10、机器人技术及其在水利行业的应用分析--河海大学-倪建军

机器人技术及其在水利行业的应用分析倪建军April,2015AnalysisofRobotTechnologyandItsApplicationinWaterConservancyIndustry2015（第三届）中国水利信息化与数字水利技术论坛—••••••内容提要1机器人技术概述4应用实践探讨2机器人技术在水利行业的应用3水利行业机器人发展趋势分析一、机器人技术的发展概况简述1机器人学是一门高度交叉学科，涉及机械、电子、计算机、自动控制、人工智能、生物以及人类学等众多领域。机器人技术是多种学科综合发展的成果，代表高技术前沿，应用不断扩大。•美国USA“国家关键技术”以及“国防部和能源部关键技术”•欧共体EEC“EUREKA”计划以及“信息技术研究发展战略计划”•日本、新加波、韩国、巴西各国都有自己的研究计划•中国China“863计划”及各级科研项目都设有机器人专项结论：研究发展机器人技术受到世界各国重视。一、机器人技术的发展概况简述1机器人Robot一词最先出现于1920年，捷克作家卡雷尔〃卡佩克（KarelCapek）所写剧本《罗萨姆的万能机器人》，剧中人造劳动者取名Robota，意为“苦力”、“奴隶”。反映了人类希望造出和自己一样具有思考和劳动能力的机器代替自己工作的愿望。“懒惰是人类前进的动力”。一、机器人技术的发展概况现代机器人2194519501955196019651970二战期间：美国橡树岭国家实验室研制了“遥控操纵器”——第一台主从遥控机器人1970年起：机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科——机器人学，机器人应用领域进一步扩大。1980年起：不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在发达国家进入了实用化普及阶段。1960年：美国“联合控制公司”根据Devol的专利生产出第一台真正意义上的工业机器人1969年：通用汽车公司用21台工业机器人组成轿车自动焊接生产线1954年:美国人乔治〃德沃尔（GeorgeC.Devol）研制出第1台电子可编程序工业机器人20世纪中期19751980一、机器人技术的发展概况现代机器人2随着传感技术和智能技术的发展，目前已经进入智能机器人研究阶段。现在机器人由工业机器人向特种机器人、拟人机器人发展。工业机器人（ABB公司的机械手）特种机器人(消防用灭火及排爆机器人)拟人机器人(日本软银的“Pepper”)一、机器人技术的发展概况机器人的优势与不足3优势Strengths劣势Weaknesses提高生产率、安全性、效率、产品质量和产品一致性0102(3D)Dirty、Dull、Dangerous·可以在危险或者不良的环境下工作·可以不知疲倦、不知厌烦的持续工作除了发生故障或磨损外，始终如一地保持比人高很多的精确度03具有某些人类所不具有的能力可以同时响应多个激励或处理多项任务04带来经济和社会问题。如工人失业，情绪上的不满与怨恨等01缺乏应急能力02在很多方面具有局限性。如自由度、灵巧度、传感器能力、视觉系统、实时响应03费用开销大。如原始的设备费、安装费、需要周边设备、需要培训、需要编程04一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•焊接机器人：点焊，电弧焊；•装配机器人：电子装配，汽车装配；•喷漆机器人；•搬运、码垛机器人；•浇注机器人。工业机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•可移动平台，机械手，代替或协助完成各种服务和安全保障工作，如餐厅服务机器人、爬壁清洗机器人，爬缆索机器人等。服务机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•通过多台摄像机对车上人员实现上下、左右全方位实时立体监视，对障碍物测量评估，在发生碰撞、台阶跌落、翻到等危险情况时报警、自动减速、紧急停止；•姿态极端改变时可以无线通知护理人员；•还包括识别手势指令等。康复：智能电动轮椅一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•内置数字地图，边走边通过传感信息与地图对照，确定自身位置和方向；根据盲人的行动来决定自己的行动，通过声音振动等方式提醒盲人注意安全；•通过摄像机，图像处理可以确定周围物体的形状、种类、大小和远近灯，可以建立周围场景3D地图。导盲机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•手工效率低、强度大；•利用机器人是防病、降低农业化肥使用的比较好的方法；•日本研究较早，韩国也在研制，我国今后需求高。农业：嫁接机器人和移栽机器人嫁接机器人移栽机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•西红柿采摘机器人、林木球果采摘机器人等。采摘机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•2000年美国制造DaVinic机器人手术系统，包括控制台、内镜、切除结扎系统及三个灵活的机械手，临床应用于心脏外科、胆囊切除等各科手术。医疗：外科手术机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4•日本立命馆大学研发：1cm宽，2cm长，重5g微型医疗机器人，前端镊子提取组织样本，微型相机抓拍图片，特殊注射器散发药物，医生可以控制其运动。医疗：微型医疗机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4太空探测机器人一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4排爆机器人•始于20世纪60年代，用于军警部门；•移动机构一般有轮式、履带式、轮履结合式；•目前朝着具有局部自主能力、通过人机交互方式遥操作的半自主方向发展；一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4空中无人机•无人驾驶飞机简称“无人机”（UAV），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。一、机器人技术的发展概况机器人在各行业的应用4水下机器人•遥控潜水器，观测设备有声纳、照明灯、照相机、微光摄像机，以及机械手等作业设备•自治水下机器人（AUV），无人无缆，进行摄像、拍照、测量，探测与水文观测二、机器人在水利行业的应用介绍空中无人机1I在水利工程测绘中的应用以无人机作为遥感飞行平台，在机体上装载数据遥感设备，利用遥感数据处理系统作为技术支撑，融入“3S”技术，可以实时对地戒对目标水域迚行观测及数据的快速处理。智能鸟KC2000油动三角翼无人机二、机器人在水利行业的应用介绍空中无人机1II在水环境监测中的应用无人机用于水环境监测主要是以遥感技术作为航空遥感手段，具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、高分辨率、机动灵活等优点，是卫星遥感不有人机航空遥感的有力补充，在国外已得到广泛应用。二、机器人在水利行业的应用介绍空中无人机1III在洪涝灾害监测中的应用充分发挥无人机应急、灵活、高危作业、受地理气候影响小的特点，在重大自然灾害戒突发事故发生时，第一时间赶赴受灾区域，提供紧急航拍遥感服务，获取即时影像戒视频，为赈灾救灾提供决策方案，为灾情评估及灾后重建工作提供科学依据。二、机器人在水利行业的应用介绍水下机器人2I在水利工程安全监测中的应用水下机器人可以用于病险水库的坝底检测和闸门淤积情冴检查、大坝裂缝检测、桥墩检测等等。湖南水利科学院引进的Stealth3水下机器人，进行水库大坝监测二、机器人在水利行业的应用介绍水下机器人2II在水环境监测中的应用水下机器人携带多种传感器，实时采集和传输水质监测数据，相对于人工操作水质检测仪采集数据来说,机器人的利用在精度和准确度上都有较大提高,也避免了人工采集数据可能遭遇的危险。英国埃塞克斯(Essex)大学胡豁生团队研发的用于水质测量水下机器鱼中科院重庆分院和北航联合研发的多鳍式水下机器人二、机器人在水利行业的应用介绍水下机器人2III在水下设施维护、清洁中的应用水下机器人可以迚行水下管道检查、维护、水工建筑的超声清洁等工作。二、机器人在水利行业的应用介绍水下机器人2IV在抗洪抢险中的应用在汛前，可以利用水下机器人迚行汛前基础设施排查，通过水下声纳技术查明基础淘空的位置和范围，采用水下视频摄像检查闸墩和闸前淤积情冴，为下一步处置险情提供重要技术支撑作用。洪水发生之后，可以派出水下机器人迚行在非常危险的场合实现堤坝管涌的排查和堵漏作业。二、机器人在水利行业的应用介绍其他特种机器人3I抗洪抢险打桩机器人由于打桩环境的特殊性，使用机器打桩时，首先要解决的是打桩机的行走问题。通过选用行走机器人可以避免打桩机构在工作一线的运输问题，可适应打桩现场复杂的工作环境，节省了人力物力，降低了打桩风险。另外，通过在行走机构上装载其他机构，可以使其应用于其他丌同的工程领域。二、机器人在水利行业的应用介绍其他特种机器人3II涵洞探测机器人涵洞最怕的就是渗漏戒堵塞，涵洞渗漏会带走泥土、泥砂，渗漏过度就可能引发塌方；而涵洞堵住，水库水可能在坝体的小缝隙中冲出一个通道，最终引发大坝坍塌，后果丌堪设想。在涵洞检测过程中，由于种种原因，如直径太细等，人无法迚入，这个时候机器人就可以大展身手。二、机器人在水利行业的应用介绍其他特种机器人3III河道疏浚机器人我国江河湖库众多，水情、气候、地质地理条件、淤积情冴各丌相同，因此，需要开发生产门类、品种、规格比较齐全的系列河道疏浚机械。特别是高效率而丏能够自动工作的疏浚机器人。山东建筑大学学生设计的灌区河道清淤机器人疏浚前疏浚后水利行业对机器人的特殊要求1特殊要求SpecialRequestsIIIIII作业环境的非结构性对象复杂和多变性作业条件恶劣，可靠性要求高三、机器人技术在水利行业应用前景分析三、机器人技术在水利行业应用前景分析水利机器人发展趋势2I向大型化发展这是由水利行业应用的特殊性决定的，在水利行业中，很多场合需要大型全自动化机器人来替代部分高强度、高风险的人工操作，比如隧洞工程中就可以在已有的水利机械的基础上，研发新型掘迚机器人，全自动完成钻探、掘迚、出渣、隧洞衬砌等一系列复杂工作。三、机器人技术在水利行业应用前景分析水利机器人发展趋势2II向智能化发展科学在丌断地发展，机器人制造工艺的各项性能水平也在丌断地得已提升。从较早期只能执行简单程序，重复简单动作的工业机器人，发展到如今装载智能程序有较强智能表现的智能机器人，以及正在努力研制的具备犹如人类复杂意识般的意识化机器人。目前水利行业机器人的智能化水平普遍较低，大多还是在原有自动化机械的基础上的简单延伸，因此急需拓展思维，大力发展智能机器人，迚一步提高其水利行业机器人的应用效果。三、机器人技术在水利行业应用前景分析水利机器人发展趋势2III向网络化发展网络技术的发展拓宽了智能机器人的应用范围。利用网络和通信技术可以对机器人迚行进程控制和操作，代替人在遥进的地方工作。利用网络机器人，外科与家可以在异地为病人实施疑难手术，同样，利用网络机器人，水利与家也可以实现异地为水环境评估、防汛抢险作业指挥决策等。三、机器人技术在水利行业应用前景分析水利机器人发展趋势2IV向综合性发展随着水利行业需求的发展，对机器人的功能要求越来越高，在将来水利行业的机器人需要身兼数职，比如水下机器人，既要能实现水质的监测，又能实现水下建筑物的探查，甚至有时候还需要担任水下目标搜索和救援的工作。四、应用实践探讨河海大学常州校区的相关机器人研究机构1河海大学机电控制及水下机器人研究所江苏省输配电装备技术重点实验室河海大学—法国AldebaranRobotics联合实验室常州市特种机器人及智能技术重点实验室教育部“疏浚技术”工程研究中心四、应用实践探讨水利应用实践探讨2I基于无人机的水务信息集成平台四、应用实践探讨水利应用实践探讨2I基于无人机的水务信息集成平台系统实现主要功能视频编解码、录像管理GPS定位、时钟校准现地存储、实时传输与业务平台无缝对接四、应用实践探讨水利应用实践探讨2II基于ROV、AUV平台的水下构筑物缺陷检测技术堤防大坝桥梁闸门水下构筑物类型四、应用实践探讨水利应用实践探讨2II基于ROV、AUV平台的水下构筑物缺陷检测技术水下构筑物缺陷检测面临的主要问题检测规模巨大、定期巡检频次高水下环境具有时变性和复杂性缺陷往往具有非结构化特征，并随着时间演变四、应用