机器人关键技术——智能制造的保障——访国家“千人计划”专家，中国科学院宁波材料所研究员杨桂林

本刊记者 李 丹

：请问基于机器人力控制技术的大型零部件表面精密加工系统对大尺度精密制造发挥着怎样的重要作用？难点和关键技术是什么？

杨桂林：对于大型零部件的精密表面加工，目前仍主要依赖于人工作业，原因有二：（1）由于大尺度零部件结构复杂、尺寸较大，传统的机床设备受到工作空间及灵活度的限制，难以适用；（2）大型的精密零部件在进行打磨抛光等连续接触式去除材料加工时，材料的去除率和刀具与工件的接触力直接相关，要保证加工精度除了需要传统的运动控制外还需要对加工时的接触力大小进行控制。现有的工业机器人虽然具有工作空间大、灵活度高的优点，但由于缺少力控制功能，在很大程度上限制了机器人在大型零部件表面加工任务的应用。因此，研发具有力控功能的机器人系统，实现大型零部件表面精密加工已成为主要发展趋势。

目前工业机器人力控制的方法主要有两种，即通过控制机器人的驱动关节力矩实现直接力控制和通过控制一个附加在机器人末端的力控装置实施间接力控制。两种力控方法各有其优缺点：前者主要是通过基于机器人系统动力学的力控制算法实现，难点是需要针对具体的机器人结构建立准确的动力学模型，并开发实时、鲁棒的力控制算法；而后者则需要增加一个具有力控制功能的末端执行装置，由于特别设计的末端力控执行器具有良好的动力学特性，如质量小、动态响应快，易于实现高性能的接触力控制，且通用性好，难点在于多自由度、轻量化力控执行装置机构的构型设计。直接力控制更适用于新一代轻量化机器人，而间接力控制更适用于传统的重载机器人。

：国外的机器人发展分为几个阶段？我们处于哪个阶段？您带领的团队进行了哪些研究？

杨桂林：从20世纪60年代初第一台真正意义上的工业机器人在美国诞生距今已有50多年的历史，其发展历程可以大致分成3个阶段。第一阶段，机器人基本上是一个多轴联动的自动化机械，能够进行简单的示教编程，并根据事先编好的程序重复工作，但结构笨重，运动控制性能差，也缺少感知和信息处理功能。第二阶段，机器人通过采用了高性能的伺服电机、减速器及运动控制器，其本体结构和运动控制性能都到大幅度的提升。此外，通过配搭各种传感器，能够感知自身的工作状态和外在环境，提高了机器人的适应性，但仍难于与人进行安全、自然的交互与协作。第三阶段，也可称之为新一代机器人，机器人开始向柔顺运动、本质安全、人机协作的方向发展，对人和环境的感知、认知能力也得到了提高，并通过自主学习，初步具备了人工智能，但目前机器人的人工智能发展还不成熟，尚处于实验室研发阶段。

我国从20世纪70年代就开始了工业机器人的研究工作，并于1972年研制出了第一台工业机器人，但发展速度较为缓慢。国产工业机器人在核心技术、关键零部件，整机性能以及生产规模与国外工业机器人公司如ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA、KAWASAKI等相比有较大的差距。当前，国外的大公司已经陆续推出了轻量化、本质安全、能与人协同工作的新一代工业机器人产品，而国内的大部分公司尚停留在传统工业机器人的集成制造，也就是国外工业机器人的第二个发展阶段。因此，国内工业机器人发展与国外相比，要落后10年左右。

近年来，我们团队重点研发了面向车间物流的全向移动机器人和面向大型零部件表面精密加工的力控机器人系统，前者在汽车制造领域到了应用，后者在航空发动机零部件及船用螺旋桨叶片等三维复杂曲面的精密光整加工中得到了应用。

目前我们正在重点开展与新一代机器人技术相关的研究工作，聚焦机动灵活、本质安全、与人共融的智能化全向移动操作机器人及其关键技术。全向移动操作机器人是全向移动平台和轻量化柔顺操作臂的完美结合，它既无限制地增大了工作范围，又有效地提高了操作灵活度和安全性，在作业环境复杂，任务多变的制造业及社会服务业中将发挥重要的作用。为此，我们将重点研究高效驱动电机、解耦万向脚轮、全向移动平台、柔顺运动关节、轻量化操作臂、自主定位导航、视觉伺服、移动操作协同控制、人机自然交互与人机协作等关键技术，从而显著提高移动操作机器人性能和智能化程度。

：您认为机器人的进一步发展还有哪些关键问题需要解决？

杨桂林：机器人与智能制造技术代表着一个国家制造业的发展水平，已成为世界发达国家的重点发展领域和产业必争之地。虽然我国从2013年开始就成为了工业机器人销量最大的国家，并出现了大规模投资机器人产业的热潮，但是国内大多数的企业尤其是中小型企业在机器人的应用上仍处于较低的水平，难以有效发挥机器人的功用。因此，要实现机器人的大规模应用，首先要解决机器人在应用过程中所遇到的各种问题，提高机器人的易用性。随着信息技术，特别是互联网技术、感知技术和传感器网络技术的快速发展，机器人技术及应用还将面临着以下几个方面的问题和挑战。（1）网络化能力：传统的机器人仅局限于本地操作，而当今的机器人不仅需要具有自主运行能力，更需要通过互联网实现远程在线监控和故障诊断，更多的要通过互联网实现远程控制与操作。（2）群体作业能力：对于复杂的作业任务，往往需要多机器人的互相配合才能完成，因此基于局域网的多机器人信息共享和协调控制将得到更普遍的应用。（3）对半结构化作业环境的适应能力：传统的机器人对作业环境的感知能力差，仅适用于固定的工况和确定的结构化环境。先进的感知技术将有效增强机器人对半结构化作业环境的感知和适应能力。（4）虚实融合能力：虚实融合技术已经开始在工业机器人的直觉示教与快速编程中得到了初步的应用，而今后虚实融合技术将与机器人离线仿真编程软件结合，实现硬件在环的仿真、编程与控制，从而提高机器人的动态调整和适应能力。

与此同时，要重点研发新一代工业机器人技术，因其核心特征是“与人共融”，即“任务共融、行为共融、智能共融”，需要解决的共性关键技术包括：与人行为合作的机器人机构与本体，对环境及人行为的感知与认知，自主学习与人工智能，人机行为合作方式与安全机制等。相信随着我国机器人产业的不断升级和国家与地方政府的大力支持，在不久的将来这些问题大部分将会得到解决，机器人将实现与人类协同工作，从而满足我国先进装备制造业及智能制造的发展需求。