1、移動機器人的發展及趨勢一、引言移動機器人，是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多功 能于一體的綜合系統。它集中了傳感器技術、信息處理、電子工程、計算機工程、 自動化控制工程以及人工智能等多學科的研究成果，代表機電一體化的最高成 就，是目前科學技術發展最活躍的領域之一。 隨著機器人性能不斷地完善，移動 機器人的應用范圍大為擴展，不僅在工業、農業、醫療、服務等行業中得到廣泛 的應用，而且在城市安全、國防和空間探測領域等有害與危險場合得到很好的應 用。因此，移動機器人技術已經得到世界各國的普遍關注。二、移動機器人發展史60年代后期，美國和蘇聯為完成月球探測計劃，研制并應用了移動機器人。

2、 美國“探測者” 3號,其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執行其他 任務。蘇聯的“登月者” 20號在無人駕駛的情況下降落在月球表面，操作器在月 球表面鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大學研制出具有仿人功能的兩足步行機器人。為適應原子能利用和海洋開發的需要，極限作業機器人和水下機器人也發展較快。移動機器人隨其應用環境和移動方式的不同，研究內容也有很大差別。其共 同的基本技術有傳感器技術、移動技術、操作器、控制技術、人工智能等方面。 它有相當于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器。移動機 構有輪式（如四輪式、兩輪式、全方向式、履

3、帶式）、足式（如6足、4足、2足）、 混合式（用輪子和足）、特殊式（如吸附式、軌道式、蛇式）等類型。輪子適于平坦 的路面，足式移動機構適于山岳地帶和凹凸不平的環境。移動機器人的控制方式 從遙控、監控向自治控制發展，綜合應用機器視覺、問題求解、專家系統等人工 智能等技術研制自治型移動機器人。三、國內外移動機器人發展現狀從二十世紀八十年代中期開始，機器人已從工廠的結構化環境進入人的日常 生活環境一醫院、辦公室、家庭和其它雜亂及不可控環境，成為不僅能自主完成 工作，而且能與人共同協作完成任務或在人的指導下完成任務的智能服務機器 人，特別是最近幾年，對會清潔地面、割草或充當導游、保姆和警衛等自主移動

4、機器人技術上的進步，大家都有目共睹 0中國 中國對服務機器人的研究起步很晚，但國家對此非常重視，1986年3月才開始把研究、開發智能機器人的內容已列入國家 863高科技發展規劃中，從1986 年至2009年的20多年中，智能機器人主題在863的旗幟下，團結了近幾千人的 研究開發隊伍，圓滿完成各項任務，建成了一批高水平的研究開發基地， 造就了 一支跨世紀的研究開發隊伍，為我國 21世紀機器人技術的持續創新發展奠定了 基礎2 0日本 日本將機器人作為一個戰略產業，給予了大力支持，而且日本根據目前機 器人產業面臨的問題，提出了加強機器人研究和推動機器人產業化的具體措施， 日本機器人工業之所以領先世界

5、，一方面和他們的機器人文化也有關，在日本， 有一種“讓機器人成為人”的氛圍，在日本，由于人口不多，而且老齡化趨勢嚴 重，他們需要機器人來承擔勞力的工作， 因此培養起濃厚的機器人文化；另一方 面，日本政府也希望機器人研發成為本國的支柱產業，所以投入大量資金，為了攻克更關鍵的服務機器人技術，日本在2006年至2010年間，每年投入1000萬 美元用于研發服務機器人2 0韓國 韓國將服務機器人技術列為未來國家發展的 10大“發動機”產業，他們 已經把服務型機器人作為國家的一個新的經濟增長點進行著重發展，對機器人技術給予了重點扶持，通過不斷地努力，韓國近幾年來也逐漸躋身研究機器人的世 界潮流。韓國信息

6、通信部官員表示，雖然韓國的機器人技術起步比美國、日本和歐洲的競爭者要晚，但是有望在未來 510年內迎頭趕上。美國 美國是機器人的發源地，盡管美國在機器人發展史上走過一條重視理論研 究，忽視應用開發研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍一直處 于領先地位，其技術全面、先進，適應性也很強。歐洲 德國的社會環境卻是有利于機器人工業發展的，因為戰爭，導致勞動力 短缺，以及國民技術水平高，都是實現使用機器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路 ，即對于一些有危險、有毒、 有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動，這個計劃推動了服務機器人技術的發展。德國經過

7、近十年的努力，其服務機器人的研究和應用方面在世界 上處于公認的領先地位：新一代機器人保姆Care-O-Bot3遍布全身的不計其數的 傳感器、立體彩色照相機、激光掃描儀和三維立體攝像頭，讓它既能識別生活用 品也能避免誤傷主人；它還具有聲控或手勢控制有自我學習能力，還能聽懂語音命令和看懂手勢命令。法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器 人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平，這主要歸功于法國政府一開始就比 較重視機器人技術，大力支持服務機器人研究計劃，并且建立起一個完整的科學 技術體系，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上11 o四 服務機器人的關鍵技術服務機器人技術在本質上與所有其它

8、類型的機器人是相似的，其主要技術包 括：4.1環境感知傳感器和信號處理方法多傳感器信息融合技術的基本原理就像人腦綜合處理信息的過程一樣，它充分地利用多個傳感資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補與冗余信息依據某種優化準則組合起來，產生對觀測環境的一致性解釋和描述，多傳感器信息融合技術按照數據的抽象層次分 類可分為數據層融合、特征層融合和決策層融合三種 4 o4.2 智能控制智能控制主要包括模糊控制、神經網絡、進化計算等，且逐漸成為成熟的控 制思想4。模糊控制源于模糊數學，或稱弗晰數學，是研究如何表現和處理模糊 性現象的一個數學分支問，模糊控制是以模

9、糊集合論、模糊語言變量及模糊邏 輯推理為基礎的一種計算機數字控制。人工神經網絡控制，從生物學的觀點來看， 神經網絡的功能為信息處理和推理、聯想和思維等高級的思想活動10，而人工神 經網絡控制是利用工程技術手段模擬人腦神經網絡的結構和功能的一種技術系 統，它是一種大規模并行的非線性動力學系統。4.3 導航與定位在服務機器人系統中，自主導航是一項核心技術，是機器人研究領域的重點 和難點問題。把人工神經網絡控制和多傳感器融合技術相結合用于服務機器人 的導航定位系統，如圖1所示。4.4 路徑規劃路徑規劃就是指在服務機器人工作空間中找到一條從起始狀態到目標狀態、 可以 避開障礙物的路徑。路徑規劃方法大致

10、可以分為傳統方法和智能方法： 傳統路 徑規劃方法主要有以下幾種：自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢場法。接融傳感器孵E傳感器信息融合紅夕除感器-行肉規則亠建障傳感器信息融臺產免還撞圖1服務機器人導航定位系統內部傳感器光敏傳感器觀覺傳感器,定位導五、移動機器人的未來展望智能機器人的開發研究取得了舉世矚目的成果。那么，未來智能機器人技術將如何發展呢？日本工業機器人協會對下一代機器人的發展進行了預測。提出智 能機器人技術近期將沿著自主性、智能通信和適應性三個方向發展。下面我們簡 單介紹人工智能技術、操作器、移動技術、動力源和驅動器、仿生機構等。5.1人工智能技術在機器人中的應用把傳統的人工智能

11、的符號處理技術應用到機器人中存在哪些困難呢？ 一般的工業機器人的控制器，本質是一個數值計算系統。如若把人工智能系統（如專家系 統）直接加到機器人控制器的頂層，能否得到一個很好的智能控制器？并不那么容 易。因為符號處理與數值計算，在知識表示的抽象層次以及時間尺度上的重大差 距，把兩個系統直接結合起來，相互之間將存在通信和交互的問題，這就是組織智 能控制系統的困難所在。這種困難表現在兩個方面：一是傳感器所獲取的反饋信 息通常是數量很大的數值信息，符號層一般很難直接使用這些信息，需要經過壓 縮、變換、理解后把它轉變為符號表示，這往往是一件很困難而又耗費時間的事。而信息來自分布在不同地點和不同類型的多

12、個傳感器。從不同角度 ，以不同的測 量方法得到不同的環境信息。這些信息受到干擾和各種非確定性因素的影響 ，難 免存在畸變、信息不完整等缺陷，因此使上述的處理、變換更加復雜和困難。二 是從符號層形成的命令和動作意圖，要變成控制級可執行的指令（數據）,也要經 過分解、轉換等過程，這也是困難和費時的工作。它們同樣受到控制動作和環境 的非確定性因素的影響0人們為了探討人工智能在機器人中近期的可用技術 ，暫時拋開人工智能中的 各種帶根本性的爭論，如符號主義與連接主義、有推理和無推理智能等等，把著眼 點放在人工智能技術中較成熟的技術上。對傳統的人工智能來說，就是知識的符 號表示和推理這部分技術，看一看它對

13、當前的機器人技術的發展會有什么貢獻。 其主要貢獻體現在以下幾個方面：基于任務的傳感技術，建立感知與動作的直接 聯系,基于傳感器的規劃和決策，復雜動作的協調等。5.2操作器工業機器人手臂的設計制造已趨于成熟，因此在智能機器人操作器方面的研 究,人們的興趣主要集中在各種具有柔性和靈巧性的手爪和手臂上。機器人手臂 結構要適應智能機器人高速、重載、高精度和輕質的發展趨勢。其中輕質化是關 鍵。新型高剛度、抗震結構和材料是目前國外研究的前沿。機器人的手、腕以及 連接機構是引人注目的研究課題。其中手腕機構的研究注重于快速、準確、靈活 性、柔順性和結構的緊湊性。與人協調作業關系密切的一類智能機器人如醫用機 器

14、人、空間機器人、危險品處理機器人、打毛刺機器人等，它們都面臨著如何快速、準確地把人的意志和人手的熟練操作傳送到機器人執行機構的問題。目前，要讓機器人作業一個小時，其軟件編制需要60個小時,費時又費工。改善這種狀 況,需要從軟件和硬件兩方面著手。如多指多關節靈巧手是一種模擬人的通用手， 它能比較逼真地記錄和再現人手的熟練動作，受到研究者的青睞。由于它涉及到 操作力學、結構學、基于傳感器的控制、傳感器融和等方面的問題，研制的難度很大，因此到目前為止，還沒有一種成熟的產品投放市場 。5.3移動技術移動功能是智能機器人與工業機器人顯著的區別之一。附加了移動功能之后 機器人的作業范圍大幅度增加，從而使移

15、動機器人的概念也從陸地拓展到水下和 空中。近幾年來,在歐美國家的機器人研究計劃中，移動技術占有重要的位置。例 如在NASA空間站FREEDO上搭載的機器人、NASA和 NSF共同開發的南極Erebus活火山探測機器人、美國環保局主持開發的核廢料處理機器人 HA7B0中,移動技 術都被列為關鍵技術。移動機構與面向作業任務的執行機構綜合開發是最近出現 的新的傾向。因為無論何種機器人都需要通過搭載的機械手或傳感器來完成特定 的作業功能。另一個傾向是移動的運動控制與視覺的結合日益密切。這種傾向在美國ALV項目中已初見端倪，最近則越過了靜態圖像識別的框框，進入主動視覺 和主動傳感的階段。顯然,智能機器人

16、在非結構環境中自主移動，或在遙控條件下 移動,視覺-傳感器-驅動器的協調控制不可缺少。最近幾年,在步行機構，雙足步行機，輪式移動機構的開發和實用化等方面都 取得了一些進展。據日本工業機器人協會預測：管內移動機器人將在2007年可達 到實用化；與人具有同樣步行速度的多足步行機和雙足步行機以及不平整地面行 走和爬樓梯與人具有相同速度的移動機器人將在2010年可達到實用化。5.4動力源和驅動器智能機器人的機動性要求動力源輕、小、出力大。而現有的移動機器人無一例外地拖著“辮子”。以動力源的重量/功率之比為例,目前電池約達到60g/W（連 續使用小時）,汽油機約為1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性

17、。到目前為止,尚 未見到改善動力源的有效辦法。電機仍然是智能機器人的主要驅動器。要使智能 機器人的作業能力與人相當，它的指、肘、肩、腕各關節大致需要 3-300Nm的輸 出力矩和30-60r/min的輸出轉速。傳統伺服電機的重量/功率之比約為30g/W, 而人在百米跑和投擲壘球時腿、肩、臂的出力大約為1g/W,相差甚大。日本在改進電機的性能方面取得了長足的進步。例如：核工業機器人臂和腿的驅動電機的 重量已減輕到原來的1/10,使機器人整體自重降低到700kg,但與它只能處理20kg重的工作相比，遠非令人滿意。人們寄希望于新驅動器。雖然各有誘人的優 點,但在實用性方面還達不到伺服電機的水平。日本

18、極限作業機器人計劃中，水下機器人機械手的手腕和手爪驅動采用了人工肌肉，肌肉本身的重量才 5-8g,以20kg/cm2壓力的高壓水為工作介質，收縮力高達50kg（管徑3mm）這是新型驅動 器一個成功的例子。總之，智能機器人性能指標的改進是無止境的，對驅動器的要 求也越來越高。什么是客觀的衡量標準呢 ？一個容易接受的辦法就是把它與人的 體能加以比較。從這個角度來看，智能機器人驅動技術目前差距還相當大。5.5仿生機構智能機器人的生命在創新，開展仿生機構的研究，可以從生體機構、移動模 式、運動機理、能量分配、信息處理與綜合，以及感知和認知等方面多層次得到 啟發。目前，以驅體為構件的蛇形移動機構、人工肌

19、肉、仿象鼻柔性臂、人造關 節、假肢、多肢體動物的運動協調等等受到人們的關注。仿生機構的自由度往往比較多，建立數學模型以及基于數學模型的控制比較復雜，借助傳感器獲取信息加以簡化可能是一條出路10。近年來,機器人出現了一個傾向是面向特定功能和作業開發專用機器人，以追求高速、高效、單一化和低成本的目的。例如美國IBM公司設計的超高速小型 機器人，以50次/s的速度頻繁往復于相距數毫米的兩點間，實現高密度微型電子 器件裝配,定位精度高達一微米。這種高速運動機構的動態平衡十分重要，雖然其 工作區域只有13mM 13mM 1mm但其加速度卻高達50g。IBM公司的技術人員對 機器人學提出了新的問題：如何進

20、行機構-控制-傳感-驅動的一體化設計，滿足機 械手高速高精度定位的要求。眾所周知，機器人系統的設計程序是先設計臂結構 和驅動裝置，然后設計控制器。實踐證明，這種設計即使能達到最佳的靜力學性能 也往往不能滿足動力學性能。到目前為止，改進動力學性能的方法并不多見，一般 是按常識、減輕構件的重量，匹配減速器的速比等等。大批研發機器人和普遍運用人工智能機器人，聊天機器人，做菜機器人。迎 賓機器人，服務機器人，娛樂機器人，拉車機器人等等都已經出現并應用在不同的領域，機器人智能化成為一種發展趨勢。六、結論機器人是多學科交叉的產物，集成了運動學與動力學、機械設計與制造、計 算機硬件與軟件、控制與傳感器、模式識別與人工智能等學科領域的先進理論與 技術。同時，它又是一類典型的自動化機器，是專用自動機器、數控機器的延伸 與發展。當前，社會需求和技術進步都對機器人向智能化發展提出了新的要求。(1) 自動化應用領域的擴展對智能