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机器人的研究 李聪 M090416107 目录 机器人的研究11.机器人的发展现状31.1 机器人的定义31.2 国外机器人的研究与发展31.3 国内机器人的研究和发展42. 国计民生的意义63. 机器人研究运用现状7 3.1 机器人概述7 3.2机器人分类73.2.1 标准分类73.2.2 按发展过程117 3.3机器人设计原理8 3.4机器人在纺织领域的运用8 3.5机器人发展现状9 3.6机器人发展前景104.结束语111.机器人的发展现状1.1 机器人的定义 1959年，美国联合控股有限公司研制了世界上第一台机器人【1】，取名“尤尼曼特”，自此世界上产生了第一台机器人，经过几十年的发展，机器人取得了长足的发展。机器人是自动控制机器（Robot）的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械（如机器狗，机器猫等）2。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议，有些电脑程序甚至也被称为机器人。在当代工业中，机器人指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物，目前科学界正在向此方向研究开发3。1.2 国外机器人的研究与发展美国： 与“尤尼曼特”同时，美国机械铸造公司也研制成一台名叫“维塞特兰”的机器人，与“尤尼曼特”相比，不仅“脑子”构造存在差别，连体形、运动坐标也有很大不同.随后日本、德国、意大利、法国、英国和原苏联都纷纷相继仿制和汗发机器人。1961年，美国通用汽车公司和hrysler公司最先购买了第一批商业化生产的机器人系统4。20多年来，汽车工业一直是机器人的最大用户，占整个机器人的49%来自汽车工业其余2100来自电子业，30%来自航空工业，以及过程加工业等)。在随后的20年里，不管机器人有多大变化，绝大多数的机器人都是在这一对机器人的基础上改进和创新的。到1984年底，美国已经拥有1.4万台机器人。而时隔6年之后，美国的机器人数量翻了3倍，达到4万台。美国特种机器人、微型机器人、军用机器人等都处于世界领先地位。 图1 1959年美国的第一台机器人 图二 美国大片中的机器人 日本：与美国机器人媲美的国家就是日本了。1968年日本川崎重工公司从美国国恩格尔公司买得了机器人专利，并开始研制机器人，只用了1年时间，便生产出第一批有实用价值的机器人。1975年，日本安装的机器人共达4400台，到1987年已增至45100台。日本工业机器人的市场规模早在1981年就突破了1000亿日元，1985年便增长3000亿日元。日本机器人的数量虽压倒了美国，但从研究技术水平而言，美国却依然占有优势，例如计算机仿真、激光等高技术和机器人技术的结合，已顺利地解决了金属材料复杂形状的切割，以及利用计算机仿真技术来模拟自动加工中心的工作等问题。日本的机器人数量最多且技术比较先进，发展速度也比较迅速。截止1984年，除了中国、前苏联和东欧国家之外，全世界已有工业机器人102444台，而日本机器人的数量高达4. 4万台，美国才1. 3万台。到1990年底11:，世界上共有机器人40万台，为1984年的4倍多，其中日本高达27. 4万台5。西欧：是一个仅次于日美机器人的生产基地，也是日美机器人的重要市场。在众多的西欧国家中，德国、意大利、法国、英国、瑞典和西班牙是西欧主要生产和使用机器人的国家。1.3 国内机器人的研究和发展我国机器人起步比较晚，20世纪80年代中期，我国机器人的研究和开发尚处于起步阶段，有200多个单位从事的是低水平的重复研究，我国没有一台机器人产品问世，更谈不上生产应用。国家“七五”科技攻关计划将工业机器人开发列入了计划，由机械部等机构组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等工业机器人的技术攻关，主要立足于国产机器人的研究、开发和应用，特别是把应用作为考核的重要内容。这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使我国工业机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。在国家科技攻关计划和863计划的重点支持下，我国工业机器人和智能机器人走上了有序发展的道路。智能机器人主题在“发展高技术，实现产业化”的总战略思想指引下，密切关注世界技术发展的动向，不断探索机器人技术发展的主攻方向，为提高我国机器人技术水平和推动机器人产业化起到了重要作用。2007年，我国首次在南极科考中应用极地冰雪面移动机器人和低空飞行机器人，完成了测量、科考等任务。2008年，我国在第三次北极科学考察中使用水下机器人，这是我国首次在高纬度下使用机器人开展冰下试验应用，并因此掌握了海冰厚度、冰底形态等大量第一手科研资料。 图三 美女机器人佳佳（中科大研制）2. 国计民生的意义随着工业机器人的快速发展，其在汽车制造、机械加工、焊接、上下料、磨削抛光、搬运码垛、装配、喷涂等作业中得到越来越多的应用6。结合在机器人领域的相关工作,在分析国内外关于工业机器人发展现状的基础上,就工业机器人目前涉及的灵巧操作、自主导航、环境感知、人机交互与安全性等前沿技术的研究做简要的综述。把握国内外工业机器人前沿技术发展动态的同时,为发展我国工业机器人技术与产业提供相关战略思考与建议。21 世纪以来, 国内外对机器人技术的发展越来越重视. 机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一【7】，机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一, 对于国民经济和国防建设具有重要意义8. 图四 深海、太空探测器 图五 机器人应用的主要领域和销量3. 机器人研究运用现状3.1 机器人概述在机器人领域的相关工作, 在分析国内外关于服务机器人发展研究现状的基础上, 就服务机器人目前涉及的仿生材料与结构、自重构机器人、复杂环境下机器人动力学问题、智能认知与感知、网络化交互及微纳系统等关键技术的研究, 希望能够在把握国际服务机器人前沿技术发展动态的同时, 为培育我国服务机器人产业提供相关理论、方法及技术【9】.3.2机器人分类3.2.1 标准分类 图六 机器人标准化角度的分类方法【10】3.2.2 按发展过程11按照工业机器人的关键技术发展过程其可分为三代:第一代：第一代是示教再现机器人，主要由机器人本体、运动控制器和示教盒组成，操作过程比较简单。第二代：第二代是离线编程机器人，该机器人编程系统是采用离线式计算机实体模型仿真技术，首先建立起机器人及其工作环境的实体模型【12】，再采用实际的正逆解算法，通过对实体模型的控制和操作，在离线的情况下进行路径规划，然后通过编程对实体模型进行三维动画仿真，以检验编程的正确性，最后将正确的代码传递给机器人控制柜，以控制机器人运动，完成了离线编程【13】。 图七 智能机器人阿尔法狗第三代：第三代是智能机器人，它可带有各种传感器，这类机器人对外界环境不但具有感觉能力【14】，而且具有独立判断记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作。在工作时通过传感器获得外部的信息，并进行信息反馈，然后灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作【15】。3.3机器人设计原理 一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。具备以下三个特征16： 身体是一种物理状态，具有一定的形态，机器人的外形究竟是什么样子，这取决于人们想让它做什么样的工作，其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等17。 大脑 就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。控制程序主要取决于下面几种因素：使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果18。 动作就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的。3.4机器人在纺织领域的运用高温机器人防护面料基布可选芳纶纤维、芳砜纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维等，基布后整理可以采用涂层整理、层压铝箔整理、磁控溅射镀膜整理等; 高湿环境工作机器人防护面料可进行防水涂层剂整理19，或采用聚四氟乙烯薄膜进行层压处理; 无尘环境工作机器人防护面料可以利用防静电处理或在织物内添加导电纤维的方法【20】。工业生产中由于对质量、性能的要求越来越高，加工条件也随之提高，而恶劣的环境使人类所无法近距离操作【21】，所以在工业生产中使用机器人代替人力进行生产，但这些机器人在长期极端的生产环境中需要防护，以延长使用寿命。可以代替人在上面做实验。比如东华火人。图八 测量面料性能的东华火人以服装面料与人体皮肤之间的摩擦系数来定量地描述不同服装面料的接触舒适度，为此基于单片机控制器设计开发出一种服装面料接触舒适度智能检测的机器人【22】，这种机器人末端由待检测服装面料包裹，具有平面内两自由度运动能力，通过力传感器分别采集正压力和摩擦力，根据库仑摩擦定律测算出摩擦系数；由于人体皮肤表面一般为柔性曲面【23】，为保证检测过程中竖直方向稳定的正压力，基于导纳力控制方法实现了正压力的力伺服。最后，通过试验得到了几种常见面料与人体皮肤的摩擦系数；结果表明，该机器人可快速方便地实现服装面料的接触舒适度智能检测【24】。结构光视觉跟踪技术设计了缝合机器人视觉跟踪系统：该系统包括视觉传感系统、图像处理系统、偏差识别与控制系统和执行机构【25】。采用图像灰度化、对比度增强、中值滤波、二值化、开启运算对纺织复合材料激光图像进行预处理,基本消除了由毛刺和花节引起的噪声。3.5机器人发展现状美国、日本、德国等发达国家为代表,机器人发展至今已经有了许多分支,但现阶段主要还是以工业机器人的研究为主。工业机器人。工业机器人利用机械手、刀具或其他装配的加工工具来实现物料的加工搬运等作业。仿人机器人【26】。仿人机器人主要是模仿人的形态和行为,在形态上和人类差不多。)纳米机器人。“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴,它的设计理念来自于分子水平的生物学原理,从分子或原子水平上实现对目标的作业。 图九 主要机器人生产国机器人生产所占比例在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故【27】。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。有数据显示我国每年工业机器人的装机量约占全球的1/8，仅次于日本、韩国，预计2015年中国的装机量会超过这两个国家，成为世界上使用工业机器人最多的国家。（2013年质料）。3.6机器人发展前景服务机器人的主要职能就是提供和完成服务。目前,它主要涉及清洁、运送、监视、检查和探测等类型的工作。清洁是服务机器人应用最广的领域之一【28】。目前,3个主要的应用领域是家用吸尘器、公共建筑地板清洗机和大型建筑物的擦窗机器人和外墙清洗机器人【29】。国外在服务机器人方面,已经开发出一些商业化产品,如游泳池清洗机器人、机器人吸尘器、机器人锄草机等等。纳米机器人的运用：1. OMOM纳米胶囊内镜系统OMOM胶囊内镜全称为“OMOM胶囊消化道内镜系统”，它具有无痛苦，无创伤，检查方便等特点，由我国重庆某科技公司自主研发，是Given Imaging 公司之后世界上第二个胶囊内镜。该系统可以完全检查小肠，胃部存在的疾病，并且不影响患者的正常工作活动【30】。2. 纳米机器人的军事应用：最先进的科技往往最先应用于国防军事之中。在军事领域，纳米机器人的出现，将大大提升军队作战能力和防御能力。随着纳米机器人技术同生物技术的结合，我们可以设想将已经编程好的纳米机器人植入动物大脑之中，通过程序来控制动物身体进而完成一系列收集情报工作；也可以将植入在植物和动物体内纳米机器人大量繁殖，进而在无形之中散发有毒物质，将纳米机器人作为生物学武器来使用。 图十 纳米机器人诊病3. 纳米机器人会加速人类文明：目前有很多学者正在研究关于为人脑植入芯片的课题。我认为纳米机器人植入人脑，作为人类“第二个大脑”将人类智力提升也是一种不错的选择。随着科技的发展，集成度超高的芯片已经渐渐走进人们的视野。我们可以做出一个合理的设想：将高集成度芯片装在纳米机器人上将其植入大脑，通过一系列生物学连接手段让纳米机器人与人类通信，辅助人类思考，从而提高人类智力，进而加速人类文明的发展【31】。4.结束语人类文明走进了21世纪，越来越多的科技创新在推动着我们前进。机器人技术也是这些灿烂的科技成果中的一大亮点。随着中国制造2025的推进，机器人技术将会飞速发展，走向空前繁荣的地步。随着机器人技术的发展，多行业都将会发生变革。许多科学难题也会被一点点攻破。参考文献1高铁生.外国机器人的发展概况和动向J.市场纵横，2003,6,23-252Stephan K D, Michael K, Michael M G, Jacob L, Anesta EP. Social implications of technology: the past, the present,and the future. 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