第09章特种机器人应用概要PPT文件格式下载.pptx
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多机器人和操作者之间的协调控制；
通过网络建立大范围内的机器人遥控系统；
对有时延的环境,克服时延所造成的控制上的困难；
通过事先对可能出现的情况及对策的详细研究,进行局部自治控制等。
人机接口在包括虚拟环境的人机接口方面的研究工作非常活跃,开发出了各式各样的输人和输出装置,如三维鼠标、数据手套、快门眼镜、头盔等,各种具有更好性能的临场感方法相继被提出来,如具有类似人的大小的手、臂和双眼视觉系统等。
利用临境技术建立机器人工作环境,让操作者身临其境的进行操作。
目前在利用多种传感器的实时信息动态实时地建立环境模型方面,有很多问题有待研究。
第9章特种机器人应用,特种机器人系统传感器和信息融合技术只有借助于大量的智能传感器的帮助，特种机器人才能够为遥控者提供环境参数，才能在需要的时候实现在动态环境中的自主控制。
随着传感器系统的复杂化，如何有效地进行传感信息的分析利用也是特种机器人设计的一个重点内容。
导航和定位问题大部分工业机器人不存在机器人本体的导航和定位问题，但是对于大部分特种机器人而言，导航和定位功能是实现最终功能的一个基础。
目前常用的特种机器人导航定位技术主要是轨道导航定位、光学导航定位、感应导航定位，新型智能导航定位技术将给特种机器人的发展带来新的突破。
第9章特种机器人应用,特种机器人系统机器智能特种机器人大多对其智能程度有更高的期望,满足其在未知或部分未知环境中自主作业的需要。
特种机器人的智能可以体现在其工作的各个方面,包括诸如对环境的感知、信息的处理、行为决策、与人的协调和自学习等。
传统的符号推理系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等都是人们在实现人工智能方面的努力。
这方面的研究还远没有达到人类期望的目标。
虚拟机器人技术许多特种机器人,在用于空间、水下、地面、地下、农业和食品加工、消防和救援、医疗和护理、休闲和娱乐等时,遥控不失为一个主要手段。
基于多传感器、多媒体和虚拟现实、临场感的虚拟遥控操作和人机交互,成为需要共同发展的一项技术。
第9章特种机器人应用,特种机器人系统机器人网络协作现代网络技术的发展促进了人对机器人异地控制的进步。
同时，随着功能要求和环境复杂程度的提高，多机器人协同完成特定任务成为一种可行的技术。
机器人网络协作研究主要包括网络接口技术与装置、众多信息组的压缩与解压方法及传输方法的研究。
多智能体协调控制技术包括用于实现决策和操作自主的多智能体组成的群体行为控制技术。
微型和微小机器人技术包括微机构、微传感及相应的微系统集成技术等。
软机器人技术主要研究在未来众多的人与机器人共存的环境中,机器人对人的安全保护性技术。
仿人与仿生技术包括机构、传感控制和系统技术。
第9章特种机器人应用,9.2特种机器人系统9.2.2基于行为的特种机器人体系结构对于特种机器人的体系结构，布鲁克斯（Brooks）提出的包容体系结构是最有名的基于行为的控制体系结构。
在基于行为的控制系统中，直接从传感器的感知数据计算得出特种机器人的动作，系统由一组并行运行的行为组成。
每个行为知道如何对环境中的事件和状态做出反应。
每个行为只需接收检测到的事件和状态所需要的传感器数据，并推算出相应的响应，从而将传感器数据处理减到最少。
此外，每个行为直接向执行机构发送命令，在任一时刻通过协调行为选择控制特种机器人所需要的行为来执行任务。
这种类型的控制系统最明显的优点是在环境空间中运行时能够及时地对环境中不可预测的事件做出反应。
基于行为体系结构的一个重要特点是只需少量的内存和简单的表示。
它没有世界模型，系统模块之间信息流的表示也很简单。
因为没有表示之间复杂的变换，也不需要刷新复杂的模型，这些特点有利于提高系统的快速反应性。
第9章特种机器人应用,9.2特种机器人系统9.2.3特种机器人研究关键科学问题针对21世纪发展特种机器人技术的战略性需求,结合国际机器人与自动化学科的前沿发展,有如下重点研究的科学问题:
特种机器人学中的拟人智能技术研究；
未知环境信息获取、理解和控制的新机制新理论；
复杂环境中的机器人自主工作新方法与新理论；
机器人精确自定位新手段与新技术；
生态机器人学研究,即研究生态学原理在特种机器人设计中的应用；
仿人机器人运动学、动力学控制新方法；
特种机器人的人机交互问题研究,包括监控技术、通讯技术和远程操作技术。
第9章特种机器人应用,特种机器人应用实例水下机器人水下机器人诞生于20世纪90年代初，由于所涉及的新技术在当时还不够成熟，同时电子设备的故障率高，通信的匹配以及起吊回收等问题也未能很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视。
到了60年代，国际上兴起两大开发技术，即宇宙和海洋开发，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展。
在近几十年，由于海洋开发与军事上的需要，同时水下机器人本体所需的各种材料及技术也已得到了较好的解决，因而水下机器人得到了很大发展，开发出了一批能工作在不同深度，并进行多种作业的机器人。
这些水下机器人可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道铺设和检查、电缆铺设和检查、海上养殖、江河水库的大坝检查及军事等领域。
因此，有理由相信随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到更大的发展。
第9章特种机器人应用,特种机器人应用实例与载人潜水器相比，水下机器人具有以下优点：
水下连续作业持续时间长；
由于无需生命维持保障设备，可以小型化；
对人没有危险性；
机动性较大；
在许多场合对气候条件的依赖性较小；
制造和使用成本较低；
能在非专用船上使用。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例在1934年,美国研制出下潜934米的载人潜水器。
1993年又研制出无人有缆遥控潜水器。
其后的发展大致经历了三个阶段。
第一阶段从1993年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器。
其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
第二阶段1979至1989年是遥控潜水器大发展时期。
海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。
第三阶段1989年后，潜水器进入一个新的发展时期。
80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发,研制出“海人”1号（HR-1）水下机器人,成功地进行了水下实验。
第9章特种机器人应用,特种机器人应用实例水下机器人结构水下机器人由3个主要系统组成：
执行系统、传感系统和计算机控制系统。
执行系统包括机器人主动作用于周围介质的各种装置，如在水中运动的装置、作业执行装置机械手、岩心采样器和水样采样器等。
水下机器人的传感系统是用来搜集有关外界和系统工作全面信息的“感觉器官”。
通过机器人这种传感系统，在与周围环境进行信息交互的过程中，便可建立外部世界的内部模型。
水下机器人的计算机控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的设备的综合系统，根据这些信息形成对执行系统的控制功能。
水下机器人在工作时，不管其独立性如何，都必须与操作者保持通信联系。
（1）水下机器人载体外形特点和形状的选择水下机器人的大小各不相同，最小的只有几公斤，最大的则有几十吨（用于海底管线和通信电缆埋设的爬行式水下机器人）。
大多数水下机器人结构具有长方体外形的开放式金属框架，如图所示，框架大多采用铝型材。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例
（2）推进模式除个别水下机器人采用喷水推进外，大多浮游式水下机器人采用螺旋桨推进（如图所示）。
一般在螺旋桨外还加导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。
推进器驱动方式一般有电动机驱动和液压驱动两种，小型ROV和AUV多采用电动机驱动，大功率、作业型水下机器人推进器通常采用液压驱动。
水下机器人要实现水下空间的6自由度运动，即3个平移运动（推进、升沉、横移）和3个回转运动（转首、纵倾、横摇）。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例（3）密封及耐压壳体结构水下机器人密闭容器如电子舱通常采用常压封装，相对于环境压力的密封通常采用O形圈密封，与陆地密封条件不同的是水下为外压密封，在设计中要特殊考虑。
压力补偿技术是水下机器人常用的耐压密封技术，水下机器人设备（如液压系统、分线盒）内部充满介质（液压油、变压器油、硅脂等），另设一个带有弹簧的补偿器与设备舱体用一个管路连接，补偿器的外部与水连通，内部压力始终高于外部压力。
带有补偿器可使水下容器的密封和耐压变得简单可靠，且重量轻。
浮游式水下机器人采用浮力材料来为载体提供浮力，以保证水下的灵活运动。
浮力材料通常采用高分子复合材料（树脂发泡或玻璃微珠）。
浮力材料要求密度小、耐压强度高、变形小、吸水率小。
考虑到流体运动的阻力和重量与排水量的比例等因素，潜水器耐压壳体的形状大致有如下几种：
球形、椭圆形和圆筒形。
其各自的优缺点如表所示。
第9章特种机器人应用,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例（4）水下机器人观测、照明布置主要是摄像仪器及照明设备的布置。
摄像是整个设备的核心，是作业人员获取信息与控制潜水器的重要依据。
照明是辅助摄像的设备，照明质量的好坏直接影响摄像的质量，因此采用发光强度高，穿透能力强的卤素灯作为高质量摄像的保障。
摄像装置一般放在整个装置的最前端，这样放置的理由有二：
一是便于观察，能够及时对勘探现场进行实时控制；
二是便于整体结构的平衡，由于推进电动机在整个装置的尾部，需要有一定的重力使其在水中平衡。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例2水下机器人的驱动
（1）电力目前，自治水下机器人通常采用铅酸或银铅充电电池，水下机器人的水下作业时间只有几小时，不能满足长时间连续航行的要求。
锂钴二氧化物、铝锌氧化物和铅氢过氧化物为新型的充电电池，其能量密度为银锌电池的3l0倍，使用这种新型电池能使自治水下机器人的作业时间达48h，因而是候选能源系统。
燃料电池和热功发电机目前可供自治水下机器人作业数天，通过不断的研制，可望为自治水下机器人提供数周作业时间所需的能源，是自治水下机器人比较理想的能源系统。
电力虽然在水下环境中有缺点，但大多数的现代水下机器人都是靠电力或液压系统推进驱动的。
蓄电池是载人水下机器人和无人无缆水下机器人的主要动力源，而带缆水下机器人则由水面电源供电。
大部分无人水下机器人的动力源都使用铅酸、镍铬或银锌电池。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例2水下机器人的驱动
（2）电动机尽管在水下，普通电动机的使用受到限制，但采取一定的保护措施、经过改装或专门的设计，电动机仍广泛应用于水下机器人。
事实上，绝大多数水下机器人（载人的或无人的，带缆的或无缆的）推进都是以电动机作为动力源的。
电动机与推进装置连接，可以直接通过回转轴，也可以通过液压泵、磁性连接轴等间接形式。
可供选择的电动机电流形式有直流和交流两种。
一般以蓄电池组为电源的大多数自治水下机器人采用直流电动机。
置于舷外海水中的推进（推力）器用的电动机有三种基本结构：
敞开式、压力补偿式和封闭式。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例2水下机器人的驱动（3）水下机器人的动力系统水下机器人的电能供给方法，在很大程度上决定于水下机器人的类型。
目前水下机器人有以下三种供电方式:
独立的机载电源，通过电缆远程供电，综合供电。
1）独立的机载电源用于无缆水下装置，有时也用于拖曳式水下装置。
通常都采用蓄电池（酸性电池、银锌电池、碱性电池）作电源。
2）通过电缆远程供电用于拖曳式和遥控式水下作业装置。
一般都是沿电缆的动力芯线将电能输送给水下作业装置。
根据电缆的长度选择母船供给的电压值。
通常采用交流电源，经过变压、整流再送到潜水器里。
3）采用综合供电方式时，母船通过同轴电缆与水下机器人联系。
在母船和水下机器人之间，在直接靠近机器人处，安有一个特殊的动力锚。
通过这种装置可完成下述动作：
在海底定点，消除海面波浪对水下机器人的影响，消除主电缆对水下机器人的影响。
此外，还可以在动力锚上安装蓄电池或者其他所需功率的电源，这样可以大大减少电缆传输的电功率。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例3.水下机器人的导航与定位系统水面船舶的导航发展成一门独立的学科，但是这种导航是二维导航，或称为平面导航。
军用潜艇的出现，并没有从根本上改变这种平面导航的概念。
这是因为目前潜艇的活动深度不大，最大亦只有900m，这实际上只活动在海洋容积的2%之内。
由于潜水器征服了所有的海洋深度，可以活动在任何海域，因此潜水器的导航是一种三维的立体导航。
由于目前的潜水器活动大多依赖于母船，同时受潜水器自身尺寸和重量的限制，因此可以把潜水器的导航分为水面导航和水下导航两部分。
前者通常由水面母船来完成，即确定母船相对于地球坐标的位置，而水下导航则往往是相对于水面母船而言，将母船作为一个水面方位点来确定潜水器的水下相对位置。
而潜水器的水下导航概念又大致可以分解为大面积搜索和小面积定位两个方面。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例对于深海导航，几种常规导航方法基本上都不理想。
电磁波在海水中的衰减十分迅速，10kHz的电磁波每米衰减达3dB，这使所有无线电导航和雷达都无法在深海使用。
因此，通常水下机器人有效的定位方法是航位推算法和声学方法。
潜水器用的多普勒导航声呐原理图,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例潜水器的导航定位最常见的是利用水声设备来完成。
过去作战潜艇用的“主动式声呐”，可以利用目标的反射来确定它相对于主动式声呐的方位和距离。
由于潜水器实际上是一只金属的耐压球，因此，是一个很好的声波反射器，如果利用母船上安装的“主动式声呐”亦可以测到潜水器相对位置，并对潜水器进行跟踪。
这种“主动式声呐”中性能比较好的都往往由军事部门控制。
由于上述原因，这种系统并没有在潜水器导航上获得更多的应用。
短基线系统是确定潜水器相对于辅助母船位置的最精确的系统。
在精确水面定位系统的配合下，该系统可提供相当精确的地理坐标和很高的再现性。
一般短基线系统的原理如图所示。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例3.水下机器人的导航与定位系统,短基线系统原理,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例4终端导航装备潜水器执行各种各样的任务，必须要以某种方式去触及目标。
在这之前，潜水器的导航系统只能把潜水器引导到目标附近，而这两者之间还需要有一个桥梁，这就是终端导航。
潜水器目前最常用的终端导航设备是声成像声呐、水下电视和带水下照明的观察窗。
如图所示为Tritech推出的Gemini多束海底成像声纳。
Gemini多束海底成像声纳,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例5.水下机器人的作业执行系统近年来，随着海洋事业的发展，水下机器人得到了广泛的应用。
但水下机器人本身仅是一种运载工具，如进行水下作业，则必须携带水下作业工具。
可以说，水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，没有它，水下机器人充其量只是个观察台架而已。
因此，水下机器人的作业系统从20世纪90年代末期第一次应用在CURV-1水下机器人中时起，便与水下机器人一道得以迅速发展。
特别是近10年来军事方面的用途和海洋石油开发，进一步促进了作业系统的发展。
携带水下作业系统使水下机器人扩大了使用范围，增强了实用性。
现有水下机器人的作业系统包括12个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包。
2010年4月20日，英国石油公司租赁的位于美国墨西哥湾的一座半潜式钻井平台爆炸起火。
钻井平台底部油井漏油不止并引发了大规模原油污染，已成为美国历史上最严重的生态灾难。
英国石油公司就曾利用机械手切割海底石油管用以堵住海平面下1千多米深处的漏油管道，如图所示。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例5.水下机器人的作业执行系统,英国石油公司利用机械手切割海底石油管,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例6水下机器人实例
（1）国外水下机器人美国SeaBotix公司研制的观察型ROVLBV190，如图所示，在空气中质量为1014kg，最大下潜深度190m，有2700扫描声纳，2个摄像头，测深器工作水深90m。
另一种相似的ROVLBV300，如图所示，在空气中质量为1316kg，工作水深100m，主要用在浅水港湾警视、监视，还可对堤坝进行质量和安全性检测，目前该机器人产品已进入市场。
LBV190遥控水下机器人,LBV300遥控水下机器人,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例6水下机器人实例日本研制的MARCAS2900型履带式海底行走机器人（如图9所示）可在水下2900m的海域实施各种作业：
埋设或挖出电缆上的障碍物、探测海底电缆的故障点、切断或回收海底电缆、勘测海底等。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例6水下机器人实例
（2）中国水下机器人我国从二十世纪七十年代开始较大规模地开展潜水器研制工作，先后研制成功以援潜救生为主的7103艇（有缆有人）、型救生艇（有缆有人）、QSZ单人常压潜水器（有缆有人）、8A4水下机器人ROV（有缆无人）和军民两用的HR-01ROV，RECONIVROV及CR-016000m水下机器人AUV（如图所示）等，使我国潜水器研制达到国际先进水平。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例6水下机器人实例作为我国“863”计划重大专项，由中国船舶重工集团公司702研究所研制成功的7000米潜水器长8米、高3.4米、宽3米，如图9-13所示。
该潜水器由特殊的钛合金材料制成，在7000米的深海能承受710吨的重压，运用了当前世界上最先进的高新技术，实现载体性能和作业要求的一体化；
与世界上现有的载人深潜器相比，具有7000米的最大工作深度和悬停定位能力，可到达世界99.8的洋底。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例9.3.2地面移动机器人地面移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地面运动的物体。
地面移动机器人的研究最早可追溯到二十世纪五十年代初，美国BarrettElectronics公司研究开发出世界第一台自动引导车辆系统。
由于当时电子领域尚处于晶体管时代，该车功能有限，仅在特定小范围运动，目的是提高运输自动化水平。
到了六、七十年代，美国仙童公司研制出集成电路，随后出现集成微处理器，为控制电路小型化奠定了硬件基础。
到了八十年代，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普遍关注。
在移动机器人的发展中，出现两个机器人大国，一个是日本，另一个是美国。
时至今日，各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来，其应用范围从民用、工业用到警用、军用。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例9.3.2地面移动机器人1地面移动机器人的概念、结构形式针对不同的应用领域、不同的操作需要,移动机器人系统的结构形式也大相径庭。
但基本上,可以分为轮式移动机器人、履带式移动机器人、仿生足式移动机器人和蠕动爬行移动机器人几种结构形式。
轮式,履带式,仿生足式,蛇形,第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例9.3.2地面移动机器人在轮式地面移动机器人中，车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。
在轨道上运行的多采用实心钢轮，室外路面行驶的采用充气轮胎，室内平坦地面上的可采用实心轮胎。
车轮形状如图所示。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例9.3.2地面移动机器人履带机构的常见形状如图所示。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例9.3.2地面移动机器人根据实际使用场合的要求，履带也有采取其他形状的，如形状可变履带。
所谓形状可变履带，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例2.地面机器人关键技术地面移动机器人系统一般包括机构环节、驱动控制环节、全局反馈环节。
其中高性能驱动控制器、多传感器数据融合、运动学动力学求解理论等已成为地面移动机器人系统的研究热点。
（1）离线驱动控制实现离线驱动控制存在两个关键问题。
研制功重比高的动力源；
研制小型、大功率、集成化的新型电机驱动控制单元。
在解决动力源方面,研究人员一般采用聚合物锂离子动力电池,取得了一定成效。
在驱动控制单元方面,随着DSP技术以及SOC（systemonchip）和SIP（systeminpackage）的发展,将复杂的机器人运动控制算法与单电机控制算法融为一体,将多个驱动芯片挂靠在同一控制微处理器上,同时将多个这样的单元以总线的形式互连,从而构成集成化的控制系统是研究中采用的主要思路。
第9章特种机器人应用,9.3特种机器人应用实例2.地面机器人关键技术多传感器数据融合技术运动学动力学理论目前
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