机器人论文

机器人论文

一．引言

机器人学时一门综合性的新兴学科，它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学工程学及人工智能工程学等多门尖端学科。机器人对现在以及未来都有重大作用及意义，是人类文明发展的一个重要标志。

一．机器人的定义

机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。

1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：

1、生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；

2、造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；

3、人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；

4、人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫（Isaac.Asimov）于1940年提出了“机器人三原则”：

1，机器人不应伤害人类；

2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：

1，具有脑、手、脚等三要素的个体；

2，具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；

3，具有平衡觉和固有觉的传感器。

该定义强调了机器人应当仿人的含义，即它靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官，使机器人能够识别外界环境，而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。

1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。

1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不

确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。

中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

二．机器人的发展现状及趋势

随着人们对机器的研究，机器人也在进步，按其发展过程机器人可分为三代：

第一代是示教再现型机器人："尤尼梅特"和"沃尔萨特兰"这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难

适应变化的环境。

第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。

第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。日本研制的能演奏数首曲目?quot;瓦伯特"2号机器人，已达到5岁儿童的智能水平。目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）

（1）机械结构

1、已关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。

2、应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。

3、CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。

（2）控制技术

1、大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。

2、协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。

3、采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。

（3）驱动技术

1、80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD

驱动技术则广泛地用于装配机器人中。

2、新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。（4）应用智能化的传感器

装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。

（5）通用机器人编程语言

在ABB公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言RAPID。最近美国“机器人工作空间技术公司”开发了Robot Script

V.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的Win

NT/95环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通用方式

大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

（7）高速、高精度、多功能化

目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位置重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的NC机器人，其位置重复精度大1微秒。

（8）集成化与系统化

当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。

1.4技术发展趋势

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以

及在系统（FMS、CIMS）中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”（Agile

Manufacturing），满足多样化、个性化的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。

（1）感觉功能

感觉功能方面将实现多传感器信息的融合，以检测多变的外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能，包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。

（2）控制智能化

由引导教向NC，离线编程发展，进而发展到进一步应用。随着系统化、集成化生产的发展，基于PC的开放式控制系统将机器人控制和车间一级控制的发展方向，国外专家预测，2007年它将占30％。

（3）移动功能的智能化

为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对象及极限作业等问题，需开发自主移动系统（包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等）。

（4）系统应用与集成化

支持以人为核心的生产系统，实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志的“同事机器人”。国外专家预测，2000你后有可能IMS要走向MA(R)S（多智能体系统），而该系统中的“同事机器人”（Cobot）将成为操作人员不可或缺的伙伴。围绕着各种机器人与人共存的诸多课题，正在兴起一门新学科“软机器人学”。

（5）安全可靠性

由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全可靠性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施和安全对策，包括硬件级、软件级、

应用级和人机系统级的自诊断和自修复故障。

（6）微型化

向微型化发展，开发毫米级机器人，用于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域。就使用性和成本来看，毫米级最可行。

（7）多传感器信息融合与配置技术

①机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用

包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。

②机电一体化智能传感器

包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。

**我国工业机器人的发展现状及趋势**

中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。

现状

我国从上世纪80年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近20年来取得不少的科研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，特别是我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。

市场特征

1.以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业,也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国,工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。2000年开始,受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车工业进入了一个高速增长期。面对这种局面,国际汽车巨头纷纷进入中国市场并与我国企业合资设厂或扩大原有生产规模,国内企业也纷纷转型或加大对汽车行业的投资,整个行业增产扩能增加了对工业机器人需求。据不完全统计,最近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业的,海关进出口增长数据与汽车行业增长数据具有较高的相关度。可知,汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。

目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为我国工业发展的必由之路。作为先进制造装备之典型代表的工业机器人必将有一个大的产业发展空间，市场前景广阔；但我们也应注意到国外机器人巨头已经全部涌入中国，市场竞争日益加剧，所以中国未来机器人产业的发展不会一帆风顺。国家应借鉴日本机器人产业发展的成功做法，制定机器人产业发展战略和相关政策，这是我国机器人产业发展成败之关键。

趋势

从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、pc化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。

机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、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，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有：

1工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。

2机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。

3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，控制柜日渐小巧，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。

4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，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。

5机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。

三．机器人的应用

自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短40多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。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。

在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求占该地区所有行业对工业机器人

需求的比例高达61%(见图1)；同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首(见图2)；虽然2005年由于德国、意大利和西班牙三国对汽车工业投资的趋缓直接导致欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有行业对工业机器人需求的比例下降到了46%，但汽车工业仍然是欧洲地区使用工业机器人最普及的行业(见图3和图4)。目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。

图1：2005年美洲地区各主要行业对工业机器人需求比例分布图

图2：2005年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例分布图

图3：2001-2005年欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有工业对工业机器人需求比例变化图

图4：2004-2005年欧洲地区各主要行业对工业机器人需求情况变化图

图5：2004-2005年美洲地区各主要行业对工业机器人需求情况变化图

工业机器人还广泛应用于电子电气行业、金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业和食品工业等领域。2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%(见图2)；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位(见图4)；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右(见图1和图5)。

随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也不断扩大。目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。

**国外机器人研究的主要企业**

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CO毗U及奥地利的工GM公司;美国的Consolided Control Corp 和AMF公司。

**我国机器人的应用**

由中科院沈阳自动化所有关专家组成的课题组研究表明，随着中国机器人自动化技术的不断发展，中国机器人自动化技术装备的应用领域已经非常广泛，市场潜力巨大。

据新华社报道，中国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。其中有130多台套喷漆机器人在20多家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。

目前，中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。

据专家对国内542家用户以及汽车、电子电器、工程机械3个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近300台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。

据对中国724家用户行业统计分析，大机械行业（机械制造和汽车工业）共467家，占用户的65%，电子电器和邮电通讯92家，占用户的13%。可见目前中国工业机器人主要应用在汽车、机械制造等行业。

专家研究认为，中国工业机器人的市场主要在汽车、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业，企业对技术进步的需求更加强烈，其中主要的机器人用户仍在汽车制造行业、工程机械行业及电机、电子行业。

据预测，目前中国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求机器人自动化生产线装备线就达300多条，产值约为60多亿元。

预计在2005年左右中国需求此类自动化生产线将达到600条，市场容量达到120多亿元。

“十五”期间中国工业机器人的总需求量约为3000台套，其中以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等各类机器人自动化成套装备系统为主。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。

据悉，在工业机器人的需求上，中国也将同国际接轨，以机器人化的生产系统取代单台机器人。

**我国机器人研究的主要科研院所和企业**

北京机械工业自动化研究所：PJ系列喷涂机器人北京机床研究所：GJR-G1、G2焊接及搬运机器人广州机床研究所：JRS-80点焊机器人大连组合机床研究所：ZHS-R005弧焊机器人中国科学院沈阳自动化研究所：中型水下机器人及机器人控制系统航天工业总公司303所：YZJJR30搬运机器人沈阳工业大学：CR80-1冲压机器人此外，还有冶金部自动化研究院、西安微电机研究所、北京谐波传动技术研究所、洛阳轴承研究所、航天工业总公司609所、林泉电机厂、北京科技大学、清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学等在机器人控制装置、基础元器件和基础研究等方面做了大量工作。......

[参考文献]

[1]马香峰，等．工业机器人的操作机设计[M]．北京：冶金工

业出版社，1996．

[2]吴振彪．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社，

2006．

[4]网络资源 [5]新华社报道