7.1特種機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

7.2特種機器人的定義與劃分標準

7.3特種機器人應(yīng)用7.1特種機器人的發(fā)展現(xiàn)狀7.1.1全球特種機器人發(fā)展現(xiàn)狀相對于工業(yè)機器人的大規(guī)模應(yīng)用與服務(wù)機器人的熱潮迭起，特種機器人一直都顯得頗為“低調(diào)”。然而出人意料的是，2017年，全球特種機器人市場規(guī)模已達到了56億美元，如圖7-1所示。近年來，全球特種機器人整機性能持續(xù)提升，不斷催生新興市場，引起各國政府高度關(guān)注。其中，美國、日本和歐盟在特種機器人創(chuàng)新和市場推廣方面全球領(lǐng)先。美國提出“機器人發(fā)展路線圖”，計劃將特種機器人列為未來十幾年的重點發(fā)展方向。日本2015年提出“機器人革命”戰(zhàn)略，涵蓋特種機器人、新世紀工業(yè)機器人和服務(wù)機器人三個主要方向，計劃5年內(nèi)實現(xiàn)市場規(guī)模翻番，擴大至12萬億日元，其中特種機器人將是增速最快的領(lǐng)域。歐盟在2014年啟動全球最大民用機器人研發(fā)項目，將啟動“火花”計劃，在未來幾年內(nèi)投入28億歐元，開發(fā)包括特種機器人在內(nèi)的機器人產(chǎn)品并迅速推向市場。2012—2020年全球特種機器人銷售額及增長率如圖7-2所示。目前，特種機器人的發(fā)展有以下特點：(1)技術(shù)進步促進智能水平大幅提升。(2)替代人類在更多特殊環(huán)境中從事危險勞動。(3)救災(zāi)、仿生、載人等領(lǐng)域獲得高度關(guān)注。(4)無人機廣受各路資本追捧。7.1.2我國特種機器人發(fā)展現(xiàn)狀近年來，全球特種機器人整機性能持續(xù)提升，不斷催生新興市場。在政策引導帶動下，我國特種機器人技術(shù)水平不斷進步，各種類型的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，市場蓄勢待發(fā)。在應(yīng)對地震、洪澇災(zāi)害和極端天氣，以及礦難、火災(zāi)、安防等公共安全事件中，對特種機器人有著突出的需求。2016年，我國特種機器人市場規(guī)模達到6.3億美元，增速達到16.7%，略高于全球特種機器人增速。其中，軍事應(yīng)用機器人、極限作業(yè)機器人和應(yīng)急救援機器人市場規(guī)模分別為4.8億美元、1.1億美元和0.4億美元，其中極限作業(yè)機器人是增速最快的領(lǐng)域。隨著我國企業(yè)對安全生產(chǎn)意識的進一步提升，將逐步使用特種機器人替代人在高危場所和復(fù)雜環(huán)境中進行作業(yè)。至2023年，特種機器人的國內(nèi)市場需求有望突破180億人民幣。此外，特種機器人以3D打印、智能機器人為代表的國家產(chǎn)業(yè)政策助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在全國范圍內(nèi)出現(xiàn)爆發(fā)式增長。同時，各地特種機器人產(chǎn)業(yè)基地相繼開工，特別是上海、哈爾濱、重慶等地發(fā)展迅猛，2017年，我國機器人市場結(jié)構(gòu)和2012—2020年我國特種機器人銷售額及增長率如圖7-4和圖7-5所示。我國特種機器人發(fā)展取得的顯著成就如下：(1)國家扶持帶動特種機器人技術(shù)水平不斷進步。我國政府高度重視特種機器人技術(shù)研究與開發(fā)，并通過“863”計劃、特殊服役環(huán)境下作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)主題項目及深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備等重點專項予以支持。目前，在反恐排爆及深海探索領(lǐng)域部分，相關(guān)關(guān)鍵核心技術(shù)已取得突破，例如室內(nèi)定位技術(shù)、高精度定位導航與避障技術(shù)，汽車底盤危險物品快速識別技術(shù)已初步應(yīng)用于反恐排爆機器人。與此同時，我國先后攻克了鈦合金載人艙球殼制造、大深度浮力材料制備、深海推進器等多項核心技術(shù)，使我國在深海核心裝備國產(chǎn)化方面取得了顯著進步。(2)特種無人機、水下機器人等研制水平全球領(lǐng)先。目前，在特種機器人領(lǐng)域，我國已初步形成了特種無人機、水下機器人、搜救/排爆機器人等系列產(chǎn)品，并在一些領(lǐng)域形成優(yōu)勢。7.1.3特種機器人核心技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展，我國機器人技術(shù)在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研制、制造水平等方面均實現(xiàn)了突破與跨越，但與發(fā)達國家的差距仍然存在。我們需要不懈努力、奮起直追，使中國機器人在世界機器人的舞臺上綻放中國制造的魅力。隨著國產(chǎn)工業(yè)機器人應(yīng)用行業(yè)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣，滲透率越來越高，我國在一些關(guān)鍵技術(shù)突破與多元化應(yīng)用方面取得積極進展。目前，我國已將突破機器人關(guān)鍵核心技術(shù)作為科技發(fā)展重要戰(zhàn)略。在特種機器人方面，政策引導帶動特種機器人技術(shù)水平不斷進步，我國已初步形成了特種無人機、水下機器人、搜救／排爆機器人等系列產(chǎn)品，并在一些領(lǐng)域形成優(yōu)勢。7.2特種機器人的定義與劃分標準7.2.1特種機器人的定義根據(jù)GB/T36239—2018規(guī)定，特種機器人(SpecialRobot；ProfessionalServiceRobot)是應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，一般由經(jīng)過專門培訓的人員操作或使用的，輔助和/或代替人執(zhí)行任務(wù)的機器人。注：特種機器人指除工業(yè)機器人、公共服務(wù)機器人和個人服務(wù)機器人以外的機器人，一般專指專業(yè)服務(wù)機器人。7.2.2特種機器人的劃分標準特種機器人主要根據(jù)其所應(yīng)用的主要行業(yè)、使用空間、運動方式、功能進行分類。1.按行業(yè)分類根據(jù)特種機器人所應(yīng)用的主要行業(yè)，可將特種機器人分為：農(nóng)業(yè)機器人、電力機器人、建筑機器人、物流機器人、醫(yī)用機器人、護理機器人、康復(fù)機器人、安防與救援機器人、軍用機器人、核工業(yè)機器人、礦業(yè)機器人、石油化工機器人、市政工程機器人和其他行業(yè)機器人。1)農(nóng)業(yè)機器人農(nóng)業(yè)機器人是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機器人的總稱。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人正在發(fā)揮越來越大的作用，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動方式，提高了農(nóng)民的勞動力，促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。2)電力機器人電力機器人主要包括發(fā)電領(lǐng)域機器人、輸電領(lǐng)域機器人、變電領(lǐng)域機器人、配電領(lǐng)域機器人、用電領(lǐng)域機器人等。圖7-8是一款電力巡檢機器人，該機器人是以智慧變電站設(shè)計要求，完成相關(guān)設(shè)備全面巡檢的智能化監(jiān)測裝置。電力巡檢機器人具備自主導航、定位、充電、巡檢等功能，應(yīng)用紅外熱成像和高清視頻雙視結(jié)合技術(shù)，能夠精準識別各類儀表讀數(shù)及設(shè)備的電流、電壓致熱現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，提高巡視效率，真正實現(xiàn)機器人在多種復(fù)雜環(huán)境中的智能巡檢。3)建筑機器人建筑機器人是應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的機器人的總稱，包括房屋建筑機器人、土木工程建筑機器人、建筑安裝機器人、建筑裝飾機器人等。隨著全球建筑行業(yè)的快速發(fā)展和勞動力成本的上升，建筑機器人迎來了發(fā)展機遇。圖7-9所示是一款地坪研磨機器人，主要用于去除混凝土表面浮漿，可有效解決現(xiàn)有的作業(yè)模式研磨揚塵大、施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣、勞動強度高、質(zhì)量和效率低下、研磨作業(yè)完成后還需要人工清掃灰塵等痛點問題，整體工效約為人工作業(yè)的2倍。4)物流機器人物流機器人主要包括倉儲機器人、分揀機器人、運輸機器人、派送機器人等。目前，隨著工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)升級對國內(nèi)制造及物流場景的快速應(yīng)變能力的要求不斷提高，AMR作為高度自動化的柔性設(shè)備，將會是未來產(chǎn)業(yè)升級自動化的大方向。AMR機器人將會是企業(yè)打造智慧工廠、智慧物流必不可少的一部分。凱樂士在移動機器人領(lǐng)域深耕多年，先后推出多款適應(yīng)多場景的移動機器人。基于模塊化設(shè)計和高標準測試，凱樂士的AMR機器人穩(wěn)定性更強，更能適應(yīng)多變的環(huán)境。凱樂士掌握核心控制技術(shù)，自主研發(fā)了視覺SLAM及激光導航等技術(shù)，定位及導航精度行業(yè)領(lǐng)先。配合避障等算法技術(shù)，凱樂士的AMR設(shè)備具備環(huán)境感知能力，在智能化上領(lǐng)先于同行，在落地應(yīng)用上更具優(yōu)勢。AMR搬運機器人如圖7-10所示。5)醫(yī)用機器人醫(yī)用機器人是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機器人，是一種智能型服務(wù)機器人，它能獨自編制操作計劃，依據(jù)實際情況確定動作程序，然后把動作變?yōu)椴僮鳈C構(gòu)的運動。醫(yī)用機器人種類很多，按照不同用途，有臨床醫(yī)療用機器人、護理機器人、醫(yī)用教學機器人和為殘疾人服務(wù)的機器人等。圖7-11所示為一款可穿戴外骨骼機器人，它不僅能預(yù)防老年人意外摔倒，還可以幫助殘疾人進行康復(fù)訓練。6)安防與救援機器人安防與救援機器人主要包括安保機器人、警用機器人、消防機器人、救援機器人等。圖7-12所示為一款RXR-M80DTG61通用型履帶式消防滅火機器人，主要由控制箱(遙控器)、機器人底盤、車載大流量多功能水炮、車載氣體檢測、車載視頻采集設(shè)備、環(huán)境偵測設(shè)備、聲光報警警示及自保設(shè)備等組成。該消防機器人適用于部分火災(zāi)現(xiàn)場的火勢控制、洗消、降溫、環(huán)境信息采集等，同時具有防爆、越障能力強、拖拽能力強的特點。7)軍用機器人軍用機器人(MilitaryRobot)是一種用于軍事領(lǐng)域(偵察、監(jiān)視、排爆、攻擊、救援、清理等)的具有某種仿人功能的自動機器人。近年來，各國都已經(jīng)研制出第二代軍用智能機器人，其特點是采用自主控制技術(shù)，能夠完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，具有看、嗅和觸摸能力，能夠?qū)崿F(xiàn)地形跟蹤和道路選擇，并具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。MAARS(模塊化的先進武裝機器人系統(tǒng))在它的小型框架中配備了強大的火力。它的模塊化設(shè)計允許它的控制器裝備各種武器，例如非致命的激光(用來迷惑敵人)、催淚瓦斯，甚至是榴彈發(fā)射器，如圖7-13所示。8)核工業(yè)機器人核工業(yè)機器人主要包括核軍工作業(yè)機器人、核動力廠運維機器人、核技術(shù)應(yīng)用作業(yè)機器人、核設(shè)施應(yīng)急作業(yè)機器人、核設(shè)施退役機器人。近年來，我國核工業(yè)機器人研發(fā)及應(yīng)用取得了不凡的成果。中核集團承擔了國家“863”等重大科研項目，實現(xiàn)了各種核電關(guān)鍵設(shè)備檢修機器人的工程應(yīng)用，正在開展研制全新一代的高可靠性、高耐輻射性，且具備一定人工智能的檢修機器人；開展了核燃料、核應(yīng)急機器人以及強輻射環(huán)境下應(yīng)急處置機器人的系列研究工作，如“靈蜥”機器人、爬行檢測機器人、應(yīng)急處置機器人等等，并已應(yīng)用到工程實踐。9)礦業(yè)機器人礦業(yè)機器人主要包括礦產(chǎn)勘探機器人、礦業(yè)開采機器人、礦物運輸機器人、礦物分選機器人、礦山救災(zāi)機器人等。中國礦業(yè)大學是國內(nèi)率先開展煤礦救援機器人研發(fā)的單位，經(jīng)過十多年的努力，研發(fā)了多種類型的CUMT系列煤礦救援機器人。其中CUMT-V(A)型煤礦救援機器人于2016年在山西大同塔山煤礦進行了現(xiàn)場示范應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果，為煤礦救援機器人的研發(fā)應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。圖7-15所示為在CUMTV(A)型煤礦救援機器人的基礎(chǔ)上研發(fā)的CUMT-V(B)型機器人。10)石油化工機器人石油化工機器人主要包括石化勘探機器人、石化開采機器人、石化輸送機器人、石化加工機器人、石化儲存和罐裝機器人等，其他的機器人機制還有監(jiān)測石油平臺的機器人狗，以及檢查管道泄漏的陸上無人機。無人機可代替工作人員進入高溫、易燃、高空等危險區(qū)域作業(yè)，保障人員安全；結(jié)合多角度可見光、熱成像和氣體探測儀對設(shè)備進行檢測診斷，信息全面精準；免停工巡檢大大提高生產(chǎn)效率；無人機管線巡檢與場地勘測已實現(xiàn)高度自動化，與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比效率大幅提升，硬件可靠，數(shù)據(jù)安全。11)市政工程機器人市政工程機器人主要包括設(shè)備安裝機器人、施工檢測機器人、設(shè)施設(shè)備維保機器人、管道機器人等。市政工程中常采用管道機器人，管道機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。12)其他行業(yè)機器人該類機器人指應(yīng)用于上述行業(yè)領(lǐng)域以外的特種機器人。2.按使用空間分類根據(jù)特種機器人使用的空間，可將特種機器人分為：地面機器人、地下機器人、水面機器人、水下機器人、空中機器人、空間機器人和其他機器人。1)地面機器人地面機器人主要指在地面上使用的特種機器人，主要包括地面作業(yè)機器人、山地作業(yè)機器人、極地作業(yè)機器人、纜索作業(yè)機器人、爬壁作業(yè)機器人、灘涂作業(yè)機器人、無人巡檢車、防爆機器人等。圖7-18所示為國辰機器人設(shè)計的室外巡檢機器人。用于地面活動的特種機器人有無人巡檢車、防爆機器人等。2)地下機器人地下機器人主要包括井道作業(yè)機器人、管道作業(yè)機器人、巷道作業(yè)機器人等。管道機器人是一種可沿細小管道內(nèi)部或外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。石油天然氣管道需要定期進行內(nèi)部的清理、保養(yǎng)，否則一旦發(fā)生泄漏，后果不堪設(shè)想。但油氣管道長達幾千公里，清理、保養(yǎng)非常困難。管道作業(yè)機器人游走于油氣管道內(nèi)部，通過磁感應(yīng)傳感器收集數(shù)據(jù)，通過對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，可以判斷管道是否需要維護、更換，并可以對管道進行清理、保養(yǎng)。3)水面機器人水面機器人主要包括水面無人艇、海洋救助機器人等。水面無人艇是一種無人操作的水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)，一旦配備先進的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如偵察、搜索、探測和排雷，搜救、導航和水文地理勘察，反潛作戰(zhàn)、反特種作戰(zhàn)以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等。在水面無人艇研發(fā)和使用領(lǐng)域，美國和以色列一直處于領(lǐng)先地位。各國都競相研制無人艇，國內(nèi)比較知名的單位包括海蘭信、哈爾濱工程大學、中船重工701所、中船重工707所、中科院沈陽自動化所、北京方位智能系統(tǒng)技術(shù)有限公司等，無人艇家族正在日益壯大。圖7-20所示為法國ECAUSVinspector無人艇，可以完成多種不同的任務(wù)：水文及海洋數(shù)據(jù)獲取、港口安全、水下目標或障礙物檢測及分類、潛水水下作業(yè)平臺等。ECAUSVinspector無人艇長7~8.5米，速度可達35節(jié)，遙控距離達10海里。4)水下機器人水下機器人也稱無人遙控潛水器，是一種工作于水下的極限作業(yè)機器人。水下環(huán)境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。水下機器人主要包括潛水機器人、水下滑翔機器人、水底作業(yè)機器人等。作為我國“863”計劃重大專項，由中國船舶重工集團公司702研究所研制成功的7000米潛水器如圖7-21所示，該潛水器由特殊的鈦合金材料制成，在7000米的深海能承受710噸的重壓，運用了當前世界上最先進的高新技術(shù)，實現(xiàn)載體性能和作業(yè)要求的一體化；與世界現(xiàn)有的載人深潛器相比，具有7000米的最大工作深度和懸停定位能力，可達世界99.8%的洋底。5)空中機器人空中機器人主要包括飛行機器人、浮空作業(yè)機器人等。空中機器人是一項系統(tǒng)工程，涉及航空理論、計算機、控制、電子、機械、材料和系統(tǒng)工程等多個學科。在具體問題中，又涉及飛行器的設(shè)計與制作、控制系統(tǒng)和算法的設(shè)計、傳感器應(yīng)用與融合、導航制導、數(shù)據(jù)通信、圖像識別和信號處理等多方面的知識。圖7-22所示為美國全球鷹無人機，它是一種高空高速長航時無人偵察機，主要用于低、中強度沖突中實施大范圍的連續(xù)偵察與監(jiān)視，機身上方有一臺渦扇發(fā)動機，最大飛行速度為740km/h，巡航速度為365km/h，航程可達26000km，續(xù)航時間為42h，可以從美國本土起飛到達全球任何地點進行偵察，或者在距基地5500km的目標上空連續(xù)偵察監(jiān)視24h，然后返回基地。6)空間機器人空間機器人(SpaceRobots)是用于代替人類在太空中進行科學試驗、出艙操作、空間探測等活動的特種機器人。空間機器人主要包括空間艙內(nèi)機器人、空間艙外機器人、星球探測機器人及空間飛行機器人等?？臻g機器人代替宇航員出艙活動可以大幅度降低風險和成本?？臻g機器人是在空間環(huán)境中活動的，空間環(huán)境和地面環(huán)境差別很大，空間機器人工作在微重力、高真空、超低溫、強輻射、照明差的環(huán)境中，因此，空間機器人與地面機器人的要求也必然不相同，有它自身的特點。首先，空間機器人的體積比較小，重量比較輕，抗干擾能力比較強。其次，空間機器人的智能程度比較高，功能比較全。空間機器人消耗的能量要盡可能小，工作壽命要盡可能長，而且由于工作在太空這一特殊的環(huán)境之下，因此對它的可靠性要求也比較高。此外，空間機器人是在一個不斷變化的三維環(huán)境中運動并自主導航?？臻g機器人主要從事空間站的建造、航天器的維護和修理、空間生產(chǎn)和科學實驗、星球探測等工作。圖7-23所示為美國的“好奇”號火星車。7)其他機器人該類機器人指在兩種(含)以上作業(yè)空間使用的機器人，如兩棲、三棲機器人等。3.按運動方式分類特種機器人可按機器人的運動方式分為輪式機器人、履帶式機器人、足腿式機器人、蠕動式機器人、飛行式機器人、潛游式機器人、固定式機器人、噴射式機器人、穿戴式機器人、復(fù)合式機器人、其他運動方式機器人。1)輪式機器人輪式機器人是指用輪子實現(xiàn)移動的移動機器人。迄今為止，輪子是移動機器人和人造交通車輛中最流行的運動機構(gòu)，其效率高，制作簡單。因此在各種移動機構(gòu)中，輪式移動機構(gòu)最為常見，且其移動速度和移動方向易于控制。圖7-24所示是一采用四個瑞典輪的輪式機器人。2)履帶式機器人履帶式機器人主要指搭載履帶底盤機構(gòu)，利用履帶實現(xiàn)移動的移動機器人。履帶移動機器人具有牽引力大、不易打滑、越野性能好等優(yōu)點，可以搭載攝像頭、探測器等設(shè)備代替人類從事一些危險工作(如排爆、化學探測等)，減少不必要的人員傷亡。當前履帶式機器人主要包括：軍用機器人，例如排爆機器人、反恐機器人等；民用機器人，例如消防機器人、救援機器人、巡邏機器人等。圖7-25所示是一款履帶式滅火消防機器人。3)足腿式機器人足腿式機器人是指利用一條或更多條腿實現(xiàn)移動的移動機器人。履帶式移動機構(gòu)雖可以在高低不平的地面上運動，但是適應(yīng)性不強，行走時晃動較大，在軟地面上行駛時效率低。根據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不適合傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走。但是一般的多足動物卻能在這些地方行動自如，顯然足腿式機器人在這樣的環(huán)境下有獨特的優(yōu)勢。腿足式移動機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，腿足式運動方式的立足點是離散的點，可以在地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶式移動機構(gòu)必須面臨最壞的地形上的幾乎所有的點。腿足式機器人的運動方式還具有主動隔振能力，即使地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩(wěn)。腿足式機器人在不平地面或松軟地面上的運動速度較高，能耗較少?，F(xiàn)有的腿足式移動機器人的足數(shù)分別為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目越多，越適合于重載和慢速運動。實際應(yīng)用中，由于雙足和四足具有相對好的適應(yīng)性和靈活性，也最接近人類和動物，所以用得最多。圖7-26所示為波士頓動力公司開發(fā)的spot足腿式機器人。4)蠕動式機器人蠕動式機器人即利用自身蠕動實現(xiàn)移動的移動機器人。圖7-27所示為以色列班古里昂大學的研究人員研制出的蠕動機器人，即機器人SAW(單驅(qū)動波浪前行的機器人)。SAW是3D打印出的仿生機器人，也是世界上首臺利用單驅(qū)動產(chǎn)生持續(xù)波浪因此得以行動的機器人。。5)飛行式機器人飛行式機器人是指利用自身的飛行裝置飛行移動的移動機器人，例如旗艦航拍機DJIMavic3，如圖7-28所示。6)潛游式機器人潛游式機器人是指利用下潛、游動裝置實現(xiàn)下潛游動的移動機器人，主要用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務(wù)。圖7-29所示為“海斗一號”潛水器，“海斗一號”是由中華人民共和國科技部“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項支持，沈陽自動化所聯(lián)合國內(nèi)十余家科研單位共同研制的中國首臺作業(yè)型全海深自主遙控潛水器?！昂６芬惶枴痹谥袊鴩鴥?nèi)首次采用全海深高精度聲學定位技術(shù)和機載多傳感器信息融合技術(shù)，搭載的具有完全中國自主知識產(chǎn)權(quán)的七功能全海深電動機械手，能完成深淵海底樣品抓取、沉積物取樣、標志物布放、水樣采集等科考作業(yè)。該潛水器同時搭載高清攝像系統(tǒng)，可獲取不同作業(yè)點的深淵海底地質(zhì)環(huán)境、深淵底棲生物運動、海溝典型地質(zhì)環(huán)境變化等影像資料。7)固定式機器人固定式機器人(半移動式機器人)是指固定在一定區(qū)域內(nèi)無法自主移動作業(yè)的機器人，機器人整體固定在某個位置，只有部分可以運動，例如固定式值守機器人，如圖7-30所示。1978年，美國Unimation公司推出和人的手臂類似的PUMA系列通用工業(yè)機器人,PUMA560是具備近似人類某些生物器官的功能，用以完成操作或移動任務(wù)，由程序控制的機械電子自動裝置，這標志著工業(yè)機器人技術(shù)日益成熟。PUMA560是一款固定式機器人，其基座與立柱結(jié)構(gòu)如圖7-31所示。8)噴射式機器人噴射式機器人是指通過噴射物質(zhì)產(chǎn)生的反作用力來提供運動能力的機器人。9)穿戴式機器人穿戴式機器人的運動形式是適應(yīng)人體運動的主被動運動方式，該類機器人是可裝備于人身的智能機器設(shè)備，是協(xié)助人可以做各種拓展功能的機器設(shè)備。比如機械外骨骼，是一種由鋼鐵的框架構(gòu)成并且可讓人穿上的機器裝置，這個裝備可以提供額外能量來供四肢運動。隨著外骨骼裝備的不斷發(fā)展完善，及其與數(shù)字化單兵系統(tǒng)在更大范圍、更深層次的融合，未來的陸軍單兵和戰(zhàn)斗班組將像“鋼鐵俠”一樣，以小目標、高機動、超靈活、全信息、強火力，以及形散神聚的優(yōu)勢，使步兵的作戰(zhàn)與保障效能大幅提升。外骨骼裝備作為可以提高士兵戰(zhàn)場生存率的一種技術(shù)，或許因為它的出現(xiàn)，未來的戰(zhàn)爭形式將發(fā)生重要變化。外骨骼技術(shù)在國際上發(fā)展迅速。作為未來步兵的必備科技裝備，各國都在競相研發(fā)外骨骼技術(shù)，并大力促成其與數(shù)字化單兵系統(tǒng)相融合，通過提高單兵作戰(zhàn)能力使整個部隊的戰(zhàn)斗力再上一個臺階。在未來的單兵作戰(zhàn)領(lǐng)域，外骨骼裝備發(fā)展最成熟并且最大范圍列裝軍隊的國家可能會占據(jù)較大的優(yōu)勢。10)復(fù)合式機器人復(fù)合式機器人是指同時具備兩種及以上運動方式的機器人。11)其他運動方式機器人該類機器人是指利用其他方式運動的機器人。4.按功能分類特種機器人的功能分類與行業(yè)相關(guān)，常見的功能主要包括采掘、安裝、檢測、維護、維修、巡檢、偵察、排爆、搜救、輸送、診斷、治療、康復(fù)、清潔等。7.3特種機器人應(yīng)用地面移動機器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運動的物體。地面移動機器人的研究最早可追溯到20世紀50年代初，美國BarrettElectronics公司研究開發(fā)出世界第一臺自動引導車輛系統(tǒng)。由于當時電子領(lǐng)域尚處于晶體管時代，因此該車功能有限，僅能在特定小范圍運動，目的是提高運輸自動化水平。到了20世紀六七十年代，美國仙童公司研制出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了20世紀80年代，國外掀起了智能機器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價值的移動機器人受到西方各國的普遍關(guān)注。在移動機器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個機器人大國，一個是日本，另一個是美國。時至今日，各種類型的地面移動機器人紛紛被研制出來，其應(yīng)用從民用、工業(yè)用到警用、軍用都有涉及。7.3.1地面移動機器人的概念、結(jié)構(gòu)形式針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的操作需要，移動機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也大相徑庭，但基本上可以分為輪式、履帶式、仿生足式和蠕動爬行式幾種結(jié)構(gòu)形式，如圖7-33所示。輪式地面移動機器人的車輪形狀或者結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運行的車輛多采用實心輪胎，車輪形狀如圖7-34所示。履帶機構(gòu)的常見形狀如圖7-35所示。根據(jù)實際使用場合的要求，履帶也有采取其他形狀的，如形狀可變履帶。所謂形狀可變履帶，是指該機器人所用履帶的構(gòu)形可以根據(jù)地形條件和作業(yè)要求進行適當變化，如圖7-36所示。7.3.2地面移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)地面移動機器人系統(tǒng)一般包括機構(gòu)環(huán)節(jié)、驅(qū)動控制環(huán)節(jié)、全局反饋環(huán)節(jié)。離線驅(qū)動控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、運動學動力學理論等已成為地面移動機器人系統(tǒng)的研究熱點。1.離線驅(qū)動控制實現(xiàn)離線驅(qū)動控制存在兩個關(guān)鍵問題。(1)研制功重比高的動力源；(2)研制小型大功率、集成化的新型電機驅(qū)動控制單元。在解決動力源方面，研究人員一般采用聚合物鋰離子動力電池，并取得了一定成效。在驅(qū)動控制單元方面，隨著DSP技術(shù)以及SOC(SystemonChip)和SIP(SysteminPackage)的發(fā)展，將復(fù)雜的機器人運動控制算法與單電機控制算法融為一體，將多個驅(qū)動芯片掛靠在同一控制微處理器上，同時將多個這樣的單元以總線的形式互連，從而構(gòu)成集成化的控制系統(tǒng)，是研究中采用的主要思路。2.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合實際上是對人腦綜合處理復(fù)雜問題的一種功能模擬。與單傳感器相比，運用多傳感器信息融合技術(shù)在解決探測、跟蹤和目標識別等問題方面，能夠增強系統(tǒng)生存能力，提高整個系統(tǒng)的可靠性和健壯性，增強數(shù)據(jù)的可信度，提高精度，擴展系統(tǒng)的時間、空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的實時性和信息利用率等。作為多傳感器融合的研究熱點之一，融合方法一直受到人們的重視，這方面國外已經(jīng)作了大量的研究，并且提出了許多融合方法。目前，多傳感器數(shù)據(jù)融合的常用方法大致可分為兩大類：隨機和人工智能方法。信息融合的不同層次對應(yīng)不同的算法，包括加權(quán)平均融合、卡爾曼濾波法、Bayes估計、統(tǒng)計決策理論、概率論方法、模糊邏輯推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、D-S證據(jù)理論等。3.運動學動力學理論目前制約足式移動機器人廣泛應(yīng)用的主要問題是其穩(wěn)定性。作為一種步行機械，足式移動機器人不僅是多鏈結(jié)構(gòu)，而且具有時變的運動拓撲，此外還是冗余驅(qū)動系統(tǒng)，其運動學及動力學比起工業(yè)上的固定基座式機器人要復(fù)雜得多。迄今為止仍然缺乏足式移動機器人爬行運動學的系統(tǒng)研究，特別是很少有將該機器人視為一個整體運動鏈的正運動學研究成果發(fā)表。該機器人在進行快速移動、慢速移動、停止、轉(zhuǎn)彎等一系列姿態(tài)變換過程中，對其平穩(wěn)性及運動的連續(xù)性要求是很高的，必須時刻保持最佳的運動姿態(tài)。因此利用并串聯(lián)機器人技術(shù)的研究來達到多種運動姿態(tài)的實現(xiàn)和調(diào)整，就成為足式移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。7.3.3地面移動機器人實例1.地面?zhèn)刹鞕C器人地面?zhèn)刹鞕C器人是軍用機器人中發(fā)展最早，應(yīng)用最為廣泛的一類機器人，也是從軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)到警用領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的類型。這類機器人往往被要求工作在諸如丘陵、山地、叢林等地形的野外環(huán)境中，所以必須具有比較強的地形適應(yīng)能力及通過能力。Packbot機器人由美國著名的軍用及特種機器人公司IRobot開發(fā)，是一種輕型地面?zhèn)刹鞕C器人。Packbot的意思是背包機器人，其大小跟一只鞋盒差不多，高度不足20cm，自身質(zhì)量為18kg，如圖7-37所示。Packbot的可變形履帶結(jié)構(gòu)及模塊化的設(shè)計都成為了移動機器人設(shè)計中的經(jīng)典，很多國內(nèi)外研究單位和公司都參照Packbot的樣式開發(fā)了許多類似的機器人。Packbot機器人目前有3種型號：偵察型、探險型和處理爆炸裝置型，如圖7-38所示。IRobot公司及DARPA在Packbot成功的基礎(chǔ)上又開始了下一代SUGV(Small

Unmanned

GroundVehicle)的研究，如圖7-39所示。這種新型機器人更加小型化，具有更輕的重量，但是保持了原有的機動性和通過能力。2.布控式地面?zhèn)刹鞕C器人典型的布控式地面?zhèn)刹鞕C器人是“龍行者”(DragonRunner)，如圖7-40所示，它是一種微小型四輪地面?zhèn)刹鞕C器人，由美國賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內(nèi)基·梅隆大學機器人技術(shù)研究所聯(lián)合美國福吉尼亞海軍研究實驗室共同研制。它實際上是一種新型的便攜式地面?zhèn)鞲衅鳎ㄟ^建立偵察、監(jiān)測、搜索及目標信息獲取的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以為特種單兵等提供視野之外的戰(zhàn)場情況信息，協(xié)助單兵執(zhí)行危險的軍事行動或者充當崗哨監(jiān)聽系統(tǒng)。尤其在城市戰(zhàn)中，士兵可以事先拋擲這種機器人到窗外、樓梯上或者墻后、街道拐角處等可能有敵人隱蔽埋伏的潛在危險場所，偵察搜集現(xiàn)場信息，從而實施精確打擊，減少傷亡。3.安檢機器人隨著國際恐怖活動的日益加劇和局部戰(zhàn)爭的不斷爆發(fā)，世界各國都加大了反恐力度。在這種形勢下，針對反恐及戰(zhàn)場需求的危險品檢查機器人成為許多國家，特別是西方發(fā)達國家研究的重點之一。綜合排爆、偵察、檢測等功能，機器人安全檢測系統(tǒng)在各種軍事基地、軍需倉庫、機場、公交、港口及大型活動場所中得以大顯身手。4.地面武裝偵察車輛徘徊者(Prowler)是美國機器人防務(wù)系統(tǒng)公司設(shè)計的得到美國陸軍認可的首輛“真正”的軍用機器人車。Prowler是英文Programmablerobotobserverwithlogicalenemyresponse的縮略語，意即具有邏輯敵方響應(yīng)能力的可編程機器人觀察車。該車作為一種全地形輪式車輛，主要用于執(zhí)行重要區(qū)域邊界上的巡邏任務(wù)，如圖7-43所示。該機器人采用一種(6×6)輪式全地形車輛，采用柴油機作為動力，裝在車輛后部，能在最高速度27km/h的情況下載重907kg。它采用低壓輪胎，具有輪式車輛的優(yōu)點，車速高，造價低，且故障較少，6個車輪均采用液壓閉鎖裝置和剎車防滑系統(tǒng)，行程為250km。5.排爆機器人在西方國家，恐怖活動始終是個令當局頭疼的問題，國外工業(yè)發(fā)達國家為了維護社會穩(wěn)定和政治需求，對反恐防暴技術(shù)和裝備的研發(fā)給予了極大的重視和較多的投入。目前，排爆機器人移動載體主要有履帶式、輪式以及兩者的組合等幾種方式。1)MR-5型排爆機器人MR-5為一款新一代排爆機器人(簡稱EODR)，具有卓越的靈巧性與敏捷性，可以用于監(jiān)測、勘察、處理危險品(如土制爆炸品、危險化學品、放射性物質(zhì)等)。警隊、軍隊、緊急救援隊伍、消防隊及其他從事危險性工作的工作人員都可以使用多功能的MR-5。MR-5型排爆機器人如圖7-44所示。2)Andros排爆機器人美國Remotec公司的Andros系列機器人受到各國軍警部門的歡迎，白宮及國會大廈的警察局都購買了這種機器人。在南非總統(tǒng)選舉之前，警方購買了四臺AndrosVIA型機器人，它們在選舉過程中總共執(zhí)行了100多次任務(wù)。Andros機器人可用于小型隨機爆炸物的處理，它是美國空軍客機及客車上唯一使用的機器人。海灣戰(zhàn)爭后，美國海軍也曾用這種機器人在沙特阿拉伯和科威特的空軍基地清理地雷及未爆炸的彈藥。美國空軍還派出5臺Andros機器人前往科索沃，用于爆炸物及炮彈的清理?？哲娒總€現(xiàn)役排爆小隊及航空救援中心都裝備有一臺AndrosVI，Andros排爆機器人如圖7-45所示。3)