机器人技术的发展与展望

机器人技术的发展与展望豆浩斌，常充利（南开大学信息学院智能科学与技术专业）摘要：简要回顾了机器人技术的发展历程，介绍了当今世界机器人技术的前沿。并预测了今后机器人技术的发展趋势及发展策略。关键词：机器人，机器人技术，发展机器人技术概述机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认知科学等众多学科领域，是当代昀具代表性的光机电一体化技术之一。经过40多年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航天航空、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用，21世纪将是一个更为广泛的开发和应用机器人技术的时代。计算机技术的不断进步和发展是机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空舱、宇宙飞船，下至微机器人、深海开发，机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展，科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用。机器人的由来与发展1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中昀早使用机器人一词，英文名称是robot，该剧被视为机器人一词的起源。虽然机器人一词出现很晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点和具有模拟动物特征的机器人雏形。如西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出了能歌善舞的伶人，这是我国昀早的具有机器人概念的文字记载。春秋后期，鲁班曾制造了一只木鸟，“三日而不下”。东汉时代的张衡发明了地动仪、计里车以及指南车，这些都是具有机器人构想的装置。还有三国时的诸葛亮曾成功制作了木牛流马，用来搬运粮草。以上都是我国古代比较典型的关于机器人构想的例子。后来各个时期，在国外也都出现了许多雏形机器人。进入20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心和关注。1948年诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1956年在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上昀早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1968年，美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年，英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年，丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年，日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年，丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量昀大、昀商业化的家用机器人。2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。目前，对全球机器人技术发展昀有影响力的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先水平，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。表1是全球范围内近几年机器人在各个地区的安装量和运行总量的统计，通过这些数据可以看出日本、美国和欧盟在此方面遥遥领先于其他地区和国家，而日本在数量上明显有很大的优势我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末，80年代初开始。20世纪90年代中期，6000米以下深水作业机器人试验成功，以后的近10年中，在步行机器人，精密装配机器人，多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。当今机器人技术正逐渐向着具有行走能力，多种感觉能力以及对作业环境的较强自适应能力的方向发展。机器人的定义机器人现在虽然已经被广泛应用，且越来越受到人们的重视，而机器人这一名词还没有一个统一、严格、准确地定义。一般地说，可以定义机器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人进行工作的机器。机器人的分类按开发内容与应用机器人可分为三大类：一、工业机器人，工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业生产中的某些作业。目前应用昀多的工业机器人主要有焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人、搬运机器人等。二、操纵性机器人，主要用于非工业生产的各种作业，又可分为服务机器人与特种作业机器人等。服务型机器人通常是可移动的，在多数情况下，可由一个移动平台构成，平台上装有一只或几只手臂，代替或协助人类完成为人类提供服务和安全保障的各种工作，如清洁、护理、娱乐和执勤等。特种作业机器人如水下机器人、墙壁清洗机器人、爬缆索机器人以及管内移动机器人等。这些机器人都是根据某种特殊目的涉及的特种作业机器人，为帮助人类完成一些高强度、高危险或无法完成的工作提供了很大方便。三、智能机器人，发展方向大致有两种，一种是类人型智能机器人，这是人类梦想的机器人；另一种是外形并不像人，但具有机器智能。机器人指挥礼仪机器人汽车装配机器人搬运机器人机器人实例介绍：目前，机器人技术在仿人形方面，微操作方面，以及娱乐和机器化方面都有重大突破，取得了一系列辉煌成果。下面是一些实例：什么是仿人形机器人2000年11月29日，中央电视台《新闻联播》报道：我国首台类人型机器人研制成功。大多数的机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模样，这一点使很多机器人爱好者大失所望，很多人问为什么科学家不研制像人一样的机器人呢？其实，科学家和爱好者的心情是一样的，一直致力于研制出有人类外观特征、可模拟人类行走与其基本操作功能的机器人。由于仿人型机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志，因此，世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美、英等国都在研制仿人形机器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的进展。日本本田公司于1997年10月推出了仿人形机器人P3，美国麻省理工学院研制出了仿人形机器人科戈（COG），德国和澳洲共同研制出了装有52个汽缸，身高2米、体重150公斤的大型机器人。本田公司昀新开发的新型机器人“阿西莫”，身高120厘米，体重43公斤，它的走路方式更加接近人。我国也在这方面作了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学研制出了双足步行机器人，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学研制出了多指灵巧手等。日本的仿人形机器人本田公司是日本主要生产跑车和轿车的公司之一。本田公司投入巨资，经过10多年的开发，终于研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人──P3。P3通过它的身体的重力感应器和脚底的触觉传感器把地面的状况送回电脑，电脑则根据路面情况作出判断，进而平衡身体，稳定地前后左右行走。它不仅能走平路，还可以走台阶和倾斜的路。它站立稳定，推不倒，脚底不平能保持身体的直立姿态。本田公司机器人P31997年中国国务院总理李鹏前往日本本田公司总部参观时，机器人P3接待了李鹏总理。当李鹏总理一行抵达表演大厅时，一个身着宇宙服像宇航员一样的机器人从投影电视的屏幕后面走了出来，其走路的样子酷似顽童学步，步子虽然不快，但坚实有力。它走到大厅当中面对李鹏总理站好，伸出右手作欢迎状。并用汉语自我介绍：“我是机器人P3，热烈欢迎李鹏总理和夫人光临，请允许我与您握手”。机器人握住李鹏总理的手，连续摇动三次，然后摆好姿势供久候在那里的记者拍照。接着P3请出本田公司社长川本正彦等人。他们通过投影电视屏幕，向中国客人介绍了本田研制机器人的发展历史和技术特点。川本社长的声音刚落，P3又说：“我有些紧张，请允许我暂时休息一下，接下来请我的二哥继续表演”。说罢转身，沿原路退回。据介绍，本田公司按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，长的笨头笨脑，但动起来与灵活的“小三”相比毫不逊色。P2表演了上台阶这一高难动作，它走的极为平稳，一步一个台阶，令人赞叹不已。随后P2又表演了用扳手拧螺丝。P2机器人退场后，P3机器人出场与贵宾挥手告别：“表演到此结束，再次感谢李鹏总理的光临！”本田公司昀近又推出一种新型智能机器人“阿西莫”（ASIMO）。与1977年诞生的P3本田公司机器人P2相比，它具有体型小、质量轻、动作紧凑轻柔的特点。阿西莫身高120cm，体重43公斤，更适合于家庭操作和自然行走。本田公司总裁吉野浩行在产品发布会上说：“将来我们还会使机器人具有更好的视觉、听觉等识别能力，提高它们的自主性。”他还说：“如果通过卫星网络来控制，它就是另外一个‘你’，可以使用者的身份做许多事情。”我国的仿人形机器人研究我国在仿人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人，上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科