中国机器人技术研究前景展望

-----听郑元芳老师所作《机器人技术的基础,现状和展望》所感

80年代中期，技术革命的第三次浪潮冲击着全世界，在这个浪潮中，机器人技术起着先 锋作用，工业机器人总数每年以30％以上的速度在增长，推动汽车工业形成全球规模的产业。在智能机器人的研究开发方面，美国国防部提出了自主陆行车（ALV）计划。 欧洲尤里卡计划提出了自主机器人计划。日本通产省组织开展了在极限环境下作业的机器人计划。当时，我国机器人的研究和开发尚处于起步阶段， 研究和应用的水平都较低。

鉴于上述国内外形势，国家七五科技攻关计划将工业机器人和水下机器人的研究和开发列入了计划， 由机械部等部门组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人的攻关，使中国工业机器人一起步就瞄准了实用化的方向。

986年国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关

进入90年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针， 实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研制出有自主知识产权的工业机器人系列产品， 并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。

十余年来，智能机器人主题团结全国各系统的机器人研究队伍，在各部门的大力协同和支持下，经过共同努力， 取得了令世人瞩目的硕果， 把我国机器人技术的研究、开发、应用和产业化推向了新水平。

（1）水下机器人技术走进世界前列

我们在完成1000米水下无缆自治机器人的研制后，又与俄罗斯合作成功地研制了6000米水下无缆自治机器人并实现了工程化。1995和1997年在夏威夷东南太平洋5800米水深处成功地进行了两次大洋探测试验，取得了海底锰结核分布的宝贵资料，使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。

（2）机器人化机器推动我国工程机械的更新换代

智能机器人主题经过多年的探索，确定了利用机器人技术改造现有的机器，即研制机器人化机器， 相继完成了无人驾驶的振动式压路机、 具有自动推平功能的推土机、可编程挖掘机、自动凿岩机、大型遂道喷浆机等机器人化工程机械，促进了我国工程机械产品升级换代。此外，农业、建筑、冶金等行业的机械机器人化工作也在逐步展开，这条技术辐射之路越来越宽，为我国传统机器的改造做出的贡献也越来越大。

（3）特种机器人发展方兴未艾

智能机器人主题在完成了防核化侦察车、遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又开发出防爆机器人、自动引导车、各种罐体爬壁清扫机器人、玻璃擦扫机器人等，取得了广泛的应用。90年代初，进一步将机器人技术向微细操作空间延伸，研制成功多自由度微操作机器人，并在生物与医学工程取得成功应用。此外，在微小空间探测的小机器人研究也有了突破，在农业、建筑、服务、娱乐等领域应用的各种机器人也都取得成果，这些都为特种机器人的发展开拓了广阔前景。

（4）工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业化的龙头

在工业机器人方面，研制出具有国际90年代水平的实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动导引车（AGV）等一系列产品， 并实现了小批量生产及其应用工程，如汽车自动焊接线，金城、三水摩托车焊接线及自动码垛、小型电器自动装配线等多项机器人示范应用工程.

（5）产业化基地的建设带来了产业化的希望

以实现产业化为目标，积极支持机器人产业化基地的建设，我们现已经形成了沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实机器人公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心等9个机器人产业化基地，为我国发展机器人产业奠定了基础。

（6）应用技术研究成为技术创新的重要基础

十多年来，智能机器人主题还支持了一批机器人技术的应用基础研究，使用我国在机器人移动机构、灵巧手爪、 机器人传感器控制、 协调控制、 机器人三维视觉、力觉及触觉传感器以及智能技术等方面取得了一批具有国际水平的成果， 发表论文近千篇。这些成果的取得一方面为先进机器人系统的开发进行了先期研究，同时也使我国在国际机器人技术研究行列中占有了一席之地，为进一步创新研究打下了良好的基础。

（7）科研基地已成为机器人产业发展的技术源头

智能机器人主题建设了一批机器人技术科研基地，如沈阳自动化研究所的智能机器人工程中心、哈工大的机器人机构学网点实验室、南开大学的机器人控制理论与方法实验室、清华大学的人工智能在机器人中应用网点实验室、科学院自动化研究所的机器人视觉实验室、科学院智能机械研究所的机器人非视觉传感器实验室及上海交大的机器人装配实验室。它们已成为我国机器人技术研究与开发的人才培养中心，以及国内外进行学术交流的窗口。

（8）培养造就了中国机器人研究开发队伍和学术带头人

863计划的实施也为我国培养了一大批机器人技术的研究人才， 支持了一批出国归来的留学人员，使他们成为我国机器人事业发展的中坚，不仅出现了以蒋新松同志为代表的具有忘我奉献与实干精神的老一代机器人专家，也涌现出一批朝气蓬勃的年青的机器人专家，成为我国发展机器人事业的骨干， 其中5人已成为中国科学院院士和中国工程院院士。

（9）积极开展国际合作促进中国机器人更快地走向世界

在国际合作方面，1991年主题专家组与国际机器人专家在北京共同兴办了机器人发展战略讨论会，使国际机器人界了解了我国机器人的发展，扩大了我国机器人技术的国际影响。从1992年开始，智能机器人主题成功地与俄罗斯合作研制6000米水下自治机器人， 并且与日本合作研究爬壁机器人， 使我国特种机器人研究迈上了新台阶。1998年我国顺利地加入到主要由西方发达国家组成的国际先进机器人发展计划（IARP）组织。

除此之外,我国科技部门又在群体机器人的研究上投入了不少的精力.因为随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。然而就目前的机器人技术水平而言，单机器人在信息的获取、处理及控制能力等方面都是有限的，对于复杂的工作任务及多变的工作环境，单机器人的能力更显不足。于是人们考虑由多个机器人组成的群体系统通过协调、协作来完成单机器人无法或难以完成的工作。

群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面：

·相互协调的ｎ个机器人系统的能力可以远大于一个单机器人系统的ｎ倍，群体机器人系统还可以实现单机器人系统无法实现的复杂任务；

·设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低；

·使用群体机器人系统可以大大节约时间，提高效率；

·群体机器人系统的平行性和冗余性可以提高系统的柔性和鲁棒性等。

此外因为群体机器人系统具有空间分布、功能分布、时间分布等特点，利用这些特点可以达到以下目的：

·通过群体机器人系统内在特性提高完成任务的效率；

·通过共享资源（信息、知识等）弥补单机器人能力的不足，扩大完成任务的能力范围；

·利用系统内机器人资源的冗余性提高完成任务的可能性，增加系统的性能。

因此，进行群体机器人系统的研究是机器人技术发展的必然趋势，必将对机器人技术的发展带来划时代的变革。

１群体机器人研究的主要内容

群体机器人系统的主要研究内容为：群体机器人系统的通信，群体机器人系统的协作与控制，群体机器人系统冲突问题的解决。

根据系统中机器人功能结构的不同，可将群体机器人系统分为同构系统和异构系统。同构系统就是系统中每个机器人的结构相同、功能相同；异构系统中每个机器人的结构和功能不尽相同。对于同构群体机器人系统研究的主要问题是设计正确的控制方案和通信机制，使之能正确完成给定的任务；而对于异构群体机器人系统的研究主要是解决如何在它们之间进行有意识的合作问题，另外还有动作选择问题、通信冲突问题的解决。不论是同构系统还是异构系统的研究对群体机器人系统的研究都起着重要作用，下面以同构系统为主来讨论群体机器人的研究。

１．１ 群体机器人系统的通信

群体机器人系统的通信是研究群体机器人系统的基础，由各个个体机器人组成一个群体系统，通信是必不可少的。

群体机器人系统在执行某项任务时，为了实现协调与合作，个体机器人的传感器必须提供足够的环境描述信息和其他机器人的信息，因此机器人个体之间或者上层控制和下层合作之间的通信是必要的。机器人之间的通信方式主要有两种，即直接通信和间接通信。直接通信要求发送和接收信息能保持一致性，因此机器人之间需要一种通信协议，而且直接通信时发送方和接收方必须同时在线，间接通信没有此项要求。一般来说，直接通信存在于有智能的机器人之间，而间接通信存在的范围就比较大，如个体和个体通信、个体和群体通信、个体和环境通信等。目前，大部分关于群体机器人的通信主要采用广播的方式，即个体机器人将自己的位置和传感器信息以及自己从事的工作信息广播出去，其他个体机器人可以按自己的需要选择信息，或主控机器人通过广播分配任务等。

通信方式的选择是保证通信的有效性和实时性的基本要求，在实际应用中根据机器人的结构和任务要求来选择，目前群体机器人的通信还存在许多瓶颈问题，如机器人数目增加时，通信速度和效率将下降。

１．２ 群体机器人系统的协作与控制

机器人之间的协作与控制问题属于群体机器人系统中的高级控制任务，是研究群体机器人系统的关键技术。

机器人群体系统是由机器人个体按照一定关系联系起来，并具有自我调整的功能，系统中机器人个体和机器人群体都要协作动作，以实现机器人群体的功能。借鉴组织行为学的理论，群体机器人系统研究对象包括机器人个体、机器人群体两个层次，即机器人个体行为和机器人群体行为。机器人个体行为主要包括机器人个体对环境的感知、学习、响应以及自适应动作的协调。机器人个体控制系统是实现个体行为的基础，机器人个体控制系统要求能使个体表现出较强的协作性和自主性。协作性是指机器人能协调合作的能力；自主性是指机器人具有一定的自主能力、能感知环境的变化并能作用于环境。系统的协调行为在很大程度上依赖于如何处理机器人的自主和协作之间的关系；机器人群体行为是机器人个体行为的合成，典型的群体行为研究有集中行为、分散行为和编队行为等。根据机器人群体结构分布的不同相应的控制结构也不同，可分为集中式和分布式两种。集中式控制由一个机器人或者ＰＣ机对任务进行调协规划并集中调度；分散式控制中任务分配是通过机器人之间的交互来实现的，每个机器人基于自己的传感器信息和内部状态规划各自的行为，通过协商等手段消解冲突。

为研究机器人群体的协作机制，以提高群体的协作能力，目前多采用下述控制机制，包括：

（１）基于信息资源库共享；

（２）基于传感器信息共享的控制：依靠通信装置，每个机器人上的传感器不再是私有享用，其他机器人通过通信也可享用；

（３）基于资源竞争规则的调度机制：资源包括作业空间、作业顺序、作业工具等，该控制策略最基本的目标是解决死锁问题；

（４）基于任务与能量最佳匹配原则的动态组成、重构控制；

（５）并行规划算法。

１．３ 群体机器人系统冲突的解决

在群体机器人系统中还有一个很重要的问题就是系统中冲突问题的解决。在群体机器人系统中冲突的形式是多种多样的，主要有任务冲突、路径冲突和空间冲突等。群体机器人系统中的冲突很容易造成系统的混乱，严重影响了系统的总体性能。解决冲突除了要有合理的控制结构和通信方式外，也需要相应的解决策略。在群体机器人系统中，每个机器人都把其他机器人当作障碍物来处理，并通过传感器探测障碍物的有无。同时机器人也根据定期接收到的信息来处理传感器的不确定性，并区分机器人障碍物和非机器人障碍物，由此选择不同的处理方法。群体机器人系统冲突问题的解决办法有很多，最直接的方法是采用集中控制器来决定所有机器人的无冲突路径，但是这种方法在实用性方面具有一定的缺陷。另一种方法是主从控制法，在冲突的机器人中有一个作为主控，指挥别的机器人以解决冲突问题。

对于群体机器人系统的研究除了上述几个主要的方面外还有群体机器人系统的学习问题、系统的组织结构问题和环境的观察问题等。

２国内群体机器人研究现状

经过二十几年的发展，群体机器人系统的研究已在理论和实践方面取得很大的进展，并建立了多机器人仿真系统和实验系统。目前，国内关于群体机器人系统的研究刚刚起步，而国外的研究则比较活跃。欧盟专门设立了一个进行多机器人系统研究的ＭＡＲＴＨＡ课题——“用于搬运的多自主机器人系统。日本对群体机器人系统的研究开展得比较早，著名的研究有ＡＣＴＲＥＳＳ系统和ＣＥＢＯＴ系统。在国内已开发出在车辆拥挤时自行移动的全方位移动结构，还开发了使用带有桶型自由辊的车轮，用３个传动装置驱动可自由地前后左右移动或旋转的递补结构。

我国群体机器人的研究相对于国外起步较晚，目前已逐渐引起人们的重视，上海交通大学，中国科学院，哈尔滨工业大学机器人研究所，东北大学等已先后开发出各种形式的群体机器人系统。我们的上海交通大学在这一领域的研究处于全国领先水平。

总体上说，国内外对群体机器人的研究已取得了令人瞩目的进展，但与工业机器人相比，实用性尚有很大的差距，需要解决以下几个方面的问题：

（１）如何使机器人个体之间相互通信和相互作用；

（２）如何在各机器人间表达、描述问题，分解和分配任务；

（３）如何保证机器人在行动中的行为协调一致；

（４）机器人彼此之间如何识别和解决冲突。

由此看来中国机器人事业要走的路还很长,还有很多的困难要突破。希望中国的科技工作者,尤其是上海交大的科研工作者发挥以往在此领域研究的先进技术和经验,突破种种科技难关,带领中国的机器人研究走向世界前列!