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1、随着高新技术的发展,各种类型的军用机器人大量涌现,一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用广泛的军用机器人。目前军用机器人主要是作为作战武器和保障武器使用。在恶劣的环境下,机器人的承受能力大大超过载人系统,并且能完成许多载人系统无法完成的工作,如运输机器人可以在核化条件下工作,也可以在炮火下及时进行战场救护。在地面上,机器人为联合国维和部队排除爆炸物、扫除地雷;在波黑战场上,无人机大显身手;在海洋中,机器人帮助人清除水雷、探索海底秘密;在宇宙空间,机器人成了火星考察的明星。现在世界上正在研制或已投入使用的军用机器入主要有以下几种。2004年10月26日 第一天 地面机器人 地面军
2、用机器人主要分为智能机器人和遥控机器人。按其功能可分为:排雷(弹)机器人、侦察机器人、保安机器人,甚至还研制有地面微型军用机器人。 全自主机器人美国于1984年开始研制第一台地面自主车辆,可以在人不干预的情况下自己在道路上行驶。1992年美国研制出时速75公里的自主车。目前仍有许多技术难题未解决。但地面自主车的研制大大推动了遥控机器人的发展。 排雷(弹)机器人使用排雷机器人不仅可以加快扫雷破障的速度,而且还大大降低了人员的伤亡。如美国研制的交通警察战场机器人,它安装了多种传感器,可用于探测建筑物、掩体、隧道等处的地雷;蜜蜂式控雷器则具有较快的飞行速度,可以迅速而准确地发现地雷的位置,并通过自身
3、携带的炸药对地雷进行引爆。在1982年爆发的马岛战争中,英国海军就曾用法国研制的的机器人,清除阿根廷布设的水雷。而英国陆军的排弹机器人在拆除恐怖分子放的各种类型的炸弹工作中屡建奇功,备受欢迎。 排爆机器人英国研制的手推车排除爆炸物机器人是世界上最有名的排除爆炸物机器人。目前,最新研制的 SuperM(超级手推车)的摄像机可以在距地面65毫米处工作,因此它可以用来检查可疑车辆的底部。SuperM机器人采用橡胶履带,最大速度为55米分,它有一整套的无线电控制系统及各种设备,其中包括一部彩色电视摄像机、一支猎枪和两个爆炸物排除装置;该车由两组耐用的12伏电池驱动,并装有一个电动制动系统,使其在通过陡
4、坡时能准确地动作。 侦察机器人高技术条件下的战场环境更加复杂,使用机器人不仅可以进入难以涉足的恶劣环境中侦察,而且一旦机器人不幸被俘,则可以通过预先设置的程序自动引爆以身殉职。美国海军陆战队的GSR侦察机器人是由M114装甲人员输送车改装的,上面装有15台微处理器、卫星导航接收机、声学临近传感器、激光测距机、磁罗盘和一台高分辨率的摄像机等。摄像机装在一个由计算机控制的平台上。如果没有外部导航,该车可以自主地跟踪其它车辆越过障碍物。 保安机器人保安机器人可用于军事基地等重要设施的保卫工作。具有代表性的保安机器人是由美国研制的徘徊者,它是一辆重18吨的6轮全地形车,它可以按照预编程序的路线,沿着这
5、些设施的外部边界进行巡逻。当发现入侵者时,操作者通过声音传输系统使机器人与入侵者对话,若入侵者不合作,怀有敌意,操作者就可命令机器人攻击入侵者。当该地区受到大规模进攻时,操作者就可调动多台机器人进行阻击,以便为保安人员争取时间。 地面微型机器人专家们对微型机器人备加青睐,认为它们体积小,生存能力强,具有广泛的用途。现已研制出一种只有昆虫大小的名叫扁虱的机器人,它可附在敌人装备的部件上,混入敌人防线,侦察敌人的目标,也可向敌人的通信系统中注入一个功率脉冲进行干扰,或钻到敌人的装备中去,破坏发动机等关键部位。现在许多国家都非常重视微型军用机器人的研究,随着发展,军用微型机器人有可能改变21世纪的战
6、场。 步兵支摄机器人突击队员遥控车是由格鲁曼航空公司与美国陆军训练与条令司令部共同研制的。它是一个重约160千克的菱形车辆,由电动机驱动。能以16 公里时的速度在崎呕地形上行驶。该车采用光纤通信,可将车载电视摄像机的图像传送给操作员,同时将操作员的指令传送给它,装上机枪时,其总高度也只略高于1米。它能完成步兵通常所能完成的各种任务,包括反坦克任务。车上可以配备反坦克导弹发射器、机枪、催泪性毒气弹等。 2000年11月29日,中央电视台新闻联播报道:我国首台类人型机器人研制成功。11月30日,全国各大报都在显著位置发表了这一消息。许多人问:何为仿人型机器人?仿人型机器人的问世标志了什么?世界及中
7、国仿人型机器人发展到什么水平? 从前面几篇可以看出,大多数的机器人并不像人,有的甚至没有一点人的模样,这一点使很多机器人爱好者大失所望,很多人问为什么科学家不研制像人一样的机器人呢?其实,科学家和爱好者的心情是一样的,一直致力于研制出有人类外观特征、可模拟人类行走与其基本操作功能的机器人。 由于仿人型机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体,是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志,因此,世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美、英等国都在研制仿人形机器人方面做了大量的工作,并已取得突破性的进展。日本本田公司于1997年10月推出了仿人形机器人P3,美国麻省理工学院
8、研制出了仿人形机器人科戈(COG),德国和澳洲共同研制出了装有52个汽缸,身高2米、体重150公斤的大型机器人。本田公司最新开发的新型机器人“阿西莫”,身高120厘米,体重43公斤,它的走路方式更加接近人。我国也在这方面作了很多工作,国防科技大学、哈尔滨工业大学研制出了双足步行机器人,北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学研制出了多指灵巧手等。 日本的仿人形机器人 本田公司是日本主要生产跑车和轿车的公司之一。本田公司投入巨资,经过10多年的开发,终于研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人P3。P3通过它的身体的重力感应器和脚底的触觉传感器把地面的状况送回电脑,电脑则根据路面情况作出
9、判断,进而平衡身体,稳定地前后左右行走。它不仅能走平路,还可以走台阶和倾斜的路。它站立稳定,推不倒,脚底不平也能保持身体的直立姿态。 本田公司机器人P2 1997年中国国务院总理李鹏前往日本本田公司总部参观时,机器人P3接待了李鹏总理。当李鹏总理一行抵达表演大厅时,一个身着宇宙服像宇航员一样的机器人从投影电视的屏幕后面走了出来,其走路的样子酷似顽童学步,步子虽然不快,但坚实有力。它走到大厅当中面对李鹏总理站好,伸出右手作欢迎状。并用汉语自我介绍:“我是机器人P3,热烈欢迎李鹏总理和夫人光临,请允许我与您握手”。机器人握住李鹏总理的手,连续摇动三次,然后摆好姿势供久候在那里的记者拍照。 接着P3
10、请出本田公司社长川本正彦等人。他们通过投影电视屏幕,向中国客人介绍了本田研制机器人的发展历史和技术特点。川本社长的声音刚落,P3又说:“我有些紧张,请允许我暂时休息一下,接下来请我的二哥继续表演”。说罢转身,沿原路退回。 本田公司机器人P3 据介绍,本田公司按研制时间先后,把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm,体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米,体重120公斤,长的笨头笨脑,但行动起来与灵活的“小三”相比毫不逊色。P2表演了上台阶这一高难动作,它走的极为平稳,一步一个台阶,令人赞叹不已。随后P2又表演了用扳手拧螺丝。P2机器人退场后,P3机器人
11、出场与贵宾挥手告别:“表演到此结束,再次感谢李鹏总理的光临!” 本田公司最近又推出一种新型智能机器人“阿西莫”(ASIMO)。与1977年诞生的P3相比,它具有体型小、质量轻、动作紧凑轻柔的特点。阿西莫身高120cm,体重43公斤,更适合于家庭操作和自然行走。本田公司总裁吉野浩行在产品发布会上说:“将来我们还会使机器人具有更好的视觉、听觉等识别能力,提高它们的自主性。”他还说:“如果通过卫星网络来控制,它就是另外一个你,可以使用者的身份做许多事情。” 科戈”机器人 出生于澳大利亚的罗德尼布鲁克斯,40多岁,美国麻省理工学院人工智能实验室的教授。他喜欢离经判道,从不相信传统的成规。从80年代起,
12、他就反对机器人必须先会思考,才能做事的信条。为了证实自己的观点,他研制出了一系列异型机器人。这些机器人没有思考能力,但却无所不能,比如能偷桌上的苏打罐,能穿越四周发烫的地面等。他的成功使他成为机器人界最有争议的人物。 机器人“科戈” 布鲁克斯从小就喜欢制作各种标新立异的小装置。进入福莱德大学后,他为该校唯一的一台IBM大型计算机重新编制了整个操作系统的程序。别的用户怎么也想不到,计算机怎么会突然变的具有令人不可思议的奇效。在获得该校硕士学位后,布鲁克斯又凭自己的实力考入了美国斯坦福大学。八十年代初期,布鲁克斯在麻省理工学院任初级研究员。那时人工智能研究的传统做法是先设计出各种“脑图”,以帮助机
13、器人了解周围环境,使机器人先学会识别障碍物,再绕过障碍物。但这样做机器人往往要花很长时间去判断自己看到的东西,而且它们大多数均无法穿过陌生的空间。而布鲁克斯认为,真正的智能不能这样运作。 布鲁克斯认为,智能并不像假想的那样来自抽象思维,而是通过与外界接触学习之后作出的反应。只要机器人与其周围的环境进行复杂的相互作用,智能最终一定会出现。 最初他的计划是先从昆虫机器人做起,逐步向模仿高级动物发展,最后才是人形机器人。布鲁克斯想,只有人形机器人才能说明他的理论也适合于高级智能,于是他决定要制造出自己的人工智能型高级机器人,即现在的科戈机器人。 目前“科戈”的研制工作正在进行。“科戈”本身是非常复杂
14、的,要它能通过与外界的联系获取知识,就必须尽可能地模仿人类,例如它的臂必须像人类那样具有柔顺性。 怎样才能把“科戈”变成一个真正的人形机器人,目前实现的目标尚不太明确。布鲁克斯和他的同事们正在借鉴幼儿的发育过程,使“科戈”由简到难,逐步学会各种本领,直到听说能力。 “科戈”机器人的大脑是由16个摩托罗拉68332芯片构成的,“科戈”的大脑放在与之相邻的室内,通过电缆与之相连。“科戈”最多可用250个摩托罗拉芯片。布鲁克斯准备用数字信号处理器取代部分这种芯片,用以完成特殊任务。“科戈”的大脑与人类的大脑一样,能同时处理多项任务。尽管计算机的能力给人们留下了深刻的印象,但是如果“科戈”能达到两岁儿
15、童的智力,就算是成功了。现在“科戈”正在像婴儿一样利用自己的大脑学习“看”。“科戈”的每只眼睛由一台广角照相机和一台窄视野照相机组成。每一台照相机均可以俯仰和旋转。“科戈”首先通过广角照相机观察周围事物,然后再利用窄视野照相机近距离仔细观察事物。“科戈”的头可以像人的头一样前后左右转动。 布鲁克斯说:“我们试图找到一种方法,让科戈自己了解这个世界。” “科戈”先学会看以后,开始学习听。这些功能要一个一个地教。为此,在“科戈”的头上装上了麦克风和处理器。声音可以帮助“科戈”确定去看什么地方,机器人还可以对声音进行辨别。“科戈”已经有了头和身子,但还没有皮肤、臂和手指。现在正在为“科戈”制造第一条
16、手臂,这只臂以全新的方式工作,每个关节都有一个弹簧,从而使“科戈”获得了柔顺性。 我国的仿人形机器人研究 我国在仿人形机器人方面做了大量研究,并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人,北京航空航天大学研制成了多指灵巧手,哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。 多指灵巧手 双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题,而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史,研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人,上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。 在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下,长沙国防科技大学于1988年2月研制成功了
17、六关节平面运动型双足步行机器人,随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统,并实现了平地前进、后退,左右侧行,左右转弯,上下台阶,上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上,实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。 “先行者”类人型机器人 经过十年攻关,国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人“先行者”,实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足,有一定的语言功能,可以动态步行。 人类与动物相比,除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外,拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此,让机器人也拥
18、有一双灵巧的手成了许多科研人员的目标。 在张启先院士的主持下,北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发,最初研究出来的BH1型灵巧手功能相对简单,但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进,现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围,完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋,既不会使鸡蛋掉下,也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。 双足步行机器人在爬楼梯 灵巧手有三个手指,每个手指有3个关节,3个手指共9个自由度,微电机放在灵巧手的内部,各关节装有关节角度传感器,
19、指端配有三维力传感器,采用两级分布式计算机实时控制系统。 仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成,代表了机器人的尖端技术。因此,仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志,也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前,我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前,我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。第一课、机器人的分类几千年前人类就渴望制造 一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。 如古希腊诗人Homeros的长篇叙事诗 伊利亚特中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司 ,就用黄金铸
20、造出一个美丽聪颖的侍女;希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯(Taloas);犹太传说中的泥土巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到 农业、林、牧、渔,甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。从机器人的用途来分,可以分为两大类:军用机器人: 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
21、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。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
22、新技术的发展是它不断进步的基础。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,习惯上把它称做遥控潜水器,简称ROV;另一种是无缆水下机器人,潜水器习惯上把它称做自治潜水器,简称AUV。有缆机器人
23、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。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。民用机器人:工业机器人工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机,能搬运材料、工件或操持工具,用以完成各种作业
24、。且这种操作机可以固定在一个地方,也可以在往复运动的小车上。服务机器人服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,到目前为止尚没有一个严格的定义,不同国家对服务机器人的认识也有一定差异。服务机器人的应用范围很广,主要从事维护、保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。德国生产技术与自动化研究所所长施拉夫特博士给服务机器人下了这样一个定义:服务机器人是一种可自由编程的移动装置,它至少应有三个运动轴,可以部分地或全自动地完成服务工作。这里的服务工作指的不是为工业生产物品而从事的服务活动,而是指为人和单位完成的服务工作。娱乐机器人娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的,具有机器人的外部特征,可以像人,像
25、某种动物,像童话或科幻小说中的人物等。同时具有机器人的功能,可以行走或完成动作,可以有语言能力,会唱歌,有一定的感知能力。 类人机器人从其他类别的机器人可以看出,大多数的机器人并不像人,有的甚至没有一点人的模样,这一点使很多机器人爱好者大失所望。也许你会问,为什么科学家不研制类人机器人?这样的机器人会更容易让人接受。其实,研制出外观和功能与人一样的机器人是科学家们梦寐以求的愿望,也是他们不懈追求的目标。然而,研制出性能优异的类人机器人,其最大的难关就是双足直立行走。因为 机器人与人的学习方式不一样。一个婴儿要先学走,再学跑;而机器人则要先学跑,再学走。也就是说机器人学跑更容易些。农业机器人由于
26、机械化、自动化程度比较落后,“面朝黄土背朝天,一年四季不得闲”成了我国农民的象征。但近年农业机器人的问世,有望改变传统的劳动方式。在农业机器人的方面,目前日本居于世界各国之首。 第二课、机器人发展史美国美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人,比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展,美国现已成为世界上的机器人强国之一,基础雄厚,技术先进。综观它的发展史,道路是曲折的,不平坦的。由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间,并没有把工业机器人列入重点发展项目,只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说,在只看到眼前利益,政府又无财
27、政支持的情况下,宁愿错过良机,固守在使用刚性自动化装置上,也不愿冒着风险,去应用或制造机器人。加上,当时美国失业率高达665,政府担心发展机器人会造成更多人失业,因此不予投资,也不组织研制机器人,这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期,美国政府和企业界虽有所重视,但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上,致使日本的工业机器人后来居上,并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国,产品在国际市场上形成了较强的竞争力。进入80年代之后,美国才感到形势紧迫,政府和企业界才对机器人真正重视起来,政策上也有所体现,一方面鼓励工业界发
28、展和应用机器人,另一方面制订计划、提高投资,增加机器人的研究经费,把机器人看成美国再次工业化的特征,使美国的机器人迅速发展。80年代中后期,随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟,第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要,美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人,并很快占领了美国60的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究,忽视应用开发研究的曲折道路,但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进,适应性也很强。具体表现在:(1)性能可靠,功能全面,精确度高;(2)机器人语言研究发展较快,语言类型多、应用广,水平高居世界之首;(3)智能技术发展快,其视觉、
29、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用;(4)高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速,主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。英国早在1966年,美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着,英国 Hall Automation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期,由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告,对工业机器人实行了限制发展的严厉措施,因而机器人工业一蹶不振,在西欧差不多居于末位。 但是,国
30、际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到:机器人技术的落后,导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是,从70年代末开始,英国政府转而采取支持态度,推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施,如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等,使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列,而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术,特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利,主要原因是通过政府大力支持的研究计划,建
31、立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目,而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企业界很快发展和普及.德国德国工业机器人的总数占世界第三位,仅次于日本和美国。这里所说的德国,主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此,是因为德国的机器人工业一起步,就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争,导致劳动力短缺,以及国民技术水平高,都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期,政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路;在改善劳动条件计划中规定,对于一些有危险、有毒、有害的
32、工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族,他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样,将机器人主要应用在汽车工业之外,突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业,报废了旧机器,购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人,使纺织工业成本下降、质量提高,产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为快完蛋的行业重新振兴起来。与此同时,德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用,提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年
33、的努力,其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。俄罗斯在前苏联(主要是在俄罗斯),从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划(1970年一1975年)开始时,就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年,已研制出30个型号的120台机器人,经过20年的努力,前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段,来安排机器人的研究制造;有关机器人的研究生产、
34、应用、推广和提高工作,都由政府安排,有计划、按步骤地进行。中国有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容,拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程,全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来,相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业
35、、军用和特种机器人。目前,示教再现型机器人技术已基本成熟,并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看,我们应从生产和应用的角度出发,结合我国国情,加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。日本日本在60年代末正处于经济高度发展时期,年增长率达11。第二次世界大战后,日本的劳动力本来就紧张,而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此,日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术,建立起生产车间,并于196
36、8年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足,机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策,鼓励发展和推广应用机器人,从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策,如由政府银行提供优惠的低息资金,鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”,公司出资购入机器人后长期租给用户,使用者每月只需付较低廉的租金,大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担;政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品,企业除享受新设备通常的40%折扣优待外,还可再享受 13的价格补贴。另一方面,国家出资对小企业
37、进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策,使日本机器人产业迅速发展起来,经过短短的十几年,到80年代中期,已一跃而为“机器人王国”,其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法:“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期,70年代的实用期,到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”,开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本政府和企业充分信任机器人,大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望,它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面,发挥着越来越显著的作用,成为日本保持经济增长速度和
38、产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产,使日本汽车及电子产品产量猛增,质量日益提高,而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场,并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时,日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人,增大了国力,获得了巨大的好处,迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施,奋起直追。 目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面:1工业机器人操作机结构的优化设计技术:
39、探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。2机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实用化将成为研究重点。3多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法,特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。4机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一
40、体化方向发展。5机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有时延的情况下,建立预先显示进行遥控等。6虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。7多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。8微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领
41、域几乎是空白,因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命,并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。9软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处,因此其结构材料多为金属或硬性材料,软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机器人对人是友好的。10仿人和仿生技术:这是机器人技术发展的最高境界,目前仅在某些方面进行一些基础研究。第四课、工业机器人技术赖维德一、技术概述
42、工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反
43、应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 二、现状及国内外发展趋势 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:1工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。3工业机器人控制系
44、统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与
45、机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人
46、在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化
47、、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 三、“十五”目标及主要研究内容 1目标根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态,结合当前国内经济发展的具体情况,“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用;开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术,大力推进其产业化进程,力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。2主要研究
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