機器人的發(fā)展

1、機器人及其技術的發(fā)展簡介摘要：本文通過簡單介紹機器人的誕生、發(fā)展過程以及未來發(fā)展趨勢，討論了機器人及其技術發(fā)展的 情況，并進一步說明了機器人與現(xiàn)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(fā)展和完善的，這種不斷的發(fā)展和完善是通過技術革命的內在推動力 來實現(xiàn)的。同時，機器人的發(fā)展和廣泛應用，極大地推動著科學技術的發(fā)展和人類社會的進步。1現(xiàn)代機器人的產生1. 1早期機器人的出現(xiàn)機器人，英語為 ROBOT，意思是一種干臟活的人形機器。它體現(xiàn)了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)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

2、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(fā)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(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯；我國東漢時期，張衡發(fā)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(fā)展，18世紀岀現(xiàn)了以蒸汽機發(fā)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(yè)機的岀現(xiàn)均是以當時的科學和技術為基礎。用現(xiàn)代的眼光來看，它們的功能是單一的，實現(xiàn) 方法是落后

3、的，但它們卻代表了當時的最高科技水平。1 . 2現(xiàn)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(chuàng)立，原子能的應用，脫氧核糖核酸雙螺旋 結構的發(fā)現(xiàn)，到信息技術的騰飛，人類基因工作草圖的繪就，世界科學發(fā)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，岀現(xiàn)了人類歷史上第一次科學與技術的綜合性革命一一現(xiàn)代科技革命。現(xiàn)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

4、計算機已經岀現(xiàn)，電子技術也有了長足的發(fā)展，產業(yè)領域岀現(xiàn)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(fā)自動機械，代 替人去從事一些惡劣環(huán)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(fā)了一種遙控機械手代替人，1948年又開發(fā)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(xiàn)型）的工業(yè)機器人，在此基礎上，創(chuàng)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

5、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(tǒng)中的一員，影響著社會的發(fā)展、科技的進步。2現(xiàn)代機器人的發(fā)展從20世紀60年代初，美國生產出最初的工業(yè)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(fā)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(fā)展，機 器人技術也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也 有了長足的進展?，F(xiàn)將按工業(yè)機器人、特種機器人兩條技術發(fā)展路線分述機器人的發(fā)展進程。2 . 1工業(yè)機器人的發(fā)展進程問1）機器人操作機。通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計

6、方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)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(lián)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(tǒng)。2）并聯(lián)機器人。利用機器人技術，采用并聯(lián)機構，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是工業(yè)機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現(xiàn)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(fā)出了此類產品。我國的燕山大學、哈爾濱工業(yè)大學等也研制出了此類產品。3）機器人控制系統(tǒng)。由于控制理論、控制技術和計算機技術的發(fā)展，機器

7、人控制系統(tǒng)的性能進一步提。高，已由過去控制標準的 6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數字 控制，出現(xiàn)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(xiàn)實用化。4）機器人傳感系統(tǒng)。微電子技術和新材料的發(fā)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(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)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(yè)等，大大提高了工業(yè)機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本KAwASAKI、YASKAwA、rANuc和瑞典ABB、

8、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(lián)網的出現(xiàn)，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(xiàn)了與Cald）us、PID5Lus總線及一些網絡的聯(lián)接，出現(xiàn)了網絡化工業(yè)機器人群體，使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。6）機器人可靠性。由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF 般為幾千小時，而現(xiàn)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(fā)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

9、非制造領域迅速發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙 探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制 造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)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(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)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CF 01A等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、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

10、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(xiàn)在 20世紀70年代，前蘇聯(lián)的月球一17探測器 把世界上第一臺月球巡視機器人 一一月球車一1帶到了月球。后來，月球 一21探測器把實用型月球車 一2 帶到月球，此車重840kg，車上安裝有電視攝像機和多種環(huán)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(fā)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(yè)用機器人。國外的研究主要集

11、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(tǒng)，如美國oRML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、 反應堆用雙臂操作器， 加拿大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)， 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(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、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(tǒng)正在研制中。5）醫(yī)用機器人。醫(yī)用機器人的主要研究內容包括：醫(yī)療外科手術的規(guī)劃與仿

12、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仃elepresence Surgely）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、 手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯(lián)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(yī)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

13、工學院等控技術的拓展，為將來實現(xiàn)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(fā)出了此類產品。我國的燕山大學、哈爾濱工業(yè)大學等也研制出了此類產品。3）機器人控制系統(tǒng)。由于控制理論、控制技術和計算機技術的發(fā)展，機器人控制系統(tǒng)的性能進一步提。高，已由過去控制標準的 6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數字控制，出現(xiàn)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(xiàn)實用化。4）機器人傳感系統(tǒng)。微電子技術和新材料的發(fā)展，推動了傳感技術的進步。激光傳感器、

14、視覺傳感器、力傳感器、觸覺傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)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(yè)等，大大提高了工業(yè)機器人的作業(yè)性能和對環(huán)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(lián)網的出現(xiàn)，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(xiàn)了與Cald）us、PID5Lus總線及一些網絡的聯(lián)接，出現(xiàn)了網絡化工業(yè)機器人群體，使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。6）機器人可靠性。由于微電子技術的快速

15、發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF 般為幾千小時，而現(xiàn)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(fā)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(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制 造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)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(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)展方向。1）水下機器人。美國的AUSS、俄羅斯的88、法國的EPA

16、VLARD、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(yè)、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(xiàn)在 20世紀70年代，前蘇聯(lián)的月球一17探測器 把世界上第一臺月球巡視機器人 一一月球車一1帶到了月球。后來，月球 一21探測器把實用型月球車 一2 帶到月球，此車重840kg ,車上安裝有電視攝像機和多種環(huán)境科學測量儀器， 它在月球上工作了

17、4個多月， 行程37km ,把大量的月球照片和測量結果發(fā)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(yè)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(tǒng)，如美國oRML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、 反應堆用雙臂操作器， 加拿大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)， 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

18、走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、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(tǒng)正在研制中。5）醫(yī)用機器人。醫(yī)用機器人的主要研究內容包括：醫(yī)療外科手術的規(guī)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仃elepresence Surgely）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、 手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯(lián)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

19、天大學和海軍總醫(yī)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、麻省理工學院等控技術的拓展，為將來實現(xiàn)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(fā)出了此類產品。我國的燕山大學、哈爾濱工業(yè)大學等也研制出了此類產品。3）機器人控制系統(tǒng)。由于控制理論、控制技術和計算機技術的發(fā)展，機器人控制系統(tǒng)的性能進一步提。高，已由過去控制標準的 6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺

20、服和全數字控制，出現(xiàn)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(xiàn)實用化。4）機器人傳感系統(tǒng)。微電子技術和新材料的發(fā)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(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)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(yè)等，大大提高了工業(yè)機器人的作業(yè)性能和對環(huán)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?；ヂ?lián)網的出現(xiàn)，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應

21、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(xiàn)了與Cald）us、PID5Lus總線及一些網絡的聯(lián)接，出現(xiàn)了網絡化工業(yè)機器人群體，使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。6）機器人可靠性。由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF 般為幾千小時，而現(xiàn)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(fā)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(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這

22、些行業(yè)與制 造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)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(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)展方向。1）水下機器人。美國的AUSS、俄羅斯的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(yè)、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(xiàn)在 20世紀70年代，前蘇聯(lián)的月球一17探測器 把世界上第一臺月球巡視機器人 一一月球車一1帶到了月球。后來，月球 一21探測器把實用型月球車 一2 帶到月球，此車重840kg ,車上安裝有電視攝像機和多種