机器人技术发展综述.pdf

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1、机器人技术发展综述 摘要：机器人是一种由主体结构、控制器、指挥系统和监测传感器组成的，能够模拟人的某些行为、能够自行控制、能够重复编程、能在二维空间内完成一定工作的机电一体化的生产设备。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息传感技术、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.也是一个国家工业自动化水平的重要标志。针对20世纪国内外机器人技术的发展历程和 21 世纪知识经济的兴起，对 21 世纪机器人技术的发展趋势作了预测。关键词：机器人技术 机器人分类 发展趋势 智能化 一、机器人的发展历程：第一次工业革命以来，随着各种自动机器、动力机械的问世，

2、制造机器人开始由梦想转入现实，许多机械式控制的机器人，主要是各种箱巧的机器人玩具和工艺品应运而生。17681774 年间，瑞士钟表匠德罗斯父子，设计制造了三个像其人一样大小的写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹箕驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。1893 年，加拿大人摩尔设计制造了以蒸汽为动力的能行走的机器偶人“安德罗丁”。这些事例标志着人类对于制造机器人从梦想到现实这一漫长道路上前进了 一大步。1958 年，美国联合控制公司的研究人员研制出第一台机器人原型。1959 年，美国的 UNIMATION 公司推出了第一台工业机器人。随着工业自动化

3、技术和传感技术的不断发展，工业机器人在上世纪 60 年代进入了成氏期，并逐渐被应用于喷涂和焊接作业当中，开始向实用化的方向迈进。随着工业自动化技术和传感技术的不断发展，工业机器人在上世纪 60 年代进入了成长期，并逐渐被应用于喷涂和焊接作业当中，开始向实用化的方向迈进。到了上世纪 70 年代，工业机器人已经实现了实用化，当时的日本根据自身实际情况，加大了鼓励中小企业使用机器人的力度，这使日本机器人的拥有量在很短的时间内就超过了美国，一跃成为世界上的机器人大国。另外，人工智能也开始应用于飞机器人的研发当中。90 年代是机器人的普及时代，各类不同功能、不同作用的机器人开始大量应用于电子、汽车、服务

4、等领域，并且为了满足人们的个性化需求，工业机器人的生产也日益趋向于多品种、多批次、小批量。市场的巨大需求在很大程度上刺激了机器人的加工和生产，并为机器人制造行业带来了巨额的经济效益，使其能够将更多的资金投入到新技术的研发和现有技术的完善当中，为机器人行业的进一步发展打下了坚实的基础。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。在计算机技术、网络技术、MEMS 技术等新技术发展的推动下，机器人技术正从传统的工业制造领域向医疗服务、教育娱乐、勘探勘测、生物工程、救灾救

5、援等领域迅速扩展，适应不同领域需求的机器人系统被深入研究和开发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。二、机器人技术的研究领域与学科范围：一、研究领域 经过数十年的发展，机器人技术已经发展成为一门新的综合性交叉科学机器人学(mb06cs)，它包括基础研究与应用研究两方面的内容，其主要研究领域有：1 机械手设计；2 机器人运动学与动力学；3 机器人轨迹规划；4 机器人驱动技术；5 机器人传感器；6 机器人视觉；7 机器人控制语言与离线编程；8 机器人本体结构；9 机器人控制系统：10 智能机器人等。二、

6、学科范围 机器人学所涉及的学科范围午要有：1 力学，主要包括工程力学、弹塑 性力学、结构力学等；2 机器人拓扑学，主要包括结构拓扑学即拓扑结构类型 综合与优选；3 机械学；4 电子学与微电子学；5 控制论；6 计算机：7 生物学；8 人工智能；9 系统工程等。这些多学科领域知识的交叉和融入是机器人技术得以发展、拓宽和延伸的基础，也是学习和运用机器人技术的基础。随着机器人技术不断向新的领域拓展，其学科范围亦将更加宽阔。三、机器人的分类：1、按机器人的开发内容与应用分类，分为三大类：工业机器人(industrial robot)工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业生产中的某

7、些作业。依据具体应用目的的不同，又常常以其主要用途命名。分为焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人等。工业机器人的优点在于它可以通过更改程序，方便迅速地改变工作内容或方式，以满足生产要求的变化，例如改变焊缝轨迹及喷涂位置，变更装配部件或位置等。随着对工业生产线越来越高的柔性要求，对各种工业机器人的需求也越来越广泛。操纵型机器人（teleoperator robot）操纵型机器入主要用于非工业生产的各种作业，又可分为服务机器人与特种作业机器人等。除以上服务机器人外，还有一些其他种类的特种作业机器人。如水下机器人、墙壁清洗机器人、管内移动机器人等。智能机器人（intelligent robot）智能机

8、器人具有多种由内、外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关节的运行速度、力的大小等参数，还可以通过外部传感器（如视觉传感器、触觉传感器等），对外部环境信息进行感知提取、处理并做出适当的决策，在结构或半结构化环境中自主完成某项任务。目前，智能机器人尚处于研究和发展阶段。2、按机器人的发展程度分类 第一代机器人：第一代机器入主要指只能以示教再现方式工作的工业机器人，称为示教再现型。示教内容为机器人操作结构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。第二代机器人：第二代机器人带有一些可感知环境的装置，通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应变化的环境。第三代机器人：第三代机器人是智能机器人，它具有多种感知

9、功能，可进行复杂的逻辑推理、判断及决策，可在作业环境巾独立行动；它具有发现问题且能自主地解决问题的能力。3、按机器人的性能指标分 超大型机器人 超大型机器人的负载能力为N 以上。大型机器人 大型机器人的负载能力为一N，作业空间为 10以上。中型机器人 中型机器人的负载能力为一N，作业空间为 110。小型机器人 小型机器人的负载能力为 1N，作业空间为 0.11。超小型机器人 超小型机器人的负载能力为 1N 以下，作业空间为 0.1以下。4、按机器人的结构形式分 按结构形式机器人可分为关节型机器人和非关节型机器人两大类，其中关节型机器人的机械本体部分一般为由若干关节与连杆串联组成的开式链机构。5

10、、按坐标形式分 直角坐标型机器人 7106107102m5106102m4102m2m圆柱坐标型机器人 球坐标型机器人 关节坐标型机器人 6、按控制方式分类 点位控制 连续轨迹控制 7、按驱动方式分类 气力驱动式，机器人以压缩空气来驱动执行机构 液力驱动式，相对于气力驱动，液力驱动的机器人具有大得多的抓举能力，可高达上百千克。液力驱动式机器人结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。电力驱动式，目前越来越多的机器人采用电力驱动式，这不仅是因为电动机品种众多可供选择，更因为可以运用多种灵活的控制方法。电力驱动可分为步进电动机驱动、

11、直流伺服电动机驱动、无刷伺服电动机驱动等。新型驱动方式，伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的上作原理制造的新型驱动器，如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。8、按机器人工作时机座的可动性分类 根据机器人工作时机座的可动性又可将机器人分为机座固定式机器人和机座移动式机器人两大类，分别简称为固定式机器人和移动机器人。四、机器人的发展趋势 1.机械结构向模块化、可重构化发展。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。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；机器人软件的模块化则简化了编程，发展了离线编程技

12、术，提高了机器人控制系统的适应性。国外已有模块化装配机器人产品问市 2.工业机器人控制系统向基于 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。3.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。4.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

13、业环境中的感觉来操纵机器人。5.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。6.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

14、发微型机器人的基础和关键技术之一。它将对精密机械加工、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。7行走机器人研究引起重视。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

15、息，自主地作出决策，引导自身绕开降碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作与操作。8.自我修复。由于机器人的工作环境大多存在着许多不可预见的不稳定因素，因此想要实现其智能化，首先就是要确保机器人的安全可靠，需要其具有对外界各种情况的应变能力以及对自身软件的智能升级和智能诊断、修复。五、结束语 机器人技术的研究和应用已从传统的工业领域快速扩展到其他领域，如医疗康复、家政服务、外星探索、勘测勘探等.而无论是传统的工业领域还是其他领域，对机器人性能要求的不断提高，使机器人必须面对更极端的环境、完成更复杂的任务，因而，也为机器人研究提供了新的动力.在研究分析了机器人的发展状况、研究领域与学科范围以

16、及机器人的分类的基础上对机器人技术的发展趋势进行了探讨。六、参考文献 1.刘极峰.机器人技术基础 2005.6 2.蔡自兴.刘健勤.而向 21 世纪的智能机器人技术J.机器技术与应用.1998(6):3.蔡自兴.智能机器人技术的进展:趋势与对策J.机器人 1996,18(4):248 一253 4陈建平.我国潜水器发展状况及存在问题J.机器人技与应用.1998（2）：79 5高从军.用机器人修复心脏J.机器人技术与应用.1999（5）：1618 6秦志强、谭立新、刘遥生，现代传感器技术及应用M北京电子工 业出版社，2010,5.7张涛，机器人议论M北京:机械工业出版社，2010,5.8郭洪红，工业机器人运用技术M.北京:科学出版社，2008,7.9.李团结，机器人技术M.北京:电子工业出版社，2009,10.10.韩建海，工业机器人M.武汉:华中科技大学出版社，2009,9.11.Song Yue-e;Algorithms for Robot Off-line Programming;Transactions of the China Welding Institution,Vol.23,p.32-36,June,2002 in Chinese