工程機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

　　早在1989年，工業(yè)機(jī)器人的開拓者JoeEngelberger就預(yù)測：未來機(jī)器人最大量的應(yīng)用領(lǐng)域是非工業(yè)領(lǐng)域。這個(gè)預(yù)測準(zhǔn)確地反映了機(jī)器人的發(fā)展方向，經(jīng)過幾十年技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人正在從車間走向野外和服務(wù)場所。工程機(jī)器人就是其中的一個(gè)重要分支。

　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程機(jī)器人越來越廣泛地被應(yīng)用到許多行業(yè)當(dāng)中，尤其是在高危、惡劣環(huán)境以及枯燥、繁重的作業(yè)領(lǐng)域，對工程機(jī)器人的需求更加迫切。因而，工程機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用，引起了世界各國的高度重視，產(chǎn)品發(fā)展前景十分廣闊。

　　1 工程機(jī)器人的定義與分類

　　工程機(jī)器人是一種面向高危及特殊環(huán)境下依靠自身動(dòng)力和控制能力來進(jìn)行工程施工作業(yè)的遙操作多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。它既具有工程機(jī)械的大功率、多功能、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，又具有機(jī)器人的靈活移動(dòng)、環(huán)境感知、智能識(shí)別等各種功能。

　　工程機(jī)器人是機(jī)器人家族中的新成員。與工業(yè)機(jī)器人在固定環(huán)境下依據(jù)事先編制的程序運(yùn)行不同，工程機(jī)器人主要在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作，靠接受人類指揮，或依據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。因此工程機(jī)器人更強(qiáng)調(diào)感知、思維和復(fù)雜行動(dòng)的能力，比一般意義上的工業(yè)機(jī)器人需要更大的靈活性、機(jī)動(dòng)性，具有更強(qiáng)的感知能力、決策能力、反應(yīng)能力以及行動(dòng)能力。工程機(jī)器人從外觀上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀。工程機(jī)器人融合了更多學(xué)科的知識(shí)，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)、仿生學(xué)等。

　　工程機(jī)器人根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可以分為：農(nóng)林業(yè)工程機(jī)器人、工業(yè)工程機(jī)器人、建筑工程機(jī)器人、礦業(yè)工程機(jī)器人、核工業(yè)工程機(jī)器人、搶險(xiǎn)救援工程機(jī)器人、軍事工程機(jī)器人等；按作業(yè)方式可以分為：破拆機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、抓取裝卸機(jī)器人、探測機(jī)器人等。

　　2 工程機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)與工作特性

　　工程機(jī)器人的基本特征是液壓驅(qū)動(dòng)、遙操作、移動(dòng)作業(yè)，具有大功率作業(yè)、寬范圍作業(yè)、多功能作業(yè)和智能作業(yè)的特點(diǎn)。

　　工程機(jī)器人的基本構(gòu)成包括：控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感知系統(tǒng)組成，如圖1所示。

　　圖1 工程機(jī)械人的基本構(gòu)成

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：工程機(jī)器人大多采用液壓驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)功率大，功率密度高，易于實(shí)現(xiàn)大范圍無級(jí)調(diào)速和力控制，防過載性能好。由于液壓驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，省去工業(yè)機(jī)器人的減速機(jī)加伺服電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。隨著液壓伺服控制技術(shù)不斷提高以及數(shù)值液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓驅(qū)動(dòng)將更能代表機(jī)器人的節(jié)能化、輕量化、緊湊化和智能化的發(fā)展方向。

　　執(zhí)行系統(tǒng)：與工業(yè)機(jī)器人相比，工程機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)主要增加了行走系統(tǒng)。尤其是在不同環(huán)境下使用，要求工程機(jī)器人具備全地形行走功能。圖2所示vcb為一種典型工程機(jī)器人——破拆機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　圖2 破拆機(jī)器人典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　這種典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部、腕部、小臂（上臂）、大臂（下臂）、腰部、足部等組成。其中手部為末端執(zhí)行器，如夾持工具之類的屬具?？梢愿鼡Q不同的屬具，如液壓剪、液壓錘、液壓抓斗等，以實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)能力。腕部通常具有3自由度，實(shí)現(xiàn)手部動(dòng)作，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)最復(fù)雜的部分。臂部用于連接腰部和腕部，帶動(dòng)腕部做平面運(yùn)動(dòng)。腰部用來連接臂部與基座，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。足部包括行走系統(tǒng)和作業(yè)時(shí)用于支撐機(jī)體的支腿。

　　控制系統(tǒng)：工程機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般比較復(fù)雜，涉及到行走、避障、有效作業(yè)等方面，要求控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的推理和思維能力，實(shí)時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)，適應(yīng)非結(jié)構(gòu)性環(huán)境能力強(qiáng)。控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心，如果把機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)比作人的骨豁和肌肉的話，機(jī)器人控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自身的運(yùn)動(dòng)、對環(huán)境的感知以及與外界的交互等功能，都需要控制系統(tǒng)對各機(jī)械部件以及傳感器單元進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。

　　感知系統(tǒng)：工程機(jī)器人的感知能力是未來工程機(jī)器人智能化的研究重點(diǎn)之一。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器2大類。內(nèi)部傳感器主要有位置傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器、平衡傳感器。內(nèi)部傳感器用測量到的角度、角速度、力等檢測機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)，了解機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)速度等，以調(diào)整和控制機(jī)器人的自身行動(dòng)。外部傳感器主要有視覺傳感器、觸覺傳感器、聽覺傳感器、冷覺傳感器、病覺（異常）傳感器、味覺傳感器、嗅覺傳感器等。外部傳感器用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境、外部物體的狀態(tài)或機(jī)器人與外部物體的關(guān)系。

　　工程機(jī)器人研究的現(xiàn)狀表明，由于受到機(jī)構(gòu)、控制、傳感器以及人工智能水平的限制，研究出能在未知環(huán)境中全自主方式工作的機(jī)器人是目前難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因此，目前在核工業(yè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等高危、惡劣的環(huán)境中被廣泛應(yīng)用的是遙操作機(jī)器人。遙操作機(jī)器人主要分為視覺臨場感遙操作機(jī)器人、力覺臨場感遙操作機(jī)器人、觸覺臨場感遙操作機(jī)器人及運(yùn)動(dòng)覺臨場感遙操作機(jī)器人等?；谂R場感的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)原理如圖3所示，它由操作者、主機(jī)器人（手控器）、通訊環(huán)節(jié)、從機(jī)器人和作業(yè)環(huán)境5部分構(gòu)成。在臨場感系統(tǒng)工作過程中，由操作者向主機(jī)器人發(fā)出操作命令（如位置指令）操作主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，主機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息通過通訊環(huán)節(jié)傳給遠(yuǎn)方的從機(jī)器人，從而控制從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)從機(jī)器人同環(huán)境交互時(shí)，從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息（如視覺、力覺、觸覺等信息）又通過通訊環(huán)節(jié)反饋給本地主機(jī)器人，使操作者對于現(xiàn)場作業(yè)情況有了有效的感知，從而能夠及時(shí)做出準(zhǔn)確判斷，發(fā)出相應(yīng)的操作命令，控制遠(yuǎn)方從機(jī)器人準(zhǔn)確、高效地完成作業(yè)任務(wù)。目前，基于視覺臨場感的工程機(jī)器人遙操作控制主要是用攝像機(jī)獲取現(xiàn)場的視頻圖像并回傳到主控端，操縱者通過監(jiān)視器來完成對工程機(jī)器人的操作任務(wù)。

　　圖3 基于臨場感的遙控操作機(jī)器人系統(tǒng)原理框圖

　　其中，通訊環(huán)節(jié)作為臨場感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和連接環(huán)節(jié)，是控制量信息、傳感器信息及視頻、圖像信息的傳輸通道，是臨場感系統(tǒng)進(jìn)行可靠工作的基本保障。

　　3 工程機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展概況

　　在國外，早在20世紀(jì)70年代歐美、日本等國家就開始在工程機(jī)械基礎(chǔ)上研制開發(fā)各類工程施工自動(dòng)作業(yè)機(jī)械，并形成兩大發(fā)展方向，一是工程機(jī)械智能化，一是專門發(fā)展起來的工程機(jī)器人分支。針對高危、惡劣環(huán)境的施工作業(yè)，歐美、日韓等國家都已經(jīng)全部采用工程機(jī)器人或機(jī)械手，技術(shù)水平先進(jìn)。

　　其中，破拆機(jī)器人是在工程施工中應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)器人之一，由于采用無線遙控作業(yè)方式，破拆機(jī)器人可以應(yīng)用在冶金、礦山、建筑、交通以及搶險(xiǎn)救援等眾多領(lǐng)域。瑞士布魯克公司是目前居于世界領(lǐng)先地位的破拆機(jī)器人專門生產(chǎn)廠商，公司自20世紀(jì)70年代就開發(fā)、研制、生產(chǎn)遙控電液式多功能破拆機(jī)器人，經(jīng)過不斷的改進(jìn)與發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，無論是設(shè)計(jì)、選材還是制造水平都處于國際領(lǐng)先地位，是目前拆除機(jī)器人最大的供應(yīng)商，產(chǎn)品銷往世界各地［3］。另外，日本、德國等發(fā)達(dá)國家在破拆機(jī)器人領(lǐng)域也都走在了世界前列。像德國TOPTEC公司生產(chǎn)的TOPTEC1850E、 TOPTEC2500E工程機(jī)器人，日本TmsukT52型和T53型雙機(jī)械臂機(jī)器人等，技術(shù)水平先進(jìn)。破拆機(jī)器人的末端執(zhí)行器通常為液壓錘、液壓剪等，以實(shí)現(xiàn)破碎、拆除作業(yè)。將末端執(zhí)行器更換成液壓抓手等其他專用屬具，再將主體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境作適當(dāng)?shù)母淖?，則可演變成其他類型的機(jī)器人，像搬運(yùn)機(jī)器人、抓取裝卸機(jī)器人等。

　　破拆機(jī)器人

　　在搶險(xiǎn)救援領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有人對將機(jī)器人應(yīng)用于救援工作中進(jìn)行探討，但救援機(jī)器人技術(shù)的正式研究始于1995年的日本神戶- 大阪大地震，并于2001年的美國9·11事件中，救援機(jī)器人正式投入使用。日本作為一個(gè)多地震災(zāi)害的國家，十分重視救援機(jī)器人的研制，其技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。美國在9·11事件后，對救援機(jī)器人的研究更加重視。其中，極具代表意義的由Irobot公司研制的小型便攜帶式機(jī)器人Packbot系列和“Warrior（6戰(zhàn)士）”等，均得到了較好的應(yīng)用。其他國家也很重視救援機(jī)器人的研究。如加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV及 Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機(jī)器人、西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、英國的“手推車”（Weelbarrow）Mk7型排爆機(jī)器人、德國TEODORG公司的MV4機(jī)器人、法國的MK4D智能排爆機(jī)器人等。

　　救援機(jī)器人

　　在農(nóng)林業(yè)方面，進(jìn)入后工業(yè)化的發(fā)達(dá)國家，隨著農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的日趨工業(yè)化、規(guī)?；熬珳?zhǔn)化的不斷發(fā)展，農(nóng)林業(yè)機(jī)器人研發(fā)早已成為其科研的重點(diǎn)內(nèi)容之一，在伐木、育苗、移苗、嫁接、農(nóng)產(chǎn)品收獲等方面得到諸多試驗(yàn)與應(yīng)用，相繼研制出了伐木機(jī)器人、嫁接機(jī)器人、扦插機(jī)器人、移栽機(jī)器人和采摘機(jī)器人等多種產(chǎn)品。

　　而在國內(nèi)，工程機(jī)器人的研制開發(fā)才剛剛起步，工程機(jī)械主機(jī)廠和部分科研院所開始加大對智能型工程機(jī)械的研發(fā)投入，但專業(yè)從事工程機(jī)器人研發(fā)制造的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)很少。應(yīng)用方面也僅限于一些常規(guī)的工業(yè)應(yīng)用，而且產(chǎn)品幾乎全為進(jìn)口。

　　驚天智能裝備股份有限公司自2005年自主立項(xiàng)，開始研制破拆機(jī)器人，目前已研制出多款工程機(jī)器人產(chǎn)品，并且已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣階段。

　　在搶險(xiǎn)救援領(lǐng)域，國內(nèi)的救災(zāi)機(jī)器人的研究起步較晚，但受到的重視程度很高。如國家“863”計(jì)劃支持研發(fā)地震救援輔助機(jī)器人等的一系列措施，國內(nèi)各大高校、研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)單位等都進(jìn)行了積極研究，近年來取得了很大進(jìn)展。國家“十二五”科技支撐計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目“龍蝦”救援機(jī)器人是目前世界上最大的搶險(xiǎn)救援機(jī)器。

　　4 工程機(jī)器人的應(yīng)用

　　工程機(jī)器人主要應(yīng)用于各種高危和特殊環(huán)境施工領(lǐng)域，如高溫高壓、易燃易爆易坍塌、有毒有害氣體、核輻射、危險(xiǎn)品搬運(yùn)以及軍事應(yīng)用，因此，在金屬渣錠破碎、建筑拆除、隧道施工、井下作業(yè)、搶險(xiǎn)救援，以及農(nóng)林業(yè)、核工業(yè)等都得到了廣泛的應(yīng)用。

　　4.1工業(yè)破碎作業(yè)

　　在鋼鐵冶煉廠，工程機(jī)器人主要用途包括：主溝及渣溝破碎、開鐵口、爐口除渣、拆爐拆包、魚雷罐熱態(tài)耐材、混鐵車解體等。在有色行業(yè)用來進(jìn)行余熱鍋爐清灰、陽極爐清理、金屬錠破碎、煙道和溜槽的清理等。在鋁行業(yè)用來清鋁包、清理陽極、在線刨槽、刨保溫爐和集中槽大修等。

　　在水泥廠，破拆機(jī)器人是水泥回轉(zhuǎn)窯維修的新一代拆磚設(shè)備，遙控作業(yè)，用以代替人工和小挖維修回轉(zhuǎn)窯，大大縮短停窯時(shí)間，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　4.2搶險(xiǎn)救援應(yīng)用

　　災(zāi)害現(xiàn)場的搶險(xiǎn)救援工作，是機(jī)器人開發(fā)領(lǐng)域的一大難題。不同環(huán)境條件下，機(jī)器人的解決方案大不相同。目前，多功能作業(yè)機(jī)器人，已廣泛應(yīng)用于消防破拆救援、災(zāi)后搶修搶建、地震后救援、反恐排爆、核事故應(yīng)急救援等。

　　4.3建筑應(yīng)用

　　隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，建筑施工要求越來越高，建筑樓宇的改造工作越來越多，但勞動(dòng)力成本卻逐年攀升。使用工程機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，不但安全可靠，而且縮短工期，減少人力需求。相較于傳統(tǒng)的混凝土切割鋸、風(fēng)鎬和挖掘機(jī)等拆除設(shè)備，使用破拆機(jī)器人使施工能在無振動(dòng)、低噪音、無廢氣、無揚(yáng)塵等情況下進(jìn)行，對周圍環(huán)境影響降到最小，而且降低施工成本，大大提高工作效率。為避免局部破拆對整個(gè)基礎(chǔ)的影響，近年來水力破拆機(jī)器人亦日益受到業(yè)界的高度重視。

　　4.4隧道應(yīng)用

　　工程機(jī)器人在隧道施工方面有廣泛的應(yīng)用，是開鑿聯(lián)絡(luò)通道、安全硐室、隧道維修改造的理想設(shè)備。常用于地鐵隧道臨時(shí)墻的拆除、隧道的開拓、巷道的支護(hù)、排水和電纜隧道的開挖，在空間狹小和鉆爆法施工工藝不能使用的場所具有巨大優(yōu)勢。

　　通常工程機(jī)器人車小力大，機(jī)動(dòng)靈活，可以進(jìn)入大型設(shè)備不能到達(dá)的狹窄的工作面和危險(xiǎn)場所作業(yè)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本?？梢詭诙贰⒎至褭C(jī)、液壓錘、液壓鉆等作業(yè)，在隧道施工中，發(fā)揮“一機(jī)多能”的優(yōu)勢。

　　4.5礦山應(yīng)用

　　工程機(jī)器人在地下礦山有廣泛的應(yīng)用，可用來進(jìn)行巷道支護(hù)、撬毛、二次破碎、鉆錨固孔和爆破孔等作業(yè)。很多有色金屬礦山和黃金礦山可以用工程機(jī)器人進(jìn)行破大塊、剪錨索、挖水溝、修理斜坡道和整修變形的巷道等作業(yè)。同時(shí)，機(jī)器人可用做溜井格篩旁邊的固定破碎站，也可作為窄礦脈的礦石回采和扒礦。機(jī)器人采用無線遙控操作，地下礦山作業(yè)時(shí)，操作人員可以選擇安全、視線好的位置操作機(jī)器，避免落石對人員的傷害。

　　4.6核工業(yè)

　　由于核電站設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備本身或其運(yùn)行環(huán)境具有放射性，同時(shí)還兼具水下、高溫、高壓等特點(diǎn)，簡單的機(jī)械手往往不能完成相關(guān)操作，利用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備檢修、乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)、放射性廢物處置和核事故應(yīng)急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照劑量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　5總結(jié)與展望

　　工程機(jī)器人最大的特點(diǎn)是工作在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，且面臨的工作環(huán)境更復(fù)雜。從某種意義上講，一個(gè)國家工程機(jī)器人的技術(shù)水平反映了這個(gè)國家機(jī)器人的技術(shù)水平。工程機(jī)器人因其先進(jìn)的性能已被廣泛地應(yīng)用到核工業(yè)、搶險(xiǎn)救援、建筑工程、農(nóng)業(yè)、冶金行業(yè)等，隨著科技進(jìn)步和技術(shù)積累，工程機(jī)器人在未來必將發(fā)揮更大的作用。

　　我國的工程機(jī)器人起步較晚，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖取得了一定的成績，但和國外發(fā)達(dá)國家相比，差距還很大。毋庸質(zhì)疑，21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭的高科技制高點(diǎn)。我們必須緊跟世界科技發(fā)展的潮流，加大對戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用的重大課題的投入，不畏艱難、刻苦攻關(guān)、提高自主創(chuàng)新的能力。同時(shí)，我們也要加強(qiáng)同國際科技界的交流與合作，努力學(xué)習(xí)和運(yùn)用世界先進(jìn)科技成果，為我國機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。