机电一体化概论4000字

机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化，尤其在当今的工业制造中，机器人学已取得了最伟大的成功[1]。进入二十一世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。一方面随着各个国家老龄化越来越严重，更多的老人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫，老龄化的家庭结构必然使更多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场。另一方面服务机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业, 使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识不同。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作[3]，即除了手术机器人、诊断机器人、护理机器人、康复机器人等医用机器人外，也包括各种家用机器人、娱乐机器人、体育机器人、玩具机器人、导游机器人、保安机器人、排险机器人、清洁机器人、秘书机器人、建筑机器人、邮拾和送信机器人以及加油机器人等。随着开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降，服务机器人将广泛进入医院、家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆，直接与人类共处，为人类排忧解难

中国机器人专家、工程院院士徐扬生教授说：“只要10年时间，机器人将在世界范围内，普及到每个人的日常生活之中。这将是一个巨大的市场，预计将比现在的汽车市场还要大。”②韩国科学家预测：到2015年至2020年，每个韩国家庭将拥有一个机器人。③日本专家估计：到2020年日本将有25%的人口年龄超过65岁，护理型机器人将供不应求。④德国科学家预计：将在未来的几十年间，家庭生活中将出现的最大变化就是机器人的普及，家庭服务机器人将在日常家庭生活中扮演越来越重要的角色，承担越来越多的工作从二十世纪八十年代中期开始，机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境—医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人，特别是最近几年，对会清洁地面、割草或充当导游、保姆和警卫等自主移动机器人技术上的进步，大家都有目共睹日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前机器人产业面临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施，日本机器人工业之所以领先世界，一方面和他们的机器人文化也有关，在日本，有一种“让机器人成为人”的氛围，在日本，由于人口不多，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承担劳力的工作，因此培养起浓厚的机器人文化；另一方面，日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业，所以投入大量资金，为了攻克更关键的服务机器人技术，日本在2006 年至2010 年间，每年投入1000 万美元用于研发服务机器人。

韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的10大“发动机”产业，他们已经把服务型机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重发展，对机器人技术给予了重点扶持，通过不断地努力，韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人的世界潮流。韩国信息通信部官员表示，虽然韩国的机器人技术起步比美国、日本和欧洲的竞争者要晚，但是有望在未来5～10年内迎头赶上

美国是机器人的发源地，尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是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。例如：专治中风的机器人医生将在密歇根州圣约瑟夫默西奥克兰医院率先上岗，这种机器人头部是一个显示屏，能显示网络另一端医生的形象和声音，显示屏上方安装了一个摄像头，可以把医院现场的图像和声音传回给医生，有了这种机器人，医生在

任何地方只要利用一台笔记本电脑和互联网，就可以远程遥控机器人为病人提供治疗服务。

德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的,因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路,即对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动，这个计划推动了服务机器人技术的发展。德国经过近十年的努力，其服务机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位：新一代机器人保姆“Care-O-Bot3”遍布全身的不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头，让它既能识别生活用品也能避免误伤主人；它还具有声控或手势控制有自我学习能力，还能听懂语音命令和看懂手势命令。

法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平，这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，大力支持服务机器人研究计划，并且建立起一个完整的科学技术体系，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。这款名为“NAO”的两台双足智能机器人，是法国阿德巴兰机器人公司研制的，它具有讨人喜欢的外形、温柔的语音和25个灵活的关节,能执行多种动作指令。

俄罗斯由于没有国家发展服务机器人的统一规划，有限的国家订货和市场需求使得俄罗斯机器人技术的发展以科研和实验为主，以储备技术，便于随时根据市场需要制造出高质量的机器人，当前俄罗斯机器人的技术面临的问题是机器人技术的智能化程度较低，需要不断地增加功能、完善技术和提高质量。今后，俄罗斯将重点发展检查类机器人和室内外清扫和清洁机器人 [8]。近几年来，俄罗斯服务机器人技术上也取得可喜的成绩：俄罗斯首次研制的人形机器人“阿涅亚”利用了“新纪元”公司许多独特的研究，这款机器人机械结构和程序保障系统十分先进，它们能用双脚行走，能与人对话。

服务机器人技术在本质上与所有其它类型的机器人是相似的,其主要技术包括:

2.1 环境感知传感器和信号处理方法

多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述。

2.2 智能控制

智能控制主要包括模糊控制、神经网络、进化计算等，且逐渐成为成熟的控制思想。

2.3 导航与定位

在服务机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。是把人工神经网络控制和多传感器融合技术相结合用于服务机器人的导航定位系统

2.4 路径规划

路径规划就是指在服务机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法：①传统路径规划方法主要有以下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法，在这几种方法中，人工势场法是传统算法中较成熟且高效的规划方法，它通过环境势场模型进行路径规划，但是没有考察路径是否最优。②智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中，来提高机器人路径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的需要。其中应用较多的算法主要有模糊方法、神经网络、遗传算法、Q学习及混合算法等，这些方法在障碍物环境已知或未知情况下均已取得一定的研究成果。把模糊控制和人工神经网络控制相融合，形成的模糊神经网络控制用于服务机器人的避障，以BP网络作为机体，以基于模糊规则的模糊神经网络，采用CCD摄像机和多个超声波测距传感器，对服务机器