(5.1.3)-9.3 机器人发展和应用

专题九机器人技术的发展及其应用9.1人类的梦想和追求9.2概念和分类9.3机器人的近代发展和应用9.4未来展望93.1 工业机器人的发展3.2 非制造环境下的机器人发展

近年来，非制造环境下的机器人随着机器人智能程度和技术的发展,拓宽了其潜在的应用领域,出现了以下发展热点：仿人机器人 （1）工业机器人是为工业生产而设计的,为了适应各种不同的应用现场,其形状多种多样,但根本没有一点人模样,这也使很多机器人爱好者大失所望。为了使机器人更容易让人接受,也为了让机器人像人一样能完成各种工作,各国都在开发不同规格、不同功能的仿人机器人。

（2）日本本田公司的P2机器人于1996年问世,身高185cm,体重210kg。它能通过重力感应器和脚底的触觉感应器把地面的信息传到大脑(电脑),机器人的电脑再根据情况进行判断,进而平衡身体,稳步前进。它不仅可以走平路,而且可以爬台阶和在倾斜路面上行走;不仅可以推车,而且可以通过遥控拧螺钉。日本本田研制的P3型拟人机器人日本本田研制的P3型拟人机器人P3机器人是P2机器人的改进型,它比P2更先进。P3身高160cm,体重130kg,与人类更加接近。法国国家实验室的BIP2000早稻田大学的WENDY拟人机器人MIT研制的拟人机器人上肢英国大学研制的气囊驱动拟人机器人美国大学研制的电传动拟人机器人日本研制的拟人机器人军用机器人（1）随着武器系统的不断发展,士兵在战场上的生存条件越来越差。为了保护士兵的生命,无人作战系统的应用越来越广泛。（2）军用无人作战系统按不同的应用空间分为水下机器人系统、地面机器人系统、无人机(空中机器人)和空间机器人系统。（3）其中无人机发展最快,已得到广泛的应用。在北约对南联盟的空袭过程中就曾大量使用了无人机,其中有多驾被击落。（4）微型无人机是90年代中期出现的一个新生事物,由于微型无人机在战场侦察、生化探测等诸多方面有着巨大的应用潜力,所以发展特别快。现在微型无人机还处于研究阶段,其飞行方式,有像飞机一样采用固定翼的,有像昆虫一样采用扑翼的,也有像直升飞机一样采用旋翼的。微型飞机遇到的主要困难有动力问题、空气动力学问题、通讯与控制问题、侦察传感器问题等。（5）地面军用机器人很多人认为是很遥远的事情,对现在的战争影响不大,其实不然,美国从1999～2005财年计划投入4.586亿美元,2005就实现了一大批遥控及半自主地面军用机器人装备美国陆海空三军。扫雷轮式移动军用机器人无人移动侦察车微型无人飞行机器人小型无人飞行机器人水下机器人-水下移动潜水器Rocky7(美国喷气动力实验室)。采用六轮独立悬挂系统，前后独立转向机构。其简化型号“索杰纳”曾于1997年4月成功登陆火星MARSOKHOD月球探测车(俄罗斯)LUNOKHOD月球探测车(俄罗斯)

服务机器人（1）目前在非制造领域中已开发出多种实用化的服务机器人,如在农业中的收获机器人、嫁接机器人、除草机器人,在建筑业中的钢构架焊接、涂覆、检查、测量机器人,在电力工业中的检查、清扫、除污、高空高压作业机器人,在石油、煤气行业中的管道和贮罐的检查、修补机器人,等等。（2）服务机器人与人们生活密切相关,服务机器人的应用将不断改善人们的生活质量,这也正是人们所追求的目标。一旦服务机器人和其它机电产品一样被人们接受,走进千家万户,其市场将不可限量。

服务机器人 由机器人主刀的外科手术也已成为现实。现在世界各国都在积极研制各种用途的服务机器人、智能轮椅、机器人病房、移动病人等助老助残机器人、火灾侦察、人员营救、灭火等消防机器人高楼清洗、飞机清洗等保洁机器人等等。

电缆操作机器人农用采摘机器人

微型机器人（1）微型机器人技术是正在兴起的机器人新领域,包括微机械及其基础材料、微电子、微驱动与控制技术、微测量技术、微传感器、微能源、微系统设计等。 微小型机器人在民用、军用、科学实验中将大有用武之地。尽管其实用化还在研究之中，但已显现出远大前程。微小型机器人技术将会对机器人引发一场革命，并将对社会各方面产生重大影响。机器人化机器（1）基于机器人技术的发展和现实生产与产品的需求,机器人技术不断向新的领域渗透，并形成和有望形成机器人新产品,如在工程机械中的无人驾驶振动压路机、沥青摊铺机、混凝土搅拌机(站)；地下工程机械中的喷浆机器人、凿岩机器人、盾构机器人。（2）把传统的机器人技术与不断发展的现代科学技术及千变万化的市场需求相结合,使机器人进入更广阔的天地,无疑对机器人的发展具有十分重要的意义。3.3 机器人涉及的理论和技术1）机器人的理论和技术基础理论（1）机器人运动学和动力学，运动学分析、动力学建模、运动规划等。（2）机器人设计理论，机器人机构分析和综合、机器人结构设计优化、机器人关键器件设计、机器人仿真等。（3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造等（4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和交互。（5）机器人操作和移动理论，机器人装配理论、机器人移动理论、足式机器人步态理论等。（6）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法。

机器人主要技术 机器人技术包括：机器人制造技术、操作和执行技术、驱动和控制技术、检测和感知技术、机器人智能技术、实验和评价技术、人机交互和融合技术、通讯技术、机器人的能源和通讯技术、技术规范和标准等。2）机器人研究涉及的学科和技术

机器人是一个多学科和技术交叉和结合的综合高技术领域。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、测试技术、制造技术、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。

3.4 中国的机器人研究和应用1）研究成果我国的机器人研究始于70年代，经过七五攻关、863计划,掌握了第一代示教再现型机器人技术，完成了许多基础研究工作。已研制出各种工业机器人，用于喷漆、焊接、装卸料、装配等作业，已有数百台次投入工业应用。近十年来，在第二代(遥控)机器人和第三代(智能)机器人的研究领域也获得发展,使机器人的应用研究开始扩展到各种非制造领域,如核工业、石油化工、水下工程、地下管道等。清华大学精仪系制造工程研究所、机械系、自动化系和计算机系等单位在装配机器人、步行机器人、机器人化机器、微操作机器人、生物基因组装机器人、医疗康复机器人、焊接机器人、机器人仿生学、机器人智能和控制、机器人视觉等研究上已取得国内领先，甚至国际先进的研究成果，并正在继续深入开展先进机器人技术的研究。清华制造所研制的国内第一台机器人化机器-虚拟轴机床清华制造所研制的履带式机器人清华制造所研制的四足全方位步行机器人清华制造所研制的双三足步行机器人清华制造所研制的五足步行机器人清华制造所研制的排水管道清淤机器人清华制造所研制的生物芯片基因探针分配机器人系统清华制造所研制的六自由度高精度微动机器人清华正在研制的拟人机器人四、未来展望

4.1 技术发展1）21世纪的技术热点和特征机器人已在工业领域得到了广泛的应用,而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑,21世纪机器人技术必将得到更大的发展,成为各国必争之知识经济制高点和研究热点未来技术发展特点：许多国家都已将机器人技术列入高技术发展计划。当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点:一个是在横向上,机器人的应用领域在不断扩大,机器人的种类日趋增多;另一个是在纵向上,机器人的性能不断提高,并逐步向智能化方向发展。2）机器人技术发展方向智能机器人的发展（1）具有感知功能的机器人和具有自主功能的智能机器人技术将迅速发展，计算机的小型化与智能化、传感器系统的集成化与智能化将促使智能机器人的发展。（2）在21世纪,各种智能机器人将得到广泛应用。具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人将被研制成功,并得到应用。微型机器人发展（1）将登上历史舞台微型机器人的发展还面临着许多技术上的难题,但是MEMS技术、LIGA技术和微细加工技术的进步将使各种微型机器人走向应用。（2）微型机器人将会首先在医疗、军事、环境、空间等科技领域得到应用。新型机器人关键器件技术的发展 目前,机器人技术的发展尚存在许多待解决的瓶颈问题，如驱动器、能源和控制器。从仿生学角度看,21世纪出现与人体执行、感知和大脑类似的新的机器人器件和系统。专项技术的发展（1）到21世纪,机器人的种类将大量增加，机器人种类的多样性和机器人应用的广泛性,要求机器人系统逐渐走向标准化、模块化、开放化和网络化。（2）网络机器人技术，通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。（3）虚拟机器人技术，许多特种机器人在使用时,遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实(或临场感)的虚拟遥控操作和人机交互,将成为需要共同发展的一项技术。

专项技术的发展（4）多智能体协调控制技术，用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术,这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。 (5)软机器人技术许多特种机器人,特别是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时,经常处于与人共存的环境中。现在的大多数机器人,由于在设计时未考虑与人共存,用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用的传感器,在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是软的,增强人对机器人的安全感和亲近感。4.2应用前景 在未来的100年中,科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。机器人将成为人类多才多艺和聪明伶俐的伙伴,更加广泛地参与人类各方面的生产活动和社会生活。1）机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业它将从目前已广泛地用的汽车、机械制造、电子工业及塑料制品等生产领域扩展到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，进而应用在非工业领域中,如在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面。机器人将成为人类社会生产活动的主劳力，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来从而有更多的时间去学习、研究和创造。2）机器人将成为人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具将人送入太空进行宇宙探索非常危险和昂贵，机器人将代替人从事空间作业和太空探索。目前，航天飞机已经将舱外作业机器人带入太空进行太空作业，火星探测车已被送到火星表面上,并成功地完成了预定的探测任务。水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题，水下和地下机器人将解决这个问题，被用于海底和地底的探索与开发、海洋和地下资源的利用、水下作业与救生等。水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题3）机器人将在未来战争中发挥重要作用军用机器人可以是一个武器系统,如机器人坦克、自主式地面车辆、扫雷机器人等,也可以是武器装备上的一个系统或装置,如军用飞机的副驾驶员系统、舰船作战管理系统、武器装备的自动故障诊断与排除系统、坦克炮装弹机器人系统等。将来可能出现机器人化部队或兵团。在未来战争中将会出现机器人对机器人的战斗。

4）机器人将用于提高人类健康水平与生活质量改善生活条件,提高生活水准始终是人类面临的一个重要课题。在21世纪,服务机器人将进入家庭和服务产业。家庭服务机器人可以从事清洁卫