智能仓储机器人设计——文献综述

一、前言

智能仓储机器人是机器人学中的一个重要分支。本课题的智能仓储机器人是一类移动机器人，关于行走机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式的和腿式的等；其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为；第三，必须考虑导航或路径规划。因此，行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。机器人的机械结构形式的选型和设计，应该根据实际需要进行。在机器人机构方面，应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用，开展丰富而富有创造性的工作。对于行走机器人，研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多，但大多数仍处于实验阶段，而轮式移动机器人由于其控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展，从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA 行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。智能移动机器人集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体 ,跨计算机、自动控制、机械、电子等多学科 ,成为当前智能机器人研究的热点之一[1]。

二、国外机器人的发展历史和现状

在国外，机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头[2]。

1939年--美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro[3]。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。
    1954年--美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1959年--德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”[4]。
    1962年--美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。
    1965年--麦卡锡帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。
    1965年--约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人[5]。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

1967年--日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产unimate机器人。
    1968年--美国斯坦福研究所成功研发的机器人Shakey[6]。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。
    1969年--日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”[7]。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
    1973年--世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3[8]。
    1978年--美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA[9]，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
    1984年--英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
    1998年--丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。
    1999年--日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)[10]，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。
    2002年--丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
    2006年--微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显[11]。

而移动机器人的研究可以追溯到20世纪60年代。 斯坦福大学研究所成功地研制一种典型的自主移动机器人 S h a k e y 。它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。与此同时， 以General Electric Quadruped为代表的步行机 器人也研究成功。它能在不平整，非结构化环境 中运动。70 年代末，随着计算机技术的发展和应 用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究 又出现新的高潮。特别是 80 年代开始，美国国防 部 DARPA 的支助下，由 CMU, Standford 大学和 MIT 等单位开展的ALV 研究；能源部制定的为期10 年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器 人计划；日本通产省的极限环境下作业机器人计划 和人形机器人计划；欧洲尤里卡中心的机器人计划等。除此之外，很多世界著名公司不惜投入重金，纷纷开始研究移动机器人。进入90 年代后，随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、系列化、智能化进军。涌现出许许多多智能移动机器人。如CMU 的Navlab系列移动机器人系统；德国Vamors-P和 Caravelle系统；日本本田公司的P 系列和ASIMO 人型机器人；日本索尼SDR-3X人型机器人和AIBO 娱乐型机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果[12]。

三、国内机器人发展

我国移动机器人是从八五期间开始这方面研究。同世界主要机器人大国相比，尽管我国在移动机器人的研究起步比较晚，但是发展却是很迅速。对于一些室外移动机器人的某些关键技术达到了或者接近国际先进水平。国内在轮式/履带式移动机器人方面开展了大量工作。 哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院自动化研究所、上海交通大学、北京航空航天大学、北京理工大学、清华大学、中国科学院深圳先进技术研究院、华中科技大学等单位开发了多种轮式/履带式移动机器人, 如智能轮椅、可变形机器人、复合结构机器人等, 开展了环境建模、避障路径规划、识别语音命令、人机对话、路标识别定位、作业臂抓取、多机协作等方法研究。 国防科学技术大学、清华大学、中国科学院合肥智能科学研究院、南京理工大学、浙江大学等单位在无人车自动驾驶方面都开展了大量研究和研制工作。国防科学技术大学研制的 HQ3 无人车实现了行驶、变线、超车等自主控制, 完成了 286 km 的高速公路无人驾驶[13]。目前，对移动机器人的研究主要集中在移动机器人的信息处理、导航控制上，随着其智能化程度的提高和成熟，移动机器人必然要向着具有操作能力的方向发展。给移动机器人装备操作机械手，构成具备智能移动机器人技术的移动机械手是该领域的一个研究热点和发展方向。移动机械手（ mobile manipulator ）系统是由一个机械手固定在一个全方位移动机器人平台上构成，机械手用来实现一些动作如抓取、操作等，通过平台的移动来扩大机械手的工作空间，使机械手能以更适合的姿态执行任务。在国家高科技研究发展计划（863）的资助下，以河北工业大学张明路教授为带头人的课题组承担了“危险化学反应器泄漏检测与修补移动机械手系统”（2003AA421040）的研究项目[14]。

四、总结

近年来 , 大部分研究工作都是围绕着自行车机器人动力学建模和提出新的控制算法这两方面内容展开的。 NeilH.Getz提出了一种较为简单的自行车机器人动力学模型 , 并为机器人设计了一个内部平衡控制器 , 在他所建的动力学模型中 , 将转动车把的扭矩和自行车后轮的驱动扭矩作为系统输入[15]。综合国内外机器人研究和应用现状，机器人的研究正在超智能化、模块化、系统化、微型化、多功能化及高性能、自诊断、自修复趋势发展，以适应多样化、个性化的需求向更大更宽广的应用领域发展。全球正在经历第四次工业革命，工业4.0以信息地理系统为基础，80%的创新由信息通信技术(ICT)推动。自动化、信息化是先进制造业的关键，机器人作为自动化技术的集大成者，仍然是工业4.0的最主要的基础设施之一。

参考文献

[1]欧青立,何克忠. 室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究[J]. 机器人,2000,06:519-526.

[2]张红霞. 国内外工业机器人发展现状与趋势研究[J]. 电子世界,2013,12:5+7.

[3]陆际联,李根深. 机器人发展史[J]. 机器人情报,1994,01:24-28.

[4]工业机器人产业现状与发展[J]机器人技术与应用/徐方，2007.5

[5]工业机器人运用技术/郭洪红编.北京：科学出版社，2008

[6]徐方. 工业机器人产业现状与发展[J]. 机器人技术与应用,2007,05:2-4.

[7]机器人技术及其应用/谢存禧.北京：机械工程出版社，2006

[8]骆敏舟,方健,赵江海. 工业机器人的技术发展及其应用[J]. 机械制造与自动化,2015,01:1-4.

[9]王芬芳,冯江源. 人工智能机器人[J]. 安徽科技,2000,05:45-46.

[10]张宇. 国外工业机器人发展历史回顾[J]. 机器人产业,2015,03:68-82.

[11]机器人发展史.百度文库

[12]徐国保,尹怡欣,周美娟. 智能移动机器人技术现状及展望[J]. 机器人技术与应用,2007,02:29-34.

[13]谭民,王硕. 机器人技术研究进展[J]. 自动化学报,2013,07:963-972.

[14]张明路,丁承君,段萍. 移动机器人的研究现状与趋势[J]. 河北工业大学学报,2004,02:110-115.

[15]朱磊磊,陈军. 轮式移动机器人研究综述[J]. 机床与液压,2009,08:242-247.