机器人仿真及其自动化研究进展

柴婷婷，丁言露

CHAI Ting-ting, DING Yan-lu

（中国矿业大学 矿业工程学院，徐州 221116）

0 引言

机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，机器人被发明以来，经历近些年的发展已取得长足的进步。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高科技的发展前沿，它在人们的生产、生活应用领域中的应用不断增加。

在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着机器人的发展，机器人的自动化控制同样需要提高、发展，利用更先进的技术发挥机器人的潜力，实现机器人自动化作业，用以替代大部分人们的繁重、复杂、危险的劳动。

由于机器人的技术特点，因此它必将受到各方关注，在多个领域将获得应用，如反恐侦察、森林防火、大坝检测等民用领域。结合不同工业领域的应用特点[1]，人们研制了各式各样的智能机器人，如移动机器人、水下机器人、医疗机器人、采掘机器人、军用机器人、空中机器人、娱乐机器人等。机器人在煤矿自动化中的应用，煤炭的地下开采是一种劳动条件相当恶劣的生产行业，其独特、恶劣的劳动环境使得工人在工作的过程中面临着粉尘、煤尘、瓦斯、冒顶、火灾、水灾等不安全因素。粉尘、煤尘、瓦斯、冒顶、火灾、水灾等不安全因素极大地威胁井下工人的安全，因此在煤炭开采中，迫切需要各种不同用途的机器人以取代人类从事的各种有毒、有害及危险环境下的工作。此外，煤炭的开采工艺一般较为复杂，不过这种复杂工作很难用一般的自动化机械完成，如果可以采用自动化的机器人作业，并利用相关原有装备加装智能控制单元构成的智能采掘设备是机器人在煤炭开采中应用的理想的方法。在其它工业中，机器人自动化的发展潜力巨大，不仅可以减轻劳动工人的劳动强度、提供更高精度的作业，同时加快工业发展的步伐[3]。

目前国内对机器人仿真的研究基本上还处于探索阶段，大部分研究都依附于已有的软件而进行的二次开发。我国仿真技术研究起步较晚，但还是取得了一些成果。机器人仿真研究集中于操作机实体的三维几何建模、 机器人运动学、 动力学仿真分析， 轨迹和路径规划， 机器人与工作环境的相互作用， 离线编程等方面。

服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它可以完成对人们有意义的工作。从20世纪80年代中期开始，机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境—医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人，特别是最近几年，对会清洁地面、割草或充当导游、保姆和警卫等自主移动机器人技术上的进步，大家都有目共睹。针对国内外在机器人及其自动化发展研究的基础上，我们总结并介绍了机器人及其自动化的发展近况，为机器人的进一步发展提出了自己的见解，希望对以后的学者的工作提供一些思路。

1 机器人的仿真研究

机器人的仿真开发以Windows作为平台，在机器人的仿真程序设计、几何模型建立的过程中，需要采用了面向对象的程序设计方法。而针对面向对象的设计，就是用面向对象观点建立求解空间。

在仿真模型设计的过程中，通过面向对象的详细、具体的分析过程得出问题模型，为机器人的仿真、建立求解空间模型奠定基础，选用适合于面向对象程序设计的Visual C++ 6.0和OpenGL仿真编程开发工具。Visual C++ 6.0是在Windows95、Windows98、Windows NT平台上最流行的面向对象的32位编程语言。Visual C++ 6.0紧密结合了面向对象分析(OOA) 、面向对象编程(OOP)、面向对象设计(OOD)的思想，从而为大型的复杂的面向对象的应用程序开发，提供了一种比传统的面向过程的编程方法更加有效的方式。机器人仿真系统的原理如图1所示。

图1 仿真系统原理图

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。

目前国内外对机器人及其自动化的研究取得了阶段性的成绩。例如美国波士顿动力公司最新研究一款猎豹机器人，它的奔跑速度能超过人类以及终结者类型的机器人，最终这款机器人将服役于美国军队。此前波士顿动力公司还设计了一款“阿特拉斯”机器人，它具有人体的躯干，两只手臂和两条腿，但没有头部，能够行走在崎岖的地形，在特殊情况下可用手攀爬。

2 机器人自动化控制系统的特点

机器人自动化是实现工业高效、安全生产的关键技术之一，机器人的发展是高强度、危险劳动所必须具备的手段，通过现代及将来技术人员攻克机器人自动化的发展瓶颈，开发出适应不同条件下的机器人，可以广泛应用于各行各业，这需要不断利用新技术、新手段完善提高机器人自动化控制系统，以实现少人工作、安全生产的目标。

机器人自动化控制系统的特点：

1）机器人的控制系统与机构运动学和动力学密切相关，机器人的控制系统在各种坐标下都可对机器人手足状态进行描述，并且可以根据需要对参考坐标系进行选择，对机器人需要完成的动作做适当的坐标变换。

2）一个较简单的机器人也需要三到五个自由度，而复杂系统的机器人则需要十几个甚至几十个自由度，每一个自由度一般都包含一个与之相适应、协调的伺服机构，组成一个多变量控制系统。

3）机器人需要完成的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，在这些方式和路径中需要考虑机器人动作的“最优路径”的问题，只有找到“最优路径”才可以发挥机器人的最大效率，对于高级、复杂的机器人则可采用人工智能的方法，利用计算机建立放大的信息库，借助计算机所建立的信息库进行控制决策、管理和操作。

4）由计算机来实现多个独立的伺服系统的协调控制其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定智能的任务。

3 结论

通过对目前的机器人及其自动化的发展、研究现状分析介绍，我们总结了未来需要研究的工作，主要包括以下几个方面：

1）机器人的制作需要新结构和新材料：现在的机器人材料满足不了大部分的高强度的作业，因此机器人所需要的制作材料既需要具有良好的柔性、灵活性和可靠性，同时还需要具有一定的强度从而为机器人作业提供较大的负载能力。

2）机器人自动化控制系统需要发展现有的传感器与控制技术：目前机器人的控制系统中的传感器均为间接测量方式，并不能直接反馈机器人的实际形状和实际作业动作，同时传感器的数量是有限的，无法直接测量和控制机器人的所有的自由度，因此这是对新的机器人自动化控制技术提出了挑战。

3）机器人的最优作业路径规划：机器人在狭小的空间中的工作环境和多障碍物的非结构环境中工作时，往往需要根据机器人及环境结构的特点采用一种高效的路径规划算法进行实时路径规划。但是，由于复杂、高级机器人具有的多自由度的特点，因此在其路径规划过程中可能会存在众多可选择路线，对最优路线的选择以及将传感器与路径规划相融合均需要创新性的解决方案。

4）机器人控制系统的人机交互技术：人机交互技术是机器人在运动控制过程中的关键技术之一。由于机器人的独特的结构特点可能会给操作者在作业中带来某些错觉，尤其在执行整个机器人的抓取操作和在多障碍物的非结构环境中运动时操作难度会比较大，因此需要设计人机交互性能友好的操作软件和硬件，利用大量的自动化技术以给操作者提供更加人性化的输入和反馈，减少工作人员对机器人的直接控制强度。

随着机器人研究的不断深入和发展，机器人自动化控制的应用领域将越来越宽，经济效益和社会效益也会随之越来越显著。现在应该强调的是，机器人自动化控制在工业生产的应用还处于初级发展阶段，需要与之相适应的计算机、机械行业的同步发展，但由于机器人自动化技术对于工业自动化领域的重要性，相信随着人工智能、传感器技术、计算机技术、通信技术等影响机器人及其自动化关键技术的发展，在未来实现工业无人化生产方面将起着关键性的作用。

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