1、 術(shù)分析研現(xiàn)狀HUA system office room HUA 16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688國內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀分析王守龍摘要：隨著經(jīng)濟(jì)全球化對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出越來越高的要求，訃算機(jī)技術(shù)向著智能化發(fā)展， 機(jī)器人越來越普遍的被工農(nóng)業(yè)應(yīng)用，其在提高工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮著 重大作用。本文乂介紹分析了移動機(jī)器人和小口徑管內(nèi)機(jī)器人及其在我國的技術(shù)研究現(xiàn) 狀。中國的機(jī)器人事業(yè)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；技術(shù)研究；移動機(jī)器人；小口徑管內(nèi)機(jī)器人刖H有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定 符合我國國情。這是一種誤解。

2、在我國，會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮 其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國 的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。1工農(nóng)業(yè)機(jī)器人 1. 1工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀分析機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是近30年發(fā)展起來的新型產(chǎn)業(yè)。我國政府早在“七五”期間就開始組織 了對工業(yè)機(jī)器人的攻關(guān)，到了 1987年，國家高技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃就把智能機(jī)器人作為七大 重點(diǎn)領(lǐng)域之一進(jìn)行集中研究。經(jīng)過十兒年的艱苦奮斗，我國在水下、空間、核領(lǐng)域等特殊 機(jī)器人方面取得了令人欣慰的成果，一批機(jī)器人產(chǎn)品和機(jī)器人應(yīng)用工程應(yīng)運(yùn)而生。到20世 紀(jì)90年代末，我國共完成了 100多

3、項(xiàng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程，建成了20個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，從事機(jī)器人研究、開發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家，專業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的50家左 右，全國工業(yè)機(jī)器人用戶近800家，擁有工業(yè)機(jī)器人約4000臺。2006年發(fā)布的國家中長 期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要前沿技術(shù)中，我國將智能服務(wù)機(jī)器人列為重點(diǎn)方向，提出加 大科技投入與科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)。然而，由于主要依靠科技部門研究開發(fā)計(jì)劃的支持，從資金到產(chǎn)業(yè)的支持力度不夠，在機(jī) 器人關(guān)鍵技術(shù)方面，我國與國外的差距并沒有明顯縮小，在關(guān)鍵部件、產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化以及基 礎(chǔ)研究方面的差距還在拉大。到1998年，863汁劃推動的兒個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地產(chǎn)值僅僅1 億元。然而，國外各大

4、機(jī)器人公司認(rèn)識到高速發(fā)展中的中國機(jī)器人市場的巨大潛力，憑借 其技術(shù)和資金的優(yōu)勢紛紛進(jìn)入了中國市場?？梢哉f，目前的中國機(jī)器人市場仍然是外國企 業(yè)一統(tǒng)天下，我國機(jī)器人發(fā)展尚未進(jìn)入規(guī)模開發(fā)利用和產(chǎn)業(yè)化的階段。我國經(jīng)過兒十年來的研究與引進(jìn)，在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)仿真、動力學(xué)仿真和某些典型工業(yè) 機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析軟件方面取得了一些成果，但總的看來，我國機(jī)器人機(jī)械技術(shù)的研究狀 況與國外相比還有較大的差距，口前既沒有建立一種多功能的機(jī)器人系統(tǒng)，也缺乏利用技 術(shù)對機(jī)器人機(jī)械學(xué)的很多專門問題進(jìn)行深人研究。我國LI前研制的兒種1：業(yè)機(jī)器人機(jī)型結(jié) 構(gòu)主要是直接仿制日本90年代初的樣機(jī)，一些主要關(guān)鍵元器件依賴國外進(jìn)口。雖然國家

5、“七五”期間安排了一些單項(xiàng)硏究課題，但這些課題一時(shí)還難于直接用于國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器 人，還遠(yuǎn)不能從理論及實(shí)際技術(shù)上建立起我國機(jī)器人的完整設(shè)計(jì)體系，這與國外相比差距 較大。國內(nèi)利用國產(chǎn)機(jī)器人開展應(yīng)用工程的研究工作剛剛起步。我國對移動機(jī)器人研究, 近年來在步行機(jī)基礎(chǔ)理論方面的成果較多，而步行機(jī)實(shí)物模型或樣機(jī)較少，與國外先進(jìn)水 平相比也存在較大的差距。1. 1農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展 農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今國際農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究的前沿領(lǐng)域，其迅速發(fā)展的主要動力有三點(diǎn): 一是社會的進(jìn)步要求農(nóng)業(yè)作業(yè)更精確、更快速、更省力、更舒適；二是人類已經(jīng)快速進(jìn)入 老齡進(jìn)入老齡化社會，一些繁重、單調(diào)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要機(jī)械化、自動化、智

6、能化的機(jī)器來 替代；三是計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器以及GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，給農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)和 智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備的發(fā)展提供了前所未有的可能。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國 家取得了較大發(fā)展。近年來，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化和工廠化農(nóng)業(yè)取得了長足發(fā)展，特別是作業(yè)量多、勞動量 大、作業(yè)精細(xì)、操作單調(diào)、但生產(chǎn)收益相對較高的農(nóng)作業(yè)發(fā)展迅速，這給農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā) 展提供了巨大的市場需求。農(nóng)業(yè)機(jī)器人以及智能化農(nóng)業(yè)裝備以作業(yè)的高效率、高精度，低 強(qiáng)度、低能耗、環(huán)境友好為特點(diǎn)，展示了廣闊的應(yīng)用前景。U前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要有果蔬采摘機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、果蔬分選機(jī)器人和 農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人。我國在自動化果蔬采摘技術(shù)領(lǐng)域

7、的研究還處于起步階段。中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 張鐵中等人在草莓、黃瓜、西紅柿、茄子等果蔬果實(shí)采摘機(jī)器人方面做了較深入地研究， 并研制出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；在草莓果實(shí)LI標(biāo)識別、果實(shí)重心提取、果柄位置確定、采摘機(jī)器人 及手抓等方面的研究取得了一定成果，初步建立了草莓采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用雙U視 覺等圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了草莓的識別和定位，對草莓果實(shí)的互相重疊或遮擋等情況進(jìn)行了 研究，并取得了一些研究成果。但果蔬釆摘機(jī)器人還存在一些問題，主要是果實(shí)的識別率 和采摘率不高、果實(shí)的平均采摘時(shí)間較長和機(jī)器人的制造成本較高。我國自1993年中國 農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授開始蔬菜自動化嫁接技術(shù)研究以來，在多個(gè)領(lǐng)域取得了較大成就，部

8、分樣機(jī)已投入生產(chǎn)，已具備比較成熟的自動化嫁接技術(shù)和裝備，下一步需要盡快產(chǎn)業(yè)化， 以滿足廣大育苗農(nóng)戶的需求。對于果蔬分選機(jī)器人最新研究現(xiàn)狀，陳英等人于2018年設(shè) 計(jì)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺的葡萄檢測分級系統(tǒng)，與人工分級對比，其顏色和大小形狀分級 的準(zhǔn)確率分別90%和88.3%,同時(shí)在分級過程中不會對葡萄造成損傷。但國內(nèi)的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究階段，研究的內(nèi)容以圖像處理和系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)為主，研究的對象主要為 蘋果為主的球形水果，對蔬菜以及其他形狀的水果研究的較少，產(chǎn)品主要集中在實(shí)驗(yàn)樣機(jī) 上，還沒有投入市場的商用智能化分選機(jī)器人。農(nóng)田作業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，經(jīng)歷了機(jī)械化、 自動化、無人化等兒個(gè)發(fā)展階段，現(xiàn)正

9、處于自動化向無人化過渡的階段。農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人 的研究歸根結(jié)底是導(dǎo)航方式的研究。根據(jù)國內(nèi)研究歷史和現(xiàn)狀，農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人有效的導(dǎo) 航方式，大致可以歸為 3 類：DESM(detecting established signal methods,通過接收 固定位置發(fā)出的信號來確定行走方向和自我定位；GPSM(global position system methods), ill GPS其他傳感方式進(jìn)行導(dǎo)航和自我定位；DNEM(detecting natural environment methods,通過認(rèn)識周圍環(huán)境來確定自己的行走方向、自我定位和監(jiān)測障礙 物，一般以視覺傳感為主。我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的

10、發(fā)展需緊緊圉繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，選準(zhǔn)對象、瞄準(zhǔn)關(guān)鍵，以作業(yè)量 多、勞動量大、操作精細(xì)、生產(chǎn)收益高的農(nóng)業(yè)作業(yè)為切入點(diǎn)，把先進(jìn)性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性 緊密結(jié)合，研制出頂用、好用、耐用的機(jī)器，才能有所突破和作為。要使農(nóng)業(yè)機(jī)器人真正 在農(nóng)業(yè)上發(fā)揮作用，必須提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性、提高工作效率和降低成本。2移動機(jī)器人2.1國內(nèi)移動機(jī)器人研究簡況移動機(jī)器人研究是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。移動機(jī)器人避障與路徑規(guī)劃乂是機(jī)器人研 究的一個(gè)重要方向。目前，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人學(xué)科越來越具有強(qiáng)大的生 命力，它在某種程度上已經(jīng)代表當(dāng)今信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)集成等技術(shù)的最新發(fā) 展。國內(nèi)在移動機(jī)器人的研究起步

11、較晚，大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究工 作有:清華大學(xué)智能移動機(jī)器人于1994年通過鑒定。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動化及制 造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的AGV和防爆機(jī)器 人。中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。清華大學(xué) 于2003年7月研制成功的THMR-V智能車等。2.2移動機(jī)器人主要研究的方向2. 2. 1導(dǎo)航和定位導(dǎo)航和定位是移動機(jī)器人研究的兩個(gè)重要問題。移動機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為川：基于境 信息的地圖模型匹配導(dǎo)航?；诟鞣N導(dǎo)航信號的陸標(biāo)導(dǎo)航、基于視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航是機(jī)器人通過自身的各

12、種傳感器，探測周圉環(huán)境，利用感知到的局 部環(huán)境信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖進(jìn)行匹配。2. 2. 2路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。所謂機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃問題，就 是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短、行走能量 消耗最低等，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到U標(biāo)狀態(tài)的能避開障礙物的最優(yōu)路 徑。機(jī)器人視覺機(jī)器視覺系統(tǒng)吸引了眾多研究人員的注意，經(jīng)過多年的努力，機(jī)器人視 覺系統(tǒng)正在廣泛地應(yīng)用于視覺檢測、機(jī)器人的視覺引導(dǎo)和自動化裝配領(lǐng)域中。2.2.3多傳感器信息融合單一傳感器只能獲得環(huán)境特征的部分信息段，為了完整、準(zhǔn)確地反映環(huán)

13、境特征，在智能移 動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中往往裝有多種傳感器，它們提供的信息有些是互補(bǔ)的，有些是冗余 的，必須以一定的方法融合這些互補(bǔ)或冗余的傳感器信息，以充分利用多傳感器提供的信 息，才能獲得最佳的、可靠的信息，從而更準(zhǔn)確，更全面地反映外界環(huán)境的特征，為導(dǎo)航 決策提供正確的依據(jù)。2.2.4多移動機(jī)器人協(xié)調(diào)多機(jī)器人系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)70年代，隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展、機(jī)器人工作環(huán) 境復(fù)雜度、任務(wù)的加重，對機(jī)器人的要求不再局限于單個(gè)機(jī)器人，多機(jī)器人的研究己經(jīng)成 為機(jī)器人學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。多機(jī)器人系統(tǒng)的研究分為多機(jī)器人合作(Multi-robotC oordination和多機(jī)器人協(xié)調(diào)(Mult

14、i-robotCo operation)兩大類。3小口徑管內(nèi)機(jī)器人3.1小口徑管內(nèi)機(jī)器人的概念小口徑管內(nèi)機(jī)器人主要指適用管道直徑小于80mm、可攜帶相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)入管道內(nèi)部進(jìn)行 無損檢測或維修的移動平臺，通過及時(shí)獲得管道內(nèi)壁的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)可減小因管道泄漏所 帶來的環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)損失。小口徑管內(nèi)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)在國內(nèi)則主要有上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大 學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)與國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等。從小口徑管內(nèi)機(jī)器人的特 殊應(yīng)用場合出發(fā)，針對無流體管道工作環(huán)境，將小口徑管內(nèi)機(jī)人按運(yùn)動方式概括為輪式、 蠕動式與振動式三種類型。3.2輪式小口徑管內(nèi)機(jī)器人輪式小口徑管內(nèi)機(jī)器人的基本工

15、作原理為：驅(qū)動輪依黑重力、彈簧力、磁性力等壓緊 在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力，山驅(qū)動輪與管壁之間的摩擦力產(chǎn)生 機(jī)器人前后行走的驅(qū)動力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動3。輪式管內(nèi)機(jī)器人在口前實(shí)際工程 中應(yīng)用最多，分為直進(jìn)式與螺旋式，前者驅(qū)動輪與行進(jìn)方向平行，后者驅(qū)動輪與行進(jìn)方向 成一定角度，基于螺旋傳動思想，由傾斜安裝的摩擦輪與管壁之間的摩擦推力產(chǎn)生運(yùn)動， 如圖1所示.圖1直進(jìn)輪式2009年中國科學(xué)院沈陽自動化研究所完成了具有自適應(yīng)能力的管內(nèi)機(jī)器人，在不增加驅(qū) 電機(jī)數(shù)量的前提下，機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)能夠在管道直徑改變時(shí)，自動改變行走部件的輸出 形式以克服障礙，完成越障任務(wù)。為了提高機(jī)器人的管道

16、適應(yīng)性，蘇毅等于2008年提出了 一種同軸雙牽引輪組螺旋驅(qū)動機(jī)器人，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)跨空行走、彎道引導(dǎo)、逾越障礙 等。同時(shí)期一種帶有檢測功能的螺旋式小口徑管內(nèi)機(jī)器人在沈陽自動化所研制成功。3.3蠕動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人蠕動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動是通過模仿蚯蚓、毛毛蟲等尺蠟類動物的伸縮運(yùn)動來實(shí)現(xiàn) 的，其研究最為引人關(guān)注。該類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成為前后各一組支撐機(jī)構(gòu)，中間為伸縮機(jī) 構(gòu)，如圖2所示。該類機(jī)器人主要包括氣壓式、超越式、慣性沖擊式與SMA式等。1.支撐機(jī)構(gòu)1 2.伸縮機(jī)構(gòu)3.支撐機(jī)構(gòu)2圖2蠕動式機(jī)器人運(yùn)動原理3.4發(fā)展方向小口徑管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的研究按其系統(tǒng)組成可分為四個(gè)階段：移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)

17、化，特 殊傳感器的設(shè)訃，能源與信號傳輸?shù)臒o纜化以及自主控制的實(shí)現(xiàn)。5結(jié)論根據(jù)以上分析，我國機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀是工業(yè)機(jī)器人LI前尚在仿制，機(jī)器人應(yīng)用處在起 步階段，機(jī)器人機(jī)械學(xué)的研究工作取得不少研究成果，其中一些理論研究成果禳至已達(dá)到 或超過國際先進(jìn)水平，但總的說來還不能做到系統(tǒng)、全面地指導(dǎo)機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)，一些先 進(jìn)的研究成果一時(shí)尚難于直接用于國產(chǎn)樣機(jī)。為此近期發(fā)展的原則應(yīng)是加強(qiáng)機(jī)器人機(jī)械學(xué) 的實(shí)用性理論和基礎(chǔ)技術(shù)研究，使我國在近期內(nèi)切實(shí)掌握第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、設(shè) 計(jì)、生產(chǎn)、維修及其應(yīng)用技術(shù)，提高關(guān)鍵元器件的國產(chǎn)配套率，提高國產(chǎn)機(jī)器人可靠性加 強(qiáng)機(jī)器人應(yīng)用工程的研究特別應(yīng)重視與鼓勵國產(chǎn)機(jī)器人應(yīng)用

18、工程的開發(fā)，使機(jī)器人技術(shù)盡 早為我國社會主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。加強(qiáng)機(jī)器人機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)理論研究，強(qiáng)化機(jī)器人機(jī)械學(xué) 與信息學(xué)、計(jì)算技術(shù)等學(xué)科的結(jié)合，跟蹤國外機(jī)器人高技術(shù)和其它有關(guān)學(xué)科高技術(shù)集中反 映的實(shí)用忖標(biāo)。在新世紀(jì)，中國人和中國的機(jī)器人事業(yè)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此，科研工作者應(yīng)堅(jiān)持 “有所為，有所不為”的原則，以市場需求為導(dǎo)向，以技術(shù)進(jìn)步為驅(qū)動，沿著知識創(chuàng)新、 技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新的創(chuàng)新型道路，為增強(qiáng)綜合國力、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興 努力開拓向前。參考文獻(xiàn)：11潘麗霞.論工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用J.山西：山西科技,2018, 25(3:22-23.近藤直，門田充司，野口仲.農(nóng)業(yè)機(jī)器人M.喬軍，李民贊等譯.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2