早在1989年，工業(yè)機器人的開拓者JoeEngelberger就預(yù)測：未來機器人最大量的應(yīng)用領(lǐng)域是非工業(yè)領(lǐng)域。這個預(yù)測準確地反映了機器人的發(fā)展方向，經(jīng)過幾十年技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人正在從車間走向野外和服務(wù)場所。工程機器人就是其中的一個重要分支。

    隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程機器人越來越廣泛地被應(yīng)用到許多行業(yè)當(dāng)中，尤其是在高危、惡劣環(huán)境以及枯燥、繁重的作業(yè)領(lǐng)域，對工程機器人的需求更加迫切。因而，工程機器人的開發(fā)與應(yīng)用，引起了世界各國的高度重視，產(chǎn)品發(fā)展前景十分廣闊。

    1 工程機器人的定義與分類

    工程機器人是一種面向高危及特殊環(huán)境下依靠自身動力和控制能力來進行工程施工作業(yè)的遙操作多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。它既具有工程機械的大功率、多功能、適用范圍廣的優(yōu)點，又具有機器人的靈活移動、環(huán)境感知、智能識別等各種功能。

    工程機器人是機器人家族中的新成員。與工業(yè)機器人在固定環(huán)境下依據(jù)事先編制的程序運行不同，工程機器人主要在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作，靠接受人類指揮，或依據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。因此工程機器人更強調(diào)感知、思維和復(fù)雜行動的能力，比一般意義上的工業(yè)機器人需要更大的靈活性、機動性，具有更強的感知能力、決策能力、反應(yīng)能力以及行動能力。工程機器人從外觀上也遠遠脫離了最初工業(yè)機器人所具有的形狀。工程機器人融合了更多學(xué)科的知識，如機構(gòu)學(xué)、控制工程、計算機科學(xué)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)、仿生學(xué)等。

    工程機器人根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可以分為：農(nóng)林業(yè)工程機器人、工業(yè)工程機器人、建筑工程機器人、礦業(yè)工程機器人、核工業(yè)工程機器人、搶險救援工程機器人、軍事工程機器人等；按作業(yè)方式可以分為：破拆機器人、搬運機器人、抓取裝卸機器人、探測機器人等。

    2 工程機器人的基本結(jié)構(gòu)與工作特性

    工程機器人的基本特征是液壓驅(qū)動、遙操作、移動作業(yè)，具有大功率作業(yè)、寬范圍作業(yè)、多功能作業(yè)和智能作業(yè)的特點。

    工程機器人的基本構(gòu)成包括：控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、執(zhí)行機構(gòu)和感知系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 工程機械人的基本構(gòu)成

    驅(qū)動系統(tǒng)：工程機器人大多采用液壓驅(qū)動，其特點是：驅(qū)動功率大，功率密度高，易于實現(xiàn)大范圍無級調(diào)速和力控制，防過載性能好。由于液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)直接驅(qū)動，省去工業(yè)機器人的減速機加伺服電機的傳動機構(gòu)，使得驅(qū)動系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。隨著液壓伺服控制技術(shù)不斷提高以及數(shù)值液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓驅(qū)動將更能代表機器人的節(jié)能化、輕量化、緊湊化和智能化的發(fā)展方向。

    執(zhí)行系統(tǒng)：與工業(yè)機器人相比，工程機器人執(zhí)行系統(tǒng)主要增加了行走系統(tǒng)。尤其是在不同環(huán)境下使用，要求工程機器人具備全地形行走功能。圖2所示vcb為一種典型工程機器人——破拆機器人的執(zhí)行機構(gòu)。

圖2 破拆機器人典型的執(zhí)行機構(gòu)

    這種典型的執(zhí)行機構(gòu)由手部、腕部、小臂（上臂）、大臂（下臂）、腰部、足部等組成。其中手部為末端執(zhí)行器，如夾持工具之類的屬具?？梢愿鼡Q不同的屬具，如液壓剪、液壓錘、液壓抓斗等，以實現(xiàn)不同的作業(yè)能力。腕部通常具有3自由度，實現(xiàn)手部動作，是執(zhí)行機構(gòu)最復(fù)雜的部分。臂部用于連接腰部和腕部，帶動腕部做平面運動。腰部用來連接臂部與基座，做回轉(zhuǎn)運動，是執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件。足部包括行走系統(tǒng)和作業(yè)時用于支撐機體的支腿。

    控制系統(tǒng)：工程機器人的控制系統(tǒng)一般比較復(fù)雜，涉及到行走、避障、有效作業(yè)等方面，要求控制系統(tǒng)具有較強的推理和思維能力，實時響應(yīng)能力強，適應(yīng)非結(jié)構(gòu)性環(huán)境能力強?？刂葡到y(tǒng)是機器人系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，如果把機器人機械結(jié)構(gòu)比作人的骨豁和肌肉的話，機器人控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。機器人要實現(xiàn)自身的運動、對環(huán)境的感知以及與外界的交互等功能，都需要控制系統(tǒng)對各機械部件以及傳感器單元進行協(xié)調(diào)和控制。

    感知系統(tǒng)：工程機器人的感知能力是未來工程機器人智能化的研究重點之一。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，機器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器2大類。內(nèi)部傳感器主要有位置傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器、平衡傳感器。內(nèi)部傳感器用測量到的角度、角速度、力等檢測機器人的內(nèi)部狀態(tài)，了解機器人各執(zhí)行機構(gòu)的位置和姿態(tài)、運動速度等，以調(diào)整和控制機器人的自身行動。外部傳感器主要有視覺傳感器、觸覺傳感器、聽覺傳感器、冷覺傳感器、病覺（異常）傳感器、味覺傳感器、嗅覺傳感器等。外部傳感器用來檢測機器人所處環(huán)境、外部物體的狀態(tài)或機器人與外部物體的關(guān)系。

    工程機器人研究的現(xiàn)狀表明，由于受到機構(gòu)、控制、傳感器以及人工智能水平的限制，研究出能在未知環(huán)境中全自主方式工作的機器人是目前難以實現(xiàn)的目標。因此，目前在核工業(yè)、搶險救災(zāi)等高危、惡劣的環(huán)境中被廣泛應(yīng)用的是遙操作機器人。遙操作機器人主要分為視覺臨場感遙操作機器人、力覺臨場感遙操作機器人、觸覺臨場感遙操作機器人及運動覺臨場感遙操作機器人等?；谂R場感的遙操作機器人系統(tǒng)原理如圖3所示，它由操作者、主機器人（手控器）、通訊環(huán)節(jié)、從機器人和作業(yè)環(huán)境5部分構(gòu)成。在臨場感系統(tǒng)工作過程中，由操作者向主機器人發(fā)出操作命令(如位置指令)操作主機器人運動，主機器人的運動信息通過通訊環(huán)節(jié)傳給遠方的從機器人，從而控制從機器人的運動；當(dāng)從機器人同環(huán)境交互時，從機器人的運動信息(如視覺、力覺、觸覺等信息)又通過通訊環(huán)節(jié)反饋給本地主機器人，使操作者對于現(xiàn)場作業(yè)情況有了有效的感知，從而能夠及時做出準確判斷，發(fā)出相應(yīng)的操作命令，控制遠方從機器人準確、高效地完成作業(yè)任務(wù)。目前，基于視覺臨場感的工程機器人遙操作控制主要是用攝像機獲取現(xiàn)場的視頻圖像并回傳到主控端，操縱者通過監(jiān)視器來完成對工程機器人的操作任務(wù)。

圖3 基于臨場感的遙控操作機器人系統(tǒng)原理框圖

    其中，通訊環(huán)節(jié)作為臨場感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和連接環(huán)節(jié)，是控制量信息、傳感器信息及視頻、圖像信息的傳輸通道，是臨場感系統(tǒng)進行可靠工作的基本保障。

    3 工程機器人國內(nèi)外發(fā)展概況

    在國外，早在20世紀70年代歐美、日本等國家就開始在工程機械基礎(chǔ)上研制開發(fā)各類工程施工自動作業(yè)機械，并形成兩大發(fā)展方向，一是工程機械智能化，一是專門發(fā)展起來的工程機器人分支。針對高危、惡劣環(huán)境的施工作業(yè)，歐美、日韓等國家都已經(jīng)全部采用工程機器人或機械手，技術(shù)水平先進。

    其中，破拆機器人是在工程施工中應(yīng)用最廣泛的工程機器人之一，由于采用無線遙控作業(yè)方式，破拆機器人可以應(yīng)用在冶金、礦山、建筑、交通以及搶險救援等眾多領(lǐng)域。瑞士布魯克公司是目前居于世界領(lǐng)先地位的破拆機器人專門生產(chǎn)廠商，公司自20世紀70年代就開發(fā)、研制、生產(chǎn)遙控電液式多功能破拆機器人，經(jīng)過不斷的改進與發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，無論是設(shè)計、選材還是制造水平都處于國際領(lǐng)先地位，是目前拆除機器人最大的供應(yīng)商，產(chǎn)品銷往世界各地[3]。另外，日本、德國等發(fā)達國家在破拆機器人領(lǐng)域也都走在了世界前列。像德國TOPTEC公司生產(chǎn)的TOPTEC1850E、TOPTEC2500E工程機器人，日本TmsukT52型和T53型雙機械臂機器人等，技術(shù)水平先進。破拆機器人的末端執(zhí)行器通常為液壓錘、液壓剪等，以實現(xiàn)破碎、拆除作業(yè)。將末端執(zhí)行器更換成液壓抓手等其他專用屬具，再將主體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境作適當(dāng)?shù)母淖儯瑒t可演變成其他類型的機器人，像搬運機器人、抓取裝卸機器人等。