机器人论文_机器人应用论文

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机器人的发展现状及其未来趋势

21世纪以来,国内外对机器人技术的发展越来越重视。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一,自问世以来,就一直备受瞩目。40余年来,有关它的研究取得了长足的进展。各种形态、功能的机器人相继面世,而未来的机器人将是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器,是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一。欧盟在第七框架计划(FP7)中规划了“认知系统与机器人技术”研究、美国启动了“美国国家机器人计划”、日本、韩国在服务型机器人方面也制定了相应的研究计划,我国在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予极大的重视.国内外产业界对机器人技术引领未来产业发展也寄予厚望.由此可见,机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一,对于国民经济和国防建设具有重要意义。

你初印象中的机器人是什么样子的呢?是不是说一个长的像机器人样子的玩意就是机器人呢?其实说起机器人,我们头脑里马上会联想到那些会唱歌跳舞干工作而且有头有手的小东西。其实那只是机器人的狭意理解。人们提出来机器人的定义是能够感知环境,能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。人们提出来机器人的定义是能够感知环境,能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。可以说与人类类比的话,机器人的完整意义应该是一种可以代替人进行某种工作的智能程序化及自动化设备。近些年来,机器人技术研究和应用取得了突出的进展,但仍面临着巨大挑战。

作为人类20世纪最伟大的发明之一,机器人在短短的几十年内发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展,不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化,而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展,机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索,乃至太空作业等领域,机器人可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作,机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动,发挥着越来越重要的作用,人们已经越来越离不开机器人帮助。一直以来,机器人就在逐步融入我们的生活中,每一年我们都可以看见新的机器人面世,也可以看到越来越多的机器人应用到各个领域。机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人,正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同样种类繁多,比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上负责排除路边炸弹的侦察机器人、以及负责清扫地板的家用机器人,还有不少参照人、狗、恐龙的样子制造机器人玩具。

机器人从面世到进入本世纪,发展不可以不谓之快,各国对其的研究与投产从未间断。据国际机器人联盟调查,2004年,全球个人机器人约有200万台,到2008年,还将有700万台机器人投入运行。按照韩国信息通信部的计划,到2013年,韩国每个家庭都能拥有一台机器人;而日本机器人协会预测,到2025年,全球机器人产业的“蛋糕”将达到每年500亿美元的规模(现在仅有50亿美元)。与20世纪70年代PC行业的情况相仿,我们不可能准确预测出究竟哪些用途将推动这个新兴行业进入临界状态。不过看起来,机器人很可能在护理和陪伴老年人的工作上大展宏图,或许还可以帮助残疾人四处走走,并增强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力。

目前,我国从事机器人研发和应用工程的单位200多家,拥有量为3500台左右,其中国产占20%,其余都是从日本、美国、瑞典等40多个国家引进的。2000年已生产各种类型工业机器人和系统300台套,机器人销售额6.74亿元,机器人产业对国民经济的年收益额为47亿元,我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。

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。机器人技术所涉及的应用领域众多,其中包括工业机器人、移动机器人、医疗与康复机器人和仿生机器人领域等。

工业机器人已广泛应用于汽车工业的点焊、弧焊、喷漆、热处理、搬运、装配、上下料、检测等作业.在物流、码垛、食品和药品等领域,工业机器人正逐步代替人工从事繁重枯燥的包装、码垛、搬运作业.工业机器人研究的运动学标定、运动规划、控制等已有成熟的控制方案.但由于工业机器人是一个非线性、多变量的控制对象,而制造业也对机器人性能提出新需求,机器人的控制方法仍是研究重点,工业机器人技术也朝着智能化、重载、高精度、高速、网络化等方向发展.结合位置、力矩、力、视觉等信息反馈,柔顺控制、力位混合控制、视觉伺服控制等方法得到大量研究,以适应高速、高精度、移动机器人的应用广泛,覆盖了地面、空中和水下,乃至外太空.机器人利用航迹推算、计算机视觉、路标识别、无线定位、SLAM等技术进行定位;基于地图完成机器人运动路径的规划和运动控制;结合语音识别、图像识别,实现友好的人机交互,提供引导、解说、物品递送等服务.为家庭、老人、残障人服务的,具有单臂或多臂的移动机器人研究得到重视。

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。过去的工业机器人又聋又哑,灵活性差,但是它们精确性好,效率也高。放弃了传感器,视觉系统等零部件后,可视化机器人正变的越来越普遍,功能也多了起来,这个行业正在经历急剧性的改变。通过对最近创业公司、机器人新应用以及技术发展的分析,可以发现这些改变在中国的发展趋势中已初见端倪,他们正不断的投资以及收购机器人公司。在过去的 50 多年里,制造业的工业机器人轻松地干着又脏又枯燥又危险的活,但是今天的顾客想要更加个性化的产品,想要有更快的机器人,同时成本在下降,公司高管们也希望自动化带来了更高的效率,在这个条件下,很多新的领域都出现并雇佣了移动和可视化机器人,尤其是中小企业和物流业,政府,农业,调查,建设和医疗也是如此。过去几年中,工业机器人领域的收入已经占了整个行业的销售额的 75%(据国际机器人联合会(IFR)报道)。在未来的几年里,据包括 IFR 等机构的预测,工业机器人领域将会出现两位数的年均复合增长率。无论如何,在研究工业机器人的五个最大用户国的数据中,除了中国外,其他四国的年复合增长率预测将达到 6% 到 9%,而中国则有望超过 25%。在政策刺激和自我驱动下,中国经济已经持续通过了工业化、城镇化和消费驱动增长的所有经济阶段。在机器人领域,驱动增长的因素有很多:出口汽车的质量水平要求达到能够被证明实现机器人自动化;政府 5 年多种激励计划培育本土机器人产业;不断增长的薪资改变了工人与工业机器人雇佣结构;高端工业机器人技术人才的大量需求。

如此看来,中国正在吞并买卖双方市场。不管怎样,对中国公司来说,占领国内的机器人市场需要他们支撑起当下缺失的部分,这很难,需要提高整体质量和精确度。如臂端工具,减速器和谐波传动这类零部件将需要实现本土制造,不再进口。中国风投公司正并购国际公司,同时投资国内致力于尝试完善零部件的公司和国际公司,并重新定位自己在国内的销售和制造方向。

工业机器人中在汽车领域应用的最多,多家汽车公司采用与人类和共同协作的机器人替代了旧式工业机器人,获得所需要的灵活性。这是一个由优傲开启的充满活力正在增长的的机器人领域,同时也充满了来 Kuka,ABB 和其他国际机器人公司的竞争。

这些协作机器人的主要优势是它们灵活、安全和能快速应用,还有便于训练。购买协作机器人投入生产可能不利于利润增长,但确是很好的业务,尤其是对于那些想要使用机器人的企业来说。在最近的针对农业这个对成本非常敏感的产业的调查中,我们发现很多公司都偏向于向农民提供机器人使用服务,而不是向他们售卖机器人。稀释、播种、灌溉、航空成像和分析就是这些农业机器人服务的典型案例。提供服务而不是销售产品的观念一直以来都是向市场推广未经测试过的产品的一个好方法,而相关创业公司也从中发现了规模经济的好处。分析利用无人机航拍的数据并规划出可以付诸实施的计划,这已经跨越了产业的边界,不仅仅是大型企业需要这项技术,还有石油和天然气公司、非政府组织,以及政府也希望利用这项技术来监控人类难以进入的区域。安全公司也将「机器人即服务」这一理念应用在了安保等领域。性能越来越好、价格越来越低的视觉系统,特别是低成本的 3D 视觉系统、导航系统和运动系统让很多创业公司能够为工厂、仓库和分发中心提供高效的物料搬运服务。在金融危机期间,物流行业的资本支出没有大幅增加,因为已有的系统似乎能够处理所有的载负。但是我们知道,消费者只想更快地拿到自己的货物,但物流仓库不会持续对新技术、新方法投入太多资金。进一步来说,这些新技术需要和物流行业现有的设施和系统兼容;很少有公司会为了新技术而重新建一个仓库,或者改变自己的方法和系统。中国同时也在刺激着国内的机器人产业增长。但中国在核心技术方面仍处于落后地位,所以需要一些公司成为拓荒者,用创新将产业向前推进。

通过分析已有的机器人技术研究工作,机器人技术的应用和研究显现出从工业领域快速向其他领域延伸扩展.而传统工业领域对作业性能提升的需求、其他领域的新需求,极大促进了机器人理论与技术的进一步发展.在工业领域,工业机器人的应用已不再仅限于简单的动作重复.对于复杂作业需求,工业机器人的智能化、群体协调作业成为解决问题的关键;对于高速度、高精度、重载荷的作业,工业机器人的动力学、运动学标定、力控制还有待深入研究;而机器人和操作员在重叠的工作空间合作作业问题,则对机器人结构设计、感知、控制等研究提出了确保人机协同作业安全的新要求.在工业领域以外,机器人在医疗服务、野外勘测、深空深海探测、家庭服务和智能交通等领域都有广泛的应用前景.在这些领域,机器人需要在动态、未知、非结构化的复杂环境完成不同类型的作业任务,这就对机器人的环境适应性、环境感知、自主控制、人机交互提出了更高的要求.1)环境适应性.机器人的工作环境可以是室内、室外、火山、深海、太空,乃至地外星球,其复杂的地面或地形、不同的气压变化、巨大的温度变化、不同的辐照、不同的重力条件导致机器人的机构设计和控制方法必须进行针对性、适应性的设计.通过仿生手段研究具有飞行、奔跑、跳跃、爬行、游动等不同运动能力的、适应不同环境条件的机器人机构和控制方法对于提高机器人的环境适应性具有重要的理论价值.2)环境感知.面对动态变化、未知、复杂的外部环境,机器人对环境的准确感知是进行决策和控制的基础.感知信息的融合、环境建模、环境理解、学习机制是环境感知研究的重要内容.3)自主控制.面对动态变化的外部环境,机器人必须依据既定作业任务和环境感知结果利用内建算法进行规划、决策和控制,以达到最终目标.在无人干预或大延时无法人为干预的情况下,自主控制可以确保机器人规避危险、完成既定任务.4)人机交互.人机交互对于提升机器人作业能力、满足复杂的作业任务需求具有重要作用.实时作业环境的三维建模,声觉、视觉、力觉、触觉等多种人机互的实现方式、人机交互中的安全控制等都是人机交互中的重要研究内容.针对上述问题的研究,通过与仿生学、神经科学、脑科学,以及互联网技术的结合,可能将加速机器人理论、方法和技术研究工作的进展.机器人技术与仿生学的结合,不仅可以促进高适应性的机器人结构设计方法的研究,对于机器人的感知、控制与决策方法的研究也能够提供有力的支持.机器人学与神经科学、脑科学的结合,将使得人–机器人间的应用接口更加方便,通过神经信号控制智能假肢、外骨骼机器人或远程遥操控机器人系统,利用生物细胞来提升机器人的智能,为机器人研究提供了新的思路.机器人学与互联网技术的结合,使机器人可以通过互联网获取海量的知识,基于云计算、智能空间等技术辅助机器人的感知和决策,将极大提升机器人的系统性能.机器人是人类的得力助手,能友好相处的可靠朋友,将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边,成为一个互相的助手和朋友。随着社会的发展,机器人将使人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来,给人们带来更好的生活环境,使人们有更好的岗位去工作,去创造更好的精神财富和文化财富。展望21世纪,机器人将会与20世纪计算机的普及一样,深入地应用到各个领域。所以很多专家预测,在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期,也是智能机器人发展的一个关键时期。目前国际上很多国家,也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识,同时,我们也可以看到机器人技术,涉及到多个学科,机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等,它是一个国家高技术实力的一个重要标准。

我们期待机器人在未来能给我们带来更多的惊喜。