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

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 國內外智能機器人技術現狀與趨勢

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境，根據任務需要實時決策執行，以自主/半自主方式進行作業，在已知/未知環境中具有一定自我學習和適應能力的智能裝備。

1.1 傳統機器人

特點：

· 固定安裝，缺乏與環境、操作人員的交互能力；

· 適用于流水線作業，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，已經在大眾汽車發動機生產線應用，采用柔性關節制造，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；

· 主動安全；

· 人機協作；

· 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，其采用模塊化、輕量化的設計思路，具有輕型、安全、靈活且生態友好的特點，無需繁瑣安裝與設置即可融入現有生產線。特點：

· 模塊化關節；

· 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的生產效率。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，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，具備視覺與力度感應功能，可通過物品識別、決策、動態力度調節自律執行任務，計劃2015年推出其商業版。特點：

· 雙臂協同；

· 力矩關節；

· 主動安全；

· 人機協作；

· 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外艙段間鉆鉚、裝配等作業。特點：

· 多臂協同；

· 高精度操作；

· 移動平臺；

· 視覺伺服。

1.9 智能機器人技術發展現狀（如表1所示）

表1 智能機器人技術發展現狀

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對外部環境以及自身狀態的感知與獲取，影響機器人的后續的智能決策。

（2）伺服技術

伺服系統是智能機器人的基本運動單元，主要研究伺服電機及驅動器、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、串聯機構、并聯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容。多應用于多冗余仿生機械臂技術和協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，將任務規劃制定轉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行效能產生影響。復雜非結構環境運動控制技術、仿生運動控制技術、機構與運動控制整合技術正快速發展。目前我國重點發展的是自主控制技術。

（5）人機交互技術

穩定、友好的人機交互系統成為機器人不可分離的組成部分。人機交互系統包含的主要元素為：人的因素、交互設備及實現人機對話的軟件。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；大量采用虛擬現實交互技術。

（6）網絡化技術

網絡化技術是實現工業現場的智能機器人以及控制中心的數據鏈接與交互關鍵所在，將各機器人互聯成為網絡，有效地促進智能機器人的分工協作能力，促進生產效率。其中包括：大帶寬數據實時交互技術、節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容

（1）一體化伺服關節

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結構設計與布局優化設計技術；

· 基于高速串行總線的伺服關節模塊化伺服系統設計技術；

· 基于多傳感器信息融合的高精度高動態相應伺服關節智能運動控制技術。

應用背景：智能機器人的關節配套、模塊化機器人組裝。

（2）基于視覺的靈巧型工業機器人

· 重點研究方向：

· 可重構的模塊化結構技術；

· 高精度聯動差補技術；

· 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的柔性制造機器人系統，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，定制型產品線，無縫替代單工位。

（4）雙臂協同機器人

· 重點研究方向：

· 多冗余機械臂結構設計；

· 多臂協調運動的規劃；

· 基于視覺的位姿控制技術；

· 柔性協調控制技術；

· 多傳感器融合技術。

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

4 智能機器人與系統集成的制造模式構想

4.1 面向勞動密集型的柔性生產線（如圖1所示）