国内机器人技术研究现状分析
王守龙
摘要：随着经济全球化对工农业生产提出越来越高的要求，计算机技
术向着智能化发展，机器人越来越普遍的被工农业应用，其在提高工
农业产品质量，增加经济效益方面发挥着重大作用。本文又介绍分析
了移动机器人和小口径管内机器人及其在我国的技术研究现状。中国
的机器人事业面临着新的机遇和挑战。
关键词：机器人；技术研究；移动机器人；小口径管内机器人
前言
有人认为, 应用机器人只是为了节省劳动力, 而我国劳动力资源丰富, 发
展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国, 会主义制度的优越性决
定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力
和巨大的经济效益, 而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域
的发展做出卓越的贡献。
1 工农业机器人
1.1 工业机器人研究现状分析
机器人产业是近30年发展起来的新型产业。我国政府早在“七·五”期间就
开始组织了对工业机器人的攻关,到了1987年，国家高技术研究开发计划就把智
能机器人作为七大重点领域之一进行集中研究。经过十几年的艰苦奋斗，我国在
水下、空间、核领域等特殊机器人方面取得了令人欣慰的成果，一批机器人产品
和机器人应用工程应运而生。到20世纪90年代末，我国共完成了l00多项工业机
器人应用工程，建成了20个机器人产业化基地，从事机器人研究、开发和应用工
程单位200多家，专业从事机器人产业开发的50家左右，全国工业机器人用户近
800家，拥有工业机器人约4000台。2006年发布的《国家中长期科学和技术发展
规划纲要》前沿技术中，我国将智能服务机器人列为重点方向，提出加大科技投
入与科技基础条件平台建设。
然而，由于主要依靠科技部门研究开发计划的支持，从资金到产业的支持力
度不够，在机器人关键技术方面，我国与国外的差距并没有明显缩小，在关键部
件、产品产业化以及基础研究方面的差距还在拉大。到1998年，863计划推动的
几个机器人产业化基地产值仅仅1亿元。然而，国外各大机器人公司认识到高速
发展中的中国机器人市场的巨大潜力，凭借其技术和资金的优势纷纷进入了中国
市场。可以说，目前的中国机器人市场仍然是外国企业一统天下，我国机器人发
展尚未进入规模开发利用和产业化的阶段。
我国经过几十年来的研究与引进, 在机器人运动学仿真、动力学仿真和某些
典型工业机器人机构分析软件方面取得了一些成果 ，但总的看来, 我国机器人
机械技术的研究状况与国外相比还有较大的差距, 目前既没有建立一种多功能
的机器人系统, 也缺乏利用技术对机器人机械学的很多专门问题进行深人研究。
我国目前研制的几种工业机器人机型结构主要是直接仿制日本90年代初的样机,
一些主要关键元器件依赖国外进口。虽然国家“七五” 期间安排了一些单项研
究课题, 但这些课题一时还难于直接用于国产工业机器人, 还远不能从理论及
实际技术上建立起我国机器人的完整设计体系, 这与国外相比差距较大。国内利
用国产机器人开展应用工程的研究工作刚刚起步 。我国对移动机器人研究, 近
年来在步行机基础理论方面的成果较多, 而步行机实物模型或样机较少，与国外
先进水平相比也存在较大的差距。
1.1 农业机器人技术研究进展
农业机器人技术是当今国际农业机械化研究的前沿领域，其迅速发展的主要
动力有三点：一是社会的进步要求农业作业更精确、更快速、更省力、更舒适；
二是人类已经快速进入老龄进入老龄化社会，一些繁重、单调的农业生产需要机
械化、自动化、智能化的机器来替代；三是计算机、微电子、传感器以及GPS
卫星定位技术的发展，给农业机器人技术和智能化农业生产装备的发展提供了前
所未有的可能。因此，农业机器人技术在一些发达国家取得了较大发展。
近年来，我国农业机械化和工厂化农业取得了长足发展，特别是作业量多、
劳动量大、作业精细、操作单调、但生产收益相对较高的农作业发展迅速，这给
农业机器人的发展提供了巨大的市场需求。农业机器人以及智能化农业装备以作
业的高效率、高精度，低强度、低能耗、环境友好为特点，展示了广阔的应用前
景。
目前，国内农业机器人主要有果蔬采摘机器人、蔬菜嫁接机器人、果蔬分选
机器人和农田作业机器人。我国在自动化果蔬采摘技术领域的研究还处于起步阶
段。中国农业大学张铁中等人在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果蔬果实采摘机器
人方面做了较深入地研究，并研制出了试验样机；在草莓果实目标识别、果实重
心提取、果柄位置确定、采摘机器人及手抓等方面的研究取得了一定成果，初步
建立了草莓采摘机器人实验系统，采用双目视觉等图像处理技术实现了草莓的识
别和定位，对草莓果实的互相重叠或遮挡等情况进行了研究，并取得了一些研究
成果。但果蔬采摘机器人还存在一些问题，主要是果实的识别率和采摘率不高、
果实的平均采摘时间较长和机器人的制造成本较高。我国自1993年中国农业大
学张铁中教授开始蔬菜自动化嫁接技术研究以来，在多个领域取得了较大成就，
部分样机已投入生产，已具备比较成熟的自动化嫁接技术和装备，下一步需要尽
快产业化，以满足广大育苗农户的需求。对于果蔬分选机器人最新研究现状，陈
英等人于2010年设计了一套基于计算机视觉的葡萄检测分级系统，与人工分级
对比，其颜色和大小形状分级的准确率分别90%和88.3%，同时在分级过程中不
会对葡萄造成损伤。但国内的研究主要集中在实验研究阶段，研究的内容以图像
处理和系统的控制实现为主，研究的对象主要为苹果为主的球形水果，对蔬菜以
及其他形状的水果研究的较少，产品主要集中在实验样机上，还没有投入市场的
商用智能化分选机器人。农田作业生产的现代化，经历了机械化、自动化、无人
化等几个发展阶段，现正处于自动化向无人化过渡的阶段。农田作业机器人的研
究归根结底是导航方式的研究。根据国内研究历史和现状，农田作业机器人有效
的导航方式，大致可以归为3类：DESM(detecting established signal methods),
通过接收固定位置发出的信号来确定行走方向和自我定位；GPSM(global
position system methods),由GPS其他传感方式进行导航和自我定位；
DNEM(detecting natural environment methods),通过认识周围环境来确定自己
的行走方向、自我定位和监测障碍物，一般以视觉传感为主。
我国农业机器人的发展需紧紧围绕农业生产实际，选准对象、瞄准关键，以
作业量多、劳动量大、操作精细、生产收益高的农业作业为切入点，把先进性、
实用性和经济性紧密结合，研制出顶用、好用、耐用的机器，才能有所突破和作
为。要使农业机器人真正在农业上发挥作用，必须提高农业机器人的环境适应性、
提高工作效率和降低成本。
2 移动机器人
2.1 国内移动机器人研究概况
移动机器人研究是机器人学中的一个重要分支。移动机器人避障与路径规划
又是机器人研究的一个重要方向。目前，随着机器人技术的不断进步，机器人学
科越来越具有强大的生命力，它在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技
术、系统集成等技术的最新发展。
国内在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，
主要的研究工作有:清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。香港城市大学
智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。中国科学院沈阳
自动化研究所的AGV和防爆机器人。中国科学院自动化所自行设计、制造的全方
位移动式机器人视觉导航系统。清华大学于2003年7月研制成功的THMR-V智能车
等。
2.2 移动机器人主要研究的方向
2.2.1 导航和定位
导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题。移动机器人的导航方式可分
为川:基于境信息的地图模型匹配导航;基于各种导航信号的陆标导航、基于视觉
导航和味觉导航等。环境地图模型匹配导航是机器人通过自身的各种传感器，探
测周围环境，利用感知到的局部环境信息进行局部地图构造，并与其内部事先存
储的完整地图进行匹配。
2.2.2 路径规划
路径规划技术是机器人研究领域中的一个重要分支。所谓机器人的最优路径
规划问题，就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行
走时间最短、行走能量消耗最低等)，在其工作空间中找到一条从起始状态到目
标状态的能避开障碍物的最优路径。机 器人视 觉机器视觉系统吸引了众多研究
人员的注意，经过多年的努力，机器人视觉系统正在广泛地应用于 视觉检测、
机器人的视觉引导和自动化装配领域中。
2.2.3 多传感器信息融合
单一传感器只能获得环境特征的部分信息段，为了完整、准确地反映环境特
征，在智能移动机器人导航系统中往往装有多种传感器，它们提供的信息有些是
互补的，有些是冗余的，必须以一定的方法融合这些互补或冗余的传感器信息，
以充分利用多传感器提供的信息，才能获得最佳的、可靠的信息，从而更准确，
更全面地反映外界环境的特征，为导航决策提供正确的依据。
2.2.4 多移动机器人协调
多机器人系统的研究始于20世纪70年代，随着机器人应用领域的不断拓展、
机器人工作环境复杂度、任务的加重，对机器人的要求不再局限于单个机器人，
多机器人的研究己经成为机器人学研究的一个热点。多机器人系统的研究分为多
机器人合作(Multi-robotC oordination)和多机器人协调(Multi-robotCo
operation)两大类。
3 小口径管内机器人