维医疗模型，对脑神经外科手术进行规划与虚拟操作，最后由机器人进行辅助定位或手术操作。

脑神经外科手术辅助机器入主要由手术规划和辅助手术两大部分组成。手术规划是以计算机图形学为基础，以CT、MRI、血管造影等影像学技术为主要手段获取医疗图像，并对

这些图像进行处理和三维模型重建，在手术前获得病人病灶点及周围组织的三维立体图像，构成一个“虚拟病人”，通过虚拟现实技术的各种仿真及交互方法，医生可以反复对病人进行虚拟手术，确定最佳的手术方案。辅助手术操作是在规划完成后，规划的手术方案的技术参数将从规划系统传送给机器人控制器，通过映射测量和映射算法将图形空间的规划参数变换到机器人操作空间，机器人按预定的手术方案完成指定的辅助手术操作。 目前脑神经外科手术的发展趋势是追求安全、微创和精确，使用机器人进行立体定向脑神经外科手术能够满足这些要求，并且在微创方面获得了传统治疗方法不可比拟的良好效果。在使用机器人系统之前，国内外普遍使用的是有框架脑立体定向手术．即在患者的颅骨上固定一个金属框架，并拍摄CT片。医生通过CT片来确定病灶在这个框架(也就是一个坐标系)中的具体位置，并决定手术的位置。手术时在病人颅骨上钻一个小孔，将手术器械通过探针导管插人病人脑中，对病灶点进行活检、放疗、切除等手术操作。采用机器人进行立体定向神经外科手术时，机器人可以在手术时自动计算出开颅位置和方向，并精确控制探针插入的深度。用机器人辅助立体定向神经外科手术，不但没有了固定框架给患者带来的痛苦和给医生带来的操作不使，而且提高了定位精度和操作的可视性，为患者最大限度地减少了手术刨伤。目前，我国北京航空航天大学机器人研究所和海军总医院已研制出了这种机器人，并已在几百例临床手术中成功应用。 (2)辅助内镜外科手术机器人

内镜外科手术是近十几年发展起来的一种微创伤外科手术。与传统的开放性外科手术比较，具有创伤小、可减轻思者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗社会成本等优点。目前，内镜外科手术已得到医学界的普遍认刘，已有成千上万的患者受益于此项技术。到

2000年在美国、欧洲和日本等西方国家持有60％一80％的腹腔外科手术采用内镜外科手术方式。我国部分医院也在外科和妇科开始应用内镜外科手术。

但是，现有内镜外科手术机器人还存在不足之处，主要问题是：①手术时医生需要一边观察监视器上的图像，一边操作手术器具，而内镜则需要由另一名医生操作．这样．不仅要花费较多的人力，而且难于保证内镜的准确定位和图像的稳定性，影响手术的安全系数；②医生操作内镜时缺乏应有的触感，容易产生误动作，而引起对内脏器官的损伤。为此，采用内镜手术要求医生经过专门训练，具有熟练精湛的操作技巧，从而影响了这项技术的普及。 为克服上述内镜外科手术存在的不足之处，近年来，将机器人技术、计算机图像技术、现代信息处理技术、控制技术等与微创外科手术相结合，研究开发辅助内镜外科手术机器人系统，已成为内镜外科手术的发展方向。

辅助内镜外科手术机器人是由机器人手臂代替人工操作内镜，机器人手臂可实现微小运动、微小定位和微操作功能。以满足内境在人体内的姿态控制和深度控制要求。在进行远程外科手术时，有经验的医生可在控制室内，通过视频温视器、遥控台及声音通信去操作手术室里的机器人手臂和对现场手术医生进行全过程指导。 辅助内镜外科手术机器人系统的关键技术有： ①机器人运动机构和微小定位、操作的研究； ②医生与机器人协调作业系统和微控制器的研究； ③内镜实时图像处理和识别技术研究；

④基于视觉、触觉信息融合的内镜主动引导技术的研究； ⑤多媒体和信息网络在远程人机通信和协作应用的研究； ⑥系统安全性的研究。

医疗外科机器人在提高手术质量，减少手术创伤。缩短病人的恢复周期，降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革，也将改变传统医疗外科的许多概念，将对新一代手术设备的开发与研制、对医学的进步产生深远的影响。从世界机器人的发展趋势看，用机器

人辅助外科手术将成为一种必然趋势。 4．3．2 个人服务机器人

个人服务机器人通常是指在医院、家庭、疗养院及康复中心等对残疾人、老人提供各种协助的机器人，以及代替人进行家务劳动的机器人。 (1)伤残人助理机器人

英国Mike Topping公司从1987年开始研制一种称为Handy l的机器人，它能为患有脑瘫、运动神经元疾病、中风、肌营养不良等疾病的残疾人和意外事故的受伤者提供多种服务，如帮助他们就餐、洗脸、刮脸、刷牙和化妆。

伤残人助理机器人辅助就餐主要是依靠在其托盘部分安装的一个光扫描系统，使病人能够从餐盘的任何部分选择食物。其原理是，一旦系统通电，餐盘中的食物就被分到若干格中，共有7束光线在餐盘的后面从左向右扫描。病人只需等到光线扫到他想吃的食品的那一格后面时，按动单一开关，机器人前进到餐盘中所选中的部分，盛出一勺食物送到病人的嘴里。病人可以按照所希望的速度盛取食物，这一过程可重复进行，直到盘子空了为止。 伤残人助理机器人除了可以帮助病人吃饭和喝水外，还可以更换不向的托盘系统．帮助残疾人完成洗脸、刮脸、刷牙和化妆等活动。洗脸／刮脸／刷牙托盘系统在工作时，先拿起一块梅绵，把它放到水盆中，挤出多余的水，再给海绵打上香皂并放到脸上。病人洗完脸后，用水冲洗．然后用热空气吹干。该托盘还装有一个电刮脸刀、一把牙刷和一个漱口用的水杯，所有这些用品都可以拿起来并以任意的顺序使用。刮脸刀及牙刷的控制很简单，它们可定位到脸及口中的各个部位，因而可以有效地刮脸和刷牙。化妆托盘可以帮助女患者完成化妆。在托盘的格内放有不同的化妆品，如腮红、粉底霜、眼影和口红等。使用时，各种类型化妆品旁的一组光线开始扫描，当病人想要的化妆品旁的光线发亮时，按动开关，机器人选择化妆工具并将适量的化妆品加到化妆工具上，然后移到脸部的适当位置上，进行化妆。

伤残人助理机器人控制器应当具有多种交互能力，如话音识别、语音合成、传感器的输人、手柄控制等。伤残人助理机器人的简便性及多功能性会对残疾人和护理人员具有很大的吸引力，因为它为有特殊需求的人们提供了较大的自主性，使他们增加了融人到 正常环境中的机会。 (2)智能轮椅

随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要用现代高科技来改善他们的生活质量和生活的自由度。每年因为各种事故和疾病，都有不少的人丧失一种或多种能力，如行人、动手能力等。因此，为残疾人或行动不便者提供有行走能力的机器人轮椅是个人服务机器人的一个重要应用。机器人轮椅与普通的机械式轮椅不同，它可以具有视觉导航、口令导航等功能，并能与人进行语音交互。 机器人轮椅技术的关键是安全导航问题，采用的基本方法是用超声波、红外线和视觉测距，也有采用口令控制。超声波和红外线导航的主要不足是可控测量范围有限，视觉导航可以克服这方面的不足。机器人轮椅还具有与轮椅使用者交互的功能，这种交互最直接的方式是通过语音对话来实现。为实现这些功能，机器人轮椅的控制系统应包括口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。 (3)机器人除草机

瑞典Husqvarna AB公司开发的The Solar Mower自主式草坪除草机是一种替代人从事除草劳动的家务服务机器人。它所要解决的关键问题是怎样将一个1h／1000w的除草过程转变为一个50h／20w的过程。许多工作都是围绕怎样用20w功率来剖草，怎样保护太阳能电池和怎样来维持能量的供给和存储。在晴朗的日子，电池从阳光中获得足够的能量供给机器人除草机，能量被存储在机器人除草机可充电电池中。一旦电池被充满．机器人除草机就可以开始除草，即使在阴天，它也可以工作数个小时。当天黑时，它能自动停止工作，而天变

亮时，它能自动“醒来”继续工作。为了使机器人除草机在限定的工作范围内工作，采用在工作区边缘预埋电缆的办法，在草坪底下建立一个“围栏”来限制它的话动范围。这样机器人除草机只能在这个限制区域内工作。机器人除草机的路径规划方式是：开始时，它总是随机地选择一个方向开始移动，每当它碰到一个障碍或接受到限制电缆信号后，它就改变方向。这种随机但连续的运行．使除草机一直不停地工作，直到整个草坪都被处理，并且除草机在无人照顾下可以连续工作几个星期。为了防止小偷，还可以在机器人除草机中设置一个密码，只有在输入正确的密码后，机器人才开始有序地工作。如果不知道密码的人试图停止或 偷走它，一个内置的报警器将发出报警声。 4．3．3 工程机器人

工程机器人通常是指在室外或野外代替人从事施工、建筑等作业的机器人。这类机器人是在传统的工程机械基础上发展而来的，有时也称为机器人化机器。也许从外观上看不出机器人化工程机械与传统工程机械的区别，但它是在传统工程机械基础上结合了机器人技术的一种智能机器，工作效率更高，作业质量更好，改善操作性能，降低操作者劳动强度和操作技术等级等。下面是一些典型的工程机器人系统。 (1)喷桨机器人

喷浆就是喷射混凝土。喷浆支护是现代建设施工中广泛采用的支护方法，在铁路、公路隧道、矿山巷道、水利和水电的涵洞、地铁以及各种地下建筑施工中，喷浆支护方法被普遍采用。与传统的木材、钢梁支护方法相比，喷浆支护不仅节省大量木材和钢材，而且具有施工速度快、支护效果好等优点。传统的喷浆支护作业是采用人工喷浆，这种作业方式存在着回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼，致使无法保持喷枪与受喷面垂直，也无法使喷枪口与受喷面保持最佳距离。这样，不仅混凝土的回弹率高，浪费严重，而且混凝土结构疏密不一，不能保证喷层的质量。另外，对大断面隧道，人工喷浆还需要搭建脚手架，影响施工进度，且费工费料。喷浆机器人可用于所有需要喷浆的工程中，它能代替人进行混凝土喷射作业，并且效率高，质量好。我国已研制出大型喷桨机器人并在实际工程中应用。 (2)压路机器人

在公路、铁路、机场、码头等交通运输和本利工程的建设中，压路机是一种必不可少的工程机械。目前使用的普通压路扔在施工效率和压实方面都难以满足高等级工程的需求。振动压路仍采用大激振力辅助压实方式，作用深度大，生产效率高，但由于这种压路机振动工作方式使驾驶员长期处于强振动、高噪音的工作环境中，不仅劳动强度大，而星损伤身心健康。

如果能将机器人技术与压路机结合，增加遥控和自主作业功能，可改变传统振动式压路机的不足。我国国防科技大学和江麓浩利机械公司联合研制了W1102DZ型无人驾驶振动式压路机，并在实际的施工中应用。它采用远距离遥控、自动编程控制两种操作方式，同时保留了原有的人工驾驶功能，具有施工效率高、压实质量好、操作人员劳动强度低的优点，是铁路、公路、机场、码头等大规模高等级工程的理想压实设备，尤其适合险工、险段和极限环境条件下如矿山、隧道、沟渠等压实工作。 (3)隧道凿岩机器人

隧道开挖是现代交通、水电、矿山、军事工程等大规模基础设施建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分关键、十分重要的施工作业。隧道开挖一般采用掘进法和钻爆法。前者是采用庞大复杂的掘进机，用类似机械切削的方法一次将整个隧道断面成型。这种施工方法特点是掘进速度快、安全，但该方法使用的全断面掘进机价格非常昂贵。钻爆法的施工则比较灵活，断面适应性好，设备费用相对低廉。

凿岩设备是钻爆法施工中用到的主要设备之一。早期的液压凿岩设备全由人工操作，操作人员熟练程度的差异往往台导致严重的“超挖”或“欠挖”，对工程的成本和工期都会

产生不利影朗。在将计算机技术和自动控制技术引入到液压凿岩设备后，就形成了具有机器人特征的半自动计算机辅助凿岩机和全自动凿岩机器人。由于这类凿岩机器入主要用于隧道的开挖，所以将它称为隧道凿岩机器人。

我国科研人员也对凿岩机器人进行了研究开发。1998年中南工业大学开始研制隧道凿岩机器人，样机现已研制成功。这台隧道凿岩机器人具有两只巨型手臂，每只手臂上各有一个6m长的钻头，可以在任何坚硬的岩石上打出所需要的炮眼。只要操作者在电脑上输入工作界面面积和炮眼数目，机器人便可以自动设计钻孔的疏密布局并进行自动凿岩。它的工作界面最大可以达到90

。

(4)林木球果采集机器人

在林业生产中为进行树木育苗，在林木球果成熟期要大量采摘球果以获得树种。多年来，采摘林木球果一直是个难题。目前，在林区主要采用人工上树手持专用工具来采摘林木球果，工人劳动强度大，作业安全性差，生产效率低，而且对母树损坏较多。为解决这一问题，东北林业大学研制成功林木球果采集机器人。

林木球果采集机器人由机械手、行走机构、液压驱动系统和计算机控制系统组成。其中机械手由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪组成，整个机械手共有5个自由度。采集瓜是一个具有两片类似梳子形状的可张开和闭拢的夹子。在采集林木球果时，机器人停放在距母树3—5m处，操纵机械手对准要采集的长满松果的树枝，然后，采集瓜趋近树枝，两片梳齿夹合拢并向后报回，将球果采摘下来收集在采集爪内。完成一次采摘后再重复上述动作。连扔数枝后，将球果倒入车上的集果箱中。更换不同齿距的梳齿片可以用于多种林木球果的采集。试验表明，这种球果采集机器人每台可采松果500kg，是人工上树采摘的30一50倍。而且它对母树的破坏较小，采净率高，对森林的生态保护和林业的可持续发展都具有重要意义。

4．3．4 极限作业机器人

极限作业机器人是指代替人到人不能去或不适宜去的环境中进行作业的机器人，这些环境通常包括高温、高压、有毒、放射性、深水、高空等。人在这些环境中作业所能容忍的条件是有一定限度的，超过这些限度，就会危及人的生命。这里介绍几个极限作业机 器人的例子。

(1)消防机器人 常言道：水火无情。这其中道出了水火对人类的威胁及人们对水火的无奈。发生火灾时，消防队员常常要在浓烟和高温的危险环境下灭火，这是一种典型的极限作业环境。1984年11月，在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾，消防队员不得不在充满浓烟和高温的隧道内灭火。这次火灾之后，东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究，目前已有5种用途的消防机 器人投入使用。

①遥控消防机器人 1986年第一次使用了这种机器人。当消防队员难于接近火灾现场灭火时，或有爆炸危险时，便可使用这种机器人。这种机器人装有履带，最大行驶速度可达l0km/h，每分钟能喷出5t水或3t泡沫。

②喷射灭火机器人 这种机器人于1989年研制成功，居于遥控消防机器人的一种．用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。机器人高45cm，宽74cm，长120cm。它由喷气式发动机或普通发动机驱动行驶。当机器人到达火灾现场时．为了扑灭火馅，喷嘴将水 流转变为高压水雾喷向火焰。

③消防侦察机器人 消防侦察机器人诞生于1991年。它用于收集火灾现场周围的各种信息，并在有浓烟或有毒气体的情况下，支援消防人员。机器人有4条履带、1只操作臂和

9种采集数据用的数据采集装置，包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。

④攀登营救机器人 攀登营救机器人于1993年第一次使用。当高层建筑物的上层突然发生火灾时，机器人能够攀登建筑物的外墙壁去调查火情，并进行营救和灭火工作。该机器人能沿着从建筑物顶部放下来的钢丝绳自己用绞车向上提升，然后它可以利用负压吸盘在建筑物上自动移动。这种机器人可以爬70m高的建筑物。

⑤救护机器人 救护机器人于1994年第一次投人使用。这种机器人能够将受伤人员转移到安全地带。机器人长4m，宽1．74m，高1．89m，重3860kg。它装有橡胶腰带，最高速度为4kg/h。它不仅有信息收集装置，如电视摄像机、易燃气体检测仪、超声波据测器等，还有2只机械手，最大抓力为882N。机械手可将受伤人员举起送到救护平台上，在那里可以为他们提供新鲜空气。

在我国，上海消防研究所和上海交通大学等单位于1998年也研制成功了我国第一台消防机器人。它可以行走、爬坡、跨障碍、喷射灭火，还可以用于火场侦察。 (2)核处理机器人

在核工厂，核反应堆周围的生物保护钢筋混凝土常常由于中子流的直接辐射而被污染。核设施到了退役阶段．需要拆除生物保护混凝土层。人直接从事拆除作业十分危险，为此，日本清水公司研制出具有切割和钻割功能的核污染混凝土切割机器人。

该机器人有5个自由度，高度为5m．直径2．2m，重15t。它采用了基子传感器反馈的可编程控制系统，可切割长1．1m、宽0．4m、高lm的混凝土块。整个系统包括切割机器人、起重机、废物处理装置、灰尘收集器、混凝土块运输装置、控制系统、功能装置和供水装置等。

机器人处理故时性混凝土的过程是： ①水平切割； ②混凝土芯钻； ③混凝土垂直切割；

④运输切割掉的混凝土块。

为了缩短工具的更换时间，该机器人具有两个手臂，一个用于锯割机，另一个用于在相对方向上同时启动芯钻机。 (3)水下机器人

水下机器人是一种典型的极限作业机器人，水下机器人已在第3章进行了介绍。

第5章 空间机器人

空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。

5．1 飞行机器人

早在明代，在吴承恩的小说《西游记》中，孙悟空变成一只昆虫飞进铁扇公主的山洞里．这大概就是古代人对微型飞行机器人的想象吧。

也许有人会问，飞行机器人与无人飞机的区别在哪里?其实，两者在飞行器的设计上基本是一致的，所不同的是，飞行机器人强调了作业能力。例如，美国住治亚州理工学院在研制一种飞行机器人时，设计的目标是飞行机器人能够首先捡起在指定地点摆放的金属盘，接着飞越中央拦板和24m宽的场地，然后将金属盘投放到指定的位置。多年来以军事用途为背景的大型无人飞机研究一直十分活跃，这些无人飞机越来越智能化，所以它们也是一类机器人。特别能体现无人飞机具有机器人特性的是近年来出现的微型飞行器，这种微型飞行器

尺寸如向人的手掌大小，翼展长15cm左右，能像鸟一样飞行，并具有昆虫智能水平。这类飞行器常常被称为微型飞行机器人。微型飞行机器人技术主要包括三个方面：一是微型 飞行器平台；二是相关的部件技术；三是它的发射方式。 目前微型飞行器平台主要有固定翼、旋翼和扑翼三种。固定翼式微型飞行机器人相对来说最容易实现．是目前微型飞行机器人主要采用的飞行机构。美国正在进行研究的黑蜘蛛(B1ack widow)微型飞行机器人采用的就是这种飞行机构。黑蜘蛛微型飞行机器人翼展l5cm，重56．7g，航程1km，飞行速度69k/h，室外续航时间为20min。黑蜘蛛微型飞行机器人的机翼呈圆盘形，头部装有10．16cm的螺旋桨，重l10kg，效率达82％。螺旋桨由一台电动机驱动，电动机由两块如火柴盒大小的理电池供电，每块电池重13g，能量密度为1000w．h/kg。黑蜘蛛微型飞行机器人的层部装有控制舵面。飞行控制系统包括一台计算机、无线电接收机和三台微电机驱动器，重量2g。它的速度陀螺为0．9g．所携带的电视摄 像机重量只有2g，带透镜的长度不到2．54cm。

黑蜘蛛微型飞行机器人的地面站包括控制器、电视监视器、天线及气动发射装置，它们装在一个小手提箱中，箱中还装有操作人员用的眼镜，用它可以观察电视摄像机的实况图像。它的数据链路的距离为1．5km。

美国Lutronix公司和奥本大学研制的Kolibri是一种垂直起降的旋翼式微型飞行机器人。这种微型飞行机器人的直径l0cm，重316g，微型柴油机重37g，加上燃料的重量132g。它的负载重量是100g。它可以携带GPS/加速计／陀螺仪组件和红外摄像机。Kolibri微型飞行机器人的结构是，在一个垂直的圆柱顶端带有旋翼，摄像机装在底部。它用舵控制俯仰、横滚和俯航。利用一个50—100Hz带宽的压电石英驱动器移动舵面。动力装置是一台电动机或柴油发动机。

微型飞行机器人的冀展在15cm以上时用螺旋桨还可以产生需要的功率，但在7．62cm以下就需要采用翅膀了。对于较小的微型飞行机器人，扑翼可能是一种可行的方法，因为它可以利用不稳定气流的空气动力学，以及利用肌肉一样的驱动器代替电动机。美国加利福尼亚工学院与Aero Vironment公司等正在研制微型蝙蝠(micro bat)扑翼式微型飞行机器人，目的是要了解扑翼方式是否比小型螺旋桨更有效，像鸟一样的微型机的隐蔽性如何，它是否可以做成像蜂鸟一样的垂直飞行。

微型蝙蝠的翼展为15cm，重10g，具有像蜻蜓一样的MEMS(微电于机械系统)驱动的翅膀，扑翼频率为20Hs。一个电容一次克电提供的能量可使它飞行20s。它可以携带一台微型摄像机、上下行链路或音响传感器。在试飞中微型蝙蝠无控制地飞行了18min，46m远，后因镍镉电池用完而坠地。

SPI国际公司正在研制一种称为良师(mentor)的扑翼式微型飞行机器人，该机器人重量只有50g，采用电致伸缩聚合物制成的人造肌肉驱动器扇动其刚性翅膀。 1998年初美国加利福尼亚大学开始研制一种扑翼式微型飞行机器人，称为“机器苍蝇”。研制的目的是利用仿生原理获得苍蝇的杰出的飞行性能，计划到2004年能够飞行。这种微型飞行机器人具有重要的军事用途，利用它可以进行城市环境中的秘密监视和侦察。“机器苍蝇”的尺才如普通苍蝇大小，样子也像苍蝇。重约43mg，直径5一l0mm 。不过它有4只翅膀而不是2只，有一个玻璃眼睛而不是两只球形眼睛。它的身体用像纸一样薄的不锈钢制成，翅膀用聚酯树脂做成。机器苍蝇由太阳能电池驱动，一个微型压电石英驱动器以每180次的频率扇动它的4只翅膀。

要研制出上述的微型飞行机器人，有许多重要的技术及工程问题需要解决。

第一，需要研制出体积很小、重量极轻的大功率高能量密度的发动机和电源。微型飞行机器人开发中，目前最大的困难是发动机系统及其相关的空气动力学问题，而发动机又是关键，它必须在极小的体积内产生足够的能量，并把它转变为推力．而又不增加过多的重量。

有了一个好的发动机系统．就可以克服空气动力学方面的大多数问题。动力系统一般占微型飞行机器人总重量的60％，它所消耗的能量占总能量的90％，另外的10％供电子仪器使用。D—STAR公司正在研制一种Neutrino的微型柴油机，它的直径为2cm、可产生80w的功率。M—DOT公司正在研制一种0．68推力的燃气涡轮风扇发动机，它是涡轮发动机的变型。目前已研制出长7．6cm、直径4cm的涡轮发动机，重量85g。Technology in B1acksburg公司研制的轻型温差式发电机，没有活动部件，可直接将热能转变为电功率。它采用厚度为1．25mm的半导体薄膜，用先进的量子阱技术，转换效率可达25％。

第二，要研究产生升力的新方法，要解决在低雷诺数空气动力学环境下的飞行稳定与控制问题。由于微型飞行机器人尺寸小、速度低，其工作环境更像是小乌及较大昆虫的生活环境，而目前对于这种环境中的空气功力学还知道得甚少，其中的许多问题还难以用普通空气动力学理论加以解释。在这种环境中，空气的粘滞力很大，与大飞机相比，微型飞行机器人的载体按比例所受到的阻力更大。在没有微型飞行机器人之前，一般所说的低雷诺数的范围在20 000—l 000000之间。而微型飞行机器人飞行范围内的低雷诺数在5000一80 000之间，在此范围内对于流过机翼的气流很难建模。由于微型飞行机器人只能在低速飞行，层流占主导地位，它会引起较大的力和力矩，很难预测。微型飞行机器人的机翼载荷很小，几乎不存在惯性，很容易受到不稳定气流，如阵风、沙尘、雾和雨的影响。采用螺旋桨的效率有限。当翼展为15cm时，采用螺旋桨还可以有效地工作，但在7．6cm以下的翼展时，就需要采用扑翼技术。

第三，飞行控制。如何控制微型飞行机器人的飞行是另一个难点。首先要有一个飞行控制系统来稳定微型飞行机器人，增加其自然的稳定性。这样，在面临湍流或突发的阵风时可以保持其航线，并可执行操作人员的机动命令。若微型飞行机器人需要对目标进行观测成像时，还需要稳定瞄准线，要有重量轻、功率低、可靠的机载电子处理及通信装置和微型陀螺仪以及先进的导航及定位传感器等等。为使微型飞行机器人自主飞行．要采用重量轻、功率低的GPS接收机，低漂移量的微型陀螺仪和加速度计。目前，最小的GPS接收机为7．62cm大小，需要0．5w的功率，天线重量为20一40g。井要求系统不受电磁波及无线电频率的干扰，这就要求电于元件的质量和功率效率极高。 通信技术也是影响控制的关键技术之一。微型飞行机器人在空中时需要保持它与地面操作人员的通信联系。由于体积重量的限制，微型飞行机器人目前只能采用微波通信方式。但微波无法穿透墙壁，只能在视距内使用，微型飞行机器人尺寸小，限制了无线电频率和通信距离。当微型飞行机器人飞出视距或视线被挡住时，就需要一个空中的通信中继站，中继站可以是另一架飞机或卫星。

微型飞行机器人要携带各种传感器，如电视摄像机、红外、台响及生化探测器等。这些都必须是超轻重量的微型传感器。例如，目前正在研制的一种可见光摄像机，体积为1cm3，重量不到1g。它基于硅CCD，孔径2．6mm，每2s可产生一幅百万像素的图像．其分辨率大致相当于高清晰度电视，角分辨率为0．7m rad。此外，目前还在研制微型合成孔径雷达，其重量不超过lg，尺寸为5cm × 7．6cm× 0．6cm左右，工作距离2km，分辨率为929cm2。 第四，发射方式f微型飞行机器人与无人飞机另一个显著区别是它不需要专门的起飞和降落区。目前设计的微型飞行机器人的发射方式有保航模飞机发射的用于发射或用发射筒发射，如用炮管发射。手发射的优点是比较简便，易于操作。采用发射筒发射的好处

是，可以直接到达较远的目标区域，而且由于发射阶段不消耗燃料，增加了微型飞行机器人的续航时间．还可以抵消风的影响。

5．2 星球探测机器人

人们对于外层空间其他星球是否能够居住、是否具有可利用的资源、是否存在生命充满

了幻想，21世纪将是人类开发太阳系新的星球的时代。目前，人类已有能力发射航天器观测外层空间其他星球的情况，但是要真正了解这些星球的情况，还必须登上这些星

球进行探测。人在不了解其他星球情况或距离太远的情况下，很难直接去搽测，为此需要发展能代替人去对星球进行各种探测的机器人，去了解这些星球的秘密。星球探测是航天领域的一个重要的研究课题。目前，星球探测主要集中在月球探测和火星探测。为进行这些探测，研制出了多种类型的星球探测机器人。星球探测机器人也称为漫游车(rover)。

格林威治时间1997年7月4日17时7分，美国国家航空航天局发射的火星“探路者”号宇宙飞船在经过7个月的飞行之后成功地在火星表面着陆，“探路者”飞船首次携带了一个名为“索杰纳”的火星探测机器人。“索杰纳”的任务是对登陆器周围进行搜索，探测火星的气候及地质方面的数据。 火星考察首先碰到的问题是，机器人要能够在火星表面上生存，而那里的环境异常恶劣，其寒冬的昼夜温差为-100一+20℃。如此巨大的温差对能会导致机器人的关键部件及系统的故障。因此，对星球探测机器人要具有如下一些能力：

①探测的范围必须非常广，就距离而言，应在几十公里到几百公里的范围内移动； ②必须能够进行地下探测到几米范围内进行探测； ③必须能长时间进行探测；

④必须能完成诸如采样、分析等功能 ⑤必须配备观测和实验仪器； ⑥能在复杂地形下移动。

星球探测机器人所涉及的关键技术如下。

①星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的严格限制。

星球探测机器人的机械结构应力求紧凑、体积小、重量轻，同时与之配套的驱动机构应具备良好的稳定性和较强的爬坡和越晾能力。目前为星球探测机器人研制的移动机构有各种各样的形式，但主要还是履带式、腿式和轮式。其中，腿式的适应能力最强，但效率最差，而轮式的效率最高，但适应能力不太强。

星球探测机器人的电源主要用于提供动力和为仪器供电。目前可选择的电池有化学电池、燃料电池、太阳能电池和同位京电池。其中．化学电池和燃料电池的寿命有限，无法满足长时间工作要求。而太阳能电池由于对太阳能的过分依赖面不能在一些特殊的环境中工作，如月夜长达几十天。同位素电池对环境的适应能力强、体积小、寿命长(2—10年)、功率密度大，是较为适合星球探测机器人使用的电池。

②星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空、反冲原子等苛刻的未知环境。 外层空间的星球环境可能比地球环境更为复杂。因此，在设计星球探测机器人时必须考虑到地球上没有的一些特殊环境可能对机器人造成的损害。 ③如何建立一个易于操作的星球探测机器人系统。

星球探测机器人的工作方式一般同时具备自主和遥操作两种。一方面，星球探测机器人可以根据自身携带的计算机进行自主决策，实现一定程度的自主导航、定位和控制；另一方面，星球探测机器人也可以接受地面系统的遥操作控制指令。在应用的最初阶段及对复杂地带，人工操作多一些，而到后期及对简单地带，主要由星球探测机器人自主完成导航与控制，因此，要求星球探测机器人具有很高的智能。自主加遥操作控制方案的优点在于可以提高系统的可靠性、鲁棒性以及处理不确定问题的快速性。通过遥操作，可以将人工操作的有关信息记录下来，操供给探测机器人系统，作为学习控制的资料，以提高机器人的智能水平。 一个星球探测机器人通常包括探测车和微型机械手两部分。探测车用于为探测提供移动载体，要求能跨越障碍并能快速行进。因此，它必须是小型化和轻量化的，并配有多种传感器。微型机械手主要用于对岩石及土壤取样及进行处理。这里介绍几个国外开发的星球探测

机器人系统，可以了解星球探测机器人的基本构成。 (1)Rocky 7火星探测机器人

Rocky 7火星探测机器人是美国喷气推进实验室(JPL)为美国国家航空航天局研制的火星探测机器人系列中最新的一种。1997年7月4日“探路者”号宇宙飞船送上火星的索杰纳火星探测机器人是它的一种简化型号。

Rocky 7火星探测机器人重约15kg，尺寸为48cm×64cm×32cm，有6个轮子，由太阳能电他板供电。在沙漠试验中，Rocky7火星探测机器人通过它的无线电以太网的上行和下行线路与拖车相连接，再通过蜂窝式无线电话系统或卫星与JPL实验室相连，然后再与Internet网连接。Rocky 7火星探测机器人的机械手长32cm，有2个自由度，装在车的前部，它可以达到地表面以下10cm处。手的端部装有一台反射式分光光度计。一个铲斗用来挖掘及携带样品。Rocky 7火星探测机器人上还装有一根lm高的关节式桅杆，它有3个自由度，杆顶装有2台立体多频谱摄像机和一个汽水罐大小的圆筒。摄像机可以拍摄车辆导航及科学分析所需要的立体全景图像。圆筒中可装各种科学仪器。例如，在1996年12月的试验中装的是一台特写镜头成像仪，其空间分辨率为1000um；在1997年5月的试验中装的是一台穆斯堡尔分光计及一台点反射式分光计。操纵桅杆可使圆筒对准目标。

Rocky 7火星探测机器人还装有导航摄像机，它利用航向点信息引导漫游车向特定方向运动，当漫游车在所要求的范围内运动时，它自动躲避障碍物。试验时，由拖车或JPL实验室向它发出航向点的指令。拖车与JPL有通讯联系，因而也与Internet网相连。 (2)FIDO火星探测机器人

FIDO是美国喷气推进实验室(JPL)正在研制的一种高度自主控制的火星探测机器人。它利用车上的计算机视觉和自主控制技术进行导航，并能够将桅杆上的相机观测到的图像和机械臀的动作很好地结合起来。机械结构采用六轮悬吊式，带有一个可折叠的具有4个自由度的桅杆，桅杆上装有一台多视野的立体全息相机，一台集成科学仪器，一台分光仪。车上带有一个4自由度的机械臂，在机械臂上安装有一个微型相机和一个莫氏分光计。在车体的前下部还装有一个小型的样本挖掘器，用于挖掘、传送和储存样本。车体的前后部各有一台视角为120度的立体相机，用于避障。还备有一台基于太阳姿态敏感器的惯性导航系统，一台微分GPS用于地面实时跟踪。在FIDO的顶部安装有具l0度视野的多光谱高分辨率立体像机组，一对用于远距离导航的黑白立体相机，腹部还装有一台用于观察的相机。 (3)日本的Micro 5

Micro 5由日本宇航中心、梅基大学和绰大学联合研制开发的一种体积小、重量轻、低能耗的星球探测机器人。该机器人采用五点接触悬吊结构，带有两个文体相机用于前方的地形观测。在机器人的周围还装有六个COMS相机用于导航和科学观测。此外，还装有俯仰和翻滚倾斜仪用于车的姿态检测，装有编码器进行航位推算。计算机在线处理这些传感器的信息，进行环境识别、路径规划和导航控制。Micro 5具有与地面之间的通信系统，可以将漫游车所观测到的图像、收集到的数据及自身的动力学数据传给地面系统，操作者可以在地面利用遥操作技术对Micro 5进行控制。

日本宇宙科学研究所(ISAS)也对月球漫游车进行了一系列的研究。其中的一种方案是具有子母结构的月球漫游车。该系统包括母车和子车两部分。母车由四轮独立驱动，其最快行驶速度为lkm，可跨越0．15m高的障碍，可攀登倾角为30度的斜坡。子车有6条腿，每条腿有3个关节。这种腿不仅用于移动，而且还可用作采样时使用的机械臂。另外．为了实现自主导航和对凹凸不平等地形进行探测，子车的每条腿上还配备了CCD相机。这种子母漫游车的设计是充分考虑星球探测时可能遇到的复杂地形。母车可以在较平坦的地域行驶，当需要时，子车可从母车上下来对凹凸不平的地形和悬崖附近等地进行探测。因此，这种漫游车具有较强的环境适应能力。

5．3 航天器应用的机器人

随着科学技术的飞速发展，经过科学家们坚持不懈的努力，人类型游宇宙的梦想正逐步得以实现。发射卫星，漫步月球，建立空间站等，宇宙将成为人类另—个生存的空间已不是幻想。但是，如何更安全、更有效和更简便地实施太空作业，是宇航科学家们所面 临的重大研究课题。

利用航天飞机维修和回收轨道上的人造卫星已经成为太空作业的主要工作之一，在太空极限环境下，修理人造卫星故障，宇航员需要进行舱外作业．而舱外作业必须穿着太空服，系上安全缆绳，即使这样，也会时刻发生危险。因此，需要研究航天器应用的机器

人，代替人实施舱外无人自动化操作，代替宇航员进行人造卫星的维修、更换机器、辅助试验、组装空间站等作业。接近出现故障的人造卫星，进行对接操作是极其困难的，在这种情况下，非常适合用机器人手臂去捕捉卫星，即使没有对接装置，通过机械手臂也可以很容易地捕捉到浮游的卫星。此外，宇航员若在太空失重环境中长期滞留，会对人体产生不利的影响。因此，为了在太空中能够长期进行材料试验和生物化学试验，也必须采用机器人进行自动化操作。特别是同时进行多项试验时，用机器人分时地进行试验，可大 大提高效率。 目前，国际上正在进行航天器应用机器人的研究开发。日本计划进行三个与机器人项目相关的太空实验。

(1)日东实验舱用机械手(JEMRMS)

JEMRMS是由日本、欧洲和俄罗斯联合试验的，在美国宇宙轨道站的日本试验舱内进行搬运、更换试验机器和辅助实验等作业的机器人系统。该系统由全长约10m的主臂及安装在主臂臂端长约1．3m的手臂组成。主臂用于搬运实验舱或大型机器，子借用于实施更换作业，由加压舱内的专用操纵台进行控制。 (2)机械手飞行实验(MFD)

该实验的目的是验证空间机械手的操作性能，其机构采用1．3m长的日本实验舱用机械子(JEMEMS)的小型手臂。机器人手臂与作业对象机器一起装载在航天飞机的货舱内，通过监视屏幕，在航天飞机的加压舱内，由宇航员进行操纵。在航天飞机飞行时，以更换单元和开关门为试验对象，对机器人进行实验，以得出对机器人操作控制性能和作业性能的评价。 (3)技术试验卫星VH型(ETS—VII)

ETS—VII卫星主要以开发空间机器人技术、空间会合对接技术以及在空间轨道上进行试验为目的。ETS—VII包括两个在轨道上可分离的追寻卫星和标靶卫星，在其追寻卫星面向地球的箱板上装有约2m长的机器人臂，同时还装有作为机器人工作对象的其他各种机器。在地向上通过远程遥控操作控制机器人的动作，进行更换单元、操纵衍架结构物、操纵滑动摇柄、捕捉浮游物和控制标靶卫星等各种作业试验。为了确认试验的作业性和操作性以及达到操作训练目的，制作了专为地面运行的机器人模型ETS—VII机器人试验工作台。用这个实验台不仅可以试验和训练ETS—VII机器人臂操作箱板上的机器，还可以进行用ETS—VII机器人臂进行捕获浮游卫星的捕获试验。

由于航天器应用机器人要由运载火箭送人轨道，工作在失重环境下，它与地面上使用的机器人相比，在设计上需要特别考虑以下一些因素：

①轻量化，受发射条件制约．需要尽可能减轻航天器应用机器人的重量，以降低发射成本；

②耐环境性，航天器应用机器人要能够适应升空时的振动及太空中的极限环境； ③抓取超量重物，航天器应用机器人通常要能操纵超过自身 重量的作业对象；

④浮游物的反作用，飞行中卫星对机器人的反作用；

⑤固定物体，为了避免错误地译放物体，必须将物体进行固定。 这些因素有很多是设计与要求互相抵触，必须在详细分析硬件、软件及使用指标的基础上。优化进行平衡与分配，以满足各项要求。

航天器应用机器人设计的关键技术有以下几方面 (1)机器人机构的润滑

宇宙空间为10—5Pa以下的超真空场合，在这样的环境下，通常地面上使用的润滑油会蒸发掉，导致润滑不良，并且被蒸发的润滑油会在周围的光学及其他仪器上再次凝结，引起光学特性恶化。

通常的润滑袖和润滑脂在—60℃以下会固化，要想得到良好的润滑特性，多采用固体润滑剂。固体润滑剂是由金、银、铅等软金属，二硫化钼等摩擦系数极低，具有层状结晶结构的硫族物质，以及聚四氟乙烯等高分子材料组成，在很大的温度范围内能够保证稳定的润滑性能，且不易蒸发或发生润滑剂枯蝎和污染周围机器的问题。另外，固体润滑剂亦可以采用在滑动表面粘贴薄膜的方法。总之，根据润滑机械元件的不同，可以来用最适合的固体润滑剂和使用方法。 目前，在航天器应用机器人手臂关节中使用的滚珠轴承中，滚珠与滚道表向上采用了阴极真空喷镀法形成二硫化钼薄膜进行润滑。并且采用聚四氟乙烯复合材料制成滚珠保持器，长期连续地供给滚珠聚四氟乙烯的方法。在谐波减速器中，使用了表面硬化和镀金等处理近行润滑。

(2)电气设备

航天器应用机器人的控制计算机通讯处理和图像处理部分都是出多个CPU构成的计算机系统。作为太空电子设备，各板之间的连接应采用专门的母板结构。每个功能部分，对于不同的处理周期，要有可进行多任务处理的软件，以完成复杂的机器人控制处理任务。 此外，控制计算机和电机驱动回路要采用耐放射性、耐真空、宽耐温性的部件构成。使用的部件重点确保可靠性及在严格设计标准的前提下，努力实现高集成化和轻量化。 (3)图像处理

为了适应由于温度变化引起的作业对象的位置变化及追踪、捕获浮游卫星，基于对象物的图像检测进行的图像反馈控制是非常有效的。在航天器应用机器人上可设置带有标被标记的标识体，将其作为检测对象，进行相对位置、姿态图像检测及反馈定位。为了实现完全自动化，还需要开发无需使用标识体即可采用图像处理方法识别对象物和进行位置检测的方法。

(4)控制系统

航天器应用机器入在使用时需要有对其进行控制的编程语言。可以将地面用机器人语言附加上太空用功能后进行改编，构成专用的机器人语言体系。航天器应用机器人还应采用自动和人工两种控制方式，并具备力控制功能。力控制用于确定抓取对象物从动中心的位置参数和假想的质量参数。在输出轴处，带有缓冲、衰减作用的弹性部分及转短传感器的可塑性关节，能够有效地进行力控制。

第6章 微机器人

6．1 概述

早在四百多年前，中国四大奇书“西游记”就记载“行者，摇身一变，变作一个“蟭蟟虫”，随茶水进入罗刹女肚腔之内。”“蟭蟟”是微虫名。这里虽然反映了中国人丰富深奥的想象力，但毕竟是神话。然而，当代由于微机器人技术日益发展，人造的“蟭蟟虫”不仅要

进入肚腹内，而且还要钻进入的血管里，疏通血栓，造福于入类。

为便于读者对微机器人技术发展有较系统的了解，这里简要地叙述其技术的由来与发展。

1981年由于现代物理和微系统技术发展，IBM公司苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜(STM)。由于探针到试件的距离控制到1nm，出现了隧道电流。从此，人类可以亲眼直接看到立体的原子。

1987年加州大学伯克利分校制造出直径100um的微马达 后又研制成微齿轮、曲柄和弹簧等。

1993年美国研究出用于眼球网膜显微技术手术的微操作机器人。

1995年日本通产省机械技术研究所研究出应用于生物工程细胞操作的双手微操作机器人。

相继，中国、加拿大、瑞典、芬兰、德国、法国都研制出各式各样的微操作机器人，同时世界各国也研制出形形色色、斑斓璀璨的微型机器人。

6．2 微机器人概念和分类

6．2．1 概念

何谓微机器人，众说纷坛，当前有几种说法。

①微小化机构和微小化电子器件集成的智能机器，称微机器人。 ②可编程的微型机械或微动机械，称为微机器人。

③外形、移动或操作在微米尺度下的机器人，称为微机器人。 6．2．2 分类

微机器人的分类，当前也是莫衷一是。 (1)按尺寸分类

①外形l—l0mm称为小型机器人。 ②外形1—1000um称为微机器人。 ③外形l一100nm称为纳米机器人。 (2)按形式分类

如图6—1，可分为四种。

①仅作业系统AW微型化(例如半导体制造装置STM)。 ②仅定位系统AP微型化(例如微操作机器人)。

③仅移动的作业系统Aw、定位系统AP微型化(微移动机器人)。

④仅移动作业系统AW、定位系统AP、控制系统C微型化(例如字亩、海底探查机器人)。

(3)按机能分类

①微型机器人，外形很小，移动精度不要求很高。

②微操作机器人．外形未必很小，但其操作尺度极小，精度很高。

6．3 微型机器人

6．3．1 微型机器人驱动力法和原理

为实现微型机器人(micro robot)的微型和微动，国际学术界提出很多新思想、新方法，有“尺蠖法”、“冲击法”、“扳动法”、“蛇行法”和”碰撞法”。

(1)尺蠖法

尺蠖是蛾之幼虫，其体伸屈而移动，如图6—2。

1993午日本静冈大学仿尺蠖虫的移动方法，研制成如图6—3所示的微型机器人。

该机器人用四个电磁铁作为足，足之间用压电晶体和弹簧接。连完成一步移动的过程是： ①后足通电吸住铁板； ②压电晶体伸长； ③前足通电吸住铁板； ④后足断电压电晶体收缩。

当左右压电晶体不同时工作，就可实现转向。 (2)冲击法

1988年日本东京大学提出“冲击法”，其原理如图6—4。当压电晶体突然伸长，由于m的惯性力大于摩擦力，使M向左移动x1。

之后，压电晶体慢慢收缩，m引起的惯性力小于摩擦力又移动x1+x2为一周期的位移。

(3)蠕动法

仿蚯蚓的蠕动做出两种微型机器人。其一如图6—5。按图示的顺序收缩和伸长就可爬行一步。

其二如图6—6。按图示的顺序变曲就可爬行一步。

(4)振动法

其原理如图6—7。只要加在两电机的250Hz高频信号有相位差，就会运动。

(5)碰撞法

其原理如图6—8。通过电磁铁或压电晶体使m和M碰撞，之后m和M一起移动。此法的特点是移动精度高。在结构上没有任何形式的减速器，但会得到质量比平方项的相当减速比。其试验模型如图6—9。

6．3．2微型机器人 (1)管道检查微型机器人

上海大学研究的管道检测微型机器人如图6—l0。它可以在内径20mm工业管道内对机械损伤、裂纹等缺陷进行自动探测。

(2)腔道检查微型机器人

上海交通大学研制的进入腔道的微型机器人如图6—11，它可携带光成像、传像、照明的内窥镜系统。

(3)微型步行机器人

1992年日本东京工业大学研制出用SMA驱动的8足微型步行机器人。体长7cm．用空气压力使橡胶管摆动，步行机器人腿直径为2mm 。 (4)登山竞赛微型机器人 日本学者还研制了用形状记

忆合金SMA驱动的登山竞赛微型机器人。其外形尺寸为l0mm×20mm×20mm，重量只有5g，速度为10mm／s。

(5)超精密加工微型机器人

1998年日本电气通讯大学研究的用微型机器人构筑的超精密加工系统如图6—12所示。 (6)面向高精度测量的微型机器人

1994年日本丰田工业大学研究的测量三维形状精度系统如图6—13； 微型机器人尺寸16mm ×27mm×12mm，重量11．4g。 (7)振动式微型机器人

1996年日本熊本县工业技术中心研究的压电晶体驱动的微型机器人，其尺寸为20mm×18mm×20mm，激频250Hz。

(8)全方位微型机器人

日本琦玉大学研究的全方向微型机器人。用电磁铁驱动，靠惯性力移动，可实现全方位运动。尺寸30mm ×30mm×25mm，激频为58Hz，重量20g。

6．4微操作机器人

6．4．1 微操作机器人分类

微操作机器人（micro manipulating robot)是以亚微米、纳米运动定位技术为核心，在

较小空间中进行精密操作作业的装置，可以应用于生物显微操作、微电子制造、纳米加工等领域，将对21世纪人类生产和生活方式产生革命性影响，对国民经济建设和国防 事业有重要的意义。

微操作机器人一般按操作对象大小分类：

① 微细作业机器人② 超微细作业机器人

6．4．2 微操作机器人介绍

(1)具有视觉反馈的微操作机器人

北京航空航天大学研究的微操作机器人如图6—14。不仅采用视觉反馈，还选用并联微动机构空间3—RPS．如图6—15所示，有高刚度、高精度的特点。

(2)双动式微操作机器人

1993年日本通产省机械研究所研究了一种双动式微操作机器人。该机器人采用并联机构、压电晶体驱动、双动式控制，在高倍显微镜下，用双手操作。由于有力反馈，因此可实现精细操作。

(3)5TM的“原子移位”

1993年日本理化学研究所用STM的探针可使单原子按人意愿移动。其定位平台如图6—16所示，精度为10pm。

(4)纳米移动机器人

中国科学院沈阳自动化所采用“碰撞驱动法”研究的纳米移动机器人如图6—17。外形尺寸为

采用电磁铁驱动，驱动质量为1．1g，相当减速比I＝51652。

6．5 微机器人应用

(1)生物工程

中国科技大学研究的“全光学生物微操作系统”如图6—18，光学微操作微加工不同于传统的机械加工系统。它对生物细胞、细胞器及其他微小粒子的微加工是通过光来实现的，没有任何机械接触。激光光镊可以方便地在二维空间来完成分选粒子。光镊夹持“工件”进行基因转导、细胞器切割、焊接等加工。

(2)超LSI制造

超LSI的DRAM制造，预计2010年特征尺寸要实现70nm。为实现纳米定位，除了提高传统的传动精度外，还需要研究新方法。

1995年日本神户大学研究了一种半导体曝光装置的定位平台，采用“尺蠖法”驱动，定位精度为5nm。 (3)MEMS制造

MEMS制造现在用的微细加工方法有LC法和Liga法。但此法对三维复杂件加工有困难，因此，日本研究用小机床加工微元件，能加工

的阶梯轴。

(4)纳米加工

2000年东京工业大学，用AFM进行纳米加工原子级加工，制造纳米元件。其定位平台如图6—19。

(5)星球探险

1970年11月17日7时20分， “鲁诺寇德一号”探查机器人在月球着陆，队此揭开入类探索宇宙的新纪元。

登月成功之后，美国、前苏联紧接着开展登陆火星的研究工作。由于相关技术的发展，美、苏都研究利用微小型机器人进行火星探测。它的好处是成本低，研究周期短。因此，微小型化成为探查机器人的发展方向。

登上火星的首先是前苏联PROP—M号小型探查机器人。该机器人的重量是4．5kg，移动方式采用舱加滑板的复合结构，移动范围为15m。

美国NASA研制的用于星球探测的微小型探查机器人GOFOR号如图6—20所示。它的尺寸是0．4m x 0．4m，重量为3．5kg。

美国NASA研制的纳米探查机器人如图6—21，重量为0．8kg，移动方式采用腿加轮的复合结构，移动速度0．01m／s。

日本也研制了用于航空航天的FSAS型探查机器人，其重量为4．8kg，5轮移动方式．速度可达0．415m／s。

为了能在星球表面复杂地形下行走，星球探测机器人的移动机构设计非常重要。中国科学院沈阳自动化研究所针对微小型星球探测机器人的移动机构，设计了一系列的复合移动机构。“沙地一号”微小型移动机器人如图6—22，移动机构采用了轮加腿的复合机构。

“沙地二号”微小型移动机器人如图6—23，其移动机构采用了履带加腿的复合移动机构。“沙地三号”微小型机器人如图6—24其移动机构采用了轮加腿的复合移动机构。

此外，还研制了外形尺寸为l00mm x 80 mm的四足微小型机器人，如图6—25。

(6)空间飞行微机器人

20世纪90年代美国Aero virenment公司研制的微型飞机如图6—26，重量只有42g，尺寸为15cm，遥控距离为1000m。 (7)军用微小机器人

军用微小机器人能完成人难以完成的使命。军用微小机器人最大的特点是外形小，有良好的隐蔽性，仿生物外形不会引起敌方注意。构造简单．制造毙期短，造价低，还可以具有“群”攻击的能力，令敌方防不胜防；军用微小机器人具有超人的功能，不怕疲劳，不惧艰险，忠于职守。

美国研制了多种用于军事用途的微小型机器人，如麻省理工学院研制的昆虫机器人“金菲

斯”。美国罗克威尔公司及IS机器人公司研究的扫雷机器蟹如图6—27。

第7章 机器人传感器相人机交互

7．1 传感器基本概念

传感器是一种以一定的精确度将被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种物理量(通常是电量)的测量装置。一般传感器由敏感元件和转换电路组成。敏感元件是传感器的核心，它可以利用各种物理、化学、生物效应，将被测的力学量、物理量、化学量、生物量等非电量转换成电学参数的变化．而转换电路则是将这种电学参数的变化转换成电量输出。在有些传感器中可能需要多个敏感元件串行或并行工作，才能实现所需要的功能。如在电阻应变式压力传感器中，首先需要将被侧压力转换成弹性敏感元件的应变，然后粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻变化，这就是两个敏感元件的串联工作方式。又如在视觉传感器中，敏感阵列是由成千上万个光敏二极管组成的，单一敏感元件得到的光电信号并不能得到被测图像的整体信息，而必须将所有敏感元件同时检测到的光电信息综合在一起才能得到整体图像．这就是多个敏感元件的并行工作方式。传感器中的转换电路根据对象和要求的不同，其复杂程度与功能也会有较大的变化。当转换电路将被测量转换成标准的电压(1—5V)或电流(4—20mA)模拟量输出时，这种传感器通常被称为变迭器。当转换电路采用计算机进行信息处理并输出数字量时，这种传感器被称为智能传感器。目前最新的发展是将网络协议与网络电路集成到传感器中．使传感器能够直接与计算机网络连接，通过网络传送测试数据和传感器控制信息，成为网络化智能传感器。由于测试对象的复杂性和应用场合的实时性要求，机器人传感器大多需要多个敏感元件和具有信息处理与传输能力的转换电路，因此机器人传感器大部分都是智能传感器。

反映传感器性能的主要指标是灵敏度、量程、精度、温漂、时漂，了解这些指标的含义对于适当选择和合理应用传感器十分必要。

①灵敏度 传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比，它反映了传感器对被测量的敏感程度。灵敏度同时也句传感器的信噪比密切相关，高灵敏度的传感器得到的信号输出较大，同时信噪比相对较低。因此在选择传感器时应尽量选择灵敏度较高的传感器。在灵敏度偏低的情况下应进一步考虑干扰、噪音信号的大小，以信噪比达到测量要求来衡量。 ②量程 指传感器适用的测量范围，选择好传感器的量程是用好传感器的前提。量程选择过小，会使传感器长期工作在超负荷状态，容易造成损坏。量程选择过大，会使传感器的实际测量误差增加，达不到预期的检测精度。满量程输出是指输入从最小变化到最大时输出信号的变化量，它与灵敏度密切相关，同时又对传感器的精度评价起到了重要作用，因为所有误差对传感器精度的影响都是要与满量程进行比较之后才能判定。

③精度 指传感器在其测量范围内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。精度还可以通过非线性、迟滞、重复性来表示。对于线性输出传感器，往往将标定数据与标准输出直线进行比较，其最大误差与满量程输出之比即为非线性误差。迟滞误差是指传感器在标定过程中加载输出与卸载输出之间的不重合性，加载与卸裁输出的最大差值的一半与满量程输出之比为迟潜误差。重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次标定时的输出不重合性，各次标定之间的最大误差与满量程输出之比即为重复性误差。 ④温漂 指温度变化对传感器输出所产生的影响，它是由温度漂和灵敏度温漂两项指标来表示的。温度零漂是指传感器的输入信号为零时，温度变化所产生的输出差值与满量程输出和温差之比。灵敏度温漂是指满量程输出随温度的变化情况，当温度变化满量程输出差值与满量程输出和温差之比。

⑤时漂 衡量传感器长期稳定性的指标，一般是测量时间内传感器零点输出变化的最大

值，然后计算出单位时间内与满量程输出相比的百分比。 对于机器人传感器还有一些特殊的指标，如多维力传感器的耦合误差、触觉传感器的空间分辨率、视觉传感器的光谱范围等等， 我们将结合具体的传感器进行介绍。

7．2 机器人感知系统

机器人系统由感知、决策和执行三个子系统组成，感知系统负责获取机器人内部状态和外部环境信息，决策系统根据工作任务和感知信息进行任务规划，执行系统根据任务规划控制机器人关节运动，实现操作作业。感知信息是机器人进行决策规划和运动控制的基础，对于智能机器人和特殊环境作业机器人尤为重要。传感器是感知系统的基本组成单元，它们如同人类的感知器官一样．为机器人提供视觉、力觉、触觉、嗅觉、味觉等对外部环境的感知能力，同时还可以感知机器人本身的工作状态与位置。因此我们根据检测对象将机器人传感器分为内部传感器韧外部传感器两大类。内部传感器是用于检测机器人自身位置和状态的传感器，如机器人关节角度传感器等。外部传感器主要用于检测外部环境和工作对象的状态．它包括视觉、力觉、触觉、接近觉、嗅觉、味觉传感器等(表7—1)。

机器人感知系统是各种机器人传感器的集成和多传感器信息的融合，它可以在三个层次上为机器人决策和控制服务。首先，在机器人仟务规划阶段，以视觉为主体的机器人感知信息为机器人提供工作环境的全局信息，通过与任务目标和环境模型的任务级信息融

合与决策，得到随环境变化而改变的任务序列，实现动态任务规划。这对于水下机器人、空间探测机器人、军用机器人等工作在非结构复杂环境下的智能机器人和遥操作机器人具有特别重要的意义，全局环境的感知能力直接决定厂这类机器人的智力程度。其次，在机器人为实现某一个确定任务而进行的路径规划阶段，局域视觉和机器人位置传感器为机器人提供了

当前位置和路径的感知信息，使机器人能够根据当前环境和内部状态确定最佳的路径，并分 解成各关节的运动日标。最后，在机器人根据指定路径进行机械操作的过程中，机器人感知系统以关情角度、接近觉、力觉、触觉信息为主，向机器人关节控制器提供实时的反馈控制信号，以确保机器人准确、可靠地完成机械操作。

7．3 关节位置传感器

机器人关节位置传感器是机器人最早、最广泛使用的传感器，它用于检测机器人各运动关节的旋转角度或伸缩距离。对于旋转关节，通常采用光电轴角编码器检测关节角度，这种传感器分为绝对编码传器和增量码传感器两类。这两种传感器都是利用光电转换原理，将随轴转动的码盘角度或者码盘角度的变化量转换成电脉冲，并由此得到角度信号。

增量式光电轴角编码器的工作原理如图7—l所示，它采用的码盘沿圆周排列了一圈黑

白相间的条码，一对发光、光电二极管安装在码盘的两侧。当黑色条纹转到两个二极管之间时光线被遮挡，光电二极管输出信号为0，否则输出为1。因此随着码盘的转动得到一串脉冲信号，每一个脉冲对应于一组黑白条纹，通过累计脉冲数就可以得到转动的角度。为了区分转动的方向，通常采用两对发光、光电二极管同时进行检测。这两对二极管安装位置存在一个角度差，因此测到的脉冲信号相互之间有一个相位差，通过相位差变化就可以判断出转动的方向(图7—2)。另外，为了避免计数器的积累误差，还安装了第三对发光、光电二极管，

专门用于检测零位。即在码盘上专门到了一个小透光孔，使码盘每次转到零位时由第三对二极管测到一个脉冲，表明码盎转了一困，并对第一、二对二极管的输出累计脉冲清零。 绝对式光电轴角编码器的工作原理与增量式传感器相近，其不向之处在于码盘上的编码是由若干组环形码道组成，每条码道代表编码中的一位，而码道中的条纹分布根据编码要求的“0”、“1”位置来确定。另外，在绝对式传感器中安装了多对发光、光电二极管来检测每条码道的“0”、“1”信号。码盘转动到任意位置都可以得到一组出“0”、“1”构成的编码，这一编码与转角存在明确的对应的关系，与转动过程无关，因此称为绝对编码传感器。由于绝对式轴角传感器可以在任意位置开始工作，无需清零，也不存在积累误差，因此特别适合在电源频繁开关和不允许机器人经常进行回零校正的场合。

码盘按其所用码制可以分为二进制、循环码、十进制码、六十进制码等。图7—3是一个四位的二进制码盎，二进制码盘的角度分辨率为

由于二进制码盘的某一高

位数码改变时，所有比它低的各位数码都同时改变．这样微小的制作误差所引起的码道提前或延后可能会导致粗误差，这是有权码的通病。循环码码盘采用的是无权码，并且每次转到新的位置时只有一位发生变化，因此只要适当控制各码道的制作和安装误差就不会产生粗误差，这一优点使得循环码码盘得到了广泛的应用。循环码的分辨率与二进制码相同，也为

图7—4是一个四位的循环码码盘。

7．4视觉传感器

视觉传感器是机器人的眼睛，它与图像处理技术结合后构成机器视觉，使机器人具有类生物式的视觉功能。目前最常用的视觉传感器是电荷耦合器件(CCD)摄像机。CCD的基本结构是MOS电容，它是利用在栅极下半导体表面形成深耗尽状态进行工作的(图7—5)。深

耗尽状态也叫表面势阱，它可以存储电子。当CCD器件受到光照时，光子校半导体吸收产生电子—空穴对，这时电子被吸引，存储在较深的势阱中，形成电荷包。光越强，势阱中收集的电子越多，因此势阱中电子的多少反映了像的明暗程度，实现了光电转换。CCD器件

由多个像素构成线阵或面阵，并将阵列中的像素分为三组，每组的栅极分别连接在一起，加上三个不同的时钟控制电压，使各像素巾的电荷依次向输出方向移动，在输出端依时间 顺序得到对应像素的光电信号(图7—6)。

CCD阵列得到被测场景的图像后，必须经过复杂的图像处理和计算，才能识别出被测物体及其方位。采用单个CCD摄像机所得到的是二维图像．往往只能用于同一平面上物体的识别和定位，对三维图像的测量精度较低，因此必须研究立体视觉获取和识别方

法。目前实现立体视觉主要有两类方法。一是采用两台(或多台)摄像机在不同角度同时捕获

对象物的二维图像，然后进过图像处理和分析得到对应特征点、线、面在各个二维图像中的位置，并进行计算得到它们的空间方位，这样就得到了三维立体视觉信息(图7—7)。另一种方法是采用成像雷达，对被测物进行扫描，测出每一点的距离，从而得到被测物体的三维图像。图7—8是青岛海洋大学研制的水厂激光电视系统工作原理图。

7．5 多维力传感器

由于机器人是在三维空间运动的，作用在机器人上任一点的负载，实际上都包含了三个力分量和三个力矩分量，共有六个分量；因此，需要六维力传感器来精确测量负载力。在一些特定的应用场合，可能只需要测量部分力、力矩分量，则可以使用三维力、五维力等传感器。这类可以检测多个力分量和力矩分量的传感器，统称为多维力传感器。

多维力传感器通常是由弹性体、电阻应变片和信号处理电路三部分组成。弹性体的作用是将外加负载力和力矩转变成弹性体的变形，在弹性体的一些特定部位产生与外加负载的某一分量或若干分量相关的应变。电阻应变片就粘贴在这些特定的位置，它们将应变转换成电阻变化，通过出多个电阻应变片组成的测量桥路得到电压输出。测量桥路的输出电压包含了某一力分量或若干力分量的信息，如果我们在弹性体的不同位置上粘贴多组应变片，就可以得到多组分别与一个或若十个力分量相对应的电压输出。信号处理电路

对这些输出电压进行解耦，并与标定数据进行比较，即可得到各个力分量的负载值。 弹性体结构与贴片位置的选择对多维力传感器的性能影响最大，因此发展了各种各样的弹性体，如薄壁圆桶型、十字梁型、并联结构型等(图7—9)。这些弹性体一般都是采用金属材料(如超硬铝合金)，以承受较大的负载力。

电阻应变片一般采用金属箔式应变片，它是由绝缘的胶基衬底和金属箔敏感栅组成(图7—10)。应变片用胶粘贴在应力敏感区，当施加外力时应变片产生应变，使敏感栅中的金属电阻条拉长或缩短，从而电阻值发生改变。电阻值变化量与所受到的应变具有线性关系，因

此可以通过检测电阻的变化得到应变值。通常采用四个应变片组成差动测量桥路(图7—11)．桥路中对臂电阻受到同一方向的应变，而所有电阻都受到同样的温度变化，因此其输出信号比单一电阻变化引起的电压输出大4倍，而温度变化引起的输出几乎全部被抵消。

信号处理电路包括放大、A4)变换、解锅、通讯四个主要功能块。放大电路将检测桥路输出的多路微小差动电压信号放大到0一5V，然后通过A/D变换得到各路信号的数字值。处理电路中的CPU根据标定时得到的数据，对这些数值进行分析、解算，消除由于加工、贴片误差所带来的耦合误差，最后．处理电路将得到的多维力信息通过串行、并行或网络接口传送到机器人的主控机，并接受主控机对传感器发出的控制指令。

随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展，人们正在研制能够进入微细管道和窄小空间的微型机器人和用于细胞和DNA操作的微操作器，而前而介绍的多维力传感器尺寸和量程均太大，必须研制微小量程的微型多维力传感器。微型多维力传感器通常采用MEMS工艺制作，其弹性体材料和结构也必须根据工艺的可实现性进行调整。图7—12是一个尺寸为4mm×4mm×1．5mm的三维力传感器芯片结构图，该传感器由传力板、敏感膜片和保基片三层硅片组成。被测力通过传力板集中作用在E型敏感膜片中心，敏感膜片将作用力转变

成应变。 E型硅膜上集成了三组压阻电阻和检测桥路，它们分别对一个力分量敏感。保护基片的中心与敏感膜片之间有一微小的间隙，当被测力超过极限量程时间隙为军，起到保护作用。

7．6触觉传感器

人类可以通过触摸物体表面感受接触力、接触伦量、物体形状和滑动状态，这种通过皮肤均物体接触而获得的感觉被称为触觉。同时人类皮肤具有较好的弹性和柔顺性，使其可以适应各种形状的物体表面和吸收接触冲击力。人类的这种柔性触觉感知能力为人们认识外界物体的物理特性和对外界进行实际操作提供了必要的信息基础。智能机器人要求感知外界环境的物理特性．因此同样需要触觉感知能力，同时也要求手爪表面具有一定的柔性，以保护手爪和被抓取物。这种具有类似人类皮肤触觉功能和柔顺特性的机器人触觉传感器，即为类皮肤型触觉传感器。

类皮肤型触觉传感器具有以下几项功能和特性：①触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、接触力觉和滑觉；②柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状的表面；③小巧的片状外形，以利于安装在机器人手爪上。其中接触觉是对传感器是否与外界物体产生物理接触的判断，为两值输出。只有当接触觉输出为“是”时，才需要继续检测其他触觉信号；分布压觉是对接触位置和接触力空间分布的描述(即触觉图像)，可以得到被抓取物体的形状和施力中心。接触力觉是对接触总力的测试，它包括法向力和切向力。滑觉是对传感器表面与被接触物体表面之间的滑动状态进行判断，它包括滑动、临界和静止三个状态。 人们已经研制了多种检测法向接触力的阵列式触觉传感器，用于夹持力控制、夹持位置判定和夹持物识别。然而，由于切向力对力控制和防止滑动具有不可替代的重要作用，人们又研制了具有切向力检测能力的压阻式、电容式和光学式三维触觉传感器。其中一些三维触觉传感器采用了微电于机械系统(MEMS)技术制作，它们具有集成度高、结构紧凑等优点。下面以中国科学院合肥智能机械研究所研制的多功能类皮肤性触觉传感器为例，概要介绍触觉传感器的系统构成与信息融合方法。

该传感器由敏感阵列和数据处理器两大部分组成(图7—13)。外加的分布接触力作用在触觉敏感阵列上，使敏感阵列中的32个敏感单元产生应力、应变。每个敏感单元中都集成了三组半导体压阻元件和应变检测电路．将作用在该单元上的三维接触力转换成三路电信号，每一路电信号基本与一个方向的作用力相对应。这样整个阵列就得到了96路力敏感信号，它们代表了32个敏感点上所受到的三维力。然后这96路力敏信号通过模拟开关输送到数据处理器进行信号放大、补偿、A/D变换和信息融合。温度信号通过集成在敏感阵列中的半导体热敏电阻进行检测，并直接输送到数据处理器中。计算机主板具有两个主要功能，即信号采集和信息融合。它根据当前任务控制地址控制器和解码器，选通所需的敏感单元。 同时将对应单元的零点补偿值通过D／A传送到补偿电路，以消除零点变化对信号采集精度的影响。信息融合得到的触觉信息最后通过接口输出到机器人控制器中。

敏感阵列由橡胶覆盖层、传力阵列、敏感单元、保护阵列和基板组成，其构造如图7—14所示。橡胶覆盖层为2mm厚的高弹性橡胶膜，其作用是保护传感器表面，增加摩擦系数并吸收冲击能量。为增加粘贴面积和提高可靠性，将硅橡胶理充在传力柱之间的间隙中，然后将橡胶覆盖层通过硅橡胶粘贴在传力阵列上方。敏感阵列的32个敏感单元以4×8的方式排列，每个单元均能对三个方向的力(法向力F z和切向力F x、F y)敏感。传力阵列中的传力柱安装在每个敏感单元的中心，使绝大部分的接触力传递到敏感单元中心。保护阵列安装在敏感单元下面，它与敏感单元的中央凸台之间存在一微小间隙。间隙宽度随接触力加大而减小，当接触力超过敏感单元的量程时，间隙为零，起到过载保护作用。基板是敏感阵列的安装结构板，有镀金引线电极，用于敏感阵列的内、外部引线。该触觉敏感阵列安装在一外形尺寸为50mm×20mm×7mm的铝合金外壳中，其底部有四个安装孔，上表面是橡胶覆盖层。

由触觉敏感阵列得到的96路力敏信号经放大、补偿和A/D变换后，首先在数据处理器中进行单元线性解耦，得到各敏感单元所受到的三维力，计算出分布压觉。然后，再采用人工神经网络计算出总的三维接触力，并进一步计其接触觉和滑觉信息。将单元法向力

转换成具有8个灰度级的触觉图像，使其不仅包含接触位置和形状信息，而且可以进一步得到作用力中心位置信息。图7—15为一个钥匙被按在传感器表面上所产生的触觉团像，其中白色圆圈为手指加压的位置。可以看出，触觉图像与钥匙形状和施力中心具有很好的对应关系。实验表明，接触总力的测试精度达到2％FS。

根据三维接触力可以进一步计算、判断出滑觉和接触觉。当接触总力达到一预先设定的接触阈值时，接触觉输出为“1”，否则为“0”。滑动状态通过比较摩擦系数和切向力与法向力的比值来进行判断，当该比值接近摩擦系数时发出滑动顶替信号，当达到和超过时发出滑动信号。

7．7接近觉传感器

接近觉是指机器人感知外界对象物或障碍物距离的传感器。其目的是在接触对象之前得到必要的距离信息，以便后继动作。这种感觉是非接触的，实质上可以认为是一种介于触觉和视觉之间的感觉。接近觉传感器种类很多，按工作方式可以分为气动式、超声式、光电式、电磁式、电容式等。气动式接近距离传感器的原理是使压缩气体通过一个固定的小孔向外喷发．当喷嘴接近对象时，内部压力会发生变化，距离越近，压力越大。其特点是具有很广的对象适应性，适用于测量微小的间隔。但结构复杂，响应速度较慢。超声式传感器利用超声波的传播时间进行测距，适用于较大的距离和较大的物体的测量，其测距精度与超声波的波长有关，而对对象物体的材料性质依赖较小。超声波式接近觉传感器的测量距离一般不能太小。电磁式传感器主要根据电磁感应现象来实现距离测量，精度比较高，响应速度快，可以在恶劣环境下使用，但要求被测对象必须是金属(或具有一个金属“靶”)，同时检测范围较小。电容式接近觉传感器依据电容随距离的变化进行检测。电容式传感器对物体的颜色、构造、表面状况等不敏感，实时性好。但易受环境的影响，能够检测的距离范围较小。 光电式接近觉传感器是目前机器人上用得最多的接近觉传感器。技工作原理又可以分为以下三类。

(1)三角法测距

三角法测距所依据的原理是平面三角关系。光源发射的光线人射到目标上，目标反射的光线通过透镜汇聚到位置敏感元件(PSD) 亡，通过检测位置敏感元件的输出便可以获得距离信息。三角法可以获得很高的精度，同时处理也比较简单，但是尺寸较大。 (2)相位法

它的原理是光源发出具有一定频率的光波，通过检测接收光的相位变化来推算距离。相位法传感器可以达到较高的检测精度，受目标反射特性的影响较小，但电路处理较为复杂。 (3)光强法

这种方法利用接收光的光强来确定接近距离，结构和处理电路最为简单、但易受环境因素和目标反射特性的影响。

光强法在原理上最为简单．且易于实现，便于集成，很早就有人进行过这方面的研究，但是受当时器件和处理方法的限制，基于这种原理的传感器基本上无法用于定量检测。一般来说，基于光强法的传感器必须解决以下问题： ①背景光对传感器的影响。光强式传感器多工作在主动方式下，接收器所接收到的光能一部分来自发射管，它包含了被测距离的相应信息，同被测量具有确定的关系；另一部分来自背景光，这一部分受环境条件影响。

②待测对象的反射特性对传感器的影响。在距离固定时，探测对象的反射特性(如表面租糙度)的变化会影响接收器接收到的光能。这是影响光强法传感器精度的主要因素。一般来说，传感器可能工作在自然环境或人工环境中，检测对象的反射特性和传感器标定试件的反射特性会有所差别，这时就会引入误差甚至导致错误的结果。因此，传感器必须具有某些智能，能够检测自身状态和识别对象特性，在出现误差时能够报警，并采取适当的措施予以补偿和调整。温度范围内的高精度，则必须进行温度补偿。

图7—16和图7—17为光强法光电接近觉传感器的结构和工作原理示意图。传感器敏感

头由一对发射和接收元件组成，发射元件把驱动电信号转变为光信号并辐射出去，接收元件负责把被检测时象反射回来的光信号变换为电信号。距离越远，反射回来的光强越低，因此可以通过接收的光能来检测距离信息。

经过上述处理以后，可以有效抑制背景光的干扰，但输出还受温度和反射系数的影响。同时，传感器对距离的灵敏度具有严重的非线性。因此必须采用基于信息融合的综合补偿法来克服上述缺陷以提高传感器的性能。为了实现融合，系统必须获得所需的信息。环境温度信息可内测温单元提供，而被测对象的反射特性可以通过两个具有固定距离差的光敏管来测量。得到必要的信息后，采用BP神经网络算法进行数据融合，即可得出系统的接近距离输出值。

7．8 人机接触交互

在机器人的遥操作中，需要将远距离环境转换成人类自然能力所能感知的形式，并且使

机器人理解操作人员的行为动作。实现这些功能的装置被称为人机交互接口，它们包括视觉、声音、接触、嗅觉等接口通道。接触交互接口(hepatic interface)是一种使人类能够通过身体的直接接触和运动而感知和操作虚拟环境或远距离环境的装置。

接触交互接口是真正实现对远距离环境进行直接操作的唯一接口。虽然视觉是人类获取外部信息的主要通道，但是它对外部环境不能产生任何影响，完全是单方向的信息获取。声音通道具有一定程度的交互功能，但是通过语音识别将口头命令转换成计算机指令的操作方式为间接操作，人们不能获得对操作过程的直接感受相控制，其操作性能相结果取决于机器，而不是人。嗅觉与视觉一样都是单向感知通道，缺乏对外部环境的操作能力。因此，一个完善的遥操作系统必须具备较为先进的接触交互接口．这样才能使操作者获得身临其境的操作能力。

研究接触交互技术必然要首先了解人类的触觉敏感和操作能力，这样才能研制出符合人类生理、心理特点的接口装置。人类触觉敏感和操作能力可以分为两类：接触操作和触觉探索。接触操作足以移动物体或对物体施加力为目的，肢体的肌肉收缩和关节运动占主导地位，而触觉、动觉感受器提供的反馈信息用于确保运动和施力的准确性。触觉探索是以感知和识别物体为目的，手指上的触觉、动觉感受器占主导地位，并辅之以必要的肢体运动。 现有的接触交互接口基本上可以分为三类：力反馈定位机构、人体姿态测量装置和触觉显示器。力反馈定位装置是一种通过移动其操纵手柄而使虚拟环境或远距离环境中的物体产生相应运动的机构，同时它还具有力反馈功能，使操作者能够感受到虚拟物体的重量及其对操作者的反作用力。人体姿态测量装置将操作者肢体位置和姿态信息输人到虚拟现实或遥科学系统中，使操作者的动作行为能够在虚拟环境或远距离环境中以相同的方式体现出来。触觉显示器将虚拟物体或远距离物体的外形轮廓与触觉特征再现给操作者，使操作者产生实际接触虚拟物体的触觉感受。

传统的力反馈定位机构是力反馈手控器，它是从遥控机器人的主操作手发展而来，具有与机械手类似的结构形式，通常为6个自由度的两杆开链机构。为克服其结构笨重的缺点，人们研制了结构较为简单、轻便的力反馈操纵杆和桌面式并联机构来替代它。但是，由于人类对于刚度大于25N／mm的物体才会觉得是刚性物体．这就要求力反馈定位装置具有足够的刚度和反馈力，这将导致机构尺寸大大增加，带来手控器原来所具有的各种缺点。 美国西北大学研制了采用非完全约束机构的力反馈定位装置．通过部分约束机构运动的方式产生被动反作用力，从而解决反馈力与结构尺寸之间存在的矛盾。这种机构是通过控制导向轮的角度而使其操作手柄的运动限定在特定的运动方向和区域中，这样可以非常方便地模拟出墙壁等刚性物体的力反馈特性．而只需要施加一个很小的驱动力使导向轮转动到虚拟墙壁的切线方向即可。

人体姿态测量装置有外骨架装置、数据手套等固定在操作者身体上的接触式测量装置，也有采用超声和光电器件对人体姿态进行非接触测量的装置。外骨架装置是固定在操作者肢体上的刚性串联连扦机构，连杆的关节位置与人体关节位置相同，并可以在机构关节上安装角度传感器，测量肢体的关节角度。这种连杆式机构测量精度较高，并可在关节上增加力反馈电机，模拟操作者肢体之间的作用力。数据手套是采用柔性材料制作成手套形状，并在手套上安装柔性角度传感器测量手指的关节角度，具有佩戴舒适、对手指运动限制小、重量轻等优点．但是精度低于外骨架装置。

卡内基梅隆大学采用人工视觉系统通过图像处理获取操作者手指的位置和姿态信息，构造了一个颇具特色的虚拟现实系统。该系统称为“看得见摸得着(What You Can See Is What You Can Feel)”的系统，它是由CCD摄像机、LCD显示屏、PUMA560机器人和计算机网构成。这里机器人手腕上安装了一个手柄，作为力反馈手控器使用。显示屏安装在操作者跟前，并随操作者头部运动，类似于头盔式显示器。摄像机安装在显示屏背面，对准操作者视线方向。因此，当操作者用自己的手去抓取虚拟物体的手柄时，首先摄像机摄取到手的图像，经图像处理后得到手指位置和姿态信息。这时显示屏上显示出虚拟物体和手的实际图像，同时机器人将手柄移动到虚拟物体手柄位置，并产生相应的接触反力。这样操作者同时看到了自己的手和虚拟物体，并感觉到接触力。这一非接触测量方式完全摆脱了接触式测量装置对人手运动的束缚，以及配戴这些装置所带来的额外接触感觉和重量感觉。 触觉显示器根据其显示方式分为形状再现式和表面刺激式两大类。形状再现式触觉显示器是通过位移变化模拟虚拟物体表面与操作者的接触状态，使操作者直接感觉到虚拟物体的存在及其形状，是最能体现触觉特性的方式。早期的形状再现式触觉显示器是采用气囊、气环制作，利用其在充气后产生的位移和压力使操作者在特定部位感受到接触力。为了提高触觉显示器的分辨宰，科学家们采用形状记忆合金和电流变体材料制作了阵列触觉显示器。表面刺激式触觉显示器是通过对操作者皮肤表面或表皮神经施加振动刺激或电刺激，使操作者在相应位置产生接触感觉。振动刺激是常用的刺激方式，它可以来用电磁式振动音圈、压电材料或形状记忆合金等多种驱动方式。电刺激触觉显示方式是采用表面电极刺激、神经肌肉刺激或静电刺激方式产生触觉感受的生物物理刺激方法。

美国Louisiana技术大学和Wisconsin大学研制了硅基底静电触觉显示器，它是在硅片上制作电权阵列，并覆盖聚酞亚胺薄膜作为电绝缘层。当电极上施加200一600V的电压时，对触摸该硅片的手指表皮产生静电吸引力，从而在相应位置感觉到接触。另外，日本NTT交叉科学研究所正在利用超声振动诱发触觉错觉的现象，研究通过在被测表面施加超声激励来合成表面纹理触觉感受的方法。我们认为，这两种触觉显示方式比其他方法更有前途，是触觉显示器今后发展的主要方向。

美国先进研究计划署(ARPA)制定了一项人机交互研究计划，其目标是为21世纪的复杂信息系统提供以语言、手势和其他自然形式进行人机交互的技术。该计划共分12个研究课题，由卡内基梅隆大学负责的“灵巧触觉人机交互接口”为其中之一。该课题于1995年底启动，其目标是研制出一种具有多种功能的手套式接触交互装置，这些功能包括：检测人手姿态，并映射到虚拟手或机器人手上；为使用者提供接触和力感觉反馈；使人类能够感觉到虚拟世界中物体的轮廓。该装置计划由三个子系统构成，它们是运动映射系统、触觉显示系统和力显示系统。运动映射系统采用人工神经网络将人手关节运动转换成虚拟手的关节运动，从而模仿人的手势。触觉显示系统采用了螺线管式振动触觉器件阵列，映射虚拟物体轮廓或表面。当使用者将手指放在阵列上时，能够产生真正触挨到虚拟物体的感觉。在力显示系统中，采用压电音圈产生的机械频率显示抓紧力，各个指尖上的振动频率取决于各相应的虚拟手指所受到的夹紫力。

美国航天局(NASA)空间机器人研究计划于1996年设立了题为“星际距离遥现控制”的

关键技术，其目的是研究用于行星科学考察的接触交互技术。在行星考察过程中，地面的地质学家将可以通过这种接触交互接口感觉到外星物质(土壤、岩石等)的表面纹理和材料特性，并进行必要的手工操作。由于星际通讯存在较大的时延，现有的接触交互系统难以满足使用要求，因此必须研制适用于大时延条件的接触交互技术。这项研究分为三项任务：①接触数据采集、分析和压缩。②接触数据恢复和再现，③接触交互与遥科学实验系统的集成以及该系统的野外测试与评估。这项工作由卡内基梅降大学、麻省理工学院和ARC(Ames Research Center)共同承担，他们采用空间机器人自动进行接触数据采集，然后通过触觉显示器再现外星物质的触觉特性，并将该系统集成到现有的虚拟现实系统中，与来自行星的图像、光谱、组分和地貌数据融合，使地面的地质学家对外星物质获得全面、直观的了解。

美国航天局Jonson空间中心的自动化、机器人与仿真研究部是美国空间机器人专业研究单位，遥操作和遥控技术是其研究的主要内容之一，他们于1992年开始研制全融人式遥科学实验床(FITT)，用于灵巧型拟人机器人(DART)的遥操作控制，为下一代空间机器人系统的发展进行预研。DART由两个PUMA562机器手构成双臂，手上装有JPL/Stanford的灵巧三指手爪和六维力传感器，该机器人有一个3自由度头,上面安装了一对彩色摄像机，整个机器人安装在一个可移动式基座上，以增加工作空间。FITT是一个以人类自然传感运动和认识技能来对DART进行控制的遥操作系统。操作者通过脚踏板控制座椅移动，使DART机器人基座产生相应运动。操作者手上的cyber数据手套和Polhemus空间位置传感器，将手势利手臂位置映射到机器人上。操作者头上戴的VR4头戴式显示器，为操作者提供机器人环境的立体视觉图象。头上的空间位置传感器检测操作者观察的角度，使机器人头部摄像机产生相应的运动。系统中还包括了一个语言识别系统，用于识别操作者的语言命令。并且还准备在操作者手臂上安装外骨架式手臂主控器，实现力反馈。

第8章 机器人技术发展趋势

人们对机器人的未来发展充满了幻想，很难说哪些幻想是可以 实现的，哪些仅仅是幻想而已，很可能在未来的某个时间它们就变 成丁现实。社会的需求(民间和军用)是任何高技术发展的原动

力，机器人技术也不例外。现在，科学家都在为机器人的未来．研 究各种各样的机器人，及各种各样的配套技术。这里，仅仅对机器 人可能的发展方面做一个简单的叙述。

8．1 机器人的应用领域将不断扩大

机器人的应用领域将越来越广阔。传统的工业应用方兴未艾，预计到2003年，全世界各种不同类型的工业机器人的总量将达到近90万台。机器人的广泛应用，不仅大大提高生产的自动化程度，而且将不可避免地改变人的工作方式。在现代的自动化系统中，尤其是大量的刚性自动化系统中，加人了柔性的机器人技术，其结果不仅仅增加了生产线的柔性，还将改变自动化系统结构。生产者将会而临一种全新的工作对象和方式。在工业产品迅速更新换代，产品生命周期变得越来越短的情况下，要求生产线也能迅速廉价地变更，机器人技术将在“可重构”生产线中发挥更大作用。机器人在非制造业的应用已初见端倪，在非结构环境中使用带有一定智能的机器人在新世纪里将会大量涌现出来．需求将会迅速增加。近年来大量涌现出的服务机器人就是证明、其内涵正在不新扩大，新品种格陆续出现。各种意想不到用途的机器人将诞生，不断扩大现在我们称为服务机器人的家族成员。可以想象，将来在现有的服务机器人的队伍中会不断地分裂、派生出新类型的机器人。本书前面介绍的一些服务机器人、已经有了雏形或者试验应用，如机器人警卫，可以代替人执行特殊位置的警卫和一定范围的巡逻，防暴机器人可以帮助人制服恐怖分子；机器人进入家庭，一直是人们的希

望，它一定会变为现实，即机器入为人的日常生活服务，能照顾孩子和老人的家庭服务机器人在今后几十年里一定会像现在的彩电、冰箱一样走进寻常百姓家。天空与探海是机器入潜在的应用发展领域。随着人类征服宇宙的进展，航天机器人将会更加被重视，虽然与在陆地上大量应用的机器人比较起来，航天机器人将还是一个花钱较多，用处较小的领域，但其对人类征服宇宙的愿望的实现，作用很大。海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是人类梦寐以求的，科学家正在做不懈的努力去攻克技术难题，提高机器人深海勘测与开发的能力，水下机器人将会有更多的类型出现。

8．2 机器人将发展成为网络系统的一部分

机器人的应用是作为系统的一员出现的。机器人必须改变过去那种“部件发展方式”，而更多地考虑“系统发展方式”。从系统观点出发，机器人仅仅是系统中的一个单元，必须考虑和其他设备互联的方式、手段和协调能力。因此，由于应用环境的变化，使得机器人技术也跟着相应发展。现在的机器人就是应用在作为一个系统的环境之中，计算机网络的发展，使得机器人所在的系统更加扩大。网络技术的发展，包括工业网络技术的发展，必特使得机器人的控制系统产生很大的变化。机器入的控制系统与网上其他成员的交互与协作能力，信息和数据的获取与共享，机器入与人交互界面等等．都将随之改变。机器人格不可避免地在享受网上资源的同时，增加对网的依赖。利用网络的方便，机器人作为网上的一员，人可以在很远的地方来控制它。它可以在人的指挥下代替人在遥远的地方工作，仿佛把入的手延伸到千里之外去工作。比如，外科专家可以在其所在医院，指挥远地的机器人进行外科手术，为偏远地区病人做疑难手术。2001年9月7日身在美国纽约的外科医生雅克·马雷斯科为躺在法国东北部城市的一位68岁女患者成功地用机器人做了胆囊摘除手术，两地相距7000km。医学界认为这是外科手术史上的一次革命。从机器人学的角度来看，机器人也和我们人类一样，进入了网络时代。

8．3 机器人技术的不断进步

由于对机器人研究的深入和扩展，机器人学已发展成为一门独立科学。机器人技术的发

展从应用的角度看，将越来越方便使用，在用户看来变得越来越简单，越来越可靠，工业机器人的可靠性已经在声称终身免维护。20世纪90年代以来，机器人价格也有明显下降。 更重要的是，机器入的结构与控制系统将取得突破性的进步。在机器人的机械结构设计方面，随着应用领域的不同会出现各种不同的结构。同时，科学家一直在使机器入的自身重量变轻而同时使其持重的能力变强。入和许多动物都能搬运比自身重的东西，甚至搬运比自身重许多倍的东西。现在的机器人只能拿起比自身轻很多的东西，这大大限制了它的应用。随着机器人结构的进步和新材料的不断涌现，机器人所能承受负载的能力和自身重量的比值将会比现在的工业机器人有大幅度的提高。这将使机器人不会像现在的工业机器人那样显得十分笨重，将更方便应用。

使机器入能像人和动物一样运动，一直是科学家的研究目标。比如，像蛇一样爬行，或用腿行走。多足机器人，比如六条腿的机器人，已取得了较好成果。像人一样用两条腿走路，确是一个很难的题目。然而这都是科学家的努力方向，与任何其他高级动物一样，用腿灵活地行走的机器人将走向实用。机器人学并不是简单的仿生，在研究、效仿动物的能力的同时，不断创造出新的结构。比如变结构的机器人，它可以依照环境的变化将自己变成一条蛇，或 者一个四条腿爬的昆虫。

随着相关技术的进步，微型机器人和微操作机器人将诞生，并势不可挡地走向实用。让机器入进人人体内的血管、心脏或消化系统进行手术治疗的计划一定台实现。相对体积大一些的小型机器人，将更快地取得成功。比如大量的“机器人昆虫”组成的“机器人兵团”

很可能在军事上应用。

现在的机器人的智能还是十分低的。要使机器人的智力达到原始人类的智能，恐怕科学家们还要经过数十年的努力，机器人智能的提高，对机器人发挥各种功能是至关重要的。科学家多年来一直从各个角度寻找增加机器人智能的办法。虽然现在看来进步缓慢，然而在科学家的不断努力之下，随着电子技术、材料科学和人工智能研究的突破，更高智能的机器人一定会出现。如果光子计算机或生物芯片研制成功，我们就可以设想将运算速度相当于IBM／6000SP的巨型机缩小到能装入机器人的脑袋里。美国著名的科普作家阿西莫夫(Isaac Asimov)曾设想机器人具有这样的数学天赋：“能像小学生背乘法口诀一样来心算三重积分、做张量分析题如同吃点心一样轻巧”。

机器人已为20世纪人类文明做出重要贡献，机器人必将为21世纪的人类文明做出更大的新贡献！