快递分拣机器人分解图，工程机器人技术的发展与应用

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早正在1989年，工业机器人的开拓者JoeEngelberger便猜测：将来机器人最大批的应用领域黑白工业范畴。这个猜测精确天反应了机器人的开展标的目的，颠末几十年技巧的不休开展，机器人正在从车间走向田野跟效劳场合。工程机器人就是此中的一个紧张分支。

跟着科学技术程度的进步跟世界经济的快捷开展，工程机器人愈来愈普遍地被使用到许多行业傍边，特别是正在高危、卑劣情况和单调、沉重的功课范畴，对工程机器人的需要加倍火急。因此，工程机器人的开辟与使用，惹起了世界列国的高度重视，产物发展前景非常广漠。

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1工程机器人的界说与分类

工程机器人是一种面向下危及特别情况下依赖自身能源跟控制能力去停止工程施工功课的遥操纵多枢纽机械手或多自由度机器人。它既存在工程机械的大功率、多功能、适用范围广的优点，又存在机器人的灵巧挪动、情况感知、智能辨认等各类功用。

工程机器人是机器人家族中的新成员。与工业机器人正在流动情况下根据事先体例的程序运行分歧，工程机器人次要正在非布局情况下事情，靠接管人类批示，或根据以人工智能技巧拟定的准则纲要行为。是以工程机器人更强调感知、思维跟庞大行为的才能，比普通意思上的工业机器人须要更大的灵活性、机动性，存在更强的感知才能、决议计划才能、反映才能和行为才能。工程机器人从表面上也远远脱离了最初工业机器人所存在的外形。工程机器人融会了更多学科的常识，如机构学、控制工程、计算机科学、人工智能、微电子学、光学、传感技巧、材料科学、仿生学等。

工程机器人依据应用领域可以分为：农林业工程机器人、工业工程机器人、建筑工程机器人、矿业工程机器人、核工业工程机器人、抢险救济工程机器人、军事工程机器人等；按功课方法可以分为：破拆机器人、搬运机器人、抓取装卸机器人、探测机器人等。

2工程机器人的根本布局与事情特性

工程机器人的基本特征是液压驱动、遥操纵、挪动功课，存在大功率功课、宽规模功课、多功能功课跟智能功课的特色。

工程机器人的根本组成包罗：控制系统、驱动安装、执行机构跟感知体系构成，如图1所示。

图1工程机械人的根本组成

驱动体系：工程机器人大多采取液压驱动，其特色是：驱动功率年夜，功率密度下，容易实现年夜规模无级调速和力节制，防过载机能好。因为液压驱动可以实现间接驱动，省去工业机器人的减速机减伺服电机的传动机构，使得驱动体系简略，结构紧凑。跟着液压伺服控制技术不休进步和数值液压技巧的开展，液压驱动将更能代表机器人的节能化、轻量化、松散化跟智能化的开展标的目的。

履行体系：与工业机器人比拟，工程机器人履行体系次要增长了行走体系。特别是正在分歧情况下利用，要求工程机器人具有齐地形行走功用。图2所示vcb为一种典范工程机器人——破拆机器人的执行机构。

图2破拆机器人典范的执行机构

这类典范的执行机构由手部、腕部、小臂、腰部、足部等构成。此中手部为末尾执行器，如夹持对象之类的属具。可以改换分歧的属具，如液压剪、液压锤、液压抓斗等，以实现分歧的功课才能。腕部平常存在3自由度，实现手部举措，是执行机构最庞大的部门。臂部用于毗邻腰部跟腕部，动员腕部做立体运动。腰部用来毗邻臂部与基座，做反转展转运动，是执行机构的关键部件。足部包罗行走体系跟功课时用于支持机体的支腿。

控制系统：工程机器人的控制系统普通比较复杂，波及到行走、避障、无效功课等方面，要求控制系统存在较强的推理跟思维能力，及时相应才能强，顺应非结构性情况才能强。控制系统是机器人体系功用实现的焦点，若是把机器人机器布局比作人的骨豁跟肌肉的话，机器人控制系统便相当于人的神经系统。机器人要实现自身的运动、对情况的感知和与外界的交互等功用，皆须要控制系统对各机器部件和传感器单位停止调和跟节制。

感知体系：工程机器人的感知才能是将来工程机器人智能化的研讨重点之一。机器人传感器正在机器人的节制中起了十分紧张的作用，机器人传感器分为外部传感器跟内部传感器2大类。外部传感器次要有地位传感器、速率传感器、力传感器、温度传感器、均衡传感器。外部传感器用丈量到的角度、角速度、力等检测机器人的外部形态，相识机器人各执行机构的地位跟姿态、运动速率等，以调剂跟节制机器人的自身行为。内部传感器次要有视觉传感器、触觉传感器、听觉传感器、冷觉传感器、病觉传感器、味觉传感器、嗅觉传感器等。内部传感器用来检测机器人所处情况、内部物体的形态或机器人与内部物体的关联。

工程机器人研讨的近况评释，因为遭到机构、节制、传感器和人工智能程度的限定，研讨出能正在未知情况中全自立方法事情的机器人是现阶段难以实现的方针。是以，现阶段正在核工业、抢险救灾等高危、卑劣的情况中被广泛应用的是遥操纵机器人。遥操纵机器人次要分为视觉临场感遥操纵机器人、力觉临场感遥操纵机器人、触觉临场感遥操纵机器人及运动觉临场感遥操纵机器人等。基于临场感的遥操纵机器人体系原理如图3所示，它由操作者、主机器人、通信环节、从机器人跟功课情况5部门组成。正在临场感体系事情进程中，由操作者向主机器人收回操作命令操纵主机器人运动，主机器人的运动信息经由过程通信环节传给远方的从机器人，从而节制从机器人的运动；当从机器人同情况交互时，从机器人的运动信息又经由过程通信环节反应给本田主机器人，使操作者关于现场功课环境有了无效的感知，从而可能实时做出精确断定，收回响应的操作命令，节制远方从机器人精确、高效天实现功课使命。现阶段，基于视觉临场感的工程机器人遥操作控制次要是用摄像机获得现场的视频图象并回传到主控端，操纵者经由过程监视器去实现对工程机器人的操纵使命。

图3基于临场感的遥控操纵机器人体系原理框图

此中，通信环节作为临场感体系的数据交换跟毗邻环节，是节制量信息、传感器信息及视频、图象信息的传输通道，是临场感体系停止靠得住事情的基本保障。

3工程机器人国内外开展表面

正在外洋，早正在20世纪70年月西欧、日本等国度便起头正在工程机械根底上研制开发各种工程施工自动功课机器，并造成两大开展标的目的，一是工程机械智能化，一是专门开展起来的工程机器人分支。针对高危、卑劣情况的施工功课，西欧、驲韩等国度皆曾经悉数采取工程机器人或机械手，技术水平进步前辈。

此中，破拆机器人是正在工程施工中使用最普遍的工程机器人之一，因为采取无线遥控功课方法，破拆机器人可以使用正在冶金、矿山、修筑、交通和抢险救济等浩繁范畴。瑞士布鲁克公司是现阶段居于世界领先地位的破拆机器人专门出产厂商，公司自20世纪70年月便开辟、研制、出产遥控电液式多功能破拆机器人，颠末不休的改善与开展，堆集了丰硕的履历，无论是计划、选材仍是制造程度皆处于国际领先地位，是现阶段撤除机器人最大的供应商，产物销往世界各地［3］。此外，日本、德国等发达国家正在破拆机器人范畴也皆奔忙正在了世界前列。像德国TOPTEC公司出产的TOPTEC1850E、TOPTEC2500E工程机器人，日本TmsukT52型跟T53型单机器臂机器人等，技术水平进步前辈。破拆机器人的末尾执行器平常为液压锤、液压剪等，以实现粉碎、撤除功课。将末尾执行器改换成液压抓手等其他公用属具，再将主体布局跟控制系统依据功课情况作得当的转变，则可演变成其他类型的机器人，像搬运机器人、抓取装卸机器人等。

破拆机器人

正在抢险救济范畴，20世纪80年月便曾经有人对将机器人使用于救济事情中停止商量，但救济机器人技巧的正式研讨始于1995年的日本神户-大阪年夜地动，并于2001年的美国9·11事宜中，救济机器人正式投入使用。日本作为一个多地动灾祸的国度，十分重视救济机器人的研制，其技术水平始终处于世界领先地位。美国正在9·11事宜后，对救济机器人的研讨加倍正视。此中，极具代表意思的由Irobot公司研制的小型便携带式机器人Packbot系列跟“Warrior”等，均失掉了较好的使用。其他国度也很正视救济机器人的研讨。如加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV及Sherbrook大学研制的AZIMUT机器人、西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、英国的“手推车”Mk7型排爆机器人、德国TEODORG公司的MV4机器人、法国的MK4D智能排爆机器人等。

救济机器人

正在农林业方面，进入后工业化的发达国家，跟着农林业出产的日益工业化、规模化及精准化的不休开展，农林业机器人研发早已成为其科研的重点内容之一，正在砍木、育苗、移苗、嫁接、农产品播种等方面失掉诸多实验与使用，接踵研制出了砍木机器人、嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人跟采摘机器人等多种产品。

而正在海内，工程机器人的研制开发才方才起步，工程机械主机厂跟部门科研院所起头加大对智能型工程机械的研发投入，但专业处置工程机器人研发制造的企业跟研讨机构很少。使用方面也仅限于一些通例的工业使用，并且产物简直全为入口。

惊天智能配备股分有限公司自2005年自立立项，起头研制破拆机器人，现阶段已研制出多款工程机器人产物，而且曾经进入产业化跟使用推广阶段。

正在抢险救济范畴，海内的救灾机器人的研讨起步较晚，但遭到的正视水平很下。如国度“863”筹划撑持研发地动救济帮助机器人等的一系列步伐，海内各大高校、研讨机构和企业单元等皆停止了踊跃研讨，近年来取得了很大希望。国度“十二五”科技支持筹划的重点项目“龙虾”救济机器人是现阶段世界上最大的抢险救济机械。

4工程机器人的使用

工程机器人次要使用于各类高危跟特别情况施工范畴，如高温高压、易燃易爆易坍塌、有毒无害气体、核辐射、危险品搬运和军事使用，是以，正在金属渣锭粉碎、修筑撤除、隧道施工、井下功课、抢险救济，和农林业、核工业等皆失掉了普遍的使用。

4.1工业粉碎功课

正在钢铁冶炼厂，工程机器人主要用途包罗：主沟及渣沟粉碎、开铁口、炉口除渣、拆炉拆包、鱼雷罐热态耐材、混铁车崩溃等。正在有色行业用来停止余热汽锅清灰、阳极炉清算、金属锭粉碎、烟道跟溜槽的清算等。正在铝行业用来清铝包、清算阳极、在线刨槽、刨保温炉跟集合槽大修等。

正在水泥厂，破拆机器人是水泥回转窑维修的新一代拆砖设备，遥控功课，用以取代人工跟小挖维修回转窑，大大缩短停窑工夫，给企业带来极大的经济效益。

4.2抢险救济使用

灾祸现场的抢险救济事情，是机器人开辟范畴的一大难题。分歧情况前提下，机器人的解决方案大不相同。现阶段，多功能功课机器人，已广泛应用于消防破拆救济、灾后抢修抢建、地动后救济、反恐排爆、核事故应急救济等。

4.3修筑使用

跟着经济的高速开展，建筑施工要求愈来愈下，修筑楼宇的改革事情愈来愈多，但劳动力本钱却逐年攀升。利用工程机器人停止功课，岂但安全可靠，并且缩短工期，削减人力需要。相较于传统的混凝土切割锯、风镐跟挖掘机等撤除设备，利用破拆机器人使施工能正在无振动、低噪音、无废气、无扬尘等环境下停止，对周围环境影响降到最小，并且降低施工本钱，大大提高工作效率。为制止部分破拆对全部根底的影响，近年来水力破拆机器人亦日趋遭到业界的高度重视。

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4.4隧道使用

工程机器人正在隧道施工方面有普遍的使用，是开凿联结通道、平安硐室、隧道维修改革的幻想设备。常用于地铁隧道且则墙的撤除、隧道的开拓、巷道的支护、排水跟电缆隧道的开挖，正在空间狭小跟钻爆法施工工艺不克不及利用的场合存在极大劣势。

平常工程机器人车小力年夜，机动灵活，可以进入大型设备不能到达的狭小的工作面跟危险场合功课，进步工作效率，降低生产本钱。可以带挖斗、团结机、液压锤、液压钻等功课，正在隧道施工中，施展“一机多能”的劣势。

4.5矿山使用

工程机器人正在地下矿山有普遍的使用，可用去停止巷道支护、撬毛、二次破碎、钻锚固孔跟爆破孔等功课。良多有色金属矿山跟黄金矿山可以用工程机器人停止破大块、剪锚索、挖水沟、补缀斜坡讲跟整修变形的巷道等功课。同时，机器人可用做溜井格筛中间的流动粉碎站，也可作为窄矿脉的矿石回采跟扒矿。机器人采取无线遥控操纵，地下矿山功课时，操纵职员可以取舍平安、视野好的地位操纵机械，制止落石对职员的损伤。

4.6核工业

因为核电站设备结构复杂，设备本身或其运转情况存在放射性，同时借兼具水下、低温、高压等特色，简略的机械手常常不克不及实现相关操纵，应用机器人停止设备检验、累燃料转运、放射性宝物措置跟核事故应急处置惩罚等事情，可以大幅提高核电站的检验程度或变乱处置惩罚服从，降低工作人员受照剂量跟劳动强度。

5总结与展望

工程机器人最大的特色是事情正在非布局情况下，且面对的事情情况更庞大。从某种意义上讲，一个国度工程机器人的技术水平反应了这个国度机器人的技术水平。工程机器人果其进步前辈的机能已被普遍天使用到核工业、抢险救济、建筑工程、农业、冶金行业等，跟着科技进步跟技巧堆集，工程机器人正在将来势必施展更大的作用。

我国的工程机器人起步较晚，颠末几十年的开展，虽取得了必然的结果，但跟外洋发达国家比拟，差异借很大。无须质疑，21世纪机器人技巧势必失掉更大的开展，成为列国必争的高科技制高点。咱们必需紧跟世界科技开展的潮水，加大对战略性、基础性、关键性作用的庞大课题的投入，不畏艰难、耐劳攻关、进步自立翻新的才能。同时，咱们也要增强同国际科技界的交换与协作，努力学习跟使用世界进步前辈科技成果，为我国机器人奇迹的开展作出应有奉献。

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