中國航天三院33所智能機器人研究室 張新華

新一代智能機器人的關鍵技術與突破

中國航天三院33所智能機器人研究室 張新華

1 國內(nèi)外智能機器人技術現(xiàn)狀與趨勢

智能機器人是能夠依靠自身攜帶的傳感器感知理解外界環(huán)境，根據(jù)任務需要實時決策執(zhí)行，以自主/半自主方式進行作業(yè)，在已知/未知環(huán)境中具有一定自我學習和適應能力的智能裝備。

1.1 傳統(tǒng)機器人

特點：

· 固定安裝，缺乏與環(huán)境、操作人員的交互能力；

· 適用于流水線作業(yè)，柔性制造能力有限。

1.2 智能機器人

特點：

· 高柔性制造能力；

· 安全與人協(xié)作能力。

1.3 輕型柔性機械臂技術

由KUKA公司研制，于2014年11月上市，已經(jīng)在大眾汽車發(fā)動機生產(chǎn)線應用，采用柔性關節(jié)制造，能夠滿足柔順裝配的需求，但是成本較高。特點：

· 力矩反饋型柔性關節(jié)；

· 主動安全；

· 人機協(xié)作；

· 工位替代；

· 柔順控制。

1.4 模塊化柔性機械臂技術

由Universal Robots公司研發(fā)，其采用模塊化、輕量化的設計思路，具有輕型、安全、靈活且生態(tài)友好的特點，無需繁瑣安裝與設置即可融入現(xiàn)有生產(chǎn)線。特點：

· 模塊化關節(jié)；

· 手把手示教；

· 獨特友好的人機交互界面；

· 輕量化。

1.5 全向移動機械臂技術

由KUKA公司研制，將移動平臺與大負載機械臂相結合，主要面向大型飛機蒙皮打磨、鉆鉚等工作，有效地提升飛機制造行業(yè)的生產(chǎn)效率。特點：

· 全向移動平臺；

· 大負載；

· 高精度定位與導航；

· 精細操作。

1.6 輕巧型雙臂機器人技術

由ABB公司研發(fā)，具有視覺和觸覺傳感器軟性材料包裹，保障人類同事安全。該機器人將小件裝配等自動化應用帶入一個全新的時代。特點：

· 雙臂協(xié)同；

· 無縫替代工人工作；

· 安全防護。

1.7 高精度雙臂機器人技術

由愛普生公司研發(fā)，具備視覺與力度感應功能，可通過物品識別、決策、動態(tài)力度調(diào)節(jié)自律執(zhí)行任務，計劃2015年推出其商業(yè)版。特點：

· 雙臂協(xié)同；

· 力矩關節(jié)；

· 主動安全；

· 人機協(xié)作；

· 工位替代；

· 柔性控制。

1.8 多機器人操作技術

歐洲飛機制造商在數(shù)字化工廠中采用了多個可移動的機器人可同時進行飛機內(nèi)外艙段間鉆鉚、裝配等作業(yè)。特點：

· 多臂協(xié)同；

· 高精度操作；

· 移動平臺；

· 視覺伺服。

1.9 智能機器人技術發(fā)展現(xiàn)狀（如表1所示）

表1 智能機器人技術發(fā)展現(xiàn)狀

2 新一代智能機器人的關鍵技術

（1）傳感器技術

傳感器技術是機器人智能化的先決條件，機器人利用傳感器實現(xiàn)對外部環(huán)境以及自身狀態(tài)的感知與獲取，影響機器人的后續(xù)的智能決策。

（2）伺服技術

伺服系統(tǒng)是智能機器人的基本運動單元，主要研究伺服電機及驅(qū)動器、精密減速器、液壓泵、伺服閥、運動控制器技術。

（3）機構技術

機構技術主要研究直角坐標機構、串聯(lián)機構、并聯(lián)機構以及機構和仿生機構的構型綜合、運動學和動力學等相關內(nèi)容。多應用于多冗余仿生機械臂技術和協(xié)同雙臂或者多臂技術。

（4）控制技術

控制技術是在復雜的情況下，將任務規(guī)劃制定轉(zhuǎn)變成期望的機器人機械運動。運動控制技術一定程度上影響了機器人的運動的精度與可靠性，進而對機器人的任務執(zhí)行效能產(chǎn)生影響。復雜非結構環(huán)境運動控制技術、仿生運動控制技術、機構與運動控制整合技術正快速發(fā)展。目前我國重點發(fā)展的是自主控制技術。

（5）人機交互技術

穩(wěn)定、友好的人機交互系統(tǒng)成為機器人不可分離的組成部分。人機交互系統(tǒng)包含的主要元素為：人的因素、交互設備及實現(xiàn)人機對話的軟件。目前主要分為：以計算機為核心的人機界面交互技術；腦機遠程交互與通訊技術；大量采用虛擬現(xiàn)實交互技術。

（6）網(wǎng)絡化技術

網(wǎng)絡化技術是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的智能機器人以及控制中心的數(shù)據(jù)鏈接與交互關鍵所在，將各機器人互聯(lián)成為網(wǎng)絡，有效地促進智能機器人的分工協(xié)作能力，促進生產(chǎn)效率。其中包括：大帶寬數(shù)據(jù)實時交互技術、節(jié)點的可擴展性和有線向無線的推廣。

3 新一代智能機器人重點研究方向與內(nèi)容

（1）一體化伺服關節(jié)

重點研究方向：

· 高集成度、高負載自重比的一體化力矩型伺服關節(jié)結構設計與布局優(yōu)化設計技術；

· 基于高速串行總線的伺服關節(jié)模塊化伺服系統(tǒng)設計技術；

· 基于多傳感器信息融合的高精度高動態(tài)相應伺服關節(jié)智能運動控制技術。

應用背景：智能機器人的關節(jié)配套、模塊化機器人組裝。

（2）基于視覺的靈巧型工業(yè)機器人

· 重點研究方向：

· 可重構的模塊化結構技術；

· 高精度聯(lián)動差補技術；

· 智能化多軸控制器技術；

· 視覺定位與伺服控制技術。

應用背景：面向勞動密集型行業(yè)的柔性制造機器人系統(tǒng)，形成多功能、多類型和系列化的柔性制造機器人集成應用。

（3）柔性輕量機械臂

· 重點研究方向：

· 多冗余機械臂控制技術；

· 多目標結構優(yōu)化技術；

· 大功率伺服技術；

· 力—位混合控制技術。

應用背景：主要面向柔性裝配需求高的場合，定制型產(chǎn)品線，無縫替代單工位。

（4）雙臂協(xié)同機器人

· 重點研究方向：

· 多冗余機械臂結構設計；

· 多臂協(xié)調(diào)運動的規(guī)劃；

· 基于視覺的位姿控制技術；

· 柔性協(xié)調(diào)控制技術；

· 多傳感器融合技術。

應用背景：工業(yè)領域主要面向柔性電子裝配線，拓展應用至危險環(huán)境作業(yè)、空間維護、家庭服務、醫(yī)療康復等。

4 智能機器人與系統(tǒng)集成的制造模式構想

4.1 面向勞動密集型的柔性生產(chǎn)線（如圖1所示）