机器人的发展及其应用

机器人的发展及其应用

摘要：本文介绍了机器人的定义、机器人产生的背景，具体阐述了机器人的应用领域，通过多个方面的考虑，结合我国国内的市场情况，预测了未来机器人的未来发展前景。

关键词：机器人定义产生背景应用领域发展前景

0、引言

机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

一、机器人的定义

上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展；机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：

（1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipul ator)”。

（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。

（4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。

（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。

结合各国关于机器人的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。

二、机器人产生的背景

机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

1、古代机器人

西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，鲁班曾制造

过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机，可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，用其运送军粮，支援前方战争。19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。可以回答一些问题。

2、现代机器人

1952年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1962年美国AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用机型。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人。1980年后，日本赢得了“机器人王国”的美称。

三、机器人的应用

研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。

从机器人的用途来分，可以分为两大类：军用机器人和民用机器人。

军用机器人主要用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。军用机器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遥控式等多种方式。军用机器人可以分为以下几个主要类别：

（1）地面军用机器人

地面机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆.地面军用机器人又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。

（2）无人机

被称为空中机器人的无人机是军用机器人中发展最快的家族，从1913年第一台自动驾驶仪问世以来，无人机的基本类型已达到300多种，目前在世界市场上销售的无人机有40多种。美国几乎参加了世界上所有重要的战争。由于它的科学技术先进，国力较强，因而80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的。美国是研究无人机最早的国家之一，今天无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界首位。

综观无人机发展的历史，可以说现代战争是无人机发展的动力，高新技术的发展是它不断进步的基础。

（3）水下机器人

水下机器人分为有人机器人和无人机器人两大类：

有人潜水器机动灵活，便于处理复杂的问题，担任的生命可能会有危险，而且价格昂贵。

无人潜水器就是人们所说的水下机器人，“科夫”就是其中的一种。它适于长时间、大范围的考察任务，近20年来，水下机器人有了很大的发展，它们既可军用又可民用。随着

人对海洋进一步地开发，21世纪它们必将会有更广泛的应用。按照无人潜水器与水面支持设备（母船或平台）间联系方式的不同，水下机器人可以分为两大类：一种是有缆水下机器人，习惯上把它称为遥控潜水器，简称ROV；另一种是无缆水下机器人，潜水器习惯上把它称为自治潜水器，简称AUV。有缆机器人都是遥控式的，按其运动方式分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。无缆水下机器人只能是自治式的，目前还只有观测型浮游式一种运动方式，但它的前景是光明的。

（4）空间机器人

空间机器人是一种低价位的轻型遥控机器人，可在行星的大气环境中导航及飞行。为此，它必须克服许多困难，例如它要能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航；几乎不能够停留；必须能实时确定它在空间的位置及状态；要能对它的垂直运动进行控制；要为它的星际飞行预测及规划路径。

在民用机器人中，各种生产制造领域中的工业机器人在数量上占绝对多数，成为机器人家族中的主力军；其它各种种类的机器人也开始在不同的领域得到研究开发和应用。总体看来，若按用途分，民用机器人可以分为以下几个主要类别：

1、工业机器人

制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。机器人无论是否与其它机器一起运用，与传统的机器相比，它具有两个主要优点：

（1）生产过程的几乎完全自动化。

（2）生产设备的高度适应能力。

现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门。

机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验（在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、剂压和紧固等工序。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。

2、服务机器人

在一些科幻影片、电视片或影碟中，多少具有外形的机器人常被用来协助或代替人去执行人不乐意做或危险和困难的任务。今天在现实生活中能够看到的最接近于人类的机器人可能要算家用机器人了。家用机器人能够清扫地板而不碰到家具。不过它的价格目前还较高，影响到它的推广应用。随着家用机器人造价的大幅度降低，它将获得日益广泛的应用。

服务机器人尚处于开发及普及的早期阶段，目前国际上对它还没有普遍承认的严格定义，它的定义是由操作型工业机器人引伸而来的。根据国际机器人联合会（IFR）采用的初步定义，所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它完成的是有益于人类健康的服务工作，但不包括那些从事生产的设备。另一种定义把服务机器人看做一种可自由编程的移动装置，它至少有三个运动轴，可以部分地或全自动地完成服务工作。这些服务工作为个人或单位完成的，不指工业生产服务。

根据这个定义，操作型工业机器人也可以看作是服务机器人，如果它们装备在非制造业的话。服务机器人往往是可以移动的（并非总是移动的）。在某些情况下，服务机器人是由一个移动平台构成，在它上面装有一只或几只手臂，其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。

研制用来为病人看病、护理病人和协助病残人员康复的机器人能够极大地改善伤残疾病

人员的状态，以及改善瘫痪者（包括下肢及四肢瘫痪者）和被截肢者的生活条件。医用机器人已应用于下列几方面：

（1）诊断机器人，即配备有医疗诊断专家系统的机器人

（2）护理机器人，是一些具有丰富护理经验的机器人护士或护师。

（3）伤残瘫痪康复机器人，包括假肢、矫形以及遥控等技术。

（4）家用机器人，机器人已开始进入家庭和办公室，用于代替人从事清扫、洗刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待、接电话、打印文件等。酒店售货和餐厅服务机器人、炊事机器人和机器人保姆已不再是一种幻想。

（5）娱乐机器人，包括文娱歌舞和体育机器人。

（6）医疗手术机器人近年来有所突破。

服务机器人还有送信机器人、导游机器人、加油机器人、建筑机器人、农业及林业机器人等。其中，爬壁机器人既可用于清洁，又可用于建筑。

近年来，我们在研究文化创造性产业时，发现国外正在兴起一个与文化产业、科学技术有紧密关系的未来产业——机器人的研究、开发及制造，参与者除了传统从事学术研究的科技工作者、大学研究梯队、企业产品的专门研究人员之外，更有一大批的青少年积极加入此种新兴的科学技术新潮流之中。

中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。

我国机器人技术主题发展的战略目标是：根据21世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。

四、机器人的发展前景

从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。

机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。

总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。随着我国经济的快速发展，我国工业机器人的市场将不断

扩大，这一点无容置疑。这也从另一个侧面说面了为什么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场。

在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。