機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與應(yīng)用 課件 第5課 特種機(jī)器人

智能機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第5課特種機(jī)器人231知識(shí)目標(biāo)（1）熟悉特種機(jī)器人的定義及其應(yīng)用場(chǎng)景。（2）熟悉四足仿生機(jī)器人，了解其相關(guān)核心技術(shù)。（3）熟悉系列仿生機(jī)器人，了解特種機(jī)器人的行業(yè)發(fā)展。能力目標(biāo)（1）掌握專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學(xué)習(xí)小組”活動(dòng)，提高組織能力，具備團(tuán)隊(duì)精神。素質(zhì)目標(biāo)（1）熱愛(ài)學(xué)習(xí)，掌握學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)能力。（2）熱愛(ài)讀書(shū)，善于分析，勤于思考，培養(yǎng)關(guān)注技術(shù)進(jìn)步的優(yōu)良品質(zhì)。（3）體驗(yàn)、積累和提高“大國(guó)工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)

愿景

體驗(yàn)

創(chuàng)意

實(shí)踐重點(diǎn)難點(diǎn)（1）特種機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)發(fā)展。（2）仿生機(jī)器人及其核心技術(shù)。目錄什么是特種機(jī)器人01機(jī)器人的可移動(dòng)性02典型特種機(jī)器人03四足仿生機(jī)器人042021仿生機(jī)器人05第5課特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人不同，特種機(jī)器人工作環(huán)境具有多樣性和復(fù)雜性，其有關(guān)信息往往是多義、不完全或不準(zhǔn)確的，而且可能隨著時(shí)間改變。什么是特種機(jī)器人0101

什么是特種機(jī)器人所謂特種機(jī)器人，是指除工業(yè)機(jī)器人、公共服務(wù)機(jī)器人和個(gè)人服務(wù)機(jī)器人之外的、應(yīng)用于非制造業(yè)專業(yè)領(lǐng)域的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、電力機(jī)器人、建筑機(jī)器人、物流機(jī)器人、安防與救援機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人、礦業(yè)機(jī)器人、石油化工機(jī)器人、市政工程機(jī)器人等行業(yè)機(jī)器人。實(shí)際上，服務(wù)機(jī)器人也屬于特種機(jī)器人類別，但特種機(jī)器人一般由經(jīng)過(guò)專門(mén)培訓(xùn)的

人員操作或使用的，輔助和/或代替人

執(zhí)行任務(wù)。01

什么是特種機(jī)器人根據(jù)特種機(jī)器人使用的空間（陸域、水域、空中、太空），可將特種機(jī)器人分為：地面機(jī)器人、地下機(jī)器人、水面機(jī)器人、水下機(jī)器人、空中機(jī)器人、空間機(jī)器人和其他機(jī)器人。根據(jù)特種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，可分為：輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足腿式機(jī)器人、蠕動(dòng)式機(jī)器人、飛行式機(jī)器人、潛游式機(jī)器人、固定式機(jī)器人、噴射式機(jī)器人、穿戴式機(jī)器人、復(fù)合式機(jī)器人和其他運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人與工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人不同，特種機(jī)器人的工作環(huán)境具有多樣性和復(fù)雜性，其使用環(huán)境的有關(guān)信

息往往是多義、不完全或不準(zhǔn)確的，而且可能隨著時(shí)間改

變。機(jī)器人的可移動(dòng)性0202

機(jī)器人的可移動(dòng)性特種機(jī)器的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有輪式、足式、履帶式和混合式（見(jiàn)圖5-7~圖5-10）。此外還有步進(jìn)式、蠕動(dòng)式、蛇行式和混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和場(chǎng)合。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人通常采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了適應(yīng)野外環(huán)境的需要，室外移動(dòng)機(jī)器人多采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。一些仿生機(jī)器人，通常模仿某種生物運(yùn)動(dòng)方式而采用相應(yīng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中輪式的效率最高，但適應(yīng)性能力相對(duì)較差；而足式的移動(dòng)適應(yīng)能力最強(qiáng)，但其效率最低。02

機(jī)器人的可移動(dòng)性圖5-7輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)02

機(jī)器人的可移動(dòng)性圖5-8足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)02

機(jī)器人的可移動(dòng)性圖5-9履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)02

機(jī)器人的可移動(dòng)性圖5-10混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)典型特種機(jī)器人0303

典型特種機(jī)器人特種機(jī)器人發(fā)展非常迅速，新機(jī)型不斷問(wèn)世，整機(jī)性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。管道檢測(cè)機(jī)器人水下機(jī)器人農(nóng)林機(jī)器人消防機(jī)器人仿生機(jī)器人軍用機(jī)器人04

四足仿生機(jī)器人空間機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人5.3.1管道檢測(cè)機(jī)器人地下管網(wǎng)猶如城市的“血管”和“神經(jīng)系統(tǒng)”，關(guān)乎電力、排水、通信等安全，甚至關(guān)系到社會(huì)民生的發(fā)展。但一般城市管道系統(tǒng)尚無(wú)定期巡檢制度，而且工作環(huán)境惡劣、檢測(cè)難度大。管道的檢測(cè)和維護(hù)可以采用管道檢測(cè)機(jī)器人（見(jiàn)圖5-11）來(lái)進(jìn)行，這是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機(jī)械，“身材”小巧，可鉆入小直徑的地下管道，具有防水、抗高溫和重量輕等特點(diǎn)，可以超過(guò)0.5米/秒的速度在-30℃到50℃的環(huán)境中連續(xù)工作。管道檢測(cè)機(jī)器人可以攜帶一種或多種

傳感器及操作裝置，如CCD攝像機(jī)、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、

管道清理裝置、管道焊接裝置、簡(jiǎn)單的操作機(jī)械手等，在操作人員的控制下進(jìn)行管

道檢測(cè)維修作業(yè)。03

典型特種機(jī)器人圖5-11管道檢測(cè)機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人管道檢測(cè)機(jī)器人能通過(guò)多傳感器融合技術(shù)準(zhǔn)確判斷管道泄漏點(diǎn)，檢測(cè)管道內(nèi)部是否存在破裂、變形、腐蝕、異物侵入、沉積、結(jié)垢和樹(shù)根障礙物等病害，在施工、維護(hù)保養(yǎng)、定期檢驗(yàn)中發(fā)揮重要作用。在技術(shù)上，這種機(jī)器人包含履帶式爬行器、控制系統(tǒng)以及電動(dòng)收線車系統(tǒng)3部分。爬行器配備前置多維度旋轉(zhuǎn)云臺(tái)攝像頭、470線分辨率、10倍光學(xué)變焦及白光高功率鹵素?zé)粽彰?，可在管道?nèi)直視和側(cè)視，靈活觀察，提供清晰的成像效果。同時(shí)，在高分辨率彩色監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示

管道內(nèi)視頻畫(huà)面信息以及聲吶分析圖像，并將所探測(cè)到的

狀況實(shí)時(shí)提供給檢測(cè)工作人員，從而形成準(zhǔn)確、專業(yè)的檢

測(cè)報(bào)告，為后期管道修復(fù)工作提供可靠依據(jù)。03

典型特種機(jī)器人5.3.2水下機(jī)器人進(jìn)行海洋科學(xué)研究、海上石油開(kāi)發(fā)、海底礦藏勘測(cè)、海底打撈救生等，都需要開(kāi)發(fā)海底載人潛水器和水下機(jī)器人技術(shù)。因此，發(fā)展水下機(jī)器人意義重大。水下機(jī)器人的種類很多，如載人潛水器、遙控有纜水下機(jī)器人、自主無(wú)纜水下機(jī)器人等。水下機(jī)器人也稱無(wú)人遙控潛水器，主要分兩類，一類為

觀測(cè)級(jí)，主要用于海洋科考等，功率相對(duì)較??；另一類

為作業(yè)級(jí)，主要用于海洋救撈、海底施工作

業(yè)等，功率相對(duì)較大。

圖5-12水下機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人水下機(jī)器人所處的水下環(huán)境要比水上環(huán)境更為復(fù)雜，所以需要更加過(guò)硬的本領(lǐng)才能完成正常的工作。復(fù)雜的智能控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)是水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，保證了水下機(jī)器人可以正常穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和看清周圍環(huán)境。目前全球范圍內(nèi)功率最大的無(wú)人遙控潛水器ROV主要用于對(duì)深海水下沉船沉物等進(jìn)行應(yīng)急救險(xiǎn)、搜尋和打撈等作業(yè)，也能應(yīng)用到海洋深水工程輔助作業(yè)等方面。它憑借其強(qiáng)大動(dòng)力，能深入3000米海底，輕松提起4噸的重物。同時(shí)，該機(jī)器人的操作精度非常高，能達(dá)到幾毫米，可在

水下?lián)炱鹨桓槨?3

典型特種機(jī)器人2015年3月19日，中國(guó)自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286進(jìn)行深水設(shè)備測(cè)試，首次用水下機(jī)器人將五星紅旗插入南海近3000米水深海底。海洋石油286深水工程船是世界頂級(jí)技術(shù)難度的海洋工程船舶，專門(mén)用于深海油氣資源開(kāi)發(fā)，其技術(shù)含量高，具有優(yōu)異的操縱性和耐波性，配有升沉補(bǔ)償功能的400噸大型海洋工程起重機(jī)和最大作業(yè)水深的水下機(jī)器人，具有深水大型結(jié)構(gòu)物吊裝、臍帶纜與電纜敷設(shè)、飽和潛水作

業(yè)支持以及深水設(shè)施檢驗(yàn)、維護(hù)等多項(xiàng)功能，綜合作業(yè)能

力在國(guó)際同類船舶中處于領(lǐng)先地位。

圖5-13海洋石油286水下機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人5.3.3農(nóng)林機(jī)器人農(nóng)林機(jī)器人可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決勞動(dòng)力的不足；改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對(duì)人體的傷害，提高作業(yè)質(zhì)量等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人有如下的特點(diǎn)：（1）農(nóng)業(yè)機(jī)器人一般要求邊作業(yè)邊移動(dòng)；（2）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)的最短距離，而是具有狹窄的范圍，較長(zhǎng)的距離及遍及整個(gè)田間表面的特點(diǎn)；（3）使用條件變化較大，如氣候影響，道路的不平坦和在傾斜的地面上作業(yè)，還須考慮左右搖擺的問(wèn)題；（4）農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用者是農(nóng)民，一般不具有機(jī)械電子知識(shí)，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。03

典型特種機(jī)器人嫁接機(jī)器人技術(shù)是近年在國(guó)際上出現(xiàn)的一種集機(jī)械、自動(dòng)控制與園藝技術(shù)于一體的高新技術(shù)，它可在極短的時(shí)間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時(shí)由于砧、穗木接合迅速，避免了切口長(zhǎng)時(shí)間氧化和苗內(nèi)液體的流失，從而可以大大提高嫁接成活率。圖5-14農(nóng)林嫁接機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人林木球果采集機(jī)器人可以在較短的林木球果成熟期大量采摘種子，對(duì)森林的生態(tài)保護(hù)、森林的更新以及森林的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。它一般由機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。

圖5-15林木球果采集機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人5.3.4消防機(jī)器人石化等基礎(chǔ)工業(yè)的飛速發(fā)展，帶來(lái)了生產(chǎn)過(guò)程中易燃易爆和劇毒化學(xué)制品的急劇增長(zhǎng)。由于設(shè)備和管理方面的原因，導(dǎo)致化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒爆炸的事故增多。消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備，可代替消防隊(duì)員接近火場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。03

典型特種機(jī)器人當(dāng)在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通常消防隊(duì)員不得不在濃煙和高溫的危險(xiǎn)環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火，于是產(chǎn)生了在惡劣條件下工作的消防機(jī)器人的研究。當(dāng)消防人員難于接近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)滅火時(shí)，或有爆炸危險(xiǎn)時(shí)，便可使用遙控消防機(jī)器人（見(jiàn)圖5-16）。這種機(jī)器人裝有履帶，最大行駛速度可達(dá)10公里/小時(shí)，每分鐘能噴出5噸水或3噸泡沫。用于在狹窄的通道和地下區(qū)域例如隧道進(jìn)行滅火。例如機(jī)器人高45厘米，寬74厘米，長(zhǎng)120厘米，由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或普通發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉(zhuǎn)變成高壓水霧噴向火焰。03

典型特種機(jī)器人圖5-16遙控消防機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防機(jī)器人可以噴射60米至80米長(zhǎng)的水柱，覆蓋到三四層樓高。它的履帶采用特殊材質(zhì)加工而成，最高可承受750℃高溫；可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控行走、爬坡、登梯及跨越障礙物；適應(yīng)多種環(huán)境，耐高溫、抗熱輻射、防雨淋、防化學(xué)腐蝕、防電磁干擾等，能夠全天候持續(xù)工作。消防（滅火）機(jī)器人獨(dú)有的透霧及精準(zhǔn)識(shí)別功能，可作為消防作戰(zhàn)中的先遣兵，準(zhǔn)確識(shí)別火場(chǎng)中遺留人員和火源位置，使得救援更有效、滅火更迅速。其自身裝有自噴淋降溫系統(tǒng)，可在火場(chǎng)中保持長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的能力，甚至可穿越火帶（見(jiàn)圖5-17）。03

典型特種機(jī)器人圖5-17消防機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人這種機(jī)器人還具有“排爆”功能。它的機(jī)械臂靈活輕巧、自由度大、性能穩(wěn)定、整體適應(yīng)性強(qiáng)。它可在泥濘路面、城市廢墟、煤礦及油田等多種地形快速移動(dòng)，對(duì)危險(xiǎn)物進(jìn)行探測(cè)、抓取、轉(zhuǎn)移、搬運(yùn)、銷毀，可代替安檢人員到化工類易燃易爆場(chǎng)所對(duì)可疑物進(jìn)行實(shí)地勘察。此外，在消防領(lǐng)域，還有消防偵察機(jī)器人、攀登營(yíng)救機(jī)器人、現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)機(jī)器人等等。03

典型特種機(jī)器人5.3.5仿生機(jī)器人許多機(jī)器人都屬于仿人或者仿生機(jī)器人，是模仿人或者動(dòng)物的形態(tài)和行為而被設(shè)計(jì)與制造出來(lái)的，一般分別或同時(shí)具有仿人或動(dòng)物的四肢和頭部。獵豹機(jī)器人做的比較好的機(jī)構(gòu)主要有兩家，一個(gè)是波士頓動(dòng)力，一個(gè)是麻省理工學(xué)院。圖5-18獵豹機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人波士頓動(dòng)力的獵豹機(jī)器人通過(guò)背部鉸鏈關(guān)節(jié)的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)和步頻來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度的改變，這里的靈感正是來(lái)自模仿真實(shí)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性。波士頓動(dòng)力的獵豹機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)跑步機(jī)上完成各項(xiàng)試驗(yàn)。在跑步機(jī)上，獵豹通過(guò)一臺(tái)液壓泵提供動(dòng)力。下一代獵豹機(jī)器人又名野貓，將會(huì)離開(kāi)繩索的牽絆，在陸地上真正的跑動(dòng)起來(lái)。03

典型特種機(jī)器人波士頓動(dòng)力的獵豹機(jī)器人是目前世界上運(yùn)動(dòng)速度最快的腿式機(jī)器人，約為29邁，打破了MIT在1989年創(chuàng)下的13.1邁的歷史記錄。獵豹項(xiàng)目受美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的最大限度移動(dòng)和操控項(xiàng)目的資助。MIT獵豹通過(guò)研究真實(shí)生物的肌腱結(jié)構(gòu)，認(rèn)為肌腱結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊力，增加腿部的強(qiáng)度。通過(guò)有限元分析，研究人員設(shè)計(jì)了類似的肌腱結(jié)構(gòu)足部，并在兩個(gè)肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性。這就使得MIT獵豹具有十分出色的彈跳及越障能力。而且通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)電機(jī)的改裝以及尾巴的加入，使得MIT獵豹擁有高速奔跑的能力和良好

的平衡性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，其可以在8.3千米每小時(shí)的速度下奔

跑2.23小時(shí)，或者運(yùn)用3千克的電池跑10千米。03

典型特種機(jī)器人仿生類機(jī)器人，都是人們通過(guò)對(duì)自然界的“天才”們進(jìn)行觀察和研究后，利用它們經(jīng)過(guò)數(shù)百年進(jìn)化后得到的出色的外形特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)特性而設(shè)計(jì)出來(lái)的，這些機(jī)器人很多都可以用來(lái)充當(dāng)人類的助手，通過(guò)它們來(lái)完成人類不能完成的一些任務(wù)。圖5-19仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)03

典型特種機(jī)器人5.3.6軍用機(jī)器人軍事機(jī)器人是指為了軍事目的而研制的自動(dòng)機(jī)器人，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，自動(dòng)機(jī)器人士兵會(huì)成為對(duì)敵作戰(zhàn)的軍事行動(dòng)的主力之一。其中，地面軍用機(jī)器人是指在地面上使用的機(jī)器人系統(tǒng)，它們不僅在和平時(shí)期可以幫助軍警排除炸彈、完成要地保安任務(wù)，在戰(zhàn)時(shí)還可以代替士兵執(zhí)行掃雷、偵察和攻擊等各種任務(wù)。美、英、德、法、日等

國(guó)均已研制出多種型號(hào)的地面軍用機(jī)器人。

圖5-20軍用機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人（1）程序變異。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，自動(dòng)機(jī)器人士兵將成為作戰(zhàn)主力。但是，美國(guó)海軍研究室帕特里克·林博士在一份關(guān)于機(jī)器人士兵的研究報(bào)告《自動(dòng)機(jī)器人的危險(xiǎn)、道德以及設(shè)計(jì)》中，對(duì)美國(guó)軍方使用機(jī)器人提出警告，機(jī)器人程序可能發(fā)生變異，建議為軍事機(jī)器人設(shè)定道德規(guī)范。研究人員認(rèn)為，必須對(duì)軍事機(jī)器人設(shè)定嚴(yán)格限制，否則世界就有可能毀于它們的鋼鐵之手。上述報(bào)告中表示，為軍事機(jī)器人設(shè)定道德規(guī)范是一項(xiàng)嚴(yán)肅的工作，人類必須正視快速發(fā)展

的機(jī)器人，它們足夠聰明，甚至最后可能展示出超過(guò)現(xiàn)代士

兵的認(rèn)知優(yōu)勢(shì)。03

典型特種機(jī)器人帕特里克·林博士在報(bào)告中說(shuō)：“現(xiàn)在存在一個(gè)共同的誤解：認(rèn)為機(jī)器人只會(huì)做程序中規(guī)定它們做的事情?？刹恍业氖?，這種想法已經(jīng)過(guò)時(shí)了，一個(gè)人書(shū)寫(xiě)和理解程序的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了?！绷植┦空f(shuō)，實(shí)際上，現(xiàn)在的程序大都是由一組程序師共同完成的，幾乎沒(méi)有哪個(gè)人能完全理解所有程序。因此，也沒(méi)有任何一個(gè)人能精確預(yù)測(cè)出這些程序中哪部分可能發(fā)生變異。如何能夠保護(hù)機(jī)器人士兵不受恐怖分子、黑客的襲擊或者出現(xiàn)軟件故障呢？如果機(jī)器人突然變得狂暴，誰(shuí)應(yīng)該負(fù)責(zé)呢，是機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)師還是美國(guó)總統(tǒng)？機(jī)器人應(yīng)該有“自殺開(kāi)關(guān)”嗎？林暗示說(shuō)，唯一解決這些問(wèn)題的辦法就是提前為機(jī)器人設(shè)定“密碼”，包括倫理道德、法律、社會(huì)以及政治等因素。03

典型特種機(jī)器人（2）警告程序師不要急于求成。報(bào)告還指出，現(xiàn)今美國(guó)的軍事機(jī)器人設(shè)計(jì)師往往急于求成，常常會(huì)將還不成熟的機(jī)器人技術(shù)急匆匆推入市場(chǎng)，促使人工智能的進(jìn)步在不受控制的領(lǐng)域內(nèi)不斷加速發(fā)展。更糟糕的是，目前還沒(méi)有一套控制自動(dòng)系統(tǒng)出錯(cuò)的有效措施。如果設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，足以讓人類付出生命的代價(jià)。03

典型特種機(jī)器人（3）機(jī)器人軍團(tuán)正在組建。目前一些國(guó)家正在組建機(jī)器人部隊(duì)，其機(jī)器人已開(kāi)始執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務(wù)，替代士兵站崗放哨、排雷除爆。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授夏基認(rèn)為，機(jī)器人的成本僅是士兵的1/10，它替人類廝殺疆場(chǎng)的場(chǎng)景，將有可能在10年內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)，可降低士兵傷亡率達(dá)60%至80%。世界在不知不覺(jué)中滑進(jìn)了機(jī)器人軍備競(jìng)賽，而研制出能夠決定在什么時(shí)候以及向誰(shuí)動(dòng)用致命武力的機(jī)器人，也許就在今后10年之內(nèi)。03

典型特種機(jī)器人2004年美軍僅有163個(gè)地面機(jī)器人。2007年則增長(zhǎng)到5000個(gè)，至少10款智能戰(zhàn)爭(zhēng)機(jī)器人在伊拉克和阿富汗“服役”。部署到阿富汗的智能機(jī)器人“赫耳墨斯”主要用于探穴鉆洞，它身上安裝有兩個(gè)照相機(jī)，能爬進(jìn)漆黑洞穴并向外發(fā)送圖片；美軍機(jī)器人“劍”在伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)更是神通廣大，它能輕易通過(guò)任何阻礙，備彈200發(fā)，裝備一挺經(jīng)改造的M249型機(jī)槍，射速高達(dá)1000發(fā)/分鐘，火力強(qiáng)度足以與一挺重機(jī)槍媲美；而“背包”機(jī)器人則能在巷戰(zhàn)環(huán)境中捕捉、分辨反美武裝狙擊手的細(xì)微動(dòng)靜；“嗅彈”機(jī)器人能靈敏地嗅出偽裝起來(lái)的爆炸物……03

典型特種機(jī)器人（4）駐伊美軍機(jī)器人“叛亂”，正式部署前線僅11小時(shí)后便被召回。曾有3臺(tái)帶有武器的“劍”式美軍地面作戰(zhàn)機(jī)器人被部署到了伊拉克，但是這支遙控機(jī)器人小隊(duì)還未開(kāi)一槍就很快被從戰(zhàn)場(chǎng)撤回——因?yàn)樗鼈冏隽丝膳碌氖虑椋簩尶趯?duì)向它們的人類指揮官。美陸軍地面作戰(zhàn)指揮官凱文·法赫證實(shí)，這些機(jī)器人的“槍管在操作者未發(fā)指令的時(shí)候自己移動(dòng)”，也就是說(shuō)，“劍”式機(jī)器人工作時(shí)將槍口指向友軍部隊(duì)，而這也導(dǎo)致這支機(jī)器人部隊(duì)在正式部署前線僅11小時(shí)后便被召回。法赫證實(shí)機(jī)器人并未開(kāi)火，也無(wú)任何人類在此次事件中傷亡。但這并不意味著零損失，所有關(guān)于機(jī)器人作戰(zhàn)的研究項(xiàng)目都可能因此取消。法赫稱：“一旦遇到如此嚴(yán)重的事變，我們必須花上10年乃至20年，推倒重來(lái)?！币虼?，我們必須再等上很久才能看到機(jī)器人和人類并肩作戰(zhàn)了。這不僅僅對(duì)于機(jī)器人工業(yè)是重大損失，而且也樹(shù)立了一個(gè)重要先例：關(guān)于機(jī)器人的任何試驗(yàn)都必須以無(wú)人類傷亡為絕對(duì)前提。03

典型特種機(jī)器人5.3.7空間機(jī)器人空間機(jī)器人是用來(lái)空間探測(cè)活動(dòng)的特種機(jī)器人，它是一種輕型遙控機(jī)器人，可在行星的大氣環(huán)境中導(dǎo)航及飛行。惡劣的空間環(huán)境給人類在太空的生存活動(dòng)帶來(lái)了巨大的威脅。要使人類在太空停留，需要有龐大而復(fù)雜的環(huán)境控制系統(tǒng)、

生命保障系統(tǒng)、物質(zhì)補(bǔ)給系統(tǒng)、救生系統(tǒng)等，

這些系統(tǒng)的耗資十分巨大。

圖5-21空間機(jī)器人03

典型特種機(jī)器人在未來(lái)的空間活動(dòng)中，將有大量的空間加工、空間生產(chǎn)、空間裝配、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間維修等工作要做，這樣大量的工作是不可能僅僅只靠宇航員去完成，還必須充分利用空間機(jī)器人?？臻g機(jī)器人主要從事的工作有：（1）空間建筑與裝配。一些大型的安裝部件，比如無(wú)線電天線、太陽(yáng)能電池、各個(gè)艙段的組裝等艙外活動(dòng)都離不開(kāi)空間機(jī)器人，機(jī)器人將承擔(dān)各種搬運(yùn)、構(gòu)件之間的連接緊固、有毒或危險(xiǎn)品的處理等任務(wù)。在不久的將來(lái)，人類空間站初期建造一半以上的工作都將由機(jī)器人完成。03

典型特種機(jī)器人（2）衛(wèi)星和其他航天器的維護(hù)與修理。隨著太空活動(dòng)的不斷發(fā)展，人類在太空的“財(cái)產(chǎn)”也越來(lái)越多，其中人造衛(wèi)星占了絕大多數(shù)。這些衛(wèi)星一旦發(fā)生故障，丟棄它們?cè)侔l(fā)射新的衛(wèi)星很不經(jīng)濟(jì)，必須設(shè)法修理后使它們重新發(fā)揮作用。但是，如果派宇航員去修理，又牽涉到艙外活動(dòng)的問(wèn)題，而且由于航天器在太空中處于強(qiáng)烈宇宙輻射的環(huán)境之下，人根本無(wú)法執(zhí)行任務(wù)，所以只能依靠機(jī)器人。空間機(jī)器人所進(jìn)行的維護(hù)和修理工作有回收失靈衛(wèi)星，故障衛(wèi)星就地修理，為空間飛行器補(bǔ)給物資等。03

典型特種機(jī)器人（3）空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。宇宙空間為人類提供了地面上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的微重力和高真空環(huán)境，利用這一環(huán)境可以生產(chǎn)出地面上無(wú)法或難以生產(chǎn)出的產(chǎn)品。在太空中還可以進(jìn)行地面上不能做的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。和空間裝配，空間修理不同，空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要在艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行，操作內(nèi)容多半是重復(fù)性動(dòng)作，在多數(shù)情況下，宇航員可以直接檢查和控制。這時(shí)的空間機(jī)器人如同工作在地面的工廠生產(chǎn)線一樣。因此，可以采用的機(jī)器人多是通用型多功能機(jī)器人。03

典型特種機(jī)器人空間和地面環(huán)境差別很大，因此，空間機(jī)器人與地面機(jī)器人的要求也必然不相同，有其自身的特點(diǎn)。首先，空間機(jī)器人的體積比較小，重量比較輕，抗干擾能力比較強(qiáng)。其次，空間機(jī)器人的智能程度比較高，功能比較全?？臻g機(jī)器人消耗的能量要盡可能小，工作壽命要盡可能長(zhǎng)，而且由于是工作在太空這一特殊環(huán)境中，對(duì)它的可靠性要求也比較高?？臻g機(jī)器人在保證空間活動(dòng)的安全性，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，擴(kuò)大空間站的作用等方面都將發(fā)揮巨大的作用。四足仿生機(jī)器人0404

四足仿生機(jī)器人山地四足仿生無(wú)人平臺(tái)是滿足極端粗糙、復(fù)雜地表環(huán)境下行走作業(yè)的自主機(jī)器人，具有典型的移動(dòng)和智能特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。國(guó)際上，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的大狗四足仿生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了雪地、冰面等復(fù)雜路面穩(wěn)定行走，并能夠在受到外界沖撞后自主保持穩(wěn)定。俄羅斯研制的四足仿生機(jī)器人配備中口徑武器，可以參加復(fù)雜環(huán)境作戰(zhàn)。德國(guó)、意大利、韓國(guó)等國(guó)家也開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究。在我

國(guó)，也有不少研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了四足仿生無(wú)人平臺(tái)

研究。

圖5-22大狗四足仿生機(jī)器人0102日本推動(dòng)建立全球標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)型機(jī)器人前景廣闊單擊此處添加標(biāo)題04

四足仿生機(jī)器人5.4.1概念和優(yōu)勢(shì)四足仿生機(jī)器人融合了機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科技術(shù)于一體，是機(jī)械化、信息化、智能化高度融合的典型機(jī)電產(chǎn)品，不僅可完成在危險(xiǎn)和復(fù)雜地形下的偵察、搜索和救援等任務(wù)，還可安裝多任務(wù)載荷以滿足不同作業(yè)需求，具有機(jī)動(dòng)靈活、生存力強(qiáng)、反應(yīng)快捷、作業(yè)持久等特點(diǎn)。隨著控制技術(shù)、通信技術(shù)、能源技術(shù)和材料技術(shù)的飛速發(fā)展，四足仿生機(jī)器人逐步實(shí)現(xiàn)高靈巧、多用途和輕量化，并向著高智能化方向邁進(jìn)，在我國(guó)公共安全、

巡檢作業(yè)、探測(cè)搜救等應(yīng)用領(lǐng)域都具有重大應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)需求。四足仿生機(jī)器人

是智能機(jī)器人發(fā)展的重要方向，是解決當(dāng)前工業(yè)、生活等領(lǐng)域關(guān)鍵問(wèn)題的技術(shù)樞紐，

具有極其重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。04

四足仿生機(jī)器人腿足式機(jī)器人（見(jiàn)圖5-23）在崎嶇地形中比車輪或履帶具有更好的通過(guò)性，它使用獨(dú)立的落足點(diǎn)來(lái)優(yōu)化支撐和牽引力，而車輪需要連續(xù)的支撐路徑。因此，腿足式機(jī)器人的靈活性通常受到可達(dá)地形中最佳立足點(diǎn)的限制，而車輪則受到最差地形的限制。腿足式系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，身體的路徑與腳的路徑是可以解耦的，因而實(shí)現(xiàn)了類似主動(dòng)懸掛的效果。即使地形有明顯的變化，機(jī)身與負(fù)重也可以自由而平穩(wěn)地移動(dòng)。因此，腿足式系統(tǒng)的性能在很大程度上與地面的粗糙度無(wú)關(guān)。腿足式系統(tǒng)可以使用這種解耦特性來(lái)提高它在崎嶇地形上的速度和效率。04

四足仿生機(jī)器人

圖5-23波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的阿特拉斯能慢跑、后空翻甚至跑酷04

四足仿生機(jī)器人5.4.2核心技術(shù)四足仿生機(jī)器人所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括：（1）地形感知建模技術(shù)。動(dòng)物在攀爬峭壁時(shí)，主要依靠視覺(jué)系統(tǒng)獲得的地形和地貌，頻繁調(diào)整姿態(tài)、步態(tài)和運(yùn)動(dòng)節(jié)律。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)態(tài)性和關(guān)聯(lián)性，使得地形信息與機(jī)器人自身姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)融合決策成為四足機(jī)器人穩(wěn)定控制的關(guān)鍵。因此，構(gòu)建“地形理解與行為步態(tài)”的大閉環(huán)行為控制模型，是解決足式機(jī)器人與極端粗糙陡峭地形環(huán)境融合的難點(diǎn)，而地形理解的前提是地形感知建模。04

四足仿生機(jī)器人目前，足式機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境自主動(dòng)態(tài)越障的實(shí)現(xiàn)，主要依靠視覺(jué)/激光雷達(dá)對(duì)環(huán)境的感知。美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的SpotMini四足機(jī)器人，其機(jī)身正前方搭載了一套3D立體攝像頭，能夠觀察前方的障礙物情況，可以自由穿梭在城市的大街小巷，

實(shí)現(xiàn)靈活靜默偵察。圖5-24波士頓SpotMini四足機(jī)器人04

四足仿生機(jī)器人（2）步態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)。按照發(fā)展脈絡(luò)，仿生工程學(xué)可以分為形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和耦合仿生四個(gè)階段。四足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于四足動(dòng)物，但其仿生效果的優(yōu)劣，關(guān)鍵在于能否像四足動(dòng)物一樣靈活運(yùn)動(dòng)。目前，四足仿生機(jī)器人可根據(jù)不同地形環(huán)境，在走、跑、跳、攀爬等多種運(yùn)動(dòng)模式間靈活切換，且具有較強(qiáng)的奔跑、爬坡、越障、跳躍等運(yùn)動(dòng)能力，這得益于四足機(jī)器人大多采用的多步態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)，其主流思想是：針對(duì)地形環(huán)境突變或外界突發(fā)擾動(dòng)，基于虛擬伺服控制建立機(jī)身本體位姿控制模型，基于力分配原理建立關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制模型，分析移動(dòng)平臺(tái)與多類型地面的作用關(guān)系，最終采用力反饋原理和滑移率閉環(huán)實(shí)現(xiàn)自主平衡控制。04

四足仿生機(jī)器人經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，智能機(jī)器人的步態(tài)及穩(wěn)定性技術(shù)主要形成以中樞神經(jīng)振蕩CPG模型、彈簧負(fù)載倒立擺SLIP模型、基于模型預(yù)測(cè)控制模型MPC、整體控制模型WBC為主要方向。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的動(dòng)物行為遷移網(wǎng)絡(luò)控制模型得到重視，相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。美國(guó)波士頓動(dòng)力公司以彈簧負(fù)載倒立擺SLIP模型為特色，開(kāi)發(fā)大量仿生機(jī)器人；美國(guó)麻省理工大學(xué)以整體控制模型WBC和基于模型預(yù)測(cè)控制模型MPC相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)出獵豹系列機(jī)器人；瑞士蘇黎世理工大學(xué)以機(jī)器學(xué)習(xí)為特色技術(shù)，開(kāi)發(fā)出Anymal系

列四足機(jī)器人。智能機(jī)器人控制正在從多種融合算法及人工

智能技術(shù)，向自演進(jìn)、可學(xué)習(xí)控制方向發(fā)展。04

四足仿生機(jī)器人（3）擺動(dòng)腿落足點(diǎn)規(guī)劃技術(shù)。為提高四足機(jī)器人對(duì)障礙物的通過(guò)性能和任務(wù)執(zhí)行效率，要求四足機(jī)器人在基于感知傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的認(rèn)知后，可以對(duì)越障行為進(jìn)行智能決策。通過(guò)對(duì)擺動(dòng)腿落足點(diǎn)的實(shí)時(shí)規(guī)劃，打破周期性、節(jié)律性運(yùn)動(dòng)難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境與地形突變的桎梏，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化。為提高四足機(jī)器人對(duì)障礙物的通過(guò)性能，避免足端與障礙物發(fā)生碰撞，四足機(jī)器人需依靠環(huán)境感知信息實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的測(cè)量，根據(jù)障礙物的實(shí)際尺寸，建立虛擬障礙物，并根據(jù)虛

擬障礙物的邊緣信息以及障礙物的尺寸，智能調(diào)整行為節(jié)

律，提高四足機(jī)器人對(duì)地形障礙的通過(guò)性能。04

四足仿生機(jī)器人（4）基于浮動(dòng)基座的機(jī)械臂作業(yè)技術(shù)。四足機(jī)器人作為一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，要想實(shí)現(xiàn)特定功能，必須搭載相應(yīng)的任務(wù)載荷，而機(jī)械臂則是最為典型且通用程度最高的任務(wù)載荷。因此，浮動(dòng)基座平臺(tái)機(jī)械臂移動(dòng)作業(yè)技術(shù)是四足機(jī)器人從原理樣機(jī)走向工業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵一環(huán)。浮動(dòng)基座平臺(tái)機(jī)械臂移動(dòng)作業(yè)技術(shù)的難點(diǎn)在于，機(jī)械臂控制器融合手臂末端負(fù)載向機(jī)器人質(zhì)心進(jìn)行映射。機(jī)械手抓取重物時(shí)，需要根據(jù)重物的抬升目標(biāo)位置及當(dāng)前位置，機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)的傳感信息以及多自由度運(yùn)動(dòng)關(guān)系，實(shí)時(shí)估計(jì)重物的重量，采用阻抗控制方法建立機(jī)械臂末端的負(fù)載力模型。最終，通過(guò)機(jī)械臂末端與機(jī)身質(zhì)心的映射關(guān)系，建立機(jī)器人質(zhì)心力的映射，并融合機(jī)器人位姿平衡控制器，通過(guò)多支撐點(diǎn)力分配的優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全身協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制。四足仿生機(jī)器人在很多國(guó)家已經(jīng)有了成功的應(yīng)用案例，不僅勾勒出了四足機(jī)器人未來(lái)實(shí)際應(yīng)用的具象場(chǎng)景，讓人們切實(shí)體會(huì)到科技對(duì)生活的改變。2021

仿生機(jī)器人05052021仿生機(jī)器人在2021年9月10日召開(kāi)的2021世界機(jī)器人大會(huì)上，仿生機(jī)器人成為大會(huì)的一大亮點(diǎn)。不少企業(yè)都帶來(lái)了自己的四足仿生機(jī)器人。這一段時(shí)間里，仿生機(jī)器人市場(chǎng)似乎格外火熱，先有小米推出只要9999元的四足仿生機(jī)器人“鐵蛋”，后有波士頓動(dòng)力秀出雙足機(jī)器人Atlas“跑酷”視頻。之后車企也出來(lái)湊熱鬧，馬斯克宣布要造人形機(jī)器人“TeslaBot”，小鵬也突然官宣自家旗下生態(tài)公司的機(jī)器馬“小白龍”。052021仿生機(jī)器人1.多款機(jī)器狗亮相，誰(shuí)更勝一籌？來(lái)到展會(huì)的序廳，就見(jiàn)到云深處科技最新的機(jī)器狗絕影X20。這款機(jī)器狗能夠適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境和特殊操作需求，甚至能勝任有毒有害的惡

劣工作場(chǎng)景。

圖5-25裝有機(jī)械臂的絕影X2005202