Urgente: Avances actuales y estado de la tecnología robótica

Nuevos avances en tecnología robótica

Qu Daokui, Zhang Niuzhe, Instituto de Automatización de Shenyang, Academia de Ciencias de China

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Desde el nacimiento de los robots hasta principios de los años 80, la tecnología robótica ha experimentado un largo y lento proceso de desarrollo. En la década de 1990, con el rápido desarrollo de la tecnología informática, la tecnología microelectrónica, la tecnología de redes, etc., la tecnología robótica también se desarrolló rápidamente. Además de la mejora continua del nivel de los robots industriales, varios sistemas robóticos avanzados utilizados en industrias no manufactureras también han logrado grandes avances. Los últimos avances de los robots se describirán a continuación según las dos rutas de desarrollo tecnológico de los robots industriales y los robots avanzados.

1. Robots industriales

(1) Robot manipulador: mediante la aplicación de métodos de diseño modernos, como el análisis de elementos finitos, el análisis modal y el diseño de simulación, el robot manipulador ha logrado un diseño óptimo. Las empresas de robots representadas por la empresa alemana KUKA han cambiado la estructura de paralelogramo paralelo del robot a una estructura de cadena abierta, lo que ha ampliado el rango de trabajo del robot. Además, la aplicación de materiales ligeros de aleación de aluminio ha mejorado enormemente el rendimiento. el robot. Además, el uso de reductores RV avanzados y servomotores de CA hace que el operador del robot sea un sistema casi libre de mantenimiento.

(2) Robot paralelo: utilizando un mecanismo paralelo y utilizando tecnología robótica para lograr mediciones y procesamiento de alta precisión, esta es la expansión de la tecnología robótica a la tecnología CNC y sienta las bases para la integración de robots y La tecnología CNC en el futuro. Empresas como la italiana COMAU y la japonesa FANUC han desarrollado este tipo de productos.

(3) Sistema de control: el rendimiento del sistema de control se ha mejorado aún más. Ha pasado de controlar el robot estándar de 6 ejes en el pasado a poder controlar ahora 21 ejes o incluso 27 ejes. Y realizando software servo y control digital completo. La interfaz hombre-máquina es más amigable y también se han introducido interfaces basadas en operaciones gráficas. El método de programación sigue siendo principalmente enseñar programación, pero la programación fuera de línea ha sido práctica en algunos campos.

(4) Sistema de detección: los sensores láser, los sensores visuales y los sensores de fuerza se han utilizado con éxito en sistemas robóticos y han realizado el seguimiento automático de las costuras de soldadura, el posicionamiento automático de objetos en líneas de producción automatizadas y el ensamblaje de precisión. operaciones, etc., lo que mejora en gran medida el rendimiento operativo del robot y su adaptabilidad al entorno. KAWASAKI, YASKAWA, FANUC de Japón, ABB de Suecia, KUKA de Alemania, REIS y otras empresas han lanzado este tipo de productos.

(5) Función de comunicación en red: los últimos controladores de robots de YASKAWA de Japón y KUKA de Alemania han realizado conexiones con Canbus, buses Profibus y algunas redes, lo que permitió a los robots pasar de aplicaciones independientes a aplicaciones en red en el pasado. Este es un gran paso adelante y también permite que los robots evolucionen desde equipos especiales en el pasado hasta equipos estandarizados.

(6) Confiabilidad: Debido al rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica y la aplicación de circuitos integrados a gran escala, la confiabilidad de los sistemas robóticos ha mejorado enormemente. En el pasado, la confiabilidad MTBF de los sistemas robóticos era generalmente de unos pocos miles de horas, pero ahora ha alcanzado las 50.000 horas, lo que puede satisfacer las necesidades de cualquier ocasión.

2. Robots avanzados

En los últimos años, los campos de las actividades humanas han seguido expandiéndose y las aplicaciones de robots también se han desarrollado desde campos de fabricación a campos no manufactureros. Industrias como el desarrollo de los océanos, la exploración espacial, la minería, la construcción, la atención médica, la agricultura y la silvicultura, los servicios y el entretenimiento han planteado requisitos para la automatización y la robotización. En comparación con la industria manufacturera, las características principales de estas industrias son el entorno de trabajo desestructurado e incierto, por lo que tienen mayores requisitos para los robots que tienen funciones para caminar, capacidades de percepción externa y capacidades de planificación autónoma local. Una importante dirección de desarrollo de la tecnología.

(1) Robots submarinos: el AUSS estadounidense, el MT-88 ruso, el EPAVLARD francés y otros robots submarinos se han utilizado en exploración petrolera en alta mar, exploración de fondos marinos, operaciones de salvamento, tendido e inspección de tuberías, en términos de cables. Para el tendido y mantenimiento, además de la inspección de presas, existen dos categorías: robots submarinos cableados (vehículos operados a distancia) y vehículos submarinos sin cables (vehículos submarinos autónomos).

(2) Robots espaciales: los robots espaciales siempre han sido un campo de investigación importante para los robots avanzados. Actualmente, Estados Unidos, Rusia, Canadá y otros países han desarrollado varios robots espaciales. Como el robot espacial Sojanor de la NASA en Estados Unidos. Sljanor es un vehículo móvil autónomo con un peso de 11,5 kg, un tamaño de 630 ~ 48 mm y 6 ruedas. Su exitosa aplicación en Marte ha atraído una amplia atención en todo el mundo.

(3) Robots para la industria nuclear: la investigación extranjera se centra principalmente en servorobots de alto rendimiento con mecanismos diestros, movimientos precisos y fiables, respuesta rápida, peso ligero, buena rigidez, fácil carga, descarga y mantenimiento. así como robots semiautónomos y robots móviles autónomos. Los sistemas típicos que se han completado incluyen el sistema de limpieza de tanques radiactivos basado en robots del ORML de los Estados Unidos, el manipulador de doble brazo para reactores, el sistema de monitoreo de radiación y diagnóstico de fallas desarrollado con éxito en Canadá y la diestra mano alemana C7.

(4) Robots subterráneos: los robots subterráneos incluyen principalmente robots de minería y robots de mantenimiento de tuberías subterráneas. Los principales contenidos de la investigación son: estructura mecánica, sistema de marcha, sistema de sensores y posicionamiento, sistema de control, tecnología de comunicación y control remoto. En la actualidad, países desarrollados como Japón, Estados Unidos y Alemania han desarrollado robots para el mantenimiento de oleoductos subterráneos y grandes oleoductos como el de petróleo y gas natural. Se están desarrollando varios robots de minería y sistemas de automatización.

(5) Robots médicos: Los principales contenidos de investigación de los robots médicos incluyen: planificación y simulación de cirugía médica, cirugía asistida por robot, cirugía de daño mínimo, cirugía basada en presencia, etc. Estados Unidos ha llevado a cabo investigaciones sobre la cirugía de telepresencia, que se utiliza para simulación de campos de batalla, entrenamiento quirúrgico, enseñanza de anatomía, etc. Francia, Gran Bretaña, Italia, Alemania y otros países han llevado a cabo investigaciones conjuntas sobre proyectos de cirugía ortopédica guiada por imágenes (telemática), proyectos de robots de bolsillo (biomedicina) e instrumentos quirúrgicos electromecánicos para cirugía, y han logrado algunos resultados fructíferos.

(6) Robots de construcción: Japón ha desarrollado más de 20 tipos de robots de construcción. Como robots de enlucido de edificios de gran altura, robots de instalación de componentes prefabricados, robots de decoración de interiores, robots de pulido de pisos, robots de limpieza de vidrios, etc., y se han implementado en aplicaciones prácticas. La Universidad Carnegie Mellon y el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Estados Unidos están desarrollando robots de excavación y entierro de tuberías, robots de instalación de paredes interiores y otros modelos, y están llevando a cabo investigaciones básicas sobre sensores, tecnología móvil y métodos de construcción de automatización de sistemas. Gran Bretaña, Alemania, Francia y otros países también están realizando investigaciones en esta área.

(7) Robots militares: En los últimos años, Estados Unidos, Gran Bretaña, Francia, Alemania y otros países han desarrollado robots militares inteligentes de segunda generación. Se caracteriza por el uso de métodos de control autónomos, que pueden completar tareas como reconocimiento, combate y apoyo logístico. Tiene la capacidad de ver, oler y sentir en el campo de batalla, puede rastrear automáticamente el terreno y elegir caminos, y tiene la capacidad. para buscar, identificar y destruir automáticamente objetivos enemigos. Como el vehículo de navegación autónomo Navplab de los Estados Unidos, el vehículo de combate terrestre semiautónomo SSV, el vehículo autónomo de reconocimiento de movimiento rápido (DARDS) de Francia, el robot de eliminación de artefactos explosivos MV4 de Alemania, etc. Actualmente, ORNL en Estados Unidos está investigando y desarrollando robots militares para diversos fines, como tanques Abrams y robots equipados con baterías para misiles Patriot.

Es previsible que en el siglo XXI, varios sistemas robóticos avanzados entren en diversos campos de la vida humana y se conviertan en buenos asistentes y socios cercanos de los seres humanos.

2. Puntos críticos de investigación actuales y tendencias de desarrollo

Actualmente, la comunidad robótica internacional está aumentando sus esfuerzos de investigación científica, realizando investigaciones sobre tecnologías robóticas innovadoras y avanzando hacia la inteligencia y la diversidad. dirección.

Los principales contenidos de la investigación se centran en los siguientes 10 aspectos:

1. Tecnología de diseño de optimización de la estructura del manipulador de robots industriales: explore nuevos materiales livianos de alta resistencia para aumentar aún más la relación carga/peso propio y, al mismo tiempo, el mecanismo se desarrolla en la dirección de la modularización y la reconfigurabilidad.

2. Tecnología de control de robots: centrarse en sistemas de control abiertos y modulares para hacer que la interfaz hombre-máquina sea más amigable, y se están desarrollando interfaces de programación gráfica y de lenguaje. La estandarización y la conexión en red de controladores de robots y controladores de red basados ​​en PC se han convertido en puntos críticos de investigación. Además de mejorar aún más la operatividad de la programación en línea, la tecnología de programación también se convertirá en el foco de la investigación sobre la practicidad de la programación fuera de línea.

3. Sistema multisensor: Para mejorar aún más la inteligencia y adaptabilidad del robot, el uso de múltiples sensores es la clave para resolver sus problemas. Su investigación se centra en algoritmos de fusión de múltiples sensores eficaces y factibles, especialmente algoritmos de fusión de múltiples sensores en condiciones de distribución no lineal, no estacionaria y no normal. Otra cuestión es la implementación práctica del sistema de detección.

4. La estructura de los robots es flexible y los sistemas de control son cada vez más pequeños, y los dos se están desarrollando hacia la integración.

5． Tecnología de monitoreo y control remoto de robots, tecnología de robots semiautónomos y autónomos, control coordinado entre múltiples robots y operadores, establecimiento de un sistema de control remoto de robots a gran escala a través de la red, establecimiento de una previsualización para el control remoto en caso de retraso, etc. .

6. Tecnología de robot virtual: basada en tecnología multisensor, multimedia, de realidad virtual y de presencia, realiza la teleoperación virtual y la interacción humano-computadora de robots.

7． Tecnología de control multiagente: este es un nuevo campo de la investigación actual en robots. Realiza principalmente investigaciones sobre arquitectura de grupos multiagente, mecanismos de consulta y comunicación mutua, métodos de percepción y aprendizaje, modelado y planificación, control del comportamiento grupal, etc.

8． Robótica micro/miniatura: este es un nuevo campo y una dirección clave de desarrollo de la investigación en robótica. Las investigaciones anteriores están casi en blanco en este campo, por lo que el progreso de la investigación en este campo provocará una revolución en la robótica y tendrá un impacto inconmensurable en el progreso social y en todos los aspectos de las actividades humanas. La investigación sobre robots de tamaño micro se centra principalmente en términos. de la estructura del sistema, modo de movimiento, método de control, tecnología de detección, tecnología de comunicación y tecnología para caminar, etc.

9． Robótica blanda: Utilizada principalmente en situaciones médicas, de enfermería, de ocio y entretenimiento. El diseño de robots tradicionales no considera el contacto cercano con las personas, por lo que sus materiales estructurales son en su mayoría metales o materiales duros. La tecnología de robots blandos requiere que su estructura, método de control y sistema de detección sean seguros cuando el robot choca accidentalmente con el entorno o las personas. Los robots son amigables con las personas.

10． Humanoides y tecnología biónica: este es el nivel más alto de desarrollo de tecnología robótica y actualmente solo se están realizando algunas investigaciones básicas en algunos aspectos.