1、机器人概论论文【摘要】 机器人的发展涉及到多个学科和领域，其与信息技术的一些关系，对社会的影响，以及与信管专业的一些联系等。 一、机器人发展的简介与展望 阿西莫夫提出的“机器人三定律”：第一，机器人不得伤害人，也不得在人造受伤害时袖手旁观；第二，机器人必须服从人的命令，除非该命令与第一定律 相抵触；第三，机器人必须保护自己，除非保护行为与上述两定律相抵触。这三条定律明确规定了人与机器人的主从关系和相互制约关系，几十年来已成为公认的研制和使用机器人必须遵循的基本准则。二、机器人发展离不开信息技术 人类对机器人需求呈现越来越多的趋势，例如人们要求生产工业型机器人、军事型机器人、生活型机器人、医疗型
2、机器人等。由于机器人的发展涉及到机械、电子、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，故而机器人的不断发展必然会对科技提出越来越高的要求，因此对有关机器人的科技也就要求日益精进了。而信息技术无疑是其中比较重要乃至不可或缺的一部分。因为随着机器人技术的不断发展，必然会逐渐向以人为中心的个人化方向发展，并将服务于人类生活的各个领域，因而必然会对机器人的网络化和智能化提出更高的要求，而这些就必然会要求信息技术得到更好的发展以满足人类的要求。【关键词】 工业 自动 信息 机器人 社会【正文】 学习了机器人概论这门课，让我对机器人有了初步的认识，了解到
3、了机器人在我们的生活中发挥着重要的作用。进入 20 世纪 90 年代以来, 由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和,而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机器人参与,因而促使 智能机器人获得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看,复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人,以求提高机器人的性能, 扩大其功能和应用领域。回顾近 10 多年来国内外机器人技术的发展历程,展望 21 世纪知识经济对机器人技术的要求,可以归纳出下列一些特点和发展趋势。1 传感型智能机器人发展较快作为传感型机器人基础的机器人传感技术有了新的发展,各种新型传感器不断出现。例如,超声波触觉
4、传感器、静电电容式距离传感器、基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器,以及具有工件检测、识别和定位功能的视觉系统等。我国研究成功了 1 种机器人插入装配主动柔顺策略 模式识别法。在机器人插孔 搜索时,该法采用力 - 位置控制的主动柔顺装配方法,实现了可编程的机器人轴孔装配作业。多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用。由于单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性,不能满足智能机器人系统获取环境信息及系统决 策能力。采用多传感器集成和融合技术, 利用各种传感信息, 获得对环境的正确理解,使机器人系统具有容错性,保证系统信息处理的快速性和正确性。在多传感集成和融合技术研究方面,人工神经网络的
5、应用特别引人注目,成为研究热点。这方面的研究成果也层出不穷。例如,日本三菱电气公司提出了 1 种新的定位误差补偿方法。该法引入前馈分层神经网络,应用人工神经网络的非线性映射功能,能够补偿一般方法无法补偿的误差因素,有效地补偿了工业机器人的运动学误差。该研究成果在 24 届国际工业机器人会议( ISIR )上荣获日本工业机器人协会的研究开发奖。2 开发新型智能技术智能机器人有许多诱人的研究新课题,对新型智能技术的概念和应用研究正酝酿着新的突破。虚拟现实(virtual reality,VR )技术是新近研究的智能技术,它是 1 种对事件的现实性从时间和空间上进行分解后重新组合的技术。这一技术包括
6、三维计算机图形学技术、多功能传感器的交互接口技术以及高清晰度的显示技术。虚拟现实 技术可应用于遥控机器人和临场感通讯等。例如,可从地球上对火星探测机器人进行遥控操作,以采集火星表面上的土壤。形状记忆合金(SMA )被誉为“智能材料” 。SMA 的电阻随温度的变化而改变,导致合金变形,可用来执行驱动动作,完成传感和驱动功能。可逆形状记忆合金 (RSMA )也在微型机器上得到应用。多智能机器人系统(MARS)是近年来开始探索的又一项智能技术,它是在单体智 能机器发展到需要协调作业的条件下产生的。多个机器人主体具有共同的目标, 完成相互关联的动作或作业。MARS 的作业目标一致,信息资源共享,各个局
7、部(分散)运动的主体在全局前提下感知、行动、受控和协调,是群控机器人系统的发展。 在诸多新型智能技术中,基于模糊逻辑和人工神经网络的识别、检测、控制和 规划方法的开发和应用占有重要的地位基于专家系统的机器人规划获得新的发展,除了用于任务规划、装配规划、搬运规划和路径规划外,又被用于自动抓取规划。把进化编程和遗传算法用于移动机器人自主导航与控制,是智能机器人技术的最新进展之一。 3 采用模块化设计技术智能机器人和高级工业机器人的结构要力求简单紧凑,其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展;其驱动采用交流伺服电机,向小型和高输出方向发展;其控制装置向小型化和智能化发展,采用高速 CPU 和
8、 32 位芯片、多处理器和多功能操作系统,提高机器人的实时和快速响应能力。机器人软件的模块化则简化了编程,发展了离线编程技术,提高了机器人控制系统的适应性。例如,日本日产公司的智能型车身焊接和装配系统,由于其软件采用模块化设计技术,因而功能很强。该系统能显著地减少更换工具的时间,提高焊接精度和装配生产率。 4 机器人工程系统呈上升趋势在生产工程系统中应用机器人,使自动化发展为综合柔性自动化,实现生产过程的智能化和机器人化。近年来,机器人生产工程系统获得不断发展。汽车工业、工程机械、建筑、电子和电机工业以及家电行业在开发新产品时,引入高级机器人技术,采用柔性自动化和智能化设备,改造原有生产手段,
9、使机器人及其生产系统的发展呈上升趋势。国内在这方面也 取得一些可喜成绩。除了汽车车身的自动焊接生产线外,又在汽车车身自动喷涂线、柴油机整机自动喷涂线和建筑陶瓷自动喷釉线等加工过程中成功地应用机器人。家电机器人工程系统也正在建设之中。5 微型机器人的研究有所突破有人称微型机器和微型机器人为 21 世纪的尖端技术之一。已经开发出手指大小的微型移动机器人,可用于进入小型管道进行检查作业。预计将生产出毫米级 大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小(纳米级)的医疗机器人,可让它们直接进入人体器官,进行各种疾病的诊断和治疗,而不伤害人的健康。微型驱动器是开发微型机器人的基础和关键技术之一。它将对精密
10、机械加工、现代光学仪器、超大规模集成电路、现代生物工程、遗传工程和医学工程产生重要影响。微型机器人在上述工程中将大有用武之地。在微型驱动器的研究方面,我国的研究成果处于国际先进水平。微型机器人足球比赛系统是这方面的成功应用范例之一。在大中型机器人微型机器人系列之间,还有小型机器人。小型化也是机器人发展的一个趋势。小型机器人移动灵活方便,速度快, 精度高,适于进入大中型工件进行直接作业。 比微型机器人还要小的超微型机器人,应用纳米技术,将用于医疗和军事侦察目的。 6 应用领域向非制造业和服务业扩展为了开拓机器人新市场,除了提高机器人的性能和功能,以及研制智能机器人外, 向非制造业扩展也是一个重要
11、方向。开发适应于非结构环境下工作的机器人 将是机器人发展的一个长远方向。这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、采矿、电力、煤气、供水、下水道工程、建筑物维护、社会福利、家庭自动化、办公自动化和灾害救护等。下面给出非制造业应用智能机器人技术的一些典型例子。 (1) 太空 空间站服务机器人,机器人卫星,飞行机器人,空间探索和资源收集,太空基地建筑,卫星回收以及地面试验平台等。(2) 海洋(水下) 海底普查和采矿机器人,海上建筑的建筑与维护,海难救援机器人,海况检测与预报系统。(3) 建筑 钢结构自动加工系统, 混凝土地板研磨机器人,外墙装修、清洗、喷涂、检验和瓷砖铺设机器人
12、,钢筋混凝土结构检验机器人,小管道和电缆地下铺设,混凝土预制板自动安装等。(4) 采矿 金属和煤炭自动采掘机器人, 矿井安全监控机器人。(5) 电力 配电线带电作业机器人,绝缘子自动清洗,变电所自动巡视机器人,核电站反应堆 检查与维护机器人,核反应堆拆卸机器人等。(6) 煤气及供水管道安装、检查和修理机器人, 容器检查、修理和喷涂机器人。 (7) 农林渔业剪羊毛机器人,挤牛奶机器人,水果自动采集,化肥和农药喷洒空中机器人,森林自动修剪和砍伐, 鱼肉自动去骨、切片、分选和包装。 (8) 医疗 神经外科感知机器人,胸部肿瘤自动诊断机器人,体内器官和脉管检查及手术微型机器人, 用于外科手术的多指手等
13、。(9) 社会福利 老年人和卧床不起病人护理机器人,残疾人员支援系统,人工肢。 从上述例子不难看出,智能机器人在非制造业部门具有与制造业部门一样广阔和诱人的应用前景,必将造福于人类。7 行走机器人研究引起重视目前运行的绝大多数机器人都是固定式的,它们只能固定在某一位置进行操作, 因而其应用范围和功能受到限制。近年来,对移动机器人的研究受到重视,使机器人能够移动到固定式机器人无法到达的预定目标,完成设定的操作任务。行走机器人是移动机器人的一种,包括步行机器人(2 足、4 足、6 足和 8 足) 和爬行机器人等。自主式移动机器人是研究最多的一种。自主机器人能够按照预先给出的任务指令,根据已知的地图
14、信息作出全局路径规划,并在行进过程中, 不断感知周围局部环境信息,自主地作出决策,引导自身绕开障碍物,安全行驶到达指定目标,并执行要求的动作与操作。移动机器人在工业和国防上具有广泛的应用前景,如清洗机器人、 服务机器人、巡逻机器人、防化侦察机器人、水下自主作业机器人、飞行机器人等。我国在移动机器人研究方面已取得一大批成果。例如,面壁爬行遥控检查机器人、主从遥 控移动作业机器人、野外恶劣环境远距离遥控检测机器人、水下自主机器人和飞 行机器人等。8 开发敏捷制造生产系统工业机器人必须改变过去那种 “部件发展方式” ,而优先考虑 “系统发展方式” 。随着工业机器人应用范围的不断扩大,机器人早已从当初
15、的柔性上下料装置,发 展成为可编程的高度柔性加工单元。随着高刚性及微驱动问题的解决,机器人作为高精度、高柔性的敏捷性加工设备的时代,迟早将会到来。不论机器人在生产线中起什么样的作用,它总是作为系统中的一员而存在。我们应该从组成敏捷生 产系统的观点出发,考虑工业机器人的发展。从系统观点出发,首先要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通讯。机器人和本地数据库之间的通讯从发展方向看是场地总线,而分布式数据库之间则采用以太网。从系统观点来看,设计和开发机器人必须考虑和其他设备互联和协调工作的能力。机器人群作为整个集成化的生产装备的一部分, 编程及监控技术必须进一步改进, 以便能和整个生产设备在统一的框
16、架下进行编程、仿真及监控。机器人编程方式是一个大问题。生产进入敏捷制造后, 因为产品变化非常频繁, 这一问题就显得更加突出, 应该说到了非解决不可的时候了。 为了适应 21 世纪敏捷制造企业底层敏捷生产设备发展的需要,工业机器人的发展又到了一个新时期,我们必须从敏捷生产系统出发,在更高、 更广的角度研究机器人的发展。 9 军用机器人将装备部队由于微小型机器人体积小,因而生存能力特别强,具有广泛的应用前景。 研究发现, 陆军的机器人是相当先进的。未来无人地面车辆的大小可分为以下几类: 微型(由昆虫到老鼠那么大),超小型(象猫一样大),小到中型(大狗到自行车到轻便马车那样大),以及大型(吉普车及卡车那么大)。到 2020 年,高度灵活的轮履合一的机器人车辆将会成为现实。但步行机器人系统的广泛应用仍然是很困难的。未来,半自主机器人的联网是一个重要的应用。将游动的传感器组合起来可提供战场空间的总体图像。对网络机器人的研究,已成为一个令人感兴趣的热点。还可以利用廉价的一次性使用的机器人作为假目标迷惑敌人。
