1、机器人技术的发展与应用调研名称：机器人技术的发展与应用 调研时间：2018 年 7 月 29 日止 调研人： 曹桐滔 1目录一、 机器人的发展状况 .21.1 国外发展概况 21.2 国内发展概况 31.3 机器人技术的发展历程 .3二、 机器人组成机构 .42.1 执行机构 52.2 驱动装置 52.3 检测装置 62.4 控制系统 6三、 机器人的分类应用 .63.1 机器人在工业上的应用 .73.1.1 机器人自动化装配线 73.1.2 搬运机器人 .83.1.3 打磨抛光机器人 93.1.4 移动式工业机器人 93.1.5 码垛机器人 .103.2 非工业机器人应用举例 .103.2.
2、1 教育机器人 .103.2.2 炒菜机器人 .113.2.3 医疗机器人 .123.2.4 军事机器人 .122四、 机器人的发展中存在问题 .134.1 机器人发展的安全问题 .134.2 机器人发展的法律问题 .134.3 机器人发展的技术问题 .144.4 机器人发展的伦理问题 .14五、 机器人未来发展解决措施 .155.1 建立和完善法律法规 .155.2 建立安全评估和使用机制 .155.3 加强技术研发和人才培养 .151、机器人的发展状况1.1 国外发展概况日本具有国际上最先进的机器人技术，就全世界范围来看，全球工业机器人约有 4 成在日本。不论在技术方面，还是在市场规模方面
3、， 日本可以称得上是“机器人大国”。日本在 2004 年 5 月发布的 “新产业发展战略”中所指出的 7 个产业领域，机器人产业也是其中之一，同时， 在进一步实施“新产业发展战略”的“新经济成长战略”报告中也把机器人放在使日本成为“世界技术创新中心”的支柱地位上，并在近两年开始重新审视机器人产业政策。3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 40 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。据统计， 截止到 2009 年底，美国运行工业机器人大约有 194 万台。目 前，美国工业机器人
4、供应商有 Adept Technology、Americanobot、Emerson Industrial Automation 等公司。 德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五、六年，但战争所导致的劳动力短缺， 国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，20 世纪 70 年代中后期， 德国政府采用的积极行政手段也为工业机器人的推广开辟了道路。如在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须由机器人来代替。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。据统计，截止到 2009 年底，德国运行的工业机器人为
5、 14 58 万台。目 前， 德 国 工 业 机 器 人 供 应 商 有 KUKA、CLOOS 等。国际上一些大的工业机器人制造厂家，品牌主要分成两大体系，以日本为代表的日韩系，以德国为代表的欧系，其中 ABB、安川、发那科三大品牌占据了全球 51% 的市场，KUKA 、OTC、川崎、松下等 几 大 品 牌 占 市 场 份 额 的 40% 以上。 1.2 国内发展概况我国的工业机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初， 到现在已经历了 30 年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究的状态， 发展比较缓慢。1985 年后开始列入国家有关计划， 发展比较快。特别是在“七五”、“八五”
6、、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下， 我国的机器人技术取得了重大发展。我国近几年工业机器人自动化生产线不断出现，并给用户带来显著效益。机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨4大商机。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京、昆山、唐山、成都、徐州等工业机器人产业基地， 开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的工业机器人及其自动化生产线产品。 1.3 机器人技术的发展历程科学的发展带动着机器人产业的发展，现今很多前沿技术在机器人产业均有应用，可以说机器人的发展史也是世界科技
7、发展史的体现。机器人技术的发展大体可概括为三个阶段。第一阶段的机器人只有“手”,即以固定程序工作,对外界的信息没有反馈互动能力；第二阶段的机器人具有了一定的反馈能力,即有了感觉,如力觉、触觉、视觉等；第三阶段,即“智能机器人”阶段,这一阶段的器人已具有如自行学习、推理、决策、规划等自主处理事物的能力。第一代机器人一般可以根据编程人员所固化的程序，完成一些简单的重复性工作。这一带机器人从 20 世纪 60 年代后半期开始投入使用，由于其操作简单，可靠性高，成本低廉，现已在很多中小型工厂中得到了普遍应用。第二代是感知机器人，即自适应机器人，该类型机器人在前一代机器人机械结构，电气结构的基础上增加了
8、“感知”的能力。目前，在汽车、航空、船舶等自动化生产线中具有广泛的应用。 其工作效率、工作能力较第一代机器人有明显提升。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业，故称之为智能机器人。目前，这类机器人处于试验阶段，将向实用化方向发展。在过去 30- 40 年间，机器人学和机器人技术获得引人注目的发展，具体体现在：（1）机器人产业在全世界迅速发展；5（2）机器人的应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域；（3）形成了新的学科机器人学；（4）机器人向智能化方向发展；（5）服务机器人成为机器人的新秀。2、机器人组成机构机器人一般由执
9、行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。图 1 高科技机器人2.1 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标6式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。2.2 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器
10、人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。2.3 检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发
11、展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。2.4 控制系统一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈7信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。3、机器人的分类应
12、用机器人是先进制造技术及自动化装备的典型代表，是人类制造机器的终极形式。其需要的理论及实践知识包罗万象，涉及机械、电子、液压、自动控制原理、计算机、人工智能、传感器及其应用、通信技术、网络技术等多个学科及领域，是多种高科技技术理论的集成成果，其应用的领域主要分为两方面，制造业领域和非制造业领域。本文以制造业机器人（即工业机器人）和非制造业机器人两类进行简述。3.1 机器人在工业上的应用“工业机器人”一词由 美国金属市场报于 1960 年提出，经美国机器人协会定义为:“用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置”这一定义现已被国际标准化组织
13、所采纳。随着工业机器人发展深度和广度的延伸及其智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用，并从传统的制造领域向非制造领域延伸:如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域，工业机器人的应用也越来越多。 现将其典型应用举例如下：3.1.1 机器人自动化装配线机器人自动化装配线由于机器人的
14、智能化，精度高，效率高等特点。其在发动机，变速箱等车辆核心部件装配生产线上的应用日益广泛。马丁路德公司的摩托车发动机装配线如图 1 所示。装配工作台由 2 台 FANUC 机器人组成，8实现了连杆、曲轴、活塞、缸盖、缸体的自动化传送和装配，采用视觉系统与力控软件，以适当的力度不断轻推零件，使其以很小的接触力滑入就位，保持工件不受损伤。图 2 摩托车发动机装配线3.1.2 搬运机器人为了提高自动化程度和生产效率，制造企业通常需要快速高效的物流线来贯穿整个产品的生产及包装的过程，搬运机器人在物流线中发挥着举足轻重的作用。其一方面具有人难以达到的精度和效率，另一方面可以承担大重量和高频率的搬运作业，
15、因此被广泛应用在搬运、码垛、装箱、包装和分拣作业中。9图 3 搬运机器人3.1.3 打磨抛光机器人机械零件形状不断向复杂化、多样化发展，实现打磨抛光工艺的机器人少有统一的方案。在打磨抛光加工中，机器人的工作方式有两种，一是机器人夹持被加工工件贴近加工工具，如砂轮、砂带等，进行打磨抛光加工；另一种方法是机器人夹持打磨抛光加工工具贴近工件进行加工。图 4 打磨抛光机器人103.1.4 移动式工业机器人对于大尺寸工件的制造，如航空航天产品，传统的工业机器人无法胜任。首先，大尺寸工件由于重量和尺寸巨大，不易移动；其次，工业机器人相对工件而言尺寸不足，如果单纯地按比例放大，机器人制造和控制成本将十分高昂
16、，因此，移动式工业机器人是一个很好的解决方案。图 5 移动式工业机器人3.1.5 码垛机器人最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运的国家是日本和瑞典。20 世纪 70 年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974 年，瑞典 ABB 公司研发了全球第一台全电控式工业机器人 IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。此外，德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高，如德国的 KUKA，瑞典的 ABB，日本的 FANUC 等。11图 6 码垛机器人3.2 非工业机器人应用举例由于技术进步，制造成本下降，机器人正悄无声息的进入到平常人的生活、学习和工作中。它们可以做家务，在战场上侦
17、查，甚至还可以自主进行精细的手术。在教育、医疗、军事和服务行业中，小型的非工业机器人正发挥着重要的作用。下文仅列举几个典型实例。3.2.1 教育机器人教育机器人是以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外，还有相应的控制软件和教学课本等。近年来，教育机器人逐步成为中小学技术课程和综合实践课程的良好载体。目前常见的教育机器人既有类人形的教育机器人，也有非人形的机器人。 青少年可以与机器人实现基本的互动交流，并可以对机器人的结构功能进行改装扩展。如图 2所示，该学生操控的机器人属于可进行拆解、重组、功能扩展的机器人。通过了解机器人的结构部件和所需知
18、识等，操控者可较为便捷地掌握机器人的基础功能，并开拓思维进行创新。图 7 教育机器人123.2.2 炒菜机器人炒菜机机器人不仅实现了煎、炒、炸等中式烹饪技术的智能化，还可以轻松做出意大利、希腊、法国等世界各地风味菜肴。机器人自动炒菜机实现了炒菜过程的自动化，只需轻轻一按就可以享受到世界各地的地道美食，烹饪过程不粘不糊不溢，而且安全、节能、无油烟。图 8 炒菜机器人3.2.3 医疗机器人随着机器人产业的快速发展，医疗机器人的发展已经得到了全球高度关注。我国人口老龄化的加剧和科技的发展，人们对生活各个方面的要求也在提高。以医疗机器人为代表的服务器人蕴藏着极大的发展空间，未来的市场规模很可能会超过工
19、业机器人。美国已经把手术治疗机器、假肢机器人、康复机器人、心理康复辅助机器人、个人护理机器人、智能健康监控系统定为未来发展的六大研究方向。13图 9 医疗机器人3.2.4 军事机器人作为立国之根本的国防业，机器人也已经在悄然地发挥作用。因其具有常规作战人员不具备的优点：灵敏度高、载重能力强、高续航能力、可在特殊场合进行特种作战任务。最重要的是可以减少人员的伤亡。其在战场上可进行电子干扰、信息采集、侦查、突击、排雷、爆破、运输等任务。图 10 军事机器人144、机器人的发展中存在问题4.1 机器人发展的安全问题目前，机器人发展虽然在向人工智能方向发展，但由于受到现有技术的限制，大都只能称之为“半
20、智能化”的机器人。这类机器人工作与行动基本上依靠预先设置好的电脑程序进行，而且与人相对隔离，控制相对简单，发生的安全问题也能有效处理。但是，随着互联网的快速发展，未来工业企业将是机器人、工作人员和各类机器设备之间高度融合的组织，在这个过程中，如何既保证生产又保证人身安全、其他设备的安全就至关重要。 4.2 机器人发展的法律问题早前有报道称，美国一家公司生产的医疗机器人在使用 7 年间，20 0 多例病患在接受该医疗机器人手术时造成烧伤、切伤、感染等伤害，更有多达 9 0多例病患死亡，事故 发生 后，病患家属应该去找 谁讨回公道，责任又该由谁来承担，因为缺少法律 规范，影响了人们权益的实现。同样
21、，我国在机器人使用管理上并没有相应的法律法规出台，仅对机器人的研究和生产作出了规定。显然，这是一种漏洞和缺失，一旦拥有智能的机器人对他人造成伤害，该如何界定责任并有效追究损失就成了一道开放型试题。 4.3 机器人发展的技术问题随着人工智能的不断发展，机器人也变得越来越智能，一般来说，智能机器人包括结构、结构本体、驱动传动、能源动力、感知等系统。机器人核心部件包括伺服电机、减速器及控制器、驱动器及传感器。目前，我国机器人技术发展迅速，但是核心技术和关键设备仍然依赖进口，比如谐波减速器主要用于轻型机器人或机器人腕部关节，由波发生器、柔轮和钢轮组成，具有减速比大、齿隙小、精度高、零部件少、安装方便及
22、体积小、重量轻等优点。目前，国际上谐波减速器市场几乎被日本生产和垄断。而我国现有的机器人生产和研究更15多是模仿国外发达国家，受制于人，以发展较为成熟的工业机器人的平均故障时间来看，国外工业机器人稳定性可达到 10 万 h，明显高于国内机器人同类指标的平均水平。由于我国机器人技术水平落后，智能化程度不高，当机器人在应用过程中出现故障后，自我修复和解决能力不强，导致在机器人日常维护、专业人士的聘请、部件更换等方面投入巨大，最终阻碍了行业的发展。 4.4 机器人发展的伦理问题机器人的伦理问题是机器人发展过程中不可回避的现实问题。在人工智能快速发展的当下，当人工智能与机器人相结合后，人类将如何定义智
23、能机器人，是否将其看作社会伦理的一员，赋予其伦理的权力就变动尤为重要。人工智能一旦与机器人相融合，机器人在未来发展中将不可避免的模仿人类产生一定的道德判断与行为能力。比如在军事行动中，智能化的机器人因为其有较 高的作战效率，可以大幅度降低伤 亡而被广泛研究。但是，在实际战争冲突中，人类向善的本性与战争冲突是相矛盾的，军事学家马歇尔的研究就发现，大多数的士兵在战争中并不愿意朝对方开火，主要原因还是对“杀戮”的恐惧，向往和平。当军用机器人一旦投入战场，因为其无恐惧感，势必不会对目标“手下留情”，造成大规模伤害。虽然，在机器人的技术设计 过程中，可以赋予机器人一些伦理道德和判断标准，但是什么样的伦理
24、道德标准才是合理的、可接受的就值得深思。 5、机器人未来发展解决措施5.1 建立和完善法律法规在未来发展中，机器人法律法规的建立和完善是必不可少的，我们需要在既有的法律体系上，构建人类与机器人的共处制度，要在不破坏人类法律体系的基础上，对机器人的研发、设计、生产、运用等方面进行规范，厘清责任，避免法律漏洞的产生。同时，在机器人的设计和运用过程中，要将其可能面临的伦理道德问题进行分析，提出解决办法，将伦理道德融入到机器人的研发和16运用中。 5.2 建立安全评估和使用机制目前，机器人产业发展迅速，机器人的种类也越来越多，为了评估机器人在使用过程中究竟可能带来哪些 安全问题，研究人员需要对可能出现 的安全问题进行评估，并限定其使用范围。同时，建立起机器人的安全问题反应机制，在使用过程中要 注重对机器人核心部分 进行保护，为防止黑客和恶意软件对机器人控制系统进行破坏，要做到及时更新检查机器人应用程式，提升安全信息系统对未知因素的防御能力。 5.3 加强技术研发和人才培养机器人发展，掌握核心关键技术至关重要。一方面，国家要加大投入，鼓励和支持社会对机器人技术进行研发和使用；另一方面，要吸收借鉴国外先进的研究理念和研究技术，攻坚克难，自主创新，发展具有自主知识产权的关键技术，抢占技术制高点；最后就是要加大人才培养的力度，为机器人发展培养储备人才。
