机器人技术发展与对策剖析

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1、机器人技术,发展与对策,1,2,英国大学研制的气囊驱动拟人机器人,美国大学研制的电传动拟人机器人,3,日本研制的拟人机器人,4,拟人移动机器人录影播放,5,军用机器人 （1）随着武器系统的不断发展,士兵在战场上的生存条件越来越差。为了保护士兵的生命,无人作战系统的应用越来越广泛。 （2）军用无人作战系统按不同的应用空间分为水下机器人系统、地面机器人系统、无人机(空中机器人)和空间机器人系统。 （3）其中无人机发展最快,已得到广泛的应用。在北约对南联盟的空袭过程中就曾大量使用了无人机,其中有多驾被击落。 （4）微型无人机是90年代中期出现的一个新生事物,由于微型无人机在战场侦察、生化探测等诸多方

2、面有着巨大的应用潜力,所以发展特别快。现在微型无人机还处于研究阶段,其飞行方式,有像飞机一样采用固定翼的,有像昆虫一样采用扑翼的,也有像直升飞机一样采用旋翼的。微型飞机遇到的主要困难有动力问题、空气动力学问题、通讯与控制问题、侦察传感器问题等。 （5）地面军用机器人很多人认为是很遥远的事情,对现在的战争影响不大,其实不然,美国从19992005财年计划投入4.586亿美元,2005年以前将有一大批遥控及半自主地面军用机器人装备美国陆海空三军。,6,扫雷轮式移动军用机器人,无人移动侦察车,7,微型无人飞行机器人,小型无人飞行机器人,8,*水下机器人和空间机器人 （1）现在的水下机器人已能下潜到世

3、界上最深的海底,空间机器人索杰纳也已成功地登上了火星。 （2）国家高技术研究发展计划(863计划)支持研制的6000m自治水下机器人于1997年圆满完成了太平洋洋底调查任务,获得了大量数据和资料，表明了我国已掌握水下机器人技术，探测应用的实用阶段,海底作业型机器人如探测、取物、救险、埋缆正在研制之中。,9,水下机器人-水下移动潜水器,10,Rocky 7 (美国喷气动力实验室)。采用六轮独立悬挂系统，前后独立转向机构。其简化型号“索杰纳”曾于1997年4月成功登陆火星,11,MARSOKHOD月球探测车 (俄罗斯),LUNOKHOD月球探测车 (俄罗斯),12,空间机器人-月球车录象放映,13

4、,* 服务机器人 （1）目前在非制造领域中已开发出多种实用化的服务机器人,如在农业中的收获机器人、嫁接机器人、除草 机器人,在建筑业中的钢构架焊接、涂覆、检查、测量机器人,在电力工业中的检查、清扫、除污、高空高压作业机器人,在石油、煤气行业中的管道和贮罐的检查、修补机器人,等等。 （2）服务机器人与人们生活密切相关,服务机器人的应用将不断改善人们的生活质量,这也正是人们所追求的目标。一旦服务机器人和其它机电产品一样被人们接受,走进千家万户,其市场将不可限量。 （3）由机器人主刀的外科手术也已成为现实。现在世界各国都在积极研制各种用途的服务机器人:智能轮椅、机器人病房、移动病人等助老助残机器人,

5、火灾侦察、人员营救、灭火等消防机器人,高楼清洗、飞机清洗等保洁机器人,等等。,14,电缆操作机器人,农用采摘机器人,15,娱乐服务机器人录象放映,16,机器人狗录象放映,17,* 微型机器人 （1）微型机器人技术是正在兴起的机器人新领域,包括微机械及其基础材料、微电子、微驱动与控制技术、微测量技术、微传感器、微能源、微系统设计等。 (2) 微小型机器人在民用、军用、科学实验中将大有用武之地。尽管其实用化还在研究之中,但已显现出远大前程。微小型机器人技术将会对机器人引发一场革命,并将对社会各方面产生重大影响。,18,*机器人化机器 （1）基于机器人技术的发展和现实生产与产品的需求,机器人技术不断

6、向新的领域渗透,并形成和有望形成机器人新产品,如在工程机械中的无人驾驶振动压路机、沥青摊铺机、混凝土搅拌机(站);地下工程机械中的喷浆机器人、凿岩机器人、盾构机器人。 （2）把传统的机器人技术与不断发展的现代科学技术及千变万化的市场需求相结合,使机器人进入更广阔的天地,无疑对机器人的发展具有十分重要的意义。,19,*机器人足球 （1）机器人足球是一个新生事物。现在的机器人足球无论从外形还是功能,离人们的期望值还很远,有时甚至感觉机器人还很笨。由于机器人技术方面的限制,机器人还没有真正意义上的腿,所谓的踢足球实际上是用身子“推”球。 （2）现在的机器人足球比赛主要有两个分支,一个是韩国的微机器人

7、世界杯MiroSot,一个是日本的机器人世界杯RoboCup。我国国内的机器人足球也有了自己的队伍,并于1999年11月举行首届中国机器人足球锦标赛。,20,机器人足球比赛录象放映,21,3.3 机器人涉及的理论和技术 1）机器人的理论和技术 基础理论 （1）机器人运动学和动力学，运动学分析、动力学建模、运动规划等。 （2）机器人设计理论，机器人机构分析和综合、机器人结构设计优化、机器人关键器件设计、机器人仿真等。 （3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造等 （4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和

8、交互。 （5）机器人操作和移动理论，机器人装配理论、机器人移动理论、足式机器人步态理论等。 （6）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法。,22,*机器人主要技术 机器人技术包括：机器人制造技术、操作和执行技术、驱动和控制技术、检测和感知技术、机器人智能技术、实验和评价技术、人机交互和融合技术、通讯技术、机器人的能源和通讯技术、技术规范和标准等。 2）机器人研究涉及的学科和技术 机器人是一个多学科和技术交叉和结合的综合高技术领域。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。 智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、测试技术、制造技

9、术、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。,23,3.4 中国的机器人研究和应用 1）研究成果 我国的机器人研究始于70年代，经过“七五”攻关、“863”计划,掌握了第一代示教再现型机器人技术，完成了许多基础研究工作。 已研制出各种工业机器人，用于喷漆、焊接、装卸料、装配等作业，已有数百台次投入工业应用。 近十年来，在第二代(遥控)机器人和第三代(智能)机器人的研究领域也获得发展,使机器人的应用研究开始扩展到各种非制造领域,如核工业、石油化工、水下工程、地下管道等。 清华大学精仪系制造工程研究所、机械系、自动化系和计算机系等单位在装配

10、机器人、步行机器人、机器人化机器、微操作机器人、生物基因组装机器人、医疗康复机器人、焊接机器人、机器人仿生学、机器人智能和控制、机器人视觉等研究上已取得国内领先，甚至国际先进的研究成果，并正在继续深入开展先进机器人技术的研究。,24,清华制造所研制的国内第一台机器人化机器-虚拟轴机床,25,清华制造所研制的履带式机器人,清华制造所研制的四足全方位步行机器人,26,清华制造所研制的双三足步行机器人,清华制造所研制的五足步行机器人,27,清华制造所研制的排水管道清淤机器人,28,清华制造所研制的生物芯片基因探针分配机器人系统,29,清华制造所研制的六自由度高精度微动机器人,30,清华正在研制的拟人

11、机器人,31,2）存在的问题和差距 工业机器人的产业化研究和开发不力，基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因,未能形成真正的产品，机器人产业化和应用水平已极大的落后于世界先进国家。 “九五”期间我国在先进机器人的基础和技术研究方面的投入削减，各项研究工作速度减慢，与世界水平的差距正在加大。,32,四、未来展望,4.1 技术发展 1）21世纪的技术热点和特征 机器人已在工业领域得到了广泛的应用,而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑,21世纪机器人技术必将得到更大的发展,成为各国必争之知识经济制高点和研究热点 未来技术发展特点：许多国家都已将

12、机器人技术列入高技术发展计划。当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点:一个是在横向上,机器人的应用领域在不断扩大,机器人的种类日趋增多;另一个是在纵向上,机器人的性能不断提高,并逐步向智能化方向发展。,33,技术纵向上的发展特征： 提高机器人的智能化、机动性、可靠和安全性、以及与人类环境的完美的融入性。追求的主要目标是“融入人类的生活，和人类一起协同工作。从事一些人类无法从事的工作，以更大的灵活性给人类社会带来更多的价值”。,34,2）机器人技术发展方向 智能机器人的发展 （1）具有感知功能的机器人和具有自主功能的智能机器人技术将迅速发展，计算机的小型化与智能化、传感器系统的集成化与智能

13、化将促使智能机器人的发展。 （2）在21世纪,各种智能机器人将得到广泛应用。具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人将被研制成功,并得到应用。,35,微型机器人发展 （1）将登上历史舞台微型机器人的发展还面临着许多技术上的难题,但是MEMS技术、LIGA技术和微细加工技术的进步将使各种微型机器人走向应用。 （2）微型机器人将会首先在医疗、军事、环境、空间等科技领域得到应用。 新型机器人关键器件技术的发展 目前,机器人技术的发展尚存在许多待解决的瓶颈问题，如驱动器、能源和控制器。从仿生学角度看,21世纪将出现与人体执行、感知和大脑类似的新的机器人器件和系统。,3

14、6,专项技术的发展 （1）到21世纪,机器人的种类将大量增加，机器人种类的多样性和机器人应用的广泛性,要求机器人系统逐渐走向标准化、模块化、开放化和网络化。 （2）网络机器人技术，通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。 （3）虚拟机器人技术，许多特种机器人在使用时,遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实(或临场感)的虚拟遥控操作和人机交互,将成为需要共同发展的一项技术。 （4）多智能体协调控制技术，用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控

15、制是一个具有挑战性的关键技术,这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。 (5)软机器人技术 许多特种机器人,特别是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时,经常处于与人共存的环境中。现在的大多数机器人,由于在设计时未考虑与人共存,用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用的传感器,在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“软”的,增强人对机器人的安全感和亲近感。,37,4.2 应用前景 在未来的100年中,科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。机器人将成为人类多才多艺和聪明伶俐的“伙伴”,更加广泛地参与人类各方面的生产活动

16、和社会生活。 1）机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业 它将从目前已广泛地用的汽车、机械制造、电子工业及塑料制品等生产领域扩展到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，进而应用在非工业领域中,如在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面。 机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来,从而有更多的时间去学习、研究和创造。,38,2）机器人将成为人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具 将人送入太空进行宇宙探索非常危险和昂贵，机器人将代替人从事空间作业和太空探索。目前，航天飞机已经将舱外作业机器人带入太空进行太空作业，火星探测车已被送到火星表面上,并成功地完成了预定的探测任务。 水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题，水下和地下机器人将解决这个问题，被用于海底和地底的探索与开发、海洋和地下资源的利用、水下作业与救生等。水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题,39,3）机器人将在未来战争中发挥重要作用 军用机器人可