隨著科學技術(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科的知識，如機構(gòu)學、控制工程、計算機科學、人工智能、微電子學、光學、傳感技術(shù)、材料科學、仿生學等。
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）
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）
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）
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。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?shù)母淖?，則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。
在搶險救援領(lǐng)域，20世紀80年代就已經(jīng)有人對將機器人應(yīng)用于救援工作中進行探討，但救援機器人技術(shù)的正式研究始于1995年的日本神戶-大阪大地震，并于2001年的美國9·11事件中，救援機器人正式投入使用。日本作為一個多地震災(zāi)害的國家，十分重視救援機器人的研制，其技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。美國在9·11事件后，對救援機器人的研究更加重視。其中，極具代表意義的由Irobot公司研制的小型便攜帶式機器人Packbot系列和“Warrior（6戰(zhàn)士）”等，均得到了較好的應(yīng)用。其他國家也很重視救援機器人的研究。如加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV及Sherbrook大學研制的AZIMUT機器人、西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、英國的“手推車”（Weelbarrow）Mk7型排爆機器人、德國TEODORG公司的MV4機器人、法國的MK4D智能排爆機器人等。
在農(nóng)林業(yè)方面，進入后工業(yè)化的發(fā)達國家，隨著農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的日趨工業(yè)化、規(guī)?；熬珳驶牟粩喟l(fā)展，農(nóng)林業(yè)機器人研發(fā)早已成為其科研的重點內(nèi)容之一，在伐木、育苗、移苗、嫁接、農(nóng)產(chǎn)品收獲等方面得到諸多試驗與應(yīng)用，相繼研制出了伐木機器人、嫁接機器人、扦插機器人、移栽機器人和采摘機器人等多種產(chǎn)品。
而在國內(nèi)，工程機器人的研制開發(fā)才剛剛起步，工程機械主機廠和部分科研院所開始加大對智能型工程機械的研發(fā)投入，但專業(yè)從事工程機器人研發(fā)制造的企業(yè)和研究機構(gòu)很少。應(yīng)用方面也僅限于一些常規(guī)的工業(yè)應(yīng)用，而且產(chǎn)品幾乎全為進口。
驚天智能裝備股份有限公司自2005年自主立項，開始研制破拆機器人，目前已研制出多款工程機器人產(chǎn)品，并且已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣階段。
在搶險救援領(lǐng)域，國內(nèi)的救災(zāi)機器人的研究起步較晚，但受到的重視程度很高。如國家“863”計劃支持研發(fā)地震救援輔助機器人等的一系列措施，國內(nèi)各大高校、研究機構(gòu)以及企業(yè)單位等都進行了積極研究，近年來取得了很大進展。國家“十二五”科技支撐計劃的重點項目“龍蝦”救援機器人是目前世界上最大的搶險救援機器。
4 工程機器人的應(yīng)用
工程機器人主要應(yīng)用于各種高危和特殊環(huán)境施工領(lǐng)域，如高溫高壓、易燃易爆易坍塌、有毒有害氣體、核輻射、危險品搬運以及軍事應(yīng)用，因此，在金屬渣錠破碎、建筑拆除、隧道施工、井下作業(yè)、搶險救援，以及農(nóng)林業(yè)、核工業(yè)等都得到了廣泛的應(yīng)用。
4.1工業(yè)破碎作業(yè)
在鋼鐵冶煉廠，工程機器人主要用途包括：主溝及渣溝破碎、開鐵口、爐口除渣、拆爐拆包、魚雷罐熱態(tài)耐材、混鐵車解體等。在有色行業(yè)用來進行余熱鍋爐清灰、陽極爐清理、金屬錠破碎、煙道和溜槽的清理等。在鋁行業(yè)用來清鋁包、清理陽極、在線刨槽、刨保溫爐和集中槽大修等。
在水泥廠，破拆機器人是水泥回轉(zhuǎn)窯維修的新一代拆磚設(shè)備，遙控作業(yè)，用以代替人工和小挖維修回轉(zhuǎn)窯，大大縮短停窯時間，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。
4.2搶險救援應(yīng)用
災(zāi)害現(xiàn)場的搶險救援工作，是機器人開發(fā)領(lǐng)域的一大難題。不同環(huán)境條件下，機器人的解決方案大不相同。目前，多功能作業(yè)機器人，已廣泛應(yīng)用于消防破拆救援、災(zāi)后搶修搶建、地震后救援、反恐排爆、核事故應(yīng)急救援等。
4.3建筑應(yīng)用
隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑施工要求越來越高，建筑樓宇的改造工作越來越多，但勞動力成本卻逐年攀升。使用工程機器人進行作業(yè)，不但安全可靠，而且縮短工期，減少人力需求。相較于傳統(tǒng)的混凝土切割鋸、風鎬和挖掘機等拆除設(shè)備，使用破拆機器人使施工能在無振動、低噪音、無廢氣、無揚塵等情況下進行，對周圍環(huán)境影響降到最小，而且降低施工成本，大大提高工作效率。為避免局部破拆對整個基礎(chǔ)的影響，近年來水力破拆機器人亦日益受到業(yè)界的高度重視。
4.4隧道應(yīng)用
工程機器人在隧道施工方面有廣泛的應(yīng)用，是開鑿聯(lián)絡(luò)通道、安全硐室、隧道維修改造的理想設(shè)備。常用于地鐵隧道臨時墻的拆除、隧道的開拓、巷道的支護、排水和電纜隧道的開挖，在空間狹小和鉆爆法施工工藝不能使用的場所具有巨大優(yōu)勢。
通常工程機器人車小力大，機動靈活，可以進入大型設(shè)備不能到達的狹窄的工作面和危險場所作業(yè)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。可以帶挖斗、分裂機、液壓錘、液壓鉆等作業(yè)，在隧道施工中，發(fā)揮“一機多能”的優(yōu)勢。
4.5礦山應(yīng)用
工程機器人在地下礦山有廣泛的應(yīng)用，可用來進行巷道支護、撬毛、二次破碎、鉆錨固孔和爆破孔等作業(yè)。很多有色金屬礦山和黃金礦山可以用工程機器人進行破大塊、剪錨索、挖水溝、修理斜坡道和整修變形的巷道等作業(yè)。同時，機器人可用做溜井格篩旁邊的固定破碎站，也可作為窄礦脈的礦石回采和扒礦。機器人采用無線遙控操作，地下礦山作業(yè)時，操作人員可以選擇安全、視線好的位置操作機器，避免落石對人員的傷害。
4.6核工業(yè)
由于核電站設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備本身或其運行環(huán)境具有放射性，同時還兼具水下、高溫、高壓等特點，簡單的機械手往往不能完成相關(guān)操作，利用機器人進行設(shè)備檢修、乏燃料轉(zhuǎn)運、放射性廢物處置和核事故應(yīng)急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照劑量和勞動強度。
5總結(jié)與展望
工程機器人最大的特點是工作在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，且面臨的工作環(huán)境更復雜。從某種意義上講，一個國家工程機器人的技術(shù)水平反映了這個國家機器人的技術(shù)水平。工程機器人因其先進的性能已被廣泛地應(yīng)用到核工業(yè)、搶險救援、建筑工程、農(nóng)業(yè)、冶金行業(yè)等，隨著科技進步和技術(shù)積累，工程機器人在未來必將發(fā)揮更大的作用。
我國的工程機器人起步較晚，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖取得了一定的成績，但和國外發(fā)達國家相比，差距還很大。毋庸質(zhì)疑,21世紀機器人技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭的高科技制高點。我們必須緊跟世界科技發(fā)展的潮流，加大對戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用的重大課題的投入，不畏艱難、刻苦攻關(guān)、提高自主創(chuàng)新的能力。同時，我們也要加強同國際科技界的交流與合作，努力學習和運用世界先進科技成果，為我國機器人事業(yè)的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻。
