先進機器人關鍵技術研究

呂林逸

(首都師范大學附屬育新學校,北京 100096)

1 引言

機器人(Robot)是自動執行動作的機器裝置。它既可以接受指令信號,又可以運行預先編制的程序,也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領運行。它的任務是協助或取代人類的部分工作內容,機器人系統是機械控制、機械電子、計算機、先進材料、甚至仿生科學的研究成果匯集而成的結晶。在工業、醫學、農業、建筑業甚至軍事等領域中均有重要用途。

上世紀50、60年代,隨著機構理論和伺服理論的發展,機器人進入了應用化階段。1954年美國的G.C.Devol發表了“通用機器人”專利;1960年美國AMF公司生產了柱坐標型Versatran機器人,可作點位和軌跡控制,這是世界上第一種用于工業生產的機器人。

70年代,隨著計算機技術、現代控制技術、傳感技術、人工智能技術的發展,機器人技術也得到了迅速發展。1974年Cincinnati Milacron公司成功開發出了多關節機器人;1979年,Unimation公司又推出了PUMA機器人,它具有多關節、全電動驅動、多C P U二級控制的系統;采用V A L專用語言;可配視覺、觸覺、力覺傳感器,在當時,是一種技術先進的工業機器人。現在的工業機器人結構大體上是以此為基礎的。

進入80年代,隨著傳感技術,包括視覺傳感器、非視覺傳感器(力覺、觸覺等)以及信息處理技術的發展,出現了第二代機器人——有“感覺”的機器人。它能夠自動獲得運行工況環境和工作對象的有關信息,并進行一定的實時處理,引導機器人進行作業。它們都進入了應用化階段,在工業生產中已得到廣泛應用。“智能機器人”屬于目前正在研究的第三代機器人,也就是所謂的“先進機器人”。它不僅具有比第二代機器人更加完善的環境感知能力,而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力,可根據作業要求與環境信息自主地進行工作。而通過傳感技術的進一步發展,先進機器人比傳統機器人更加智能,得力于機器視覺技術以及機器視覺技術的快速發展。

2 機器觸覺

2.1 發展現狀分析

機器人觸覺傳感技術的研究始于20世紀70年代。三十多年的歷程可分為三個時段：70年代、80年代、90年代以后。這三個時段的研究與成就各有特點。

70年代國外的機器人研究已成熱點,但觸覺技術的研究剛剛開始且成果較少。受到當時傳感器技術水平的限制,機器觸覺技術發展緩慢。

80年代是機器觸覺技術發展的快速增長期。此期間從電、磁、力、光和超聲等方面入手,對傳感器設計、原理和方法做了大量研究。并對檢測接觸點和區域、接觸截面形狀、壓力分布的觸覺陣列等方面開始研究。研制出了能檢測對象形狀、尺寸、位置和溫度的傳感器[1]。然而對于如表面紋理、硬度、粘度等材料物理性質的觸覺感知還未得到有效解決。

90年代以后,觸覺傳感技術持續發展,主要成就有：(1)在應用方面。例如器件封裝對傳感器性能與應用技術有了長足發展;(2)多傳感器融合。如通過利用幾種具有不同響應率的觸覺傳感器,針對需要處理不同接觸特征的工況要求,集成在同一系統中。(3)機器人結構改進。“多手指”對象的操作性能有了相當大的進步。(4)觸覺應用已開始應用于醫療領域[1]。

雖然我國80年代左右開始研究機器人傳感器,但由于當時受到客觀條件限制。直到1987年國家“863”計劃實施后才加快步伐。在“863”計劃支持下,90年代初我國的觸覺傳感器研究就取得了長足進步。如陳鐵華等人研制出了機器人觸覺感知接口的軟硬件實施方法[2];吳錦陽等人為提高外科手術精確性、靈活性和安全性,將力觸覺反饋系統應用到數字化外科當中[3]。

2.2 主要不足及發展方向

雖然三十多年來觸覺傳感技術的研發取得了較大進步。但在其進程中仍存在著明顯不足。當前機器觸覺中用到的柔性傳感器,敏感材料是決定傳感器好壞的決定性因素之一。所以,易制備、成本低、響應性高的敏感材料是主要發展方向之一。其中力敏特性響應性高的材料,如導電橡膠、電容式、電阻式的材料壓阻數學模型尚不成熟,直接限制了當前敏感材料在機器觸覺中的使用前景,所以一方面需要開發一種易制備、成本低、并且具有穩定壓阻數學模型的敏感材料,另一方面,針對當前的力敏材料,重點研究其材料本構模型[4]。

3 機器視覺

3.1 技術發展現狀分析

機器視覺技術是指用攝像機來模擬人眼的視覺功能,進而對客觀事物做出測量和判斷的技術。當今,視覺技術在工業中得到了越來越廣泛的應用,對提高生產效率,達到生產智能化的目的起著至關重要的作用。如屠海斌以M T-R自由度機器人為平臺,研究了基于視覺信息的機械臂控制方法[5];劉振宇等人針對以往工業生產線分揀工件時存在的問題,從視覺的角度研究了相關技術難點[6],同時劉振宇等人又針對傳統碼垛機器人作業時存在的不足,從視覺技術的角度研究提供了促進其自動化的方案[7];呂家國等人根據雙目視覺定位原理,通過分析系統各部件的工作原理和醫療機器人手術導航的實際需求,結合市場供貨情況,提出了一種適用于醫療機器人手術導航定位的雙目視覺硬件系統設計方法[8]。

3.2 主要不足及發展方向

機器視覺技術發展到今天,已有長足進步。然而,在環境感知分辨,軟件應用等方面還需改進。例如,在基于機器視覺工業機器人分揀系統中[9],只用在了黑白棋子的分揀系統,然而,實際工況下,抓取對象不僅僅局限于黑白棋子這種對象。所以,機器人的分揀系統應向著多方面,從顏色、形狀的多個角度進行研究。網絡連接方面,相機和機器人之間通過網線連接,但如果在惡劣的環境下,有線連接是否適用,尚不得知。所以,無線連接應得到未來研究的重視。軟件方面,當前視覺技術對于光照干擾的抵抗力不足,所以未來研究應更多考慮如何對光照影響進行補償。物聯網發展的今天,實現語言應具有通用性,以后的發展方向應嘗試使用更多語言。

另外,當前研究的分揀系統可以有效解決規則幾何工件的分類的問題[6],達到分揀的目的,但是否對于非規則的幾何工件的分揀問題仍然適用,不得而知。所以,以后的研究發展方向應嘗試對非規則幾何工件進行分類。

4 結語

本文綜述了國內外先進機器人的研究現狀,并以機器視覺和觸覺兩大關鍵技術為主要研究對象,得到當前技術的難點以及發展方向。包括該技術是否適用于多系統、是否適用于復雜環境、以及是否可以完全自動化等問題,提出了未來研究方向,以期對當前機器人研究方向提供指導。

[1] 劉少強,黃惟一,王愛民.機器人觸覺傳感技術研發的歷史現狀與趨勢[J].ROBOT,2002,24(4)：362-366.

[2] 陳鐵華,趙丁選,侯文卓.遙控移動機器人觸覺感知接口的實現[J].機電工程技術,工業控制,2006,35(4)：52-55.

[3] 吳錦陽,張詩雷,桂海軍.力觸覺反饋系統在現代數字化外科的應用及研究進展[J].組織工程與重建外科雜志,2012,8(4)：229-231.

[4] 何慧娟,王雷,德章.柔性觸覺傳感器在機器人上的應用綜述[J].Transducer and Microsystem Technologies,2015,34(11)：5-7.

[5] 屠海斌.基于機器視覺的搬運機器人系統研究與軟件實現[D].東南大學碩士論文,2016.

[6] 劉振宇,李中生,趙雪,等.基于機器視覺的工業機器人分揀技術研究[J].制造業自動化,2013,35(9)：25-29.

[7] 劉振宇,李中生,張濤,等.基于機器視覺的碼垛機器人系統研究[J].組合機床與自動化加工技術,2014,(4)：9-14.

[8] 呂家國,蔣曉瑜,張鵬煒,等.醫療機器人雙目視覺硬件系統設計與實現[J].中國光學,2014,7(2)：307-312.

[9] 栗俊艷,米月琴,弓靖,劉鵬飛.一種基于機器視覺的工業機器人分揀系統[J].電子科技,2016,29(1)：105-107.