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

    隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程機(jī)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(duì)工程機(jī)器人的需求更加迫切。因而，工程機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用，引起了世界各國(guó)的高度重視，產(chǎn)品發(fā)展前景十分廣闊。

    1 工程機(jī)器人的定義與分類

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

    工程機(jī)器人是機(jī)器人家族中的新成員。與工業(yè)機(jī)器人在固定環(huán)境下依據(jù)事先編制的程序運(yùn)行不同，工程機(jī)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(dòng)。因此工程機(jī)器人更強(qiáng)調(diào)感知、思維和復(fù)雜行動(dòng)的能力，比一般意義上的工業(yè)機(jī)器人需要更大的靈活性、機(jī)動(dòng)性，具有更強(qiáng)的感知能力、決策能力、反應(yīng)能力以及行動(dòng)能力。工程機(jī)器人從外觀上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀。工程機(jī)器人融合了更多學(xué)科的知識(shí)，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程、計(jì)算機(jī)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(jī)器人根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可以分為：農(nóng)林業(yè)工程機(jī)器人、工業(yè)工程機(jī)器人、建筑工程機(jī)器人、礦業(yè)工程機(jī)器人、核工業(yè)工程機(jī)器人、搶險(xiǎn)救援工程機(jī)器人、軍事工程機(jī)器人等；按作業(yè)方式可以分為：破拆機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、抓取裝卸機(jī)器人、探測(cè)機(jī)器人等。

    2 工程機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)與工作特性

    工程機(jī)器人的基本特征是液壓驅(qū)動(dòng)、遙操作、移動(dòng)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(diǎn)。

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

圖1 工程機(jī)械人的基本構(gòu)成

    驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：工程機(jī)器人大多采用液壓驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)功率大，功率密度高，易于實(shí)現(xiàn)大范圍無級(jí)調(diào)速和力控制，防過載性能好。由于液壓驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，省去工業(yè)機(jī)器人的減速機(jī)加伺服電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(dòng)將更能代表機(jī)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(jī)器人相比，工程機(jī)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(jī)器人具備全地形行走功能。圖2所示vcb為一種典型工程機(jī)器人——破拆機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 破拆機(jī)器人典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    這種典型的執(zhí)行機(jī)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(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)能力。腕部通常具有3自由度，實(shí)現(xiàn)手部動(dòng)作，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)最復(fù)雜的部分。臂部用于連接腰部和腕部，帶動(dòng)腕部做平面運(yùn)動(dòng)。腰部用來連接臂部與基座，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。足部包括行走系統(tǒng)和作業(yè)時(shí)用于支撐機(jī)體的支腿。

    控制系統(tǒng)：工程機(jī)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(qiáng)的推理和思維能力，實(shí)時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)，適應(yīng)非結(jié)構(gòu)性環(huán)境能力強(qiáng)。控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心，如果把機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)比作人的骨豁和肌肉的話，機(jī)器人控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自身的運(yùn)動(dòng)、對(duì)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(duì)各機(jī)械部件以及傳感器單元進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。

    感知系統(tǒng)：工程機(jī)器人的感知能力是未來工程機(jī)器人智能化的研究重點(diǎn)之一。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，機(jī)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(cè)量到的角度、角速度、力等檢測(cè)機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)，了解機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)速度等，以調(diào)整和控制機(jī)器人的自身行動(dòng)。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(cè)機(jī)器人所處環(huán)境、外部物體的狀態(tài)或機(jī)器人與外部物體的關(guān)系。

    工程機(jī)器人研究的現(xiàn)狀表明，由于受到機(jī)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(jī)器人是目前難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因此，目前在核工業(yè)、搶險(xiǎn)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(jī)器人。遙操作機(jī)器人主要分為視覺臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人、力覺臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人、觸覺臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人及運(yùn)動(dòng)覺臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人等?；谂R場(chǎng)感的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)原理如圖3所示，它由操作者、主機(jī)器人（手控器）、通訊環(huán)節(jié)、從機(jī)器人和作業(yè)環(huán)境5部分構(gòu)成。在臨場(chǎng)感系統(tǒng)工作過程中，由操作者向主機(jī)器人發(fā)出操作命令(如位置指令)操作主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，主機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息通過通訊環(huán)節(jié)傳給遠(yuǎn)方的從機(jī)器人，從而控制從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)從機(jī)器人同環(huán)境交互時(shí)，從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人，使操作者對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況有了有效的感知，從而能夠及時(shí)做出準(zhǔn)確判斷，發(fā)出相應(yīng)的操作命令，控制遠(yuǎn)方從機(jī)器人準(zhǔn)確、高效地完成作業(yè)任務(wù)。目前，基于視覺臨場(chǎng)感的工程機(jī)器人遙操作控制主要是用攝像機(jī)獲取現(xiàn)場(chǎng)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(duì)工程機(jī)器人的操作任務(wù)。

圖3 基于臨場(chǎng)感的遙控操作機(jī)器人系統(tǒng)原理框圖

    其中，通訊環(huán)節(jié)作為臨場(chǎng)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(chǎng)感系統(tǒng)進(jìn)行可靠工作的基本保障。

    3 工程機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

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

    其中，破拆機(jī)器人是在工程施工中應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)器人之一，由于采用無線遙控作業(yè)方式，破拆機(jī)器人可以應(yīng)用在冶金、礦山、建筑、交通以及搶險(xiǎn)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(jī)器人專門生產(chǎn)廠商，公司自20世紀(jì)70年代就開發(fā)、研制、生產(chǎn)遙控電液式多功能破拆機(jī)器人，經(jīng)過不斷的改進(jìn)與發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，無論是設(shè)計(jì)、選材還是制造水平都處于國(guó)際領(lǐng)先地位，是目前拆除機(jī)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(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在破拆機(jī)器人領(lǐng)域也都走在了世界前列。像德國(guó)TOPTEC公司生產(chǎn)的TOPTEC1850E、TOPTEC2500E工程機(jī)器人，日本TmsukT52型和T53型雙機(jī)械臂機(jī)器人等，技術(shù)水平先進(jìn)。破拆機(jī)器人的末端執(zhí)行器通常為液壓錘、液壓剪等，以實(shí)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?，則可演變成其他類型的機(jī)器人，像搬運(yùn)機(jī)器人、抓取裝卸機(jī)器人等。