机器人的昨天、今天和明天.doc

转自Robot DIY 王全福刘进长 摘自：中国机械工程 两院院士宋健曾说过：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就， 是当代最高意义上的自动化”1。科学的进步与技术的创新，为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。 1机器人的诞生与发展 1920年捷克作家卡雷尔.卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。剧情是这样的：罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方 式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司使机器人具有了感情，在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员 。该剧预告了机器人的发展对人类社会的影响。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”(农奴) 写成了“Robot”（机器人）。这也是人类社会首次使用“机器人”这一概念。 自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展。50年代是机器人的萌芽期，其概念是“一个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器”。1954年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，首次提 出“ 工业机器人”的概念；1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型 ；1959年美国UNIMATION公司推出第一台工业机器人。 60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。 70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国 ，一举成为“机器人王国”。 80年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用，推动了机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量、多品种。 90年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期：1990年世界上新装备机器人81000台，1991年新装备76000台。1991年底世界上已有53万台工业机器人工作在各条 战线上。 随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也一度跌入低谷。近两年 随着世界经济 的复苏，机器人产业又出现了一片生机。90年代还出现了具有感知、决策 、动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。随着信息技术的发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。 2机器人的现状 2.1制造环境下作业的工业机器人 国际机器人联合会于1998年对世界上机器人的应用情况进行了调研，截止到1997年底，历年来世界上共销售工业机器人95万台，现役工业机器人总数为71.1万台。1997年 世界上共 装备各种工业机器人85 000台，比1996年增长6.5%，销售额为48亿美元，比1 996年减少4 。销售量上升而销售额下降主要是由于机器人单价下降和美元对其它货币 之间的汇率变化造 成的。 预计19972002年世界机器人年平均增长9，2001年销售量比1997年增长41。在 机械 行业不景气的情况下，机器人能连续增长，也显示了机器人在工业生产中的重要性 。 2.2非制造环境下的特种机器人 随着机器人技术的发展，机器人智能程度在不断提高，这也拓宽了机器人的应用领域，出现了一些新的发展热点。(1)仿人机器人工业机器人是为工业大生产而设计的，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。 从仿人机器人的集成情况看，日本本田公司的P2 、P3最先进。P2机器人于1996年问世，身高185 cm，体重210 kg。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。P3机器人是P2 机器人的改进型，它比P2更先进。P3身高160 cm，体重130 kg，与人类更加接近。 为了进一步推动仿人机器人的发展，日本于1998年推出了人型机器人计划。该计划为期 5年，共分两个阶段：第一阶段为19981999年；第二阶段为20002002年，总投资200亿日 元，这也是它的第三个机器人计划。日本的第一个机器人计划是1983年启动的“极限作业机 器人”计划，为期8年，总投资155亿日元；第二个机器人计划是1991年启动的为期10年的“ 微机械技术”开发计划，总投资250亿日元，目前仍在执行中。 (2)军用机器人 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。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。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。 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。 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 19992005财年计划投入4.586亿美元，2005年以前将有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。 (3)水下机器人和空间机器人现在的水下机器人已能下潜到世界上最深的海底，空 间机器人索杰纳也已成功地登上了火星 。国家高技术研究发展计划(863计划)支持研制 的6000 m自治水下机器人于1997年圆满完成了 太平洋洋底调查任务， 获得了大量数据 和资料。这次应用调查任务的完成不但表明了我国已掌握研制水下机器人的高技术能力和手段，而且已经进入洋底多金属结核资源的探测应用的实用阶段，海底作业型 机器人 如探测、取物、救险、埋缆正在研制之中。 (4)服务机器人这是指能在工业、农业生产中代替人的工作，从事家庭服务和社会 服务的机器人。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。 世界机器人之父恩格尔伯格2认为，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。 恩格尔伯格创建的TRC公司的第一个服务机器人产品是医院用的“护士助手”机器人 3，它于1 985年开始研制，1990年开始出售，目前已在许多国家几十家医院投入使用，且市场前景看好。 另据报道，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。 (5)微型机器人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。 (6)机器人化机器多年前蒋新松院士就提出“机器人化的技术或系统”的概念。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。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。 (7)机器人足球机器人足球是一个新生事物。现在的机器人足球无论从外形还是功能，离人们的期望值还很远，有时甚至感觉机器人还很笨。由于机器人技术方面的限制 ，机器人还没有真正意义上的腿，所谓的踢足球实际上是用身子“推”球。 现在的机器人足球比赛主要有两个分支，一个是韩国的微机器人世界杯MiroSot，一个是日本的机器人世界杯RoboCup。我国国内的机器人足球也有了自己的队伍，并于19 99年11月举行首届中国机器人足球锦标赛。 3机器人的未来 机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。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。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。 在计算机技术和人工智能科学发展的基础上，产生了智能机器人的概念。智能机器人是具有感 知、思维和行动功能的机器，是机构学、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。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂 的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置，如核工业、水下、空间、农业、工机械（地上和地下）、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面，可代替人完成各种工作。同时，智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全可以进入网络世界，发挥更多、更大的作用，这对人类开辟新的产业，提高生产 水平与生活水平具有十分现实的意义。因此，面向先进制造的工业机器人和面向非制造业的先进机器人的研究、开发和应用将成为21世纪智能机器人的两个重要发展方向。 目前，围绕未来的机器人需要研究开发如下一些关键技术： (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)微型和微小型技术这是一项由技术驱动的新领域，尽管微型/小型尺寸的机器人实用化还要等几年，但是这个时代即将到来。 (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。 (6)新型机构、新型控制器、新型传感器及体系结构的研究 4中国机器人的开发与应用 随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。中国工业机器人研究开始于70年代，但由于基础条件 薄弱、 关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因，未能形成真正的产品。80年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，中国工业机器人研究开发进入了一个新阶段，形成了中国工业机器人发展的一次高潮。以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的工业机器人，以交流伺服驱 动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的元部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、 系统集成技术和应用技术都取得显著成果。从80年代末到90年代 ，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学 、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定了以开发点焊、弧焊、喷漆、装配 、搬运等机器人为主，并开发了水下、自动导引车（AGV）、爬壁、擦窗、管内移动作 业、混凝土喷射 、隧道凿岩、微操作、服务、农林业等特种机器人。同时完成了汽车车身点焊、后桥壳弧焊 ，摩托车车架焊接，机器人化立体仓库等一批机器人自动化应用工程，这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 面对国外机器人技术的不断发展和国际市场的激烈竞争，我国工业机器人进展步履艰难 。首先国内企业的现状对机器人的需求明显不足，其次国产机器人在性能、价格、系列化、规模化生产上与国外同类产品相比还有一定差距。但是，在我国也存在着机器人应用的前景和希望：第一，制造业仍占我国国民经济发展的重要位置，随着改革开放的深入及与国 际市场的接轨，新产品、新工艺的要求需要有新的装备来武装制造业，尤其在汽车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。工业机器人不仅在制造业中担负 简单、重复的体力劳动 ，更重要的是在保证产品质量，提高生产效率，把人从恶劣、危险作业环境中替换出来等方面显示优越性。第二，经过20年的研究与实践，我国已形成一批较有经验的机器人研究与开发队伍，并具有一定的市场价值。我们已经初步掌握了工业机器人的设计技术，如机器人本体设计，控制系统硬件设计，实时操作系统，机器人语言、通讯、可靠性等。第三，国家处于由计划经济向市场经济转变的时期，国民经济的发展必将推进机器人市场需求的扩大，同时要求从事机器人产品研制、开发、应用的队伍必须转变观念、改革机制、苦练内功、培育新人、走向市场。第四，在机器人科学和工程方面有了较开放的国际环境，使我们有条件学习、借鉴、引进和消化吸收国外的先进技术。 当前，中国机器人面对两大任务：机器人研究与开发如何更好地为国民经济服务 ，并在实践中不断提高；中国机器人如何走向产业化并参与国际竞争。结合我国国情，工业机器人产品开发应围绕企业应用工程的需要进行，以企业的技术提升、产品的升级换代、提高质量、增强市场竞争力为目的，如在 汽车、电子、家电、石化等行业开发实用的机器人系列，并应用于焊接、喷漆、装配、搬运 等 生产线，在实用、可靠、 先进的前提下，以系统集成的方式，形成一定的工业机器人生产能 力。先进机器人应根