第1章緒論1.1機器人學介紹1.1.1機器人的起源機器人的起源可以追溯到3000多年前。我國西周時代，巧匠偃師獻給周穆王一個能歌善舞的木偶；公元前2世紀出現的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院；我國東漢時期，張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形；公元618至907年間，四川能工巧匠楊行廉制作的能走會動的“木僧”，江蘇馬待封制作的“酒山”；民間流傳十分廣泛的三國諸葛亮制作的木牛流馬。1.1機器人學介紹近代之后，人類期望發(fā)明各種機械工具和動力機器，用以協助甚至代替人們從事各種體力勞動的夢想更加強烈。瑞士鐘表名匠德羅斯父子三人于1768—1774年間，設計制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風琴偶人；德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍哥雷姆”；日本物理學家細川半藏設計的各種自動機械圖形；法國杰夸特設計的機械式可編程序織造機；加拿大摩爾設計的能行走的機器人“安德羅丁”；1.1機器人學介紹機器人一詞的起源1920年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（KarelCapek）在他的科幻情節(jié)劇《羅薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“Robot”這個名詞，被認為是機器人一詞的起源。機器人三守則美國著名科學幻想小說家阿西莫夫于1950年在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”：機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它做出犧牲。第一代機器人的誕生美國人喬治·德沃爾在1954年設計了第一臺電子程序可編的工業(yè)機器人，并于1961年發(fā)表了該項機器人專利。1962年，美國萬能自動化（Unimati-on）公司的第一臺機器人Unimate在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代機器人的誕生。1.1機器人學介紹1.1.2機器人學的發(fā)展1.國際機器人學的發(fā)展近年來，全球機器人行業(yè)發(fā)展迅速，據國際機器人聯合會統(tǒng)計，2019年全球機器人市場規(guī)模達到294.1億美元，其中，工業(yè)機器人159.2億美元，服務機器人94.6億美元，特種機器人40.3億美元。2014—2019年的平均增長率約為12.3％。此時全世界運行的工業(yè)機器人總數在200萬臺以上。2019年全球機器人市場規(guī)模（單位：億美元）2.國內機器人學的發(fā)展1.1機器人學介紹中國于1972年開始研制工業(yè)機器人，雖起步較晚但進步較快，已在工業(yè)機器人、特種機器人和智能機器人各方面取得明顯成績，為我國機器人技術的發(fā)展打下基礎。工業(yè)機器人進入21世紀以來，中國工業(yè)機器人市場迅速增長，經過一段產業(yè)化過程后，其市場發(fā)展已呈井噴之勢。2019年，中國新增工業(yè)機器人裝機量為14.05萬臺，累計裝機78.3萬臺，總量居亞洲第一，年增長率為12％。智能機器人1986年3月，中國啟動實施了“國家高技術研究發(fā)展計劃”（簡稱“863”計劃）。按照“863”計劃智能機器人主題的總體戰(zhàn)略目標，智能機器人研究開發(fā)工作的實施分為型號和應用工程、基礎技術開發(fā)、實用技術開發(fā)、成果推廣4個層次，通過各層次的工作體現和實現戰(zhàn)略目標。特種機器人在“863”計劃的支持下，特種機器人的開發(fā)包括管道機器人、爬壁機器人、水下機器人、自動導引車和排險機器人等。1.1機器人學介紹1.1.3機器人的定義至今還沒有對機器人的統(tǒng)一定義，要給機器人下一個合適的和為人們普遍接受的定義是困難的。現在，世界上對機器人還沒有統(tǒng)一的定義，各國有自己的定義，專家們也采用不同的方法來定義這個術語。英國簡明牛津字典的定義。機器人是“貌似人的自動機，是具有智力的和順從于人的但不具人格的機器”。美國機器人協會的定義。機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手（manipulator）”。日本工業(yè)機器人協會（JapanRobotAssociation，JARA）的定義。工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（endeffecter）的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。1.1機器人學介紹美國國家標準和技術研究所（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）的定義。機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務的機械裝置”。國際標準組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的定義。機器人是“一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。《中國大百科全書》對機器人的定義。能靈活地完成特定的操作和運動任務，并可再編程序的多功能操作器。而對機械手的定義為：一種模擬人手操作的自動機械，它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。1.2機器人的分類1.2.1操作機器人操作型機器人通常是指機械手或機械臂。機械手工作空間是指末端執(zhí)行器可以達到的空間范圍。按照工作空間的幾何形狀，可將機械手劃分為笛卡爾、圓柱型、球形和關節(jié)機械手。通常，機械手由諸如PPP或RPP之類的序列指定，這些序列指示組成機器人的移動（P）和轉動（R）關節(jié)的類型和順序。例如，一個PPP機械手是由三個移動關節(jié)構成的，而一個RPP機器人是由一個轉動關節(jié)和兩個連續(xù)的移動關節(jié)構成。1.2機器人的分類1.笛卡爾機械手笛卡爾機器人（Cartesianrobot）是由三個相互正交的移動關節(jié)定義的PPP機械手，PPP手臂是最簡單的機械手之一。特征模型以及用于定位和移動這些機器人的控制定律都易于推導；系統(tǒng)趨向于剛性；可以承受和傳遞大負載，并實現高精度的定位；需要大面積的操作空間，并且工作空間小于機器人本身；用于移動關節(jié)的導向裝置必須密封，以防異物進入，這會使維護變得困難。實例Sepro集團的笛卡爾機器人1.2機器人的分類2.圓柱坐標型機械手假設笛卡爾機器人中的第一個移動關節(jié)被轉動關節(jié)代替。通過適當選擇旋轉軸的方向，RPP機器人就是圓柱坐標型機器人（cylindricalrobot）的示例。特征機械手結構簡單；運動學和動力學模型容易推導，關聯的控制定律同樣非常容易確定；非常適合進入具有型腔或其他類似復雜幾何形狀的工件；精度很高，可用于流水線上的拾取和放置操作；在某些構形中，機器人的背面可能伸入工作空間，這可能會干擾工作空間并使路徑規(guī)劃和控制變得復雜；導向裝置表面必須清潔且無碎屑，使維護和保養(yǎng)更加困難。實例STRobotics的圓柱坐標型機器人1.2機器人的分類3.SCARA機械手引人SCARA（SelectiveComplianceArticulatedRobotArm）RRP機器人是在高剛性機器人（例如笛卡爾機器人）和可訪問幾何形狀復雜的工作空間（例如球形機械手）的機器人之間的折中方案。特征機器人在水平平面內的運動中相對柔順，而在垂直于該平面的運動中剛度較大；工作空間是高度結構化的；十分適用于精確的拾取和放置操作。實例EpsonSynthisTMT3多合一SCARA機器人1.2機器人的分類4.球形機械手RRP球形機械手（sphericalroboticmanipulator）由兩個垂直的轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)組成。對于某些關節(jié)之間固定偏置的選擇，工具或機械臂末端的運動可以用球坐標表示，成為該機器人名字來源。特征適用于必須在復雜幾何形狀上執(zhí)行的各種任務；可容納的球形工作空間更大；運動學和動力學模型比笛卡爾或圓柱坐標型機器人的運動學和動力學模型更為復雜，控制定律也更加復雜；機器人的剛性要比笛卡爾機械手小，定位精度可能會降低；可能更適合于諸如焊接或噴漆之類的任務。實例Unimate球形機器人1.2機器人的分類5.PUMA機械手歷史上，裝配線上使用最廣泛的機械手之一是PUMA（ProgrammableUniversalMachineforAssembly）RRR機器人。該機器人的第一個轉動關節(jié)圍繞垂直軸，接下來的兩個平行的轉動關節(jié)垂直于垂直軸。特征具有豐富的運動學特性并且可以到達較大的半球形工作空間；剛性不如笛卡爾機器人；非常適合需要大型且可配置程度高的工作空間的應用。實例PUMA機器人1.2機器人的分類關節(jié)型機械臂（articulatedrobotarm）或仿人機械臂（anthropomorphicrobotarm）是一種能夠實現類似人手臂動作的機械手。所有仿人的機械手臂至少具有三個轉動關節(jié)，并且通常有五個、六個或更多的轉動關節(jié)。特征可以進入較大的工作空間，并且可以將位于其尖端的工具以任意方向擺放；在裝配線上的焊接和噴涂中得到了廣泛的應用；該臂具有復雜的幾何形狀；描述此機器人系統(tǒng)的運動學和動力學的相應方程式形式復雜，從這些模型得出的控制定律也是如此。實例KUKA關節(jié)型機器人6.關節(jié)型機器人1.2機器人的分類1.2.2移動型機器人1.仿人機器人從出現機器人技術領域的最早階段開始，設計師就夢想著創(chuàng)造出外觀和功能都與人類相似的機器人。如今，仿人機器人已經發(fā)展到能夠執(zhí)行非常復雜任務的程度。2022年在泰國曼谷舉行的RoboCup機器人比賽上，來自德國波恩大學的NimbRo團隊贏得了類人組中成人組的冠軍和最佳人形獎。世界各地的研究人員目前也在開發(fā)全尺寸仿人機器人，其潛在應用領域廣闊。右下圖為波士頓動力公司研發(fā)的Atlas機器人，該款機器人經過多年的改進已能夠完成跑酷動作。1.2機器人的分類2.自主地面車輛如右上圖所示，Waymo公司在舊金山的道路上測試全自動駕駛車輛JaguarI-PACE。右下圖展示了百度第六代量產無人車ApolloRT6。該產品是百度面向未來出行自主研發(fā)、正向設計的量產車，整車針對乘客需求和無人駕駛出行場景進行了深度設計。自主地面車輛（autonomousgroundvehicle，AGV）的設計、分析和制造已經在美國和世界各地進行了多年。近年來，AGV機器人技術已經接近成熟，并出現了一些可靠的、高性能的商用和軍事機器人。1.2機器人的分類3.無人機近幾年，無人機（autonomousaerialvehicle，AAV）的應用在商業(yè)領域不斷擴展，已被提議用于農業(yè)、救災、警察監(jiān)視和邊境安全等領域。2022年11月，DJI大疆農業(yè)正式發(fā)布T50、T25農業(yè)無人飛機以及Mavic3多光譜版無人飛機。兩款全新農業(yè)無人機全面升級，針對大田噴灑、肥料播撒，果樹噴灑等應用場景進行多項優(yōu)化。如右上圖所示，T50農業(yè)無人機正在執(zhí)行噴灑作業(yè)。右下圖展示了弗吉尼亞理工大學的CraigWoolsey教授在各種研究活動中使用的SPAARO自主無人機。這款無人機支持從農業(yè)自動化和氣載病原體遙感到自主無人機梯隊的協調控制等方面的研究。1.2機器人的分類4.自主海上航行器自主海上航行器的發(fā)展如同AGV、AAV一樣面臨著特殊挑戰(zhàn)，這些障礙在過去幾年里開發(fā)的許多自主水面船舶（autonomoussurfacevehicle，ASV）和自主水下機器人（autonomousunderwatervehicle，AUV）中得到了說明。如右上圖所示，美國在ASV上安裝了武器，并于2016年試航了一艘名為“SeaHawk”的新型無人反潛艦艇。如右下圖所示，海豚一號是一種小型AUV，搭載浙江大學研制的合成孔徑聲納，主要用于探測水下小目標和掩埋目標。1.3數字孿生系統(tǒng)介紹1.3.1數字孿生的發(fā)展歷程數字孿生國外發(fā)展進程如下圖所示。美國NASA在1969年阿波羅計劃時就開始利用鏡像系統(tǒng)來管理航空和航天設備；2003年，數字孿生技術概念，由MichaelGrieves教授提出；經過多年發(fā)展，國外的一些大公司開始針對數字孿生進行了大量的研究，全球著名IT研究機構Gartner在2017年至2019年連續(xù)三年將數字孿生列為十大戰(zhàn)略性科技趨勢之一。1.3數字孿生系統(tǒng)介紹公司數字孿生平臺功能優(yōu)勢GEPredix物理機械和分析技術結合，利用虛實互聯，構建飛機發(fā)動機數字孿生使維修過程變得更加細致、透明ANSYSTwinBuilder構建真實世界系統(tǒng)的完整虛擬模型，實現設備的調度維護，對響應進行反饋實現對產品和資產的全生命周期管理，防止計劃外停機，降低成本SiemensTeamcenterX部署產品、生產和性能數字孿生，構建多域和材料集成的數字孿生減少物理原型的需求、縮短開發(fā)時間、提高質量PTCThingWorx可視化物聯網收集的重要信息，并與ANSYS連接可布置于云端和本地，可視化方式更加靈活VuforiaEngineAreaTargets實現完全數字化沉浸式互動，進行機械虛擬操作提高效率，具有強大的擴增環(huán)境能力和靈活性SAPSAPLeonardo實現網絡化部署數字孿生，進行數據快速計算采用邊云協同方式，實現數據快速傳輸和反饋MicrosoftAzureDigitalTwins實現物理世界業(yè)務流程的構建，輔助更好的優(yōu)化產品和管理采用物聯網，打破連接孤島，建立于可信的企業(yè)級平臺Dassault3DEXPERIENCE快速實現設計與制造之間的無縫銜接，并提供對應的標準件優(yōu)化設計與制造間的協同，確保產品的可追溯性AutodeskInfraWorks、Tandem面向工程建筑等，提供更好的決策和前瞻性洞察創(chuàng)建最新的易于訪問的數據，提供更智能的決策IBMDigitalTwinExchange智能評估管理、監(jiān)測、預測維護，確保安全性和可靠性可下載3DCAD文件、工程手冊等，建立信息模型，更靈活右表所示為部分國外企業(yè)在數字孿生領域的研究成果。顯而易見，國外著名工業(yè)或軟件企業(yè)緊跟潮流，分別通過不同的方式探索數字孿生概念與應用場景。從諸多企業(yè)的競相追逐中也不難看出，數字孿生具有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。1.3數字孿生系統(tǒng)介紹相較于國外，在國內也有學者在數字孿生方面取得了一些研究成果。北京航空航天大學的陶飛于2019年提出數字孿生五維架構體系。同濟大學的屈國強等人提出了類似NIST的數字孿生車間概念。莊存波教授提出了全新的數字孿生體系架構，并基于該數字孿生體系架構詳細分析了數字孿生的可能應用領域與發(fā)展前景。陳振把數字孿生技術應用在飛機零部件的裝配工作上，并進一步研究了如何基于數字孿生技術高效管理工業(yè)生產。從數字孿生的概念誕生以來，數字孿生技術已得到了快速發(fā)展，各主流架構和關鍵技術相繼被提出，以數字孿生為標題的論文數量亦逐年上升，現在數字孿生領域的研究已經進入成長期階段，發(fā)展勢頭正盛，其發(fā)展趨勢如下圖：1.3數字孿生系統(tǒng)介紹目前而言，對于數字孿生沒有統(tǒng)一共識的定義，不同的學者、企業(yè)、研究機構等對數字孿生的理解也存在著不同的認識。1.3.2數字孿生的定義MichaelGrieves教授認為，數字孿生是一組虛擬信息結構，可以從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面描述潛在的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過數字孿生獲得任何物理制成品的信息。李培根院士指出,“物理生命體”是指“孕、育”過程（即實體的設計開發(fā)過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（如產品或裝備），數字孿生體是“物理生命體”在其孕育和服役過程中的數字化模型。北京航空航天大學陶飛教授提出，數字孿生是以數字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力?！孕l(wèi)星的監(jiān)測、優(yōu)化、管理和控制為例，如圖所示，通過獲取衛(wèi)星近實時遙測數據在地面站構建數字孿生體，實時反映衛(wèi)星的健康狀態(tài)并預估衛(wèi)星各系統(tǒng)、各部件的使用壽命，并對衛(wèi)星狀態(tài)進行分析和計算，呈現給使用者全面細致的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測接口，同時還優(yōu)化了衛(wèi)星的調度管理和控制，實現衛(wèi)星使用壽命的延長。1.3數字孿生系統(tǒng)介紹1.4數字孿生的關鍵技術1.4.1數字孿生的技術劃分數字孿生技術的實現依賴于諸多先進技術的發(fā)展和應用，其技術按照從基礎數據采集層到頂層應用層依次可以分為數據保障層、建模計算層、數字孿生功能層和沉浸式體驗層共四層，每一層的實現都建立在前面各層的基礎之上，是對前面各層功能的進一步豐富和拓展。1.4數字孿生的關鍵技術數據保障層是整個數字孿生技術層面的基礎，支撐著整個上層體系的運作，其主要由高性能傳感器數據采集、高速數據傳輸和全壽命周期數據管理三部分構成。先進傳感器技術及分布式傳感技術使整個數字孿生系統(tǒng)能夠獲得更加準確、充分的數據源支撐；高帶寬光纖技術的采用使得海量傳感器數據的傳輸不再受帶寬的限制，保障了系統(tǒng)實時性；分布式云服務器存儲技術的發(fā)展為全壽命周期數據的存儲和管理提供了平臺保障。1.4數字孿生的關鍵技術建模計算層在獲得數據保障層提供的數據后，利用數據驅動方法和基于數學模型的方法對系統(tǒng)進行多物理、多尺度層面的建模，使所建立的模型與實際系統(tǒng)準備匹配、實時同步，并能預測系統(tǒng)未來狀態(tài)和壽命，依據其當前和未來健康狀態(tài)評估其執(zhí)行任務成功的可能性。建模計算層主要由建模算法和一體化計算平臺兩部分構成，智能算法部分實現系統(tǒng)數據的深度特征提取和建模，計算部分包括系統(tǒng)嵌入式計算和云服務器計算兩部分，協同完成系統(tǒng)的計算任務。1.4數字孿生的關鍵技術功能層面向實際的系統(tǒng)設計、生產、使用和維護需求提供相應的功能，包括多層級系統(tǒng)壽命估計、系統(tǒng)集群執(zhí)行任務能力的評估、系統(tǒng)集群維護保障、系統(tǒng)生產過程監(jiān)控以及系統(tǒng)設計決策等功能。作為整個數字孿生系統(tǒng)的直接價值體現，功能層可以根據實際系統(tǒng)需要進行定制，在建模計算層提供的強大信息接口的基礎上，功能層可以滿足高可靠性、高準確度、高實時性以及智能輔助決策等多個性能指標，提升產品在整個壽命周期內的表現性能。1.4數字孿生的關鍵技術沉浸式體驗層的主要目的在于提供給使用者人機交互良好的使用環(huán)境，令使用者獲得身臨其境般的技術體驗，迅速了解和掌握復雜系統(tǒng)的特性和功能，并能便捷地通過語音和肢體動作，來訪問數字孿生體功能層提供的信息，獲得分析和決策方面的信息支持。體驗層是直接面向用戶的層級，以用戶可用性和交互友好性為主要參考指標。1.4.2數字孿生的核心技術1.多領域多尺度融合建模1.4數字孿生的關鍵技術方法當前大部分建模方法是在特定領域進行模型開發(fā)和熟化，然后在后期采用集成和數據融合的方法將來自不同領域的獨立的模型融合為一個綜合的系統(tǒng)級模型，但這種融合方法融合深度不夠且缺乏合理解釋，限制了將來自不同領域的模型進行深度融合的能力。多領域建模是指在正常和非正常工況下從不同領域視角對物理系統(tǒng)進行跨領域融合建模，且從最初的概念設計階段開始實施，從深層次的機理層面進行融合設計理解和建模。難點多領域融合建模的難點，在于多種特性的融合會導致系統(tǒng)方程具有很大的自由度，同時傳感器采集的數據要求與實際系統(tǒng)數據高度一致，以確保基于高精度傳感測量的模型動態(tài)更新。2.數據驅動與物理模型融合的狀態(tài)評估1.4數字孿生的關鍵技術難點目前數據與模型融合的難點，在于兩者原理層面的融合與互補，如何將高精度的傳感數據統(tǒng)計特性與系統(tǒng)的機理模型合理、有效地結合起來，獲得更好的狀態(tài)評估與監(jiān)測效果，是亟待考慮和解決的問題。采用數據驅動的方法，利用系統(tǒng)的歷史和實時運行數據，對物理模型進行更新、修正、連接和補充，充分融合系統(tǒng)機理特性和運行數據特性，能夠更好地結合系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，獲得動態(tài)實時跟隨目標系統(tǒng)狀態(tài)的評估系統(tǒng)。方法目前數據驅動與解析模型相融合的方法主要有兩種思路，一種是以解析模型為主，利用數據驅動的方法對解析模型的參數進行修正;另一種是將兩種方法并行使用，最后依據兩者輸出的可靠度進行加權，得到最后的評估結果。3.數據采集和傳輸1.4數字孿生的關鍵技術高精度傳感器數據的采集和快速傳輸是整個數字孿生系統(tǒng)體系的基礎，溫度、壓力、振動等各個類型的傳感器性能都要最優(yōu)，以復現實體目標系統(tǒng)的運行狀態(tài)。數字孿生系統(tǒng)是物理實體系統(tǒng)的實時動態(tài)超現實映射，數據的實時采集傳輸和更新對于數字孿生具有至關重要的作用。方法微機電系統(tǒng)傳感器日趨低成本和高集成度；高帶寬和低成本的無線傳輸，能夠為獲取更多用于表征和評價對象系統(tǒng)運行狀態(tài)或異常、故障、退化等復雜狀態(tài)提供前提。難點目前數字孿生系統(tǒng)數據采集的難點在于傳感器的種類、精度、可靠性、工作環(huán)境等受到當前技術發(fā)展水平的限制，采集數據的方式也受到局限。數據傳輸的關鍵在于實時性和安全性，網絡傳輸設備和網絡結構受限于當前技術水平，無法滿足更高級別的傳輸速率，網絡安全性保障在實際應用中同樣應予以重視。4.全壽命周期數據管理1.4數字孿生的關鍵技術復雜系統(tǒng)的全壽命周期數據存儲和管理是數字孿生系統(tǒng)的重要支撐，采用云服務器對系統(tǒng)的海量運行數據進行分布式管理，對維持整個數字孿生系統(tǒng)的運行起著重要作用。難點全壽命周期數據存儲和管理的實現需要借助于服務器的分布式和冗余存儲，由于數字孿生系統(tǒng)對數據的實時性要求很高，如何優(yōu)化數據的分布架構、存儲方式和檢索方法，獲得實時可靠的數據讀取性能，是其應用于數字孿生系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。方法考慮工業(yè)企業(yè)的數據安全以及裝備領域的信息保護，構建以安全私有云為核心的數據中心或數據管理體系，是目前較為可行的技術解決方案。5.VR呈現1.4數字孿生的關鍵技術虛擬現實技術