3 · 3 · 3 控制系统结构及发展

1. 3·3·3 控制系统结构及发展 有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分: 水上控制设备 水下控制设备 脐带电缆 航行控制系统、导航定位系统、信息采集系统、观察系统、作业设备控制系统、水面支持设备控制系统、电缆等构成 ROV控制系统由 AUV的控制问题涉及到许多方面 如机器视觉、环境建模、决策规划、回避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变换、动力学计算、多变量控制、导航、通讯、多传感器信息融合以及包容上述内容的计算机体系结构等

2. AUV可分为预 编程型和智能型 3.4 有缆遥控水下机器人 3.4.1 系统组成 有缆遥控水下机器人通常由水下潜水器本体、 中继器、零浮力脐带缆、水上吊放系统、绞车系统、 铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成

3. (1)水下机器人本体 (2) 控制系统 a. 潜水器 (3) 传感器 b.中继器 (4)动力及通讯传输系统 c.吊放系统 (5)中继器系统 d. 系缆 (6)吊放及绞车系统 e.皑装主缆 (7)作业工具系统 f.观察作业设备 • 水下机械手 • 剪切器 g. 控制间 • 水下清洗刷 • 砂轮锯 • 冲击搬手 • 破碎锤

4. 3.4.2 典型有缆遥控水下机器人介绍 • 海人一号 • (2)RECON-IV-SIA • (3)金鱼号 • (4)HD系列水下机器人

5. 3.5 无缆自治水下机器人 所谓自治就是自己管理自己，机器人本身带有能源、环境感知装置及有效的运动控制系统，它可以在海底障碍物附近运动;自动分析环境的变化，并根据环境的变化作出反应;自动检测内部状态以便进行紧急处理;能按给定的航线自动航行，同时实现定深、定向、定高、定距航行。 3.5.1 无缆自治水下机器人用途 无缆水下机器人主要用于海底地形考察及水文考察，搜索海底失事沉船，对失事海域现场进行测量，研究水下资源及海底矿产开发。由于没有脐带电缆，所有的操作都依赖于机器人本身自治完成。

6. 当前水下机器人的发展状况有如下特点: ① AUV的数量有大幅度地增加。据不完全的统计，80年代末，世界上AUV的总数不到20艘，到了90年代末，增加到近200艘。 ② 与ROV和载人潜器相比，当前AUV的研究工作倍受世界各国关注。 ③ AUV仍处于研究阶段，多数 AUV属于试验床或试用样机，可作为商品出售的不多。这些项目多由军方资助。 ④ AUV的应用时代已经开始。1997年起企业介人这一领域并在各类机构中已经占一半左右，企业的介人表明AUV的应用时代已经开始。

7. (1) AUV的分类 预编程型 按照AUV智能水平 智能型 监控型 预编程型是AUV中最简单的一种，这种机器人在执行使命时基本上是按照程序的编排进行作业，它具有简单的越过障碍和发生故障时进行处理的能力，有的AUV还能接收简单的遥控命令 (如修改航线)并加以执行。 预编程型AUV已经迸人了实用化阶段，法国的"逆载鲸"、俄国的"MT-88"、美国的"AUSS"及我国的"CR-01都有良好的应用记录。

8. 近程型(连续航行<100km ) 按照AUV航程 远程型(连续航行>100km ) 局部使命型 按照AUV使命范围 大范围使命型 军用AUV 按照AUV应用目的 民用 AUV

9. (2) AUV的特点 ①重量轻、外形尺寸小。 ②活动范围大，机动性好。 ③对气象条件的依赖性小 ④制造和使用成本低 ⑤快速响应能力 从国际上的各类水下机器人的发展动向上来看， AUV是世界各国研究和发展的热点。 就水下机器人而言，21世纪将是AUV的世纪。

10. 3.5.2 典型无缆自治水下机器人介绍 (1)"探索者"号1000m自治水下机器人 我国从20世纪80年代开始AUV的研究，1990年由中科院沈阳自动化所等单位联合研制我国第一台无缆自治水下机器人 “探索者”号。1994年"探索者"号研制成功，并进行了深海试验。"探索者"号的主要用途是深海环境下海洋参数的调查。

11. (2) "CR-01"6000m自治水下机器人 1995年中国和俄罗斯联合研制开发的“CR-016000m自治水下机器人，主要用途是进行海底调查。 CR-016000m机器人可进行地形扫描，浅地层剖面测量，温度、盐度、深度等海洋要素测量，拍照，录像等作业。采用预编程方式航行，其最大工作水深为6000m，最大续航能力可达23h。1995年和1997年两次在太平洋进行作业实验，获取了大量深海多金属结核储量和分布的信息。

12. 3.6 水下机器人技术发展趋势 (1) ROV发展趋势 ①增加作业深度 向超过10000m以下的大深度发展，这是海洋石油工业向大深度发展的需要。目前工作深度在3000m的ROV己经较为普遍，有的甚至达到10000m。可以说R0V的工作深度几乎已经能够覆盖全部的海洋空间。 ②繁重作业能力 无论是海洋石油开发，还是打捞救生作业，都对ROV的作业提出了越来越高的要求，要求ROV替代人承担纂重的作业，针对各种各样作业任务开发的专用工具也越来越多和复杂。专业化、组合化，根据用户要求进行组合，以适应复杂的海况和作业条件。

13. ③ 降低成本 与上面的发展趋势相反，为适应ROV不断扩大的应用范围，努力降低作业成本并向小型化发展，全电型、低成本的ROV不断出现，尤其在内湖地区为用户提供了更大的选择余地。 ④ 高性能 随着技术的发展，尤其是计算机技术，使ROV具有比以往更高的性能。将来的ROV将具有更高的智能、更真实广阔的视场、更高的运动性能、友好的人机界面，减轻操作者的劳动强度，增加可靠性和安全性，便于操作，以最终实现完全替代潜水员的水下作业的理想目标。

14. (2) AUV发展趋势 ① 智能化 目前所开发的AUV的控制和任务的执行大多数采用预编程形式，智能化程度较低。随着机器智能、虚拟现实、遥操作技术的发展，AUV将能得到快速的发展，在更多的领域替代载人潜水器和ROV. ② 远程化 AUV没有ROV所必须具有的电缆联系，使得AUV有条件向更深、更远的方向发展。军事用途是AUV重要的发展方向，作战需要要求AUV技术在远程、精确定位、隐形的技术等方面发展。 ③ 作业化 世界上现有的AUV绝大多数只能用于观察和测量，不具备作业能力。作业型AUV是目前各国努力发展的技术，是一个具有较大挑战的技术难点。 ④ 低成本 目前AUV的发展通常为军事驱动和政府行为，发展低成本AUV以及发展浅水和极浅水的AUV也是目前AUV的发展方向。

15. 第四章 服务机器人 4·1 服务机器人概述 目前，商品化的机器人主要应用在生产制造业中，如汽车业、摩托车、工程机械、电器制造业。然而，随着机器人技术的发展，机器人的应用领域已不再局限于传统的制造业。在机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现，正在给人们的生活带来越来越多的惊喜，同时也使人们的生活变得越来越舒适和安逸。 定义 所谓服务机器人是一种以自主或半自主方式运行，能为人类健康提供服务的机器人，或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。

16. 服务机器人与工业机器人有许多相似之处，如动作规划、自主运行等等，但是服务机器人与工业机器人本质的不同在于应用领域的不同。工业机器人主要应用于生产制造领域，代替或协助人类完成生产性的工作，如焊接、装配和搬运等等;服务机器人与工业机器人有许多相似之处，如动作规划、自主运行等等，但是服务机器人与工业机器人本质的不同在于应用领域的不同。工业机器人主要应用于生产制造领域，代替或协助人类完成生产性的工作，如焊接、装配和搬运等等; 服务机器人主要是代替或协助人类完成为人类提供服务和安全的各种工作，如清洁、护理、娱乐和执勤等等。因此，服务机器人有别于工业机器人的特征主要体现在任务要求、操作环境和机械结构等方面。 (1) 任务要求 服务机器人的主要职能是提供和完成服务。目前，服务机器人涉及的服务类型主要包括清洁、运送、监视、检查和探测等等。这些任务具有多样性，因此与任务相关的专门技术将是服务机器人的核心技术。

17. 家用吸尘器主要用于清除家庭地板的灰尘、纸等碎小脏物，它应能在狭小的空间自由移动 清洁机器人 公共建筑物地板清洗机器人除具有自主移动功能外，还要具有清洗和干燥的功能 建筑物外表清洁机器人要具有爬壁和清洗双重功能 运送机器人 它通常在已知的环境中工作，用来运送邮件、文件、资料、试样、药品等

18. 主要用于诸如仓库、博物馆、银行等重要场所，对人侵者进行搜索、侦察，实施火灾检测和报警等 监视机器人 检查机器人主要用于寻找桥梁结构的裂纹，发现原子能发电厂的核辐射、化工厂或有害药品仓库的泄露等 探测机器人主要是在危险场合或人类不可达到的地方完成探索和测量的任务，如火星漫游探测机器人

19. (2) 作业环境 机器人的作业环境通常分为结构化环境和非结构化环境两类。结构化环境是指机器人工作的周围场所是固定的布局，非结构环境则相反。工业机器人主要是在结构环境下工作，而服务机器人作业环境包括结构化环境和非结构化环境两类，但主要是在非结构环境下工作。特别是服务机器人经常要处于与人共存的环境中，这种环境通常是非结构性的。 非结构环境又可以分为部分非结构化和完全非结构化。 部分非结构化环境是指经常发生突发性事件的结构化环境，又称为准结构化环境，如办公室、公共建筑、超级市场、家庭居室等，特征是平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅走廊等。 完全非结构化环境是指环境随时间发生变化，如建筑工地、野外、水下、空中、公路等。目前在这类环境中应用的机器人大都是遥操作型而非自主型机器人。

20. (3) 机械结构 机械结构通常指机器人的本体结构。任务和作业环境决定了服务机器人的结构形式。按照其本体结构的运动能力，服务机器人可分为静止式和移动式两类。 静止式服务机器人通常工作于结构化环境，机器人与环境之间的互动较少，任务比较单一。采用多关节臂结构形式的服务机器人往往就能胜任在这类环境下的作业，如汽车加油、飞机清洗、医疗保健、残疾人自理等。 移动式结构是目前大多数服务机器人本体的结构形式。移动机构可分为轮式结构、履带式结构、爬式结构、脚式结构和滚筒式结构等。结构形式不同其复杂程度也不同。 服务机器人工作于结构化环境时，一般采用较简单的轮式移动机构。 非结构化环境对服务机器人的移动机构要求较高，环境越复杂，移动机器人的移动机构的形式也越复杂，以至于有复合型移动机构。

21. 4.2 服务机器人的关键技术 由于服务机器人经常与人在同一工作空间内，服务机器人比工业机器人要有更强的感知能力、决策能力和与人的交互能力。 ① 环境的表示 服务机器人通常在非结构化环境中以自主方式运行，因此要求对环境有较为准确的描述。如何针对特定的工作环境，寻找实用的、易于实现的提取、表示以及学习环境特征的方法是服务机器人的关键技术之一。 ② 环境感知传感器和信号处理方法 服务机器人的环境传感器包括机器人与环境相互关系的传感器和环境特征传感器。前者包括定位传感器和姿态传感器，后者是与任务相关的专门类型传感器，它随机器人的工作环境变更，如玻璃幕墙清洗机器人所用的玻璃洁净度传感器、窗框传感器等，这类传感器可以是直接的或间接的，通常需要借助多传感器信息融合技术将原始信号再加工。

22. ③ 控制系统与结构 机器人控制系统和体系结构研究目前主要集中在开放式控制器体系结构、分布式并行算法和多算法融合等方面。对于服务机器人控制器而言，更加注重控制器的专用化、系列化和功能化。在移动机器人中，基于网络的开放式控制器已逐渐成为发展趋势。 ④ 复杂任务和服务的实时规划 机器人运动规划是机器人智能的核心。运动规划主要分为完全规划和随机规划。完全规划是机器人按照环境-行为的完全序列集合进行动作决策，它源于生物学中的刺激-反应原理，环境的微小变化都将使机器人采取不同的动作行为。而随机规划则是机器人按照环境-行为的部分序列计划进行动作决策。 ⑤ 适应于作业环境的机械本体结构 设计在非结构环境下工作的服务机器人是一项富有挑战性的工作。灵巧可靠、结构可重构的移动载体是这类机器人设计成功的关键。服务机器人作为人的助手，经常与人进行接触，所以服务机器人的安全性、友善性应首先考虑。

23. ⑥人-机器人接口 人-机器人接口包含了通用交互式人机界面的开发和友善的人机关系两个方面。服务机器人与工业机器人显著的区别之一是人经常与服务机器人共处于同一空间。因此，安全性、友善性和简单化就显得尤为重要。 这里的友善性包含两个含义:一是指外形的宠物化、拟人化;二是指操作界面应实用美观。 服务机器人的出现主要有两个原因:一是劳动力成本的上升;另一个是人们想摆脱令人烦恼枯燥的工作，如清洁、家务劳动、照料病人和建筑施工等。另外，福利事业，特别是老年人数成比例地上升也为服务机器人创造了一个广大的市场，这类机器人主要是帮助老年人和残疾人能够更加独立地生活。 目前，国内外的研究机构和大学对服务机器人相关技术的研究和产品开发十分活跃，已经出现了多种类型的服务机器人系统。据国际机器人联合会 (IFR)的调查，到1998年底，世界服务机器人的总数估计在5000台以上。

24. 4.3 典型的服务机器人 4.3.1 医疗机器人 医疗机器人是指辅助或代替人类医生进行医疗诊治及护理的机器人。医疗机器人有多种类型，如医疗外科机器人、X射线介人性治疗机器人、无损伤诊断与检测微小性机器人、人工器官移植与植人机器人、康复与护理机器人等。目前研究和应用较多的是医疗外科手术机器人，这里介绍两种外科手术机器人系统。 (1) 脑神经外科手术辅助机器人 脑神经外科手术辅助机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层面扫描图像 (computed tomography)或核磁共振图像(magnetic resonance imaging)的三维医疗模型，对脑神经外科手术进行规划与虚拟操作，最后由机器人进行辅助定位或手术操作。

25. 脑神经外科手术辅助机器人主要由手术规划和辅助手术两大部分组成。脑神经外科手术辅助机器人主要由手术规划和辅助手术两大部分组成。 手术规划是以计算机图形学为基础，以CT、MRI、血管造影等影像学技术为主要手段获取医疗图像，并对这些图像进行处理和三维模型重建，在手术前获得病人病灶点及周围组织的三维立体图像，构成一个 “虚拟病人”，通过虚拟现实技术的各种仿真及交互方法，医生可以反复对病人进行虚拟手术，确定最佳的手术方案。 辅助手术操作是在规划完成后，规划的手术方案的技术参数将从规划系统传送给机器人控制器，通过映射测量和映射算法将图形空间的规划参数变换到机器人操作空间，机器人按预定的手术方案完成指定的辅助手术操作。

26. (2) 辅助内镜外科手术机器人 内镜外科手术是近十几年发展起来的一种微创伤外科手术。与传统的开放性外科手术比较，具有创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗社会成本等优点。目前，内镜外科手术已得到医学界的普遍认可，已有成千上万的患者受益于此项技术。到2000年在美国、欧洲和日本等西方国家将有60%～80%的腹腔外科手术采用内镜外科手术方式。我国部分医院也在外科和妇科开始应用内镜外科手术。 现有内镜外科手术机器人还存在不足之处，主要问题是: ①手术时医生需要一边观察监视器上的图像，一边操作手术器具，而内镜则需要由另一名医生操作，这样，不仅要花费较多的人力，而且难于保证内镜的准确定位和图像的稳定性，影响手术的安全系数; ② 医生操作内镜时缺乏应有的触感，容易产生误动作，而引起对内脏器官的损伤。为此，采用内镜手术要求医生经过专门训练，具有熟练精湛的操作技巧，从而影响了这项技术的普及。

27. 辅助内镜外科手术机器人是由机器人手臂代替人工操作内镜，机器人手臂可实现微小运动、微小定位和微操作功能，以满足内境在人体内的姿态控制和深度控制要求。在进行远程外科手术时，有经验的医生可在控制室内，通过视频监视器、遥控台及声音通信去操作手术室里的机器人手臂和对现场手术医生进行全过程指导。辅助内镜外科手术机器人是由机器人手臂代替人工操作内镜，机器人手臂可实现微小运动、微小定位和微操作功能，以满足内境在人体内的姿态控制和深度控制要求。在进行远程外科手术时，有经验的医生可在控制室内，通过视频监视器、遥控台及声音通信去操作手术室里的机器人手臂和对现场手术医生进行全过程指导。 辅助内镜外科手术机器人系统的关键技术有: ①O 机器人运动机构和微小定位、操作的研究; ②O 医生与机器人协调作业系统和微控制器的研究; ③O 内镜实时图像处理和识别技术研究; ④O 基于视觉、触觉信息融合的内镜主动引导技术的研究; ⑤O 多媒体和信息网络在远程人机通信和协作应用的研究; ⑥O 系统安全性的研究。