机器人研究现状及发展趋势

机器人发展历史、现状、应用、及发展

趋势

院系：信息工程学院

专业：电子信息工程

姓名：王炳乾

机器人发展历史、现状、应用、及发展趋势

摘要：随着计算机技术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,机器人已成为一种高新技术产业,为工业自动化发挥了巨大作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。文章介绍了机器人的国内国外的发展历史、状况、应用、并对机器人的发展趋势作了预测。

关键词：机器人;发展；现状；应用；发展趋势。

1．机器人的发展史

1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶并公开表演。

1738年，法国技师杰克·戴·瓦克逊发明了机器鸭，它会嘎嘎叫、进食和游泳。

1773年，瑞士钟表匠杰克·道罗斯发明了能书写、演奏的玩偶，其体内全是齿轮和发条。它们手执画笔、颜料、墨水瓶，在欧洲很受青睐。

保存至今的、最早的机器人是瑞士的努萨蒂尔历史博物馆里少女形象的玩偶，有200年历史。她可以用风琴演奏。

1893年，在机械实物制造方面，发明家摩尔制造了“蒸汽人”，它靠蒸汽驱动行走。

20世纪以后，机器人的研究与开发情况更好，实用机器人问世。

1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。它是电动机器人，装有无线电发报机。

1959年第一台可以编程、画坐标的工业机器人在美国诞生。

现代机器人

有关现代机器人的研究始于20世纪中期，计算机以及自动化技术的发展、原子能的开发利用是前提条件。1946年，第一台数字电子计算机问世。随后，计算机大批量生产的需要推动了自动化技术的发展。1952年，数控机床诞生，随后相关研究不断深入；同时，各国原子能实验室需要代替人类处理放射性物质的机械。

美国原子能委员会的阿尔贡研究所1947年研制了遥控机械手，1948年开发了机械式主从机械手。

1954年，美国的戴沃尔最早提出工业机器人的概念并申请了一项专利。他通过控制机器人的关节使之行动，可以对机器人示教。机器人能实现动作的记录和再现——这就是示教再现机器人，现有机器人大多采用这种控制方式。

1962年，美国两个公司推出机器人中最早的实用机型。这些工业机器人由类似人类手臂的机械构成，控制方式和数控机床类似。

1965年，罗伯特发明了第一个具有视觉传感器、能识别并定位简单积木的机器人。

1967年，人工手研究会（现改名为仿生机构研究会）在日本成立，同年日本首届机器人学术会议召开。

1970年，第一届国际工业机器人学术会议在美国召开，随后机器人研究发展较快。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它依靠液压驱动，能提起45公斤重的物体。

1980年，工业机器人在日本普及，这一年被称为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本发展迅速，日本因此获得“机器人王国”的称号。

20世纪80年代之后，有思考、决策和行动能力的系统被称为智能机器人。水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人和微小型机器人问世。同时，机器人技术水平（传感技术、智能技术、控制技术）提高，出现多种“机器人化机器”。

近年来，信息技术的发展使软件机器人、网络机器人诞生，机器人概念继续拓展。自1954 年美国戴沃尔最早提出了机器人的概念以来，机器人就得以不断地发展。概括起来，机器人的发展历程为3 代：

第 1 代：示教再现型机器人，但不具备反馈能力。如郭勇等人[1]研制的挖掘机手柄自动操作机构，该机构结构简单，能够实现动作示教再现。

第 2 代：有感觉的机器人，不仅具有内部传感器，而且具有外部传感器，能获得外部环境信息。如P.lLiljeb.ck 等人研制的蛇形机器人就装有内部测转速的传感器，以及外部测力的传感器，该机器人能够在不规则环境中具有一定的运动能力。

第 3 代：智能机器人。定义为“可自动控制的装置，能理解指示命令，感知环境，识别对象，规划自身操作程序来完成任务”。如John V annoy 等人采用实时可适应性的运动规划（RAMP）算法的PUMA560 机械臂，它能在复杂动态环境中自动识别来自不同方向的移动或静止的障碍物，主动规划路径，进而完成预定任务。

2. 国外机器人的研究现状

2.1 仿生机器人与新型机构

对人的研究，国外侧重于对人行走时的步态分析，通过对人脚形状的分析，得出具有圆形截面的脚趾和脚后跟以及具有扁平截面的连接脚趾和脚后跟的中间部分具有最佳的动力学性能。对人形机器人步态规划问题，Xia Zeyang 等人提出了一种基于样品的决定性的脚步规划方法，该方法综合考虑了自身独特的运动能力和稳定性。对于在不同类型障碍的复杂环境中脚步规划，Y asar Ayaz 采用与人走近障碍物时绕过的方法，通过脚步实时的生成成功避开障碍物。此外，对于双足步行机器人的复杂地面运动的研究也有新的进展，研究出一种新型的双足机构，能实现不平区域稳定地行走，该足由4 个分别带光学传感器的鞋钉组成，总重1.5 kg。对动物的研究则表现为对诸如蛇、鱼的结构以及运动性能的研究。仿蛇机器人不仅可以作为管道检测装置，也可以作为地震或矿难探索装置，更可以当作极地探测器来进行科研活动。Shigeo 和HiroyaY amada 就将仿蛇机器人的机械结构分为 5 种类型：活动的弯曲关节式；活动的弯曲和拉伸关节式；活动的弯曲关节和活动的车轮式；被动弯曲关节和活动车轮式；活动的弯曲关节和履带式。Aksel Andreas Transeth 等采用摩擦力模型方法建立了一蛇形机器人模型，该机器人能与包括地面的障碍物以外的物体接触，对地震或矿区救援很有帮助。Kristin Y.Pettersen 等人对蛇形机器人在存在障碍物环境中运动进行了复合建模，仿真结构证明该模型能实现不规则环境中的一般运动。但蛇形机器人目前要真正达到在复杂环境中畅通无阻地运动，还有待进一步研究。对海洋的开发，相对于其它的水下自动化装置，仿生鱼具有更好的推进力和流体适应性。其研究主要体现在结构和运动特性上。JunGao 和K.H.Low 等人对胸鳍驱动和尾鳍驱动鱼形机器人进行了分析，讨论了鱼结构和运动各参数的关系。Y u Zhong 等人对由阀体与尾鳍构成的机器人鱼的运动性能进行了研究，采用量纲分析方法，建立了一种能预测运动的机器鱼模型。Giuseppe Tortora 等人设计了类水母微型机器人，它由磁体驱动自身的运动,具有较好的运动性能。但机器鱼在结构仿生度、性能如直线游泳与拐弯半径等方面还有待进一步的研究。此外，Kazuya Kobayashi 等人对用于抓掐、旋转细小物体的手指尖进行了设计和分析，并进行了抓取USB 插头的实验，验证了该设计的可行性，但其抓取策略还有待进一步的优化。Jian S.Dai 等人第一次提出了可变构手掌，并设计了多指可变构手Metahand,该手可折叠也可展开，具有相当高的灵活性。