機(jī)器人仿真及其自動化研究進(jìn)展

柴婷婷，丁言露

CHAI Ting-ting, DING Yan-lu

（中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。機(jī)器人技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，機(jī)器人被發(fā)明以來，經(jīng)歷近些年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高科技的發(fā)展前沿，它在人們的生產(chǎn)、生活應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷增加。

在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人們逐步認(rèn)識到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人的自動化控制同樣需要提高、發(fā)展，利用更先進(jìn)的技術(shù)發(fā)揮機(jī)器人的潛力，實現(xiàn)機(jī)器人自動化作業(yè)，用以替代大部分人們的繁重、復(fù)雜、危險的勞動。

由于機(jī)器人的技術(shù)特點，因此它必將受到各方關(guān)注，在多個領(lǐng)域?qū)@得應(yīng)用，如反恐偵察、森林防火、大壩檢測等民用領(lǐng)域。結(jié)合不同工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點[1]，人們研制了各式各樣的智能機(jī)器人，如移動機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、采掘機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等。機(jī)器人在煤礦自動化中的應(yīng)用，煤炭的地下開采是一種勞動條件相當(dāng)惡劣的生產(chǎn)行業(yè)，其獨特、惡劣的勞動環(huán)境使得工人在工作的過程中面臨著粉塵、煤塵、瓦斯、冒頂、火災(zāi)、水災(zāi)等不安全因素。粉塵、煤塵、瓦斯、冒頂、火災(zāi)、水災(zāi)等不安全因素極大地威脅井下工人的安全，因此在煤炭開采中，迫切需要各種不同用途的機(jī)器人以取代人類從事的各種有毒、有害及危險環(huán)境下的工作。此外，煤炭的開采工藝一般較為復(fù)雜，不過這種復(fù)雜工作很難用一般的自動化機(jī)械完成，如果可以采用自動化的機(jī)器人作業(yè)，并利用相關(guān)原有裝備加裝智能控制單元構(gòu)成的智能采掘設(shè)備是機(jī)器人在煤炭開采中應(yīng)用的理想的方法。在其它工業(yè)中，機(jī)器人自動化的發(fā)展?jié)摿薮螅粌H可以減輕勞動工人的勞動強(qiáng)度、提供更高精度的作業(yè)，同時加快工業(yè)發(fā)展的步伐[3]。

目前國內(nèi)對機(jī)器人仿真的研究基本上還處于探索階段，大部分研究都依附于已有的軟件而進(jìn)行的二次開發(fā)。我國仿真技術(shù)研究起步較晚，但還是取得了一些成果。機(jī)器人仿真研究集中于操作機(jī)實體的三維幾何建模、 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、 動力學(xué)仿真分析， 軌跡和路徑規(guī)劃， 機(jī)器人與工作環(huán)境的相互作用， 離線編程等方面。

服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它可以完成對人們有意義的工作。從20世紀(jì)80年代中期開始，機(jī)器人已從工廠的結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)入人的日常生活環(huán)境—醫(yī)院、辦公室、家庭和其它雜亂及不可控環(huán)境，成為不僅能自主完成工作，而且能與人共同協(xié)作完成任務(wù)或在人的指導(dǎo)下完成任務(wù)的智能服務(wù)機(jī)器人，特別是最近幾年，對會清潔地面、割草或充當(dāng)導(dǎo)游、保姆和警衛(wèi)等自主移動機(jī)器人技術(shù)上的進(jìn)步，大家都有目共睹。針對國內(nèi)外在機(jī)器人及其自動化發(fā)展研究的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)并介紹了機(jī)器人及其自動化的發(fā)展近況，為機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提出了自己的見解，希望對以后的學(xué)者的工作提供一些思路。

1 機(jī)器人的仿真研究

機(jī)器人的仿真開發(fā)以Windows作為平臺，在機(jī)器人的仿真程序設(shè)計、幾何模型建立的過程中，需要采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法。而針對面向?qū)ο蟮脑O(shè)計，就是用面向?qū)ο笥^點建立求解空間。

在仿真模型設(shè)計的過程中，通過面向?qū)ο蟮脑敿?xì)、具體的分析過程得出問題模型，為機(jī)器人的仿真、建立求解空間模型奠定基礎(chǔ)，選用適合于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的Visual C++ 6.0和OpenGL仿真編程開發(fā)工具。Visual C++ 6.0是在Windows95、Windows98、Windows NT平臺上最流行的面向?qū)ο蟮?2位編程語言。Visual C++ 6.0緊密結(jié)合了面向?qū)ο蠓治?OOA) 、面向?qū)ο缶幊?OOP)、面向?qū)ο笤O(shè)計(OOD)的思想，從而為大型的復(fù)雜的面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序開發(fā)，提供了一種比傳統(tǒng)的面向過程的編程方法更加有效的方式。機(jī)器人仿真系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)原理圖

機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機(jī)器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便代替人類完成各種工作。

隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機(jī)器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴(kuò)散和滲透到各個領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器——機(jī)器人化機(jī)器。

目前國內(nèi)外對機(jī)器人及其自動化的研究取得了階段性的成績。例如美國波士頓動力公司最新研究一款獵豹機(jī)器人，它的奔跑速度能超過人類以及終結(jié)者類型的機(jī)器人，最終這款機(jī)器人將服役于美國軍隊。此前波士頓動力公司還設(shè)計了一款“阿特拉斯”機(jī)器人，它具有人體的軀干，兩只手臂和兩條腿，但沒有頭部，能夠行走在崎嶇的地形，在特殊情況下可用手攀爬。

2 機(jī)器人自動化控制系統(tǒng)的特點

機(jī)器人自動化是實現(xiàn)工業(yè)高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，機(jī)器人的發(fā)展是高強(qiáng)度、危險勞動所必須具備的手段，通過現(xiàn)代及將來技術(shù)人員攻克機(jī)器人自動化的發(fā)展瓶頸，開發(fā)出適應(yīng)不同條件下的機(jī)器人，可以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，這需要不斷利用新技術(shù)、新手段完善提高機(jī)器人自動化控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)少人工作、安全生產(chǎn)的目標(biāo)。

機(jī)器人自動化控制系統(tǒng)的特點：

1）機(jī)器人的控制系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)密切相關(guān)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)在各種坐標(biāo)下都可對機(jī)器人手足狀態(tài)進(jìn)行描述，并且可以根據(jù)需要對參考坐標(biāo)系進(jìn)行選擇，對機(jī)器人需要完成的動作做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。

2）一個較簡單的機(jī)器人也需要三到五個自由度，而復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)器人則需要十幾個甚至幾十個自由度，每一個自由度一般都包含一個與之相適應(yīng)、協(xié)調(diào)的伺服機(jī)構(gòu)，組成一個多變量控制系統(tǒng)。

3）機(jī)器人需要完成的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，在這些方式和路徑中需要考慮機(jī)器人動作的“最優(yōu)路徑”的問題，只有找到“最優(yōu)路徑”才可以發(fā)揮機(jī)器人的最大效率，對于高級、復(fù)雜的機(jī)器人則可采用人工智能的方法，利用計算機(jī)建立放大的信息庫，借助計算機(jī)所建立的信息庫進(jìn)行控制決策、管理和操作。

4）由計算機(jī)來實現(xiàn)多個獨立的伺服系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制其按照人的意志行動，甚至賦予機(jī)器人一定智能的任務(wù)。

3 結(jié)論

通過對目前的機(jī)器人及其自動化的發(fā)展、研究現(xiàn)狀分析介紹，我們總結(jié)了未來需要研究的工作，主要包括以下幾個方面：

1）機(jī)器人的制作需要新結(jié)構(gòu)和新材料：現(xiàn)在的機(jī)器人材料滿足不了大部分的高強(qiáng)度的作業(yè)，因此機(jī)器人所需要的制作材料既需要具有良好的柔性、靈活性和可靠性，同時還需要具有一定的強(qiáng)度從而為機(jī)器人作業(yè)提供較大的負(fù)載能力。

2）機(jī)器人自動化控制系統(tǒng)需要發(fā)展現(xiàn)有的傳感器與控制技術(shù)：目前機(jī)器人的控制系統(tǒng)中的傳感器均為間接測量方式，并不能直接反饋機(jī)器人的實際形狀和實際作業(yè)動作，同時傳感器的數(shù)量是有限的，無法直接測量和控制機(jī)器人的所有的自由度，因此這是對新的機(jī)器人自動化控制技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

3）機(jī)器人的最優(yōu)作業(yè)路徑規(guī)劃：機(jī)器人在狹小的空間中的工作環(huán)境和多障礙物的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中工作時，往往需要根據(jù)機(jī)器人及環(huán)境結(jié)構(gòu)的特點采用一種高效的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行實時路徑規(guī)劃。但是，由于復(fù)雜、高級機(jī)器人具有的多自由度的特點，因此在其路徑規(guī)劃過程中可能會存在眾多可選擇路線，對最優(yōu)路線的選擇以及將傳感器與路徑規(guī)劃相融合均需要創(chuàng)新性的解決方案。

4）機(jī)器人控制系統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)：人機(jī)交互技術(shù)是機(jī)器人在運(yùn)動控制過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于機(jī)器人的獨特的結(jié)構(gòu)特點可能會給操作者在作業(yè)中帶來某些錯覺，尤其在執(zhí)行整個機(jī)器人的抓取操作和在多障礙物的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中運(yùn)動時操作難度會比較大，因此需要設(shè)計人機(jī)交互性能友好的操作軟件和硬件，利用大量的自動化技術(shù)以給操作者提供更加人性化的輸入和反饋，減少工作人員對機(jī)器人的直接控制強(qiáng)度。

隨著機(jī)器人研究的不斷深入和發(fā)展，機(jī)器人自動化控制的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄?，?jīng)濟(jì)效益和社會效益也會隨之越來越顯著?，F(xiàn)在應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)器人自動化控制在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用還處于初級發(fā)展階段，需要與之相適應(yīng)的計算機(jī)、機(jī)械行業(yè)的同步發(fā)展，但由于機(jī)器人自動化技術(shù)對于工業(yè)自動化領(lǐng)域的重要性，相信隨著人工智能、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等影響機(jī)器人及其自動化關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，在未來實現(xiàn)工業(yè)無人化生產(chǎn)方面將起著關(guān)鍵性的作用。

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