机器人发展综述
机器人应用与发展综述
熊健孙亚超王建波问皓月王文杰
（XX交通大学机械工程学院XX）
摘要：本文首先介绍了机器人的发展现状，对比了国内外机器人发展的方向，阐述了我国机器人发展不足；之后结合目前已经广泛应用的各种机器人，介绍了现有机器人的分类及其优缺点，以及机器人给现代生活带来的影响；接着介绍了当前环境下机器人发展的难点和热点问题；最后本文对机器人的发展进行了展望，对未来可能出现和发展的机器人进行介绍。关键词：机器人；发展现状；差距；难点；热点；展望
Survey on Agricultural Machinery
XIONG jian SUN Yachao WANG wenjian WENG haoyue WANG Jianbo （Machanical Academy , Xi’an Jiaotong University , Xi’an）
Abstract: This paper firstly introduces the development status of robot, pares the development direction of domestic and foreign robots, and expounds the development of robots in China. After that, we introduced the classification and advantages and disadvantages of existing robots, and the influence of robots on modern life. Then the difficulties and hot spots of robot development in the present environment are introduced. In the end, this paper looks forward to the development of robot, and introduces the robot that may appear and develop in the future
Key words: Robot controller; Current situation of the development; Gap; The difficulty; Hot spots；Future
1 引言
机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险，复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学，控制论，计算机、人工智能和系统工程等多学科知识干一身的高新技术综合体。工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。[1]
1972年我国开始研制自己的工业机器人。。七五”期间。国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关。完成了示教再现式工业机器人成套技术的发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863[2] 计划)开始实施。智能机器入主题跟踪世界机器入技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。20世纪90年代。我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、装配，喷漆，切割，搬运等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程．形成了一批机器人产业化基地，为我国器人产业的腾飞奠定了基础。
本文将从机器人发展现状开始，介绍当前机器人发展所取得的成绩，之后将介绍目前已经广泛应用的各种机器人及其优缺点，
并介绍当前环境下机器人发展的难点和热点问题，以及机器人的发展趋势。
2 机器人发展现状
2.1国内机器人发展现状
我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
品牌基础薄弱，中国机器人缺乏大型支柱企业，更难以形成产业集群和规模效应[3]。
核心零部件研发滞后，核心零部件缺乏领先的自主创新技术及产品，市场主要被国外行业巨头所垄断。
低端产能过剩，盲目扩X生产能力，生产出来的机器人产品只能聚集在中低端应用领域进行价格竞争。中国是农业大国，现代农业的持续快速发展必须依靠农业机械的物资辅助，良好的农业机械装备不仅对生产水平的提高起到促进作用，也将对生产专业化、规模化、集约化和商品化带来强有力的保障。[4]
服务机器人持平世界，甚至赶超。相比工业机器人的复杂，简单的服务机器人发展似乎比较乐观。现场有两位嘉宾均是做扫地机器人的，他们都对中国的服务机器人很有信心，表示已经走在世界水平线上，甚至有些地方已经赶超。
扫地机器人和陪伴类机器人已经持平甚至超越国际水平，尤其是在语义识别上已经不输其他国家，目前中国语言类机器人还是做得比较好的。包括科大讯飞和图灵。他们会给语言类机器人做强有力的支持。不过，中国现在还并没有出现一款真正让人认知深刻的服务机器人。
2.2发达国家农业机械发展现状
机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用X围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。正如《2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样[6]，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划（2003～2007年），现正在实施中。
机器人广泛应用于国外各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。
机器人的应用主要有两种方式[5]，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线。后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、au、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。
据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为50亿日元，经过70年代的应用期和80年代的普及期，1981年产值达到1000亿日元，到1991年提高到6000亿日元，到2000年，其产值达到10800亿日元，2005年将达到18500亿日元。
2.3中西方农业机械发展差距
对比发达国家来说，我国的工业机器人相对过于简单，核心计划和核心部件仍需要进口，水平比较落后，自主创新能力也不够，智能的高端的机器人对比发达国家是严重滞后，很多先进仪器还需要从国外引进[1]
我国农业机械化同西方发达国家相比，其许多方面的机械生产还处于空白状态。以及市
场的恶性竞争较为严重，使得机器人的发展收到了严重影响[9]。
[2]
3 广泛应用的机器人
3.1机器人的分类
机器人发展至今体系庞大，分类广泛。按照功能可以分为：操作机器人，移动机器人，信息机器人。操作机器人能自动控制，可重复编程，拥有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。移动机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业，或是危险的工作。信息机器人是通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业的机器人[10]。
3.2 具体机器人设备
3.2.1软体机器人
软体机器人是一类新型仿生连续体机器人，可以任意改变自身形状，在非结构化环境中应用前景广阔[11]。
软体机器人是一种新型连续体仿生机器人．虽然在生物学中软体生物组织结构理论已经相当成熟，但目前对软体机器人的研究仍处于起步阶段，在设计具有类软体生物组织结构的仿生软体机器人基础上进行运动控制和步态规划是研究趋势．现有软体机器人按功能特性可以分为两类：具有爬行、蠕动、游动、跳跃能力的运动型机器人和具有抓取、提升物体能力的操作型机器人。
软体机器人多采用气动－液压驱动技术成熟，反应速度快，功率密度高。气动－液压驱动需要空气、液体流通的管道，软体机器人本体制作过程将管道嵌入其中，形成驱动－结构一体化，提高驱动效果的同时有效避免渗漏，如图５所示，该机器人采用低7压空气即可驱动，采用的最高气压为7psi。
由于软体机器人具有无限自由度，而现实中致动器个数是有限的，要实现精确实时控制实现对机器人形态与位姿进行精确控制．建立柔性机构的性能控制及监测方法。
3.2.2家用服务机器人
家用服务机器人起步较晚，一直到1999 年宠物机器人爱宝的推出，才标志着家用服务机器人第一次大规模地在商业市场中亮相。然而，二十一世纪以来，家用服务机器人的研发迅速成为一个热点，具有巨大潜在市场的家庭、个人服务机器人产业也逐渐发展壮大起来。不同国家对家用服务机器人的研发重点不一样，发展历程也不一
样。
实现在室内环境中的自主导航，是大部分家用服务机器人最基本的能力之一。室内移动机器人的自主导航通常涉及到三方面的问题：地图表示与创建、自主定位和路径规划。
（a）地图表示与创建。按照是使用绝对坐标系还是抽象出来的拓扑关系来描述环境特征，可以将机器人地图的表示方法分为三大类：度量表示、拓扑表示以及混合表示。度量表示法使用绝对坐标系来描述环境特征，其又可以进一步分为栅格法和几何表示法[31] 等。拓扑表示法[32] 使用抽象出来的拓扑关系来描述环境特征，将环境表示为一系列节点以及连接节点的边。每个节点对应于环境中一个特征位置或区域，而连接节点的边表示相应位置间的连通关系。混合表示法将度量表示和拓扑表示相结合。如可采用二级分层结构[33]，第一层为使用拓扑表示法的全局地图，第二层为使用度量表示的以拓扑节点为核心的局部地图，这样既发挥了拓扑表示法简洁、有利于维护全局地图一致性的优点，又发挥了度量表示法容易实现局部精确定位的优势。
（b）自主定位定位是指通过融合先验环境信息、机器人位姿的当前估计和传感器测量值等信息，来获取更准确的对机器人当前位姿的估计[34]。家用服务机器人的定位方法，可分为相对定位和绝对定位[35]。相对定位是指以初始位置为先验条件，在行进的过程中根据每一步的运动状态确定当前家用服务机器人在局部环境中的位置。绝对定位也可以称为全局定位，指根据预先确定好的环境地图或者传感器信息获取机器人在全局坐标系中位姿。定位和地图创建这两个问题具有高度的相互依赖性，被人们形象地比喻成“鸡和蛋”的问题：机器人的定位需要依赖准确的环境地图，而为了创建地图机器人又要实现准确的定位。SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）[36] 技术，顾名思义，试图同时考虑机器人的定位和地图创建问题。SLAM 指机器人从未知位置出发，在运动的过程中利用自身定位信息估计观测到的环境路标位置，建立环境地图，然后利用已经建立的地图来校正机器人的定位[37]。它的基本原理是基于概率统计的方法，通过多特征匹配来实现机器人定位与地图创建并减少误差。
（c）路径规划传统的机器人路径规划算法研究的是从起始点运动到目标点的类型，期望输出是一条安全的在某种意义上最优或者较优的路径。常用的方法主要包括路线图法[38]、单元分解法[39]、势场法[40]、萤火虫算法[41] 和遗传算法[42] 等。家用服务机器人的许多应用场合需要该类型的路径规划。传统的起始点- 目标点型的路径规划并不适用于清扫地面、割草等任务。这些任务需要进行覆盖路径规划，即要求机器人必须通过环境中的每个不被障碍物占领的点，并且要避开障碍物和尽量避免重复遍历[43]。常用的覆盖算法有启发式算法、基于模板的方法、单元分解法等[44，45]。
人机交互多层次化、人性化新一代家用服务机器人与用户之间的交互，呈现出多层次化的趋势。用户可以给机器人下达相对高层的指令，甚至机器人可以自动检测到用户的需求。用户也可以给机器人下达相对底层的指令，或者让机器人完全跟随用户的动作。用户可以跟机器人进行近距离的交流，也可以通过互联网等信息传输技术实现远程交互。用户跟家用服务机器人的交互将会越来越人性化，用户可以通过语音、手
势等自然、直观的方式与机器人进行交互，机器人对用户的反馈也将更多元化。 4.2 与环境的交互智能化新一代的家用服务机器人将会配备更多样、先进的传感设备，以实现对环境中物体更鲁棒性的识别和对环境状态更精确的判断。家用服务机器人将可以对环境中物体进行更精细的操作，从而为用户提供更多的服务。机器人进入家庭，不仅仅只是机器人本身的发展，家庭环境同样也在不断完善。通过对环境进行一些智能化改造，能强化其环境中机器人的功能[12]。在未来，家用服务机器人与家庭环境将会形成一个紧密的有机智能体。4.3 资源利用网络化互联网与机器人相结合，是家用服务机器人一个重要的发展方向[11]。互联网相当于一个巨大的资源库，包含了大量的计算资源和信息资源，跟网络相结合的机器人则是一种有效利用这些资源的工具和手段。家用服务机器人作为一个智能终端和操作载体，本身具备移动、感知、决策和操作功能。互联网平台借助云计算、大数据、物联网等技术，能为机器人提供一个潜力巨大的信息收集和处理平台。跟互联网相结合，能在很大程度上延伸了家用服务机器人的感知、决策和操作能力[14]。4.4 设计与生产标准化、模块化、体系化建立广泛认可的家用服务机器人标准，设计并构建家用服务机器人模块化体系结构[62]，已成为发展家用服务机器人亟需解决的课题。推进家用服务机器人设计生产的标准化、模块化和体系化，有利于减少重复性劳动，加快先进技术转化为产品的进程，提高产品质量，降低成本，推动家用服务机器人的产业化发展。5 结论得益于机器人技术的发展以及潜力巨大的消费市场，家用服务机器人逐渐成为一个国际X围内的研究热点并开始走向实用化，进入人们的日常生活。文中从家用机器人的发展历程、分类、关键技术和发展趋势等角度对家用服务机器人技术进行梳理和总结，这对希望了解家用机器人技术的研究人员有一定的参考价值[15]。
3.2.3医疗机器人
医疗机器人主要用于伤病员的救援、转运、手术和康复，是医疗卫生装备信息化、智能化的重要发展方向之一。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。通过对手术机器人和康复机器人等医疗机器人的究现状及进展介绍，表明医疗机器人在军用和民用上有着广泛的应用前景[16]。
达芬奇手术机器人[17]。达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇机器人由三部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。
达
芬奇手术机器人三大组成部分
外科医生控制台
主刀医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。正如在立体目镜中看到的那样，手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。
床旁机械臂系统
床旁机械臂系统(Patient Cart)是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权。
成像系统
成像系统(Video Cart)内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操
作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维(3D)镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。
4 当前遇到的热点与难点问题4.1发展瓶颈与难点问题
4.1.1感知外界
机器人观察外部的“眼睛”通常是一台摄像机,近年来机器视觉技术不断发展,人脸、人体的识别和图像分析技术等使机器人可以识别面孔、手势、障碍物等。
机器人实现对外界的感知,靠的是各种传感器。如内感传感器提供位置、方向、身体和关节的运行速度等自身情况的信息,外感传感器提供周围环境的信息,包括立体照相机、激光测距、声呐、红外传感器、触觉传感器等。
高端传感器是机器人的核心技术部件,目前国内主要靠进口。不断提高传感器的精度和可靠性,以及多传感器信息融合是机器人感知系统需要解决的技术任务。
4.1.2“大脑”思考
机器人的“大脑”由计算机或多个微处理器组成。作为一个智能终端,人们看到的机器人其实是前台,它的后台必须具备强大的计算能力,将云计算、云存储与互联网技术结合,相当于一台超级计算机。科学家们一直在努力让它运算得更快、反应更敏捷、掌握的知识更丰富。
4.1.3与人交流
机器人怎样与人对话?机器人的声音传感器收集到声音信号,通过语音识别系统和语言处理技术将说话内容进行分析解读,在“听懂”意思后,计算机作出回应的指示,过语音合成器模拟人类说话。尤其是在嘈杂环境中实现语音识别、理解、处理,是一个非常重要的技术难点。
4.1.4稳定行走
不同于在固定环境作业的工业机器人,很多智能服务机器人处于敞开式环境中,每个场景都不一样,要自己认路、自由行走,还要能自主避障,这就需要自主导航定位、动态规划技术等。
能移动的机器人可以分为轮式或履带式机器人和行走机器人两类。行走机器人需要模拟腿部膝关节的弯曲伸展,它移动速度慢,但可以跨越台阶、山地等比较复杂的地形,因此运动控制对稳定性的要求就更高了。
4.2农业机械热点问题
4.2.1工业机器人
高附加值的加工装备、物流仓储搬运等领域机器人有望迎来大发展[18]，其趋势是标准化、模块化、系统化、开放化，并且更加重视相关新材料、智能化示教、应用设计、成套应用工艺等关键技术。
4.2.2社交机器人与服务平台
社交机器人与服务平台包括公共服务接待平台、家庭服务机器人[19]等，挖掘家庭刚性需求，其次构造相对集中的通用软硬件平台和标准化体系，利用互联网、大数据及人工智能技术，使服务机器人方便地应用
4.2.3医用机器人
医用机器人服务，包括预测、远程、康复等几个方向。随着远程医疗、微创精准外科及3D打印技术的应用[20]，手术机器人的需求会越来越多，同时中国残障人数众多，未来国产康复机器人产业将大有作为。
4.2.4智能交通系统
智能交通系统。无人驾驶汽车、无人机系统将走进人们的生活，为人们出行、物流投送等提供便利，这也将是未来汽车巨头们与物流商争夺的主要市场。
5机器人发展趋势
5.1语言交流功能越来越完美
智能机器人[21]，既然已经被赋予“人”的特殊称义，那当然需要有比较完美的语言功能，这样就能与人类进行一定的，甚至完美的语言交流，所以机器人语言功能的完善是一个非常重要的环节。主要是依赖于其内部存储器内预先储存大量的语音语句和文字词汇语句，其语言的能力取决于，数据库内储存语句量的大小，以其储存的语言X 围。
对于未来智能机器人的语言交流功能会越来越完美化，是一个必然性趋势，在人类的完美设计程序下，它们能轻松地掌握多个国家的语言，远高于人类的学习能力。
另外，机器人还能进行自我的语言词汇重组能力，就是当人类与之交流时，若遇到语言包程序中没有的语句或词汇时，可以自动地用相关的或相近意思词组，按句子的结构重组成一句新句子来回答，这也相当于类似人类的学习能力和逻辑能力，是一种意识化的表现。
5.2各种动作的完美化
机器人的动作是相对于模仿人类动作来说的，我们知道人类能做的动作是极至多样化[22]的，招手、握手、走、跑、跳、等各种手势，都是人类的惯用动作。不过现代智能机器人虽也能模仿人的部分动作，不过相对是有点僵化的感觉，或者动作是比较缓慢的。
未来机器人将以更灵活的类似人类的关节和仿真人造肌肉，使其动作更像人类，模仿人的所有动作，甚至做得更有形将成为可能。还有可能做出一些普通人很难做出的动作，如平地翻跟斗，倒立等。
5.3外形越来越酷似人类
科学家研制越来越高级的智能机器人，是主要以人类自身形体为参照对象的。自然先需有一个很仿真的人型外表是首要前提，在这一方面日本应该是相对领先的，国内也是非常优秀的。
对于未来机器人，仿真程度很有可能达到即使你近在咫尺细看它的外在，你也只会把它当成人类，很难分辩是机器人，这种状况就如美国科幻大片《终结者》中的机器人物造型具有极至完美的人类外表。
5.4复原功能越来越强大
凡是人类都会有生老病死，而对于机器人来说，虽无此生物的常规死亡现象，但也有一系列的故障发生时刻，如内部原件故障、线路故障、机械故障、干扰性故障等。这些故障也相当于人类的病理现象。
未来智能机器人将具备越来越强大的自行复原功能，对于自身内部零件等运行情况，机器人会随时自行检索一切状况，并做到及时排除。它和检索功能就像我们人类感觉身体哪里不舒服一样是智能意识的表现。
5.5体内能量储存越来越大
智能机器人的一切活动都需要体内持续的能量支持[23]，这就像人类需要吃饭是同一道理，不吃会没力气，会饿死。机器人动力源多数使用电能，供应电能就需要大容量的蓄电池，对于机器人的电能消耗应该说是较大的。
现代蓄电池的蓄电量都是较有限的，可能满足不了机器人的长久动力需求，而且蓄电池容量越大充电时间也往往需越长，这样就显得较为麻烦。
针对能量储存供应问题，未来应该会有多种解决方式，最理想的能源应该就是可控核聚变能，微不足道的质量就能持续释放非常巨大的能量，机器人若以聚变能为动力，永久性运行将得以实现。
不过这种技术对人类来说，简直太困难了[24]，现在人类连热核聚变装置的稳定运行都还有许多难点要攻克，冷聚变能否实现还是一个谜，所以核聚变动力实现是遥遥无期的。
另外，未来还很可能制造出一种超级能量储量器，也是充电的，但有别于蓄电池在多次充电放电后，蓄电能力会逐步下降的缺点，能量储存器基本可永久保持储能效率。且充电快速而高效，单位体积储存能量相当于传统大容量蓄电池的百倍以上，也许这将
成为智能机器人的理想动力供应源。
5.6逻辑分析能力越来越强
人类的大部分行为能力是需要借助于逻辑分析[25]，例如思考问题需要非常明确的逻辑推理分析能力，而相对平常化的走路，说话之类看似不需要多想的事，其实也是种简单逻辑，因为走路需要的是平衡性，大脑在根据路状不断地分析判断该怎么走才不至于摔倒，而机器人走路则是要通过复杂的计算来进行。
对于智能机器人为了完美化模仿人类，科学家未来会不断地赋予它许多逻辑分析程序功能，这也相当于是智能的表现。如自行重组相应词汇成新的句子是逻辑能力的完美表现形式，还有若自身能量不足，可以自行充电，而不需要主人帮助，那是一种意识表现。
总之逻辑分析有助人机器人自身完成许多工作，在不需要人类帮助的同时，还可以尽量地帮助人类完成一些任务，甚至是比较复杂化的任务。
5.7具备越来越多样化功能
人类制造机器人的目的是为人类所服务的，所以就会尽可能地把它变成多功能化，比如在家庭中[26]，可以成为机器人保姆。会你扫地、吸尘、还可以做你的谈天朋友，还可以为你看护小孩。到外面时，机器人可以帮你搬一些重物，或提一些东西，甚至还能当你的私人保镖。
另外，未来高级智能机器人还会具备多样化的变形功能，比方从人形状态，变成一辆豪华的汽车也是有可能的，这似乎是真正意义上的变形金刚了，它载着你到处驶驰于你想去的任何地方，这种比较理想的设想，在未来都是有可能实现的。
我们目前还不能预料未来机器人新的用途。因为世界上很多机器人的形式跟大家脑子里想到的机器人是很不一样的。包括现在很多汽车里面的智能软件，它能帮你自动导航，这实际上也是机器人的功能之一。
而且，机器人的价格越来越便宜，目前有精确灵敏度的机器人价格大概在10万美金左右，预计到2025年，价格可以降到5万多美金，每年价格下降10%。这个速度可能会比预想的更快，因为整个芯片产业发展非常快，如果机器人生产规模能够有很大的发展的话，相信这个价格肯定会比这个便宜得多。机器人会产生巨大的经济价值，能够代替很多人的工作，以后人们不需要从事这类体力劳动。
最后是人比机器人聪明还是机器人比人聪明？人发明了机器人，机器人也不断在学习，能够增加自己的知识，我们一天要睡8个小时、工作12个小时、玩4个小时，而机器人一天24个小时，只要有电源就会不断学习，它积累知识的过程可能比人类更快。这或将是我们日后发展人工智能必须要考虑的一点。
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