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《机器人操作系统ROS原理与应用》——1.3 智能机器人的分类

华章计算机 2017-05-02 17:53:00 浏览59 评论0 发表于: 华章计算机

操作系统 ROS 机器人 图像识别

摘要: 本节书摘来自华章出版社《机器人操作系统ROS原理与应用》一 书中的第1章,第1.3节,作者:周兴社 杨刚 王岚,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。 1.3 智能机器人的分类 智能机器人依据其活动方式可分为固定型和移动型两大类。

本节书摘来自华章出版社《机器人操作系统ROS原理与应用》一 书中的第1章,第1.3节,作者:周兴社 杨刚 王岚,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.3 智能机器人的分类

智能机器人依据其活动方式可分为固定型和移动型两大类。前者是其整体位置固定,主要是靠机器人臂自主活动,自动完成指定任务;而后者是机器人整体可依据任务需求自主活动。更多情况下则是依据智能机器人的用途进行分类,因为不同用途的智能机器人,其组成结构、实现功能、活动形态等都具有较大差别。据此,一般可将其分为工业智能机器人、农业智能机器人、探索智能机器人、服务智能机器人等。
(1)工业智能机器人
工业智能机器人依据具体应用的不同,通常又可以细分为焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人、码垛机器人、搬运机器人等多种类型。作为具有智能的工业机器人,它们在很多方面已经超越了传统机器人。焊接机器人包括点焊和电弧焊机器人,其用途是实现自动的焊接作业。装配机器人比较多地用于电子部件及电器等装配。喷漆机器人代替人进行喷漆作业。码垛、上下料、搬运机器人的功能则是根据一定的速度和精度要求,将物品从一处搬运到另一处。在工业生产中应用各种机器人,可以方便迅速地改变作业的内容或方式,以适应生产要求的变化。例如,改变焊缝轨迹、改变喷漆位置、变更装配部件或位置,等等。随着对工业生产线柔性的要求越来越高,对各种机器人的需求也就越来越强烈。
(2)农业智能机器人
随着机器人技术的进步,以定型物、无机物为作业对象的工业智能机器人正在向更高层次的以动、植物之类复杂作业对象为目标的农业机器人发展,农业智能机器人或机器人化的农业机械的应用范围正在逐步扩大。农业智能机器人的应用不仅能够大大减轻甚至代替人们生产劳动,从而解决劳动力不足的问题,而且可以提高劳动生产率,改善农业的生产环境,防止农药、化肥等对人体的伤害,提高作业质量。但是由于农业智能机器人所面临的是非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和工作对象,所以与工业智能机器人相比,其研究开发的难度更大。农业智能机器人的研究开发目前主要集中于耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、株苗移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面。日本是机器人普及最广泛的国家,目前已经有多种智能机器人应用于农业领域。
(3)探索智能机器人
机器人除了在工农业上得到广泛应用之外,还越来越多地应用于极限探索,即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如,在水下(海洋)、太空及在放射性、有毒或高温等环境中进行作业。人类借助潜水器具潜入深海之中探秘已有很长的历史,然而由于危险很大、费用极高,所以水下机器人就成为代替人在这一危险环境中工作的最佳工具。空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人,包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人,到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器。
(4)服务智能机器人
机器人技术不仅在工农业生产、科学探索中得到了广泛应用,而且已经逐渐渗透到人们的日常生活领域,服务智能机器人就是这类机器人的总称。国际机器人联合会给服务智能机器人的一个初步定义是:一种以自主或半自主方式运行,能为人类的生活、康复提供服务的机器人,或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。尽管服务智能机器人的起步较晚,但应用前景十分广泛,目前主要应用在清洁、护理、执勤、救援、娱乐和代替人对设备进行维护保养等场合。

1.3.1 服务智能机器人

1.?服务智能机器人的发展历程
在过去,服务智能机器人只是存在于科幻电影当中,发展到当代,服务智能机器人在军事、服务和娱乐各个领域都发挥着越来越重要的作用,正在逐渐取代人类的一些工作。目前世界上有近50个国家在发展服务智能机器人,其中以美国、德国、法国、日本和韩国为代表的发达国家在该领域处于领先地位。代表性服务智能机器人如美国的面向家庭养老陪护的机器人、日本开发的家务机器人,以及与小孩进行教育沟通娱乐的机器人,其应用已经较为广泛。我国在20世纪80年代已出现了各种服务型机器人雏形,90年代国家863项目给予了重点支持,进入21世纪,尤其是近年来,我国的服务智能机器人在应用需求牵引和国家支持下也得到了快速发展,如国家电网的巡检机器人、比较火热的送餐机器人等。服务智能机器人的市场化程度目前处于起步阶段,但随着劳动力不足及老龄化的影响,未来应用会有很大的发展,人们会在生活当中遇到形形色色、各种各样的服务智能机器人。从发展趋势来看,我国专业服务机器人有望先于个人/家用机器人实现产业化,特别是医疗机器人、危险特殊环境巡检、救援机器人等。随着我国进入老龄化社会,医疗、护理和康复的需求逐渐增加,同时由于人们对生活品质追求的提高,个人/家用机器人在未来也因此具有了更为广阔的市场空间。
2.?服务智能机器人的分类
服务智能机器人具有广泛的应用范围,可分为专用服务智能机器人和家用服务智能机器人两大类。前者指康复、助残机器人,危险特殊环境巡检、救援机器人等具有专业用途的服务智能机器人,后者是指家庭环境中应用的清洁、教育、娱乐等服务智能机器人。无论是哪类服务智能机器人,随着智能化水平的不断提升,服务智能机器人是其主要发展方向。服务智能机器人的类别如图1-4所示。
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3.?人形服务智能机器人
人形服务智能机器人是指机器人形态与人相似的服务机器人,如图1-5所示,其发展可在未来真正使人类的生活产生深刻变革。因为从人们对机器人的认识来说,类人形机器人在外观上与人更为相近,因此人们更易接受。所以未来真正的服务智能机器人可能朝着类人形态发展。人形机器人发展以注重自然的人机交互为重点,即不仅是具有人的形状,更要与人进行自然的沟通和交流。面向消费级用户来说,高性价比和持续服务能力也应是人形服务机器人追求的目标之一。从更接近人类的角度研发高逼真度的服务智能机器人,其未来在迎宾服务和娱乐影视方面会有较大的发展。
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4.?服务智能机器人的关键技术
服务智能机器人的发展不仅应重点突破生机电感知与融合、定位导航与路径规划等通用关键技术,而且应注重面向不同用户、不同环境的服务智能机器人的高柔韧性及安全控制等专用技术,如图1-6所示。作为未来与人类合作共存的服务智能机器人,其核心是为了感知、理解和帮助人的自然人机交互与智能合作能力,这就需要服务智能机器人不仅具有视觉交互与语音识别的能力,还要能够自主学习和主动学习。
除此之外,标准不统一是目前困扰服务机器人发展的主要问题之一,各家采用的系统语言、硬件(核心控制器、传感器、驱动器)和软件构件不统一,没有形成机器人通用的控制硬件与软件平台,缺乏支持通用性的定制能力,制约了服务机器人的大规模发展。因此标准化、平台化也是服务智能机器人发展的关键。
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1.3.2 工业智能机器人

1.?工业智能机器人的发展历程
工业机器人是先进的电气自动化、机电一体化的数字化装备,集机械、电子、控制、计算机、传感器等多学科高新技术于一体的现代机器,其是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备,既具有人类对环境状态的快速反应和分析判断能力,又具有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,目前广泛应用于工业领域的各行各业,特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品快速更新换代起着十分重要的作用。
当今工业机器人技术正在逐渐向着具有行走能力、多种感知能力、较强的对作业环境自适应能力的智能化方向发展,从而形成工业智能机器人。工业智能机器人集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体,是智能制造的代表性产品,对其的研发、制造、应用成为衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志,引起了世界制造强国的高度重视。当前美国在工业智能机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位,而日本生产的工业智能机器人在数量、种类方面则居世界首位,德国在工业智能机器人研发与应用方面具有领先优势。我国开展工业机器人的研发与应用也有十余年的历史,取得了多项标志性创新成果,《中国制造2025》也将工业智能机器人技术自主研发和工业领域应用作为重点之一。
2.?工业智能机器人的主要特点
从工业智能机器人的外在表现和重要作用出发,其具有以下主要特点。
1)技术先进:工业智能机器人是集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体,全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具,是实现生产数字化、自动化、网络化及智能化的重要手段,通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策,可实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染,是工业自动化水平的最高体现。
2)技术综合性强:工业智能机器人与自动化成套技术集中并融合了多个学科,涉及多项技术领域,包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工、实时软件设计、智能测量、建模设计一体化、工厂自动化及精细物流等先进信息与制造技术,技术综合性强。
3)应用领域广泛:工业智能机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备,可用于制造、安装、检测、物流等生产环节,并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、IC装备、军工、烟草、医药、冶金及印刷出版等众多行业,应用领域非常广泛。
从工业智能机器人内在特性和技术实现的角度分析,其具有以下主要特点。
1)高性能机电一体化:工业智能机器人技术基础是机械学和微电子学结合而成的机电一体化技术,如图1-7所示。工业智能机器人可达到低于0.1毫米的运动精度,抓取重达一吨的物体,伸展也可达三四米等。这些性能对绝大部分的工业应用来说,足以圆满完成任务。随着机器人机电性能的逐渐提升,以前一些不可能完成的任务也变得可行起来,例如激光焊接或切割,曾需要专门的高精度设备来指导激光的走向,但随着机器人精度的提升,现在也变得可直接依赖机器人本身的准确运动来完成。工业智能机器人具有获取外部环境信息的各种传感器、具有记忆及图像识别与推理判断等智能化功能,它们均以高性能机电一体化和微电子技术为基础,并与嵌入式计算机技术应用密切相关。因此,工业智能机器人技术的发展带动了新一代机电一体化等技术的发展。
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2)人机合作与拟人化:传统的工业机器人基于成本与技术考虑,不会集成额外的传感器感知诸如突然有人触碰等特殊情况,只会“傻傻”地依据人类编写的程序日复一日的动作着,不能随机应变,只适用于结构化环境,完成重复性的作业任务。而现代机器人则希望同人类一起在相同的非结构化空间和环境中协同作业,实时在线完成非确定性的任务,所以工业智能机器人应以能安全地与人一起工作“为荣”,工业智能机器人不仅在机械结构上有类似人的行走、转腰、大臂、小臂、手腕、手爪等部分,还有许多类似人类的“生物传感器”,如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉与声觉传感器等,以提高自身对周围环境的自适应能力。例如,光线变暗影响图像识别;传送带上物品有损坏需要特殊处理的自动适应能力;通过触觉、视觉、听觉等感知自主判断零部件的装配质量,等等,如图1-8所示。
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3)注重通用和易用性:除了专门设计的专用工业机器人之外,一般工业智能机器人在执行不同的作业任务时应具有较好的通用性。因为不同用途的工业智能机器人的设计要求各不相同。例如,有的需要高速手臂、有的需要慢速、有的需要扭力大、有的需要很高的精密度等,这些可以通过更换末端操作器执行不同的作业任务;具有方便快捷的编程能力,支持多自由度运动,使其具有更强的应用场景适应性;通用性还体现在具有统一的运行时平台和软件开发环境,方便应用领域开发者的高效开发;工业智能机器人的易用性也开始得到重视,如何能使得应用者不经培训或少许培训,就能像玩iPhone一样很快掌握应用工业智能机器人的技巧,已经变成重要的发展方向。
3.?工业智能机器人的关键技术
随着智能机器人在工业生产领域应用的不断扩展,为适应更加复杂、精细、快节拍的作业,工业智能机器人在高速度、高精度、重载荷、智能化、低噪声、超洁净、多机协调等方面需要进一步提升,涉及的关键技术较多,主要体现在以下几点。
(1)三维环境实时感知
通过多类高精度的传感器及其多传感器信息融合,实现机器人操作对象和运行环境的在线实时感知能力;不仅要注重对已有传感器的高效合理利用,而且要加强新型传感器的研制和开发,新型传感器研发的着重点不仅是开发新的传感器种类,更是努力改善已有传感器的精度、可靠度和成本,以及大幅提高传感器的性能价格比;多传感器信息融合是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息,经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性,为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供一种有效的技术解决途径。
(2)智能精准控制
工业智能机器人是一个非线性、多变量的控制对象,结合了位置、力矩、视觉等信息反馈,柔顺控制、力位混合控制、视觉伺服控制等,面对高速度、高精度、重载荷的作业需求,机器人的智能控制方法成为研究重点,其是智能机器人能够自主独立完成各项任务的基础,可使机器人的行动更加灵活方便、复杂多样,并能够有效克服随机扰动,增加机器人的自由独立性。例如,模糊数学、计算机科学、知识工程等多学科相互渗透形成的模糊控制在机器人的建模、控制、柔性臂的控制、补偿控制及移动机器人路径规划等方面得到了广泛应用;神经网络控制技术及基于遗传算法的控制技术等分别借鉴了生物领域相关理论,能更好地处理多变量、非线性系统的精准控制问题,也成为工业智能机器人智能控制的研究重点,更高级的智能控制是实现工业机器人的类人灵巧操作。
(3)智能规划与精确导航
工业智能机器人的各种能力最终只能依靠机器人末端严格按照预定轨迹运动完成作业,因此轨迹规划的结果将直接影响工业智能机器人的工作效能和效率,轨迹规划的效率和自动化程度则将直接影响生产准备时间。为了提高工业智能机器人的智能规划与精确导航,图像识别、神经网络、机器学习、视觉处理等智能方法研究成为重点,随着大数据、云计算技术的发展,也将会为工业智能机器人的智能规划与精确导航提供更多新的思路。
(4)行为安全保障
随着工业智能机器人越来越多地应用于柔性生产线,而生产线多是工业智能机器人与人的协同操作,高度安全并智能规避对人类伤害的机器人是协作顺利展开的基本前提。因此,在对工业智能机器人的设计中,必须在具有友好“人-机”交互的同时,充分考虑和保护操作人员安全,这样才能保障实现“人-机”合作、“人-机”融合的目标。需要研究自主碰撞检测、安全区域和障碍物自动规避、轻量化人机协同及系统安全设计等。
(5)开放式可定制软件平台
工业智能机器人不仅可实现搬运、焊接、喷漆、装配、码垛等自动化工业生产功能,而且具有多机协同、人机融合等能力。随着智能化程度的不断提升,其软件规模不断增长,软件结构日趋复杂,软件成为决定机器人运动位置、姿态轨迹、操作顺序及动作时间等功能和性能的主要因素之一。各大工业机器人厂商均开发了各自的机器人软件系统,使得系统集成、应用开发、用户培训、领域推广难度增大,而采用构件化、平台化的软件系统不仅有益开发和推广,也有利于系统成本降低。因此,工业智能机器人的开放式可定制的软件平台成为发展方向和关键技术。这将涉及基于Agent的机器人软件结构、可复用和共享的标准化软构件集及可定制的机器人智能化运行支撑平台等。

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