新一代智能机器人的关键技术与突破

中国航天三院33所智能机器人研究室 张新华

新一代智能机器人的关键技术与突破

中国航天三院33所智能机器人研究室 张新华

1 国内外智能机器人技术现状与趋势

智能机器人是能够依靠自身携带的传感器感知理解外界环境，根据任务需要实时决策执行，以自主/半自主方式进行作业，在已知/未知环境中具有一定自我学习和适应能力的智能装备。

1.1 传统机器人

特点：

· 固定安装，缺乏与环境、操作人员的交互能力；

· 适用于流水线作业，柔性制造能力有限。

1.2 智能机器人

特点：

· 高柔性制造能力；

· 安全与人协作能力。

1.3 轻型柔性机械臂技术

由KUKA公司研制，于2014年11月上市，已经在大众汽车发动机生产线应用，采用柔性关节制造，能够满足柔顺装配的需求，但是成本较高。特点：

· 力矩反馈型柔性关节；

· 主动安全；

· 人机协作；

· 工位替代；

· 柔顺控制。

1.4 模块化柔性机械臂技术

由Universal Robots公司研发，其采用模块化、轻量化的设计思路，具有轻型、安全、灵活且生态友好的特点，无需繁琐安装与设置即可融入现有生产线。特点：

· 模块化关节；

· 手把手示教；

· 独特友好的人机交互界面；

· 轻量化。

1.5 全向移动机械臂技术

由KUKA公司研制，将移动平台与大负载机械臂相结合，主要面向大型飞机蒙皮打磨、钻铆等工作，有效地提升飞机制造行业的生产效率。特点：

· 全向移动平台；

· 大负载；

· 高精度定位与导航；

· 精细操作。

1.6 轻巧型双臂机器人技术

由ABB公司研发，具有视觉和触觉传感器软性材料包裹，保障人类同事安全。该机器人将小件装配等自动化应用带入一个全新的时代。特点：

· 双臂协同；

· 无缝替代工人工作；

· 安全防护。

1.7 高精度双臂机器人技术

由爱普生公司研发，具备视觉与力度感应功能，可通过物品识别、决策、动态力度调节自律执行任务，计划2015年推出其商业版。特点：

· 双臂协同；

· 力矩关节；

· 主动安全；

· 人机协作；

· 工位替代；

· 柔性控制。

1.8 多机器人操作技术

欧洲飞机制造商在数字化工厂中采用了多个可移动的机器人可同时进行飞机内外舱段间钻铆、装配等作业。特点：

· 多臂协同；

· 高精度操作；

· 移动平台；

· 视觉伺服。

1.9 智能机器人技术发展现状（如表1所示）

表1 智能机器人技术发展现状

2 新一代智能机器人的关键技术

（1）传感器技术

传感器技术是机器人智能化的先决条件，机器人利用传感器实现对外部环境以及自身状态的感知与获取，影响机器人的后续的智能决策。

（2）伺服技术

伺服系统是智能机器人的基本运动单元，主要研究伺服电机及驱动器、精密减速器、液压泵、伺服阀、运动控制器技术。

（3）机构技术

机构技术主要研究直角坐标机构、串联机构、并联机构以及机构和仿生机构的构型综合、运动学和动力学等相关内容。多应用于多冗余仿生机械臂技术和协同双臂或者多臂技术。

（4）控制技术

控制技术是在复杂的情况下，将任务规划制定转变成期望的机器人机械运动。运动控制技术一定程度上影响了机器人的运动的精度与可靠性，进而对机器人的任务执行效能产生影响。复杂非结构环境运动控制技术、仿生运动控制技术、机构与运动控制整合技术正快速发展。目前我国重点发展的是自主控制技术。

（5）人机交互技术

稳定、友好的人机交互系统成为机器人不可分离的组成部分。人机交互系统包含的主要元素为：人的因素、交互设备及实现人机对话的软件。目前主要分为：以计算机为核心的人机界面交互技术；脑机远程交互与通讯技术；大量采用虚拟现实交互技术。

（6）网络化技术

网络化技术是实现工业现场的智能机器人以及控制中心的数据链接与交互关键所在，将各机器人互联成为网络，有效地促进智能机器人的分工协作能力，促进生产效率。其中包括：大带宽数据实时交互技术、节点的可扩展性和有线向无线的推广。

3 新一代智能机器人重点研究方向与内容

（1）一体化伺服关节

重点研究方向：

· 高集成度、高负载自重比的一体化力矩型伺服关节结构设计与布局优化设计技术；

· 基于高速串行总线的伺服关节模块化伺服系统设计技术；

· 基于多传感器信息融合的高精度高动态相应伺服关节智能运动控制技术。

应用背景：智能机器人的关节配套、模块化机器人组装。

（2）基于视觉的灵巧型工业机器人

· 重点研究方向：

· 可重构的模块化结构技术；

· 高精度联动差补技术；

· 智能化多轴控制器技术；

· 视觉定位与伺服控制技术。

应用背景：面向劳动密集型行业的柔性制造机器人系统，形成多功能、多类型和系列化的柔性制造机器人集成应用。

（3）柔性轻量机械臂

· 重点研究方向：

· 多冗余机械臂控制技术；

· 多目标结构优化技术；

· 大功率伺服技术；

· 力—位混合控制技术。

应用背景：主要面向柔性装配需求高的场合，定制型产品线，无缝替代单工位。

（4）双臂协同机器人

· 重点研究方向：

· 多冗余机械臂结构设计；

· 多臂协调运动的规划；

· 基于视觉的位姿控制技术；

· 柔性协调控制技术；

· 多传感器融合技术。

应用背景：工业领域主要面向柔性电子装配线，拓展应用至危险环境作业、空间维护、家庭服务、医疗康复等。

4 智能机器人与系统集成的制造模式构想

4.1 面向劳动密集型的柔性生产线（如图1所示）