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机器人学概述安徽工业大学2021级工程硕士期末考核答题卷专业：机械工程课程：机器人学姓名：学号：1521190215第一章引言随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，产业机器人已成为一种高新技术产业，为产业自动化发挥了宏大作用，将对将来生产和社会发展起越来越重要的作用。本文概括了工业机器人的概念和发展、国外国内机器人的发展现状、将来机器人的发展方向。第二章机器人的概念与发展2.1机器人的定义工业机器人的问世,大约是25年前；微处理机的诞生,大约是15年前。正是由于微处理机的出现,以及各种LSI、VLSI的飞跃发展,才使得工业机器人控制系统的机能大幅度提高,进而使数百种不同构造、不同控制方法、不同用处的工业机器人终于在八十年代,真正进人了实用与普及的阶段,并发挥了令人难以置信的宏大威力与经济效益。那么,什么是工业机器人？回答是令人遗憾的。由于关于工业机器人的定义,仍在专家们的争议之中,至今还没有人能够提出一个令人信服的明确定义。美国机器人协会RIA对机器人的定义是：“所谓工业机器人,是为了完成不同的作业,根据种种程序化的运动来实现材料、零部件、工具或特殊装置的移动并可重新编程的多功能操作机。日本产业机器人协会JIRA的定义是：“所谓工业机器人,是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及其构造,并能完成复杂空间动作的多自由度的自动机械或“根据感觉机能或认识机能,能够自行决定行动的机器智能机器人。不管各国机器人专家们怎样定义和解释工业机器人,有一点是能够明确的,这就是人们开发研究工业机器人的最终目的,在于要研制出一种能够缥合人的所有动作特性通用性、柔软性、灵敏性的自动机械。2.2机器人的发展自动化技术的发展，十分是计算机的诞生，推动了机器人的发展。人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般能够根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开场投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感悟机器人,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感悟周围环境的能力。这类利用感悟信息以改善机器人性能的研究开场于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它能够把感悟和行动智能化结合起来,因而能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感悟功能与识别、判定及规划功能。而感悟本身,就是人类和动物所具有的低级智能。因而机器的智能分为两个层次:具有感觉、识别、理解和判定功能；具有总结经历和学习的功能。所以,人们通常所讲的第二代机器人能够看作是第一代智能机器人。第3章国外国内机器人的发展现状3.1国外机器人的发展现状美国是机器人的诞生地，早在1961年，美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，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。日本在1967年从美国引进第一台机器人，1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著缺乏，工业机器人在企业里遭到了“救世主般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展，如今无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国之称。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，在德国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这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。目前，德国工业机器人的总数占世界第二位，仅次于日本。法国政府一直比拟重视机器人技术，通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完好的科学技术体系，使法国机器人的发展比拟顺利。在政府组织的项目中，十分注重机器人基础技术方面的研究，把重点放在开展机器人的应用研究上。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得以迅速发展和普及，进而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。英国纪70年代末开场，推行并施行了一系措施列支持机器人发展的政策，使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早，并曾经获得了早期的辉煌。然而，这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振，在西欧几乎处于末位。近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于本身国内机器人市场的大量需求，发展速度非常迅速。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，意大利的Gimatic及奥地利的IGM公司。3.2国内机器人的发展现状我国对工业机器人的研究始于20世纪70年代,通过“七五的起步，“八五、“九五的科技攻关，已经基本把握了工业机器人的设计制造技术、控制系统和驱动系统的设计技术和机器人软件和编程等关键技术。构成了一批具有较强机器人科研实力的公司和院校，如中科院沈阳自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司、清华大学、哈尔滨工业大学、北航等。仿生机器人一直是我国机器人领域的研究热门。对机器人鱼的研究集中在它的驱动单元上，因机器鱼有较高的液体推进性能，其推进方法能够是尾鳍或者胸鳍推进。尾鳍推进机器鱼游动速度快，但灵敏性较差，胸鳍推进则使机器鱼游动速度慢，但稳定性高、机动性好。国防科技大学采用胸鳍推进驱动实现机器鱼的设计；哈尔滨工业大学采用形状记忆合金驱动对仿生鱼进行了设计，但是，机器鱼很难实现柔性的仿生运动。与其它轮式、履带式、爬行式移动机器人相比，双足机器人因能在复杂的非构造化环境中能行走，因此具有更高的灵敏性和适应性。清华大学设计了动态步行双足机器人THBIP-II，哈尔滨工程大学设计了双足机器人HEUBR_1，但仿生程度都还有待提高。我国对机器人SLAM研究获得了可喜的成果。具有代表性的是梁志伟等人采用基于分布式传感器感悟的方法，周武等人采用遗传快速SLAM算法，张文玲等人采用自适应SLAM算法同时进行本身定位与环境地图的创立。针对以往速度障碍法在动态避碰应用中的缺乏，朱齐丹等人采用双障碍检测窗口进行动态避碰规划的改良，有效提高了机器人运动的安全性。伍明和牛长锋等人对目的跟踪方法进行了研究，分别提出了基于扩展卡尔曼滤波和基于SIFT特征和粒子滤波的方法，都适用于未知环境中动态目的的跟踪问题。经过30多年的发展，我国工业机器人数量也到达了一定的规模，机器人的研究在一些方面也已经到达了世界先进水平，但与发达国家相比仍然有很大差距。不难发现的现实是：我国在工业机器人的研究方面采取的方法主要是借鉴外国的先进技术，然后再进行二次开发，这就造成了我国本身创新技术较少，制约了工业机器人产业化的发展。主要表如今：基础零部件制造能力差；缺少本人的工业机器人品牌；认识还不够到位，鼓励工业机器人产业化发展的政策少。为打破国外对工业机器人的技术垄断，我国必须从下面方面努力：以市场需求为导向，重点攻关一些具有核心竞争力的产品；国家应对发展工业机器人专门立项，解决工业机器人中的具有核心竞争力的关键技术，加速我国机器人迈向产业化的步伐；国家应该加大对工业机器人的宣传力度，采取多种形式的优惠政策鼓励企业研发、采购、应用、发展工业机器人，普及工业机器人在当代工业中的应用；以企业为主体，以产学研为重要的发展形式，密切关注社会对工业机器人的实际需求，快速推进工业机器人的研发、生产和销售人才的建设。第4章机器人的发展趋势机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑，21世纪机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争之知识经济制高点。在计算机技术和人工智能科学发展的基础上，产生了智能机器人的概念。智能机器人是具有感悟、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵敏性、机动性和更广泛的应用领域。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置，如核工业、水下、空间、农业、工程机械地上和地下、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面，可代替人完成各种工作。同时，智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全能够进入网络世界，发挥更多、更大的作用，这对人类开拓新的产业，提高生产水平与生活水平具有特别现实的意义。因而，面向先进制造的工业机器人和面向非制造业的先进机器人的研究、开发和应用将成为21世纪智能机器人的两个重要发展方向。目前，围绕将来的机器人需要研究开发如下一些关键技术：(1)网络机器人技术通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上，并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、诸多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。(2)虚拟机器人技术很多特种机器人在使用时，遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、加强现实或临场感的虚拟遥控操作和人机交互，将成为需要共同发展的一项技术。(3)多智能体协调控制技术用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术，这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反响能力、监控和异况处理、多智能体协调等。(4)微型和微小型技术这是一项由技术驱动的新领域，尽管微型/小型尺寸的机器人实用化还要等几年，但是这个时代即将到来。(5)软机器人技术很多特种机器人，十分是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时，经常处于与人共存的环境中。如今的大多数机器人，由于在设计时未考虑与人共存，用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其构造和相应的控制以及所用的传感器，在机器人意外地碰撞人或互相碰撞时是“软的，加强人对机器人的安全感和亲近感。(6)新型机构、新型控制器、新型传感器及体系构造的研究。
