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標題: 機器人及其技術的發展簡介 [打印本頁]

作者: 天氣 時間: 2006-7-17 09:45
標題: 機器人及其技術的發展簡介
機器人及其技術的發展簡介

摘要：本文通過簡單介紹機器人的誕生、發展過程以及未來發展趨勢，討論了機器人及其技術發展的情況，并進一步說明了機器人與現代科學技術革命有著密切的關系，符合科技革命關于生產實踐需要的理論。機器人作為一種高技術，是不斷發展和完善的，這種不斷的發展和完善是通過技術革命的內在推動力來實現的。同時，機器人的發展和廣泛應用，極大地推動著科學技術的發展和人類社會的進步。

機器人的誕生和發展與科學技術革命有著密切的關系，符合科技革命關于生產實踐需要的理論。機器人作為一種高技術，也是不斷發展和完善的，這種不斷的發展和完善是通過科技革命的內在推動力來實現的。同時，機器人的發展和廣泛應用，使科學技術成為顯見的生產力，極大地推動著科學技術的發展，推動著人民生活的改善，推動著生產力的提高，推動著整個社會的進步。機器人技術作為當今科學技術發展的前沿學科，將成為未來社會生產和生活中不可缺少的角色。

1 現代機器人的產生
1．1 早期機器人的出現
機器人，英語為ROBOT，意思是一種干臟活的人形機器。它體現了人類長期以來的一種愿望，即創造一種像人一樣的智能機器，以便能夠代替人去進行各種各樣的工作。機器人雖然是一個新造詞，但關于機器人這一思想的淵源，卻可以追溯到遙遠的古代。早在我國西周時期，就有能工巧匠侶師制作了一個歌舞“機器人”獻給周穆王；公元前3世紀，古希臘發明家戴達羅斯用青銅為可里特島國王邁諾斯塑造了一個守衛寶島的青銅衛士塔羅斯；我國東漢時期，張衡發明了用于軍事的指南車，可以說它是最早的移動機器人雛形。
隨著科技的發展，18世紀出現了以蒸汽機發明為標志的第一次技術革命，這引起了古代機器人技術的進步。1893年More制造了“蒸汽人”，它的腰由桿件支撐，靠蒸汽驅動雙腿沿圓周運動。以上這些自動玩具或自動作業機的出現均是以當時的科學和技術為基礎。用現代的眼光來看，它們的功能是單一的，實現方法是落后的，但它們卻代表了當時的最高科技水平。
1． 2現代機器人的產生
20世紀，人類取得了輝煌的成就，從量子力學、相對論的創立，原子能的應用，脫氧核糖核酸雙螺旋結構的發現，到信息技術的騰飛，人類基因工作草圖的繪就，世界科學發生了深刻的變革。信息技術、生物技術、新材料技術、先進制造技術、海洋技術、航空航天技術等都取得了重大突破。此時，科學技術化，技術科學化，科學技術密不可分，出現了人類歷史上第一次科學與技術的綜合性革命――現代科技革命圓。
現代機器人是電子工程學、機械學、控制論與控制工程學、計算機科學與工程、人類學、社會學、人工智能、生物學等多學科的集成，所以它是多學科科技革命的必然結果。
當時電子計算機已經出現，電子技術也有了長足的發展，產業領域出現了受計算機控制的可編程的數控機床，與機器人相關的控制技術和零部件加工有了扎實的基礎。另一方面，人類需要開發自動機械，代替人去從事一些惡劣環境下的工作，比如在原子能的研究過程中，由于存在大量放射性，要求用某種操作機械代替人來處理放射性物質。正是在這一背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發了一種遙控機械手代替人，1948年又開發了主從機械手。1954年美國人喬治?德沃爾設計出了第一臺可編程(示教再現型)的工業機器人，在此基礎上，創建了Un5m此on公司，并于1962年生產出來，取名為Unimate。此機器人在美國通用汽車公司(CM)投入使用，這標志著第一代機器人的誕生。從此，機器人開始成為社會系統中的一員，影響著社會的發展、科技的進步。

2 現代機器人的發展
從20世紀60年代初，美國生產出最初的工業機器人，到20世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發展過程。到了20世紀90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機器人技術也得到了飛速發展。除了工業機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業的先進機器人系統也有了長足的進展。現將按工業機器人、特種機器人兩條技術發展路線分述機器人的發展進程。
2．1 工業機器人的發展進程問
1) 機器人操作機。通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實現了優化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。
2) 并聯機器人。利用機器人技術，采用并聯機構，實現高精度測量及加工，這是工業機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發出了此類產品。我國的燕山大學、哈爾濱工業大學等也研制出了此類產品。
3) 機器人控制系統。由于控制理論、控制技術和計算機技術的發展，機器人控制系統的性能進一步提。高，已由過去控制標準的6軸機器人發展到現在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現了軟件伺服和全數字控制，出現了基于學習或進化方式的控制方法。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。
4) 機器人傳感系統。微電子技術和新材料的發展，推動了傳感技術的進步。激光傳感器、視覺傳感器、力傳感器、觸覺傳感器在機器人系統中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了工業機器人的作業性能和對環境的適應性。日本KAwASAKI、YASKAwA、rANuc和瑞典ABB、德國KuKA、REIs等公司皆推出了此類產品。
5) 網絡化機器人群體。互聯網的出現，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步。日本YJASKAwA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現了與CaId)us、PID5Lus總線及一些網絡的聯接，出現了網絡化工業機器人群體，使機器人由過去的專用設備向標準化設備發展。
6) 機器人可靠性。由于微電子技術的快速發展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提高。過去機器人系統的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。
2．2 特種機器人的發展進程
隨著人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域迅速發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業與制造業相比，其主要特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規劃能力等，是機器人技術的一個重要發展方向。
1) 水下機器人。美國的AUSS、俄羅斯的MT―88、法國的EPAVLARD、中國的“探索者”和CR―01A等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人(RoV)和無纜水下機器人(AUV)兩大類。
2) 空間機器人?？臻g機器人是先進機器人的重要研究領域，引起了各國的高度重視。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。最早的太空機器人出現在20世紀70年代，前蘇聯的月球―17探測器把世界上第一臺月球巡視機器人――月球車―1帶到了月球。后來，月球―21探測器把實用型月球車―2帶到月球，此車重840kg，車上安裝有電視攝像機和多種環境科學測量儀器，它在月球上工作了4個多月，行程37km，把大量的月球照片和測量結果發送回地球。再如美國NASA的空間機器人幼Mor，它是一輛自主移動車，重量為U．5kg，有6個車輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關注。
3) 核工業用機器人。國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統，如美國oRML基于機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操作器，加拿大研制成功的輻射監測與故障診斷系統，德國的C7靈巧手等。
4) 地下機器人。地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大類。主要研究內容為：機械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通信及遙控技術。目前日、美、德、中等國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采掘機器人及自動化系統正在研制中。
5) 醫用機器人。醫用機器人的主要研究內容包括：醫療外科手術的規劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科(Telepresence SurgeIy)的研究，用于戰場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科(Telemahcs)計劃、袖珍機器人(Biomed)計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的成果。我國的北京航空航天大學和海軍總醫院研制出腦外科手術機器人，并成功地應用在臨床上。
6) 建筑機器人。日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應用。美國卡內基梅隆大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋沒機器人、內墻安裝機器人等型號的研制，并開展了傳感器、移動技術和系統自動化施工方法等基礎研究。中、英、德、法等國也在開展這方面的研究。
7) 軍用機器人。美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰和后勤支援等任務，在戰場上具有看、嗅和觸模能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navldb自主導航車、路V半自主地面戰車，法國的自主式快速運動偵察車(DARDS)，德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國oRNL正在研制和開發Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。
8) 微型機器人。微型機器人的研究始于20世紀80年代。微電子技術的發展，使得成千上萬的電子元件在很小的空間內集成已經成為現實。受其影響，人們開始沒想將微型傳感器、微處理器、微型執行機構等器件在極小的空間內進行集成，組成微型機電系統(MEMS)或微型機器人。這樣的機器人，在生物血管疾病診斷和治療，高級儀器設備的檢修清洗等許多領域中有重要應用。目前，美國已經研制出昆蟲大小的飛行機器人，它具有與真實昆蟲一樣的大小和外表，能夠遙控飛行，主要用于戰爭現場的近距離偵察和目標攻擊；日本研制出直徑只有幾個毫米的機器人，用于進人人體腸道進行疾病診斷。我國的上海交通大學等單位也研制出了微型管道機器人，用于設備檢測。
另外，仿人形機器人在人工智能技術和微計算機技術的指導下，已具備了對話能力、運動能力和自主完成某些特定任務的能力；在市場需求的牽引下，農業機器人、地下機器人等也已進入實用化研究階段。
2．3 科學技術與機器人技術的相互作用
從機器人的發展進程可以看出，隨著計算機技術、人工智能技術、信息技術等的飛速發展，使機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，機器人的視覺、觸覺、自主控制等技術就是典型的代表。由于這些技術的發展，推動了機器人概念的延伸。20世紀80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現實。將機器人的單元技術滲透到社會的各個領域形成了各式各樣的新機器――機器人化機器。當前與信息技術的交互和融合產生了“軟件機器人”、“網絡機器人”；與納米技術、分子生物學的交叉和融合又產生了“納米機器人”；今后也許與克隆技術的結合將會產生“克隆機器人”問。這說明了機器人所具有的創新活力，也說明了客觀世界是一個相互作用，相互聯系的統一世界。任何一門學科都是對客觀世界某一方面或某種運動形式的本質和規律的正確反映，客觀世界普遍聯系的特征也必然會在各門學科的思想、理論體系中反映出來，同時也決定了各門學科之間的相互聯系、相互依賴和相互作用的關系，決定了它們是一個有機聯系的科學整體。機器人融合了計算機、信息、自動控制、機械、仿生等技術，從而使機器人技術的發展與其它學科的技術發展極為密切?？v觀機器人的發展史，我們可以發現機器人是隨著其它學科的興旺發達而呈現出勃勃生機的。
相關學科理論與技術的進步推動機器人技術的發展，而機器人技術的進步又將刺激與推動各相關學科理論與技術的不斷發展。機器人與其它學科的關系不僅僅是索取，它們是相互促進，共同發展的伙伴。如微電子技術、計算機技術等發展的同時，也促進了機器人能力的發展，人工智能的發展，也促進了智能機器人的產生和發展，納米技術的出現，導致了納米機器人的誕生，同時機器人的發展反過來又在促進著生物科學、海洋科學、空間科學、人工智能等的發展，為它們提供必不可少的研究手段、研究載體，提高它們的研究效率和研究水平，縮短它們的研究周期。機器人的發展也給計算機技術、信息技術、自動控制、機械等提出了更高的要求，為它們提出了新的研究課題，促進著它們的進步和發展。
3 機器人的未來
當今機器人技術的發展趨勢主要有兩個突出的特點：一是在橫向上，機器人的應用領域不斷擴大，機器人的種類日趨增多；一是在縱向上，機器人的性能不斷提高，并逐步向智能化方向發展。21世紀，機器人技術將繼續是科學與技術發展的熱點。機器人技術的進一步發展必將對社會經濟和生產力的發展產生更加深遠的影響。在未來的100年中，科學與技術的發展將會使機器人技術提高到一個更高的水平。機器人將成為人類的伙伴，更加廣泛地參與人類的生產活動和社會生活。
3．1 機器人未來技術研究目前，國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發展。未來機器人技術的主要研究內容集中在以下幾個方面：
1) 工業機器人操作機結構的優化設計技術。探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載／自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發展。
2) 機器人控制技術。重點研究開放式，模塊化控制系統，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化以及基于PC機網絡式控制器已成為研究熱點。
3) 多傳感系統。為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非乎穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。
4) 機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。
5) 虛擬機器人技術。基于多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感應技術，實現機器人的虛擬遙控操作和人機交互。
6) 多智能體控制技術。這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。
7) 微型和微小機器人技術。這是機器人研究的一個新的領域和重點發展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微型機器人技術的研究主要集中在系統結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。
8) 軟機器人技術。主要用于醫療、護理、休閑和娛樂場合。傳統機器人設計末考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。
9) 仿人和仿生技術。這是機器人技術發展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究。
3．2 決定機器人未來發展的因素
人類生產活動的需要是生產作業機器人技術發展的基本動力，社會的科學技術水平是機器人技術的基礎。
目前，機器人技術的發展尚存在許多待解決的瓶頸問題。從仿生學角度看，現代機器人的驅動系統還是相當笨重的，雖然人們曾經努力創造了數種用于機器人的驅動系統，但是現在還沒有任何驅動系統能與人的肌肉相媲美；需要研究體積小、重量輕、出力大、靈敏度高的新型驅動系統，用于取代現在使用的笨重的驅動系統；對于移動機器人來說，還需要解決可攜帶能源問題，研究新型高效能源。現在使用的蓄電池的體積和重量，相對其蓄電容量來講，顯得太大、太重；計算機的信息傳輸與處理速度還不夠快，還不能滿足機器人實時感知系統的需要；機器人的“思維能力”也將取決于計算機的智能化程度；傳感器的微型化和集成化仍然不能滿足機器人技術的發展需要；納米機器人的研究，需要人們對生命過程分子水平生物學原理的每一步都有深刻的認識；水下機器人的研究，要求解決動力定位的控制問題、遠距離水下通信和能源問題；為了提高太空機器人的可靠性和靈活性，促進其智能化和微型化，需要研究用靈巧的、可變形的材料來代替電動機等執行機構；機器人的進化研究，需要人們搞情人類社會進化的每一步，研究其機器實現的方法等。
機器人的發展給現代科學技術提出了亟待解決的問題，問題的解決又將極大地推動機器人的進步。在21世紀，科學技術更加發達，機器人種類更加繁多，機器人家族將會越來越興旺，機器人也將越來越多才多藝，越來越聰明伶俐。同時，機器人將進一步促進人類社會科技的進步和經濟的發展。機器人將使世界的明天更加絢麗多彩。

作者: livecs68 時間: 2006-7-17 10:11
標題: Re: 機器人及其技術的發展簡介
數學模型和反饋傳感都非常重要,兩者都有較高水平,行業的水平就高.

作者: 長征 時間: 2007-11-17 08:32
在中央臺上不看到過中國農民制造機械人的嗎,有個超級王老五,還有一個會拉車的補別人買去嗎,我們應該向這位農民學經驗

作者: zhanditulong 時間: 2007-11-20 18:36
研究型機器人需要搞,跟需要真正的國產工業機器人的

作者: 超級盤古天地 時間: 2008-6-13 19:38
標題: 關注未來
博士你能不能應用你們的團隊研究出來的類人型機器人，再輸入人腦記憶思維，使這個機器人具有人類的記憶系統，使之成為真正的人工智能型機器生物。那一定可以超越日本，使我們的科技水平達到亞洲最高水平。應該可以跟美國相比。如果你們有什么條件可以提出來，我會全力配合，也會不顧性命全力參與其中。這是我一個科學愛好者的愿望，也是為了人類未來的希望。
如有興趣請與我聯系：cbaluyi@yahoo.com.cn

作者: uuk 時間: 2008-6-20 17:48
能不能介紹下編程方面的東西，我還是新手！
謝謝??！

作者: yy1198410536 時間: 2011-2-11 15:18
研究型機器人需要搞,跟需要真正的國產工業機器人的

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