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特種機器人的定義與分類

時間:2024-01-11 17:10:13來源:全球技術(shù)地圖

導(dǎo)語:?今年以來,特種機器人技術(shù)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展,各種創(chuàng)新型機器人問世,展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和影響力,如用于火星探索的“超級蛇形機器人”、用于海洋監(jiān)測和研究的“水母”機器人以及可以自毀的軟體機器人等。

同時,在人工智能技術(shù)賦能下,特種機器人功能更加強大。未來,特種機器人在太空探索、軍事偵察、緊急救援等領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛,更好地滿足各領(lǐng)域任務(wù)需求。

一、特種機器人的定義與分類

特種機器人,又稱為專用服務(wù)機器人,屬于服務(wù)機器人的一種。根據(jù)國際機器人聯(lián)合會(International Federation of Robotics,IFR)的定義,服務(wù)機器人是一種半自主或全自主工作的機器人(不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備),它能完成有益于人類的服務(wù)工作。服務(wù)機器人可分為專用服務(wù)機器人和家用服務(wù)機器人兩類。其中,專用服務(wù)機器人是在特殊環(huán)境下作業(yè)的機器人,又稱特種機器人,如水下作業(yè)機器人、空間探測機器人、搶險救援機器人、反恐防暴機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、醫(yī)療機器人及其他特殊用途機器人;而家用服務(wù)機器人是服務(wù)于人的機器人,如清潔機器人、康復(fù)機器人等。

特種機器人的早期研究集中在軍事領(lǐng)域。二戰(zhàn)期間首次出現(xiàn)了用于軍事目的的遙控機器人。德軍制造的“歌利亞”遙控炸彈被認(rèn)為是現(xiàn)代遙控軍用機器人的鼻祖,這一時期的機器人主要用于地雷探測和拆除,以及軍事偵察任務(wù)等。隨著科技的不斷發(fā)展,特種機器人逐漸開始在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如,水下作業(yè)機器人可在人類難以到達(dá)的水下完成維修和勘察任務(wù),大幅提高了人類的工作效率。

特種機器人的分類較為復(fù)雜,根據(jù)不同的要素可有不同的分類方法。本文按照特種機器人使用的空間(陸域、水域、空中、太空、多空間)進(jìn)行分類描述,對特種機器人的最新研究成果加以介紹分析。

二、研究現(xiàn)狀

伴隨著科技的發(fā)展和需求的增長,特種機器人應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)增加,不論是在陸地、海洋還是太空中,都有新式特種機器人的身影。

(一)陸域機器人

(1)可自毀的偵察機器人

2023年8月,韓國首爾國立大學(xué)研究人員開發(fā)出一款可以自毀并不留任何痕跡的機器人。這種機器人由一種柔性硅樹脂材料制成,當(dāng)暴露在紫外線下時,該樹脂會釋放氟離子,加熱材料并使其迅速降解,只留下油狀液體。該機器人還配備了溫度傳感器陣列、應(yīng)變傳感器和光電探測器陣列,通過溫度傳感器和光電探測器監(jiān)測狀況來確定何時觸發(fā)機器人的自毀。這項技術(shù)可以確保機器人在執(zhí)行監(jiān)視、偵察和運輸任務(wù)時,攜帶的敏感數(shù)據(jù)不會被敵方或未經(jīng)授權(quán)的人訪問。一旦任務(wù)完成或被敵人發(fā)現(xiàn)時,操作員可以觸發(fā)內(nèi)置的紫外LED,使機器人在不到兩小時內(nèi)自行分解成無法恢復(fù)的形式。此外,這些機器人還可以用于在危險區(qū)域執(zhí)行搜索任務(wù)等,具有廣泛應(yīng)用空間。

(2)多功能偵察機器人

2023年12月,俄羅斯赫魯廖夫大將物資技術(shù)保障軍事科學(xué)院的研究人員開發(fā)出一款多功能機器人,能夠執(zhí)行技術(shù)偵察技術(shù)、排雷、撤離傷員、發(fā)射無人機以及對其充電。這是一種輕型無人駕駛平臺,采用Kevlar機身,配備機械手、PKT機槍、煙幕系統(tǒng)、帶有可伸縮發(fā)射平臺和充電裝置,位置發(fā)射器和地雷探測系統(tǒng)。機器人的主要功能包括偵察武器和地形、維修工作和疏散傷員。無人機降落在機器人上后,通過連接位于平臺底部和無人機腿部的磁性觸點,為無人機電池充電。因此,本發(fā)明可以簡化設(shè)計并提高技術(shù)智能機器人的可靠性,提供探測地雷和其他爆炸裝置的能力,實現(xiàn)雙工通信和為無人機充電。

(二)水域機器人

(1)多功能水下探測機器人“Jellyfish-Bot”

2023年4月,德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所(MPI-IS)的科學(xué)家受水母啟發(fā),開發(fā)出一個多功能水下機器人——Jellyfish-Bot。Jellyfish-Bot體積小、節(jié)能且?guī)缀跬耆o音。它采用電動液壓致動器作為人工肌肉,通過電流驅(qū)動機器人,同時具備空氣墊和防水組件以提供穩(wěn)定性。這一設(shè)計使得機器人能夠優(yōu)雅迅速地游動,動作看起來像真正的水母。

圖1:多功能水下探測機器人“Jellyfish-Bot”

Jellyfish-Bot具有廣泛的應(yīng)用潛力,特別是在清理海洋垃圾方面。它可以在復(fù)雜的海洋環(huán)境中搜尋和搬運垃圾、收集脆弱的生物樣本,如魚卵等。此外,Jellyfish-Bot幾乎無聲地運行,不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響,從而使其能夠與水生物種溫和地互動,成為海洋生物學(xué)研究的理想助手。Jellyfish-Bot代表了水下機器人技術(shù)領(lǐng)域的一項革命性創(chuàng)新,為應(yīng)對海洋塑料污染等全球環(huán)境問題提供了新的解決方案。

(2)仿“螳螂蝦”機器人

2023年11月,中國浙江理工大學(xué)和英國埃塞克斯大學(xué)(University of Essex)的研究人員合作開發(fā)出一款仿生機器人,靈感來自蝦螳螂蝦,旨在探索和監(jiān)測水下狹窄環(huán)境。該機器人結(jié)構(gòu)參考生物螳螂蝦,采用扁平身體和流線型尾叉設(shè)計,有效減小水流阻力。剛?cè)狁詈显O(shè)計降低水對機器人的影響,提高在水下運動中的穩(wěn)定性。該機器人由5對人工腹足和柔軟的身體組成,通過調(diào)整腹足的運動頻率、振幅和相位差,實現(xiàn)速度和穩(wěn)定性的平衡。經(jīng)過原型測試,機器人在水下表現(xiàn)出色,最大速度達(dá)到0.28米/秒,最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.36米,展現(xiàn)了在狹窄和復(fù)雜水下環(huán)境中進(jìn)行探索任務(wù)的潛力。研究團(tuán)隊計劃進(jìn)一步優(yōu)化機器人的結(jié)構(gòu)、形狀和硬件系統(tǒng)設(shè)計,實現(xiàn)在狹窄水下環(huán)境中的自主移動,并增加信息獲取設(shè)備,以更精確地實現(xiàn)閉環(huán)運動控制。未來希望將該技術(shù)應(yīng)用于海洋環(huán)境的監(jiān)測和救援。

(三)空中機器人

(1)能夠在受損后恢復(fù)飛行功能的昆蟲級機器人

2023年3月,美國麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出具有彈性的“人造肌肉”,可以讓昆蟲級大小的空中機器人在遭受嚴(yán)重?fù)p傷后有效恢復(fù)飛行性能。實驗顯示,這種昆蟲機器人在被10根針扎穿或一側(cè)翅膀被剪掉20%的情況下仍能飛行。研究人員使用一種名為“介電彈性體制動器”的柔性材料作為“人造肌肉”,它能將電能轉(zhuǎn)化為機械能,為昆蟲機器人兩側(cè)的翅膀提供動力。最關(guān)鍵的是,這種“人造肌肉”材料有一種故障自清除機制,能斷開電極與微小損傷部位的連接,讓裝置繼續(xù)運作。對于較大的損傷,研究人員開發(fā)出一種激光修復(fù)技術(shù),能讓以往必須報廢的昆蟲機器人重新投入使用。據(jù)評估,過去需要報廢的機器昆蟲經(jīng)過修復(fù)后,可恢復(fù)87%的飛行能力。研究人員表示,這種機器人具有很高的魯棒性和適應(yīng)性,可以用于各種任務(wù),如環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難救援、生物學(xué)觀察等。

(2)可全方位穩(wěn)定飛行的“蜜蜂”機器人

2023年5月,美國華盛頓州立大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種可在各個方向穩(wěn)定飛行的蜜蜂機器人(Bee++)。這款Bee++原型機重量為95毫克,翼展為33毫米,比重約10毫克的真正蜜蜂大,但它完全實現(xiàn)了典型飛行昆蟲所展示的六度自由運動。Bee++擁有4個由碳纖維和聚酯薄膜制成的機翼,以及4個控制機翼的輕型驅(qū)動器,一次可實現(xiàn)自主飛行5分鐘,是全球首款能夠在各個方向穩(wěn)定飛行的原型機。該研究團(tuán)隊在2019年首次制造出一個質(zhì)輕到可以起飛的四翼機器人,但很難控制其復(fù)雜的偏航運動。為了解決這個問題,研究人員從昆蟲身上得到啟發(fā),改進(jìn)了機器人的物理設(shè)計,并發(fā)明了新的控制器。研究人員調(diào)整了機器人的翅膀,使其在一個傾斜的平面內(nèi)拍打,還將機器人每秒拍打翅膀的次數(shù)從每秒100次增加到160次。這種機器人可用于人工授粉、狹小空間內(nèi)的搜救、各種環(huán)境中的生物研究或環(huán)境監(jiān)測等多項應(yīng)用。

(四)太空機器人

(1)外星生物生命探測器(EELS)

2023年5月,美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)對用于穿越極端地形的蛇形機器人進(jìn)行了測試。該機器人被稱為“外星生物現(xiàn)存生命探測器”(Exobiology Extant Life Surveyor,EELS),重100千克,長4米,由10個可以旋轉(zhuǎn)的相同組件構(gòu)成,使用螺紋進(jìn)行推進(jìn)、牽引和抓握。EELS蛇形機器人能夠自主繪制地圖、穿越和探索以前無法到達(dá)的目的地,而無須人類實時操作。其目標(biāo)之一是尋找可能隱藏在“土衛(wèi)二”冰殼下的生命跡象。據(jù)現(xiàn)有資料顯示,EELS具有許多突破性超強功能,主要表現(xiàn)在:一方面該機器人具有高度適應(yīng)性。EELS已經(jīng)在沙地、雪地和冰雪環(huán)境中進(jìn)行了測試,表現(xiàn)出高度的適應(yīng)性。它可以在地球、月球和更遠(yuǎn)的地方選擇出安全的運行路線,包括連綿起伏的沙地和冰地、懸崖峭壁、對漫游車來說過于陡峭的隕石坑、地下熔巖管道和冰川內(nèi)部空間。另一方面該機器人具有高度自主性。由于地球和深空之間存在通信滯后,EELS被設(shè)計成一種能自主感知所處環(huán)境、計算風(fēng)險、行進(jìn)的機器人。

(2)探索火星的類蜥蜴機器人

圖:探索火星的類蜥蜴機器人

2023年2月,中國南京航空航天大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的以蜥蜴為靈感的四足機器人,以幫助探索火星。該機器人具有靈活的身體結(jié)構(gòu),可以復(fù)制沙漠蜥蜴的動作和運動方式,從而能夠克服在軟土上移動和攀爬巖石等難題。研究人員創(chuàng)建了一系列運動學(xué)模型來確定機器人的運動,并在模擬和原型測試中對其進(jìn)行評估。該團(tuán)隊目前正在研究機器學(xué)習(xí)模型,以使機器人的動作適應(yīng)不同的地形,并計劃添加一個持續(xù)供電系統(tǒng)。

(五)多空間機器人

2023年3月,美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)的研究人員開發(fā)出一種可以在不同的環(huán)境條件下改變自己的形狀和運動方式的新型軟體機器人,可實現(xiàn)快速從陸地轉(zhuǎn)移到海洋,無需重新配置。

圖4:可在陸地和水中自適應(yīng)運動的軟體機器人

該軟體機器人約為手機大小,由兩個雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器組成,四個角上各安裝了一個彎曲的執(zhí)行器。其中雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器是實現(xiàn)從步行狀態(tài)無縫切換到爬行、跳躍和游泳狀態(tài)的主要部件。該雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器由包含形狀記憶合金彈簧的3D打印軟橡膠制成,彈簧可根據(jù)電流做出收縮反應(yīng),從而導(dǎo)致制動器彎曲。在陸地上時,四個彎曲的執(zhí)行器可以充當(dāng)腿來行走。在水中時,雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器會改變機器人的形狀,將彎曲的執(zhí)行器置于可充當(dāng)螺旋槳的理想位置,完成游泳動作。研究人員稱,該軟體機器人具有很高的靈活性和適應(yīng)性,可以應(yīng)用于多種場景,例如執(zhí)行海洋救援任務(wù)、與海洋動物互動等。

三、特種機器人的發(fā)展趨勢

相對于一般的工業(yè)機器人及家用服務(wù)機器人,特種機器人的工作環(huán)境和作業(yè)條件更為復(fù)雜,對機器人結(jié)構(gòu)和功能也提出了更高的要求。因此,未來特種機器人領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出更多的創(chuàng)新和發(fā)展。

一是微型化。當(dāng)前,機器人的使用場景逐漸趨向于精確化、狹窄化和復(fù)雜化,這種任務(wù)場景的需求加速特種機器人向著微型化方向發(fā)展。微型機器人具有靈活性高、隱蔽性強的特點,能夠在狹窄、危險或難以到達(dá)的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。2022年5月,中國清華大學(xué)研發(fā)出一種可在亞厘米級管道中高效運動的管道探測機器人,可用于航空發(fā)動機管路檢修等相關(guān)領(lǐng)域。此外,在軍事應(yīng)用中,微型化機器人可以潛入敵方陣地,執(zhí)行偵察、監(jiān)聽和破壞任務(wù);在醫(yī)療領(lǐng)域,微型化機器人可以進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行精確的治療和手術(shù)。微型化已經(jīng)成為特種機器人領(lǐng)域中一個新興的研究分支,是當(dāng)前的研究熱點之一。

二是智能化。隨著人工智能和自主系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,特種機器人將變得更加智能和自主,能夠更靈活地適應(yīng)各種任務(wù)環(huán)境。同時,多模態(tài)感知、協(xié)作控制等技術(shù)將推動特種機器人在多領(lǐng)域協(xié)同作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。2023年6月,谷歌DeepMind發(fā)布RoboCat AI模型展現(xiàn)出機器人自我學(xué)習(xí)的巨大潛力,為機器人學(xué)研究提供了嶄新的方向。智能化特種機器人不僅能夠感知環(huán)境、作出決策,還能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的任務(wù)場景。通過融合深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)等技術(shù),特種機器人可以從經(jīng)驗中學(xué)習(xí),不斷提升自身的適應(yīng)能力和智能水平。

三是仿生化。自然界生物體經(jīng)過億年的進(jìn)化,形成了高度適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能,一直以來都是研究人員開發(fā)新式特種機器人的靈感來源。通過模仿生物體,機器人可以獲得更高的適應(yīng)性,能夠在復(fù)雜和不確定的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。機器人仿生化有助于其在特定環(huán)境中更隱蔽、安全地完成任務(wù)。2023年7月,美國加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員受小海龜啟發(fā)開發(fā)出一種新型機器人,它可以在沙子下游泳,還可以使用模仿海龜幼體超大鰭狀肢的前肢將自己挖出來。該機器人成為唯一能夠在5英寸深的沙子中行駛的機器人,可用于環(huán)境監(jiān)測、糧倉檢查和災(zāi)害應(yīng)對等多個領(lǐng)域。

四、結(jié)語

得益于人工智能技術(shù)、仿生學(xué)和新材料的發(fā)展,特種機器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加、功能愈發(fā)強大,部分機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)使機器人能夠更好地感知環(huán)境、作出決策并執(zhí)行任務(wù)。展望未來,特種機器人將擁有更強大的人工智能、更高的自主性、更長的續(xù)航能力和更廣闊的應(yīng)用空間,繼續(xù)成為解決各種復(fù)雜任務(wù)和挑戰(zhàn)的有力工具。


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