浅谈机器人技术和应用
浅析机器人技术及其应用
摘要：机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域，也是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人技术有着重要的理论意义和应用价值，它具有多学科融合和多技术集成的特点，涉及众多学科领域的尖端技术，它的发展将极大地促进机械结构理论的发展，其发展水平能够反映出一个国家或地区信息与自动化技术的综合实力。
关键字：机器人技术；机器人系统；发展历程；应用特征
随着科学技术的不断发展，人类社会开始进入到智能时代，社会的发展对智能技术也不断地提出了新的需求，机器人技术作为新兴的智能科学技术，是现代研究领域较为活跃的一个发展方向，其涉及柔性加工系统、计算机集成制造系统、柔性自动化和自动工厂等领域。机器人技术作为21世纪最先进的技术之一，它的的发展势必给人类的生产生活带来新的变革。
1.机器人的概念
机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技实力和发展水平的重要标志。先进的机器人技术不仅是国家工业关键装备的重要支撑技术，也是国家空间计划、国防装备以及与社会安全紧密相关的反恐防爆装备的核心技术之一，同时还是国家发展高技术服务业等新经济增长点的关键技术。通过研发机器人技术，可以提升我国科技竞争力，改善人民生活水平。 机器人是具有感知、思维和行动的机器人，可获取、处理和识别多种信息，自主完成较为复杂的操作任务。智能机器人技术是一个交叉的学科，在计算机技术和人工智能科学发展的基础上产生，作为新一代生产和服务的技术，在制造和非制造领域都具有广泛、重要的应用。
美国机器人协会对机器人的定义如下：一种用于移动各种材料、零件、工具和专用装置的、用可重复编制的程序动作来执行各种任务的多功能操作机。日本工业机器人协会对机器人的定义如下：一种带有储存器件的末端执行器的通用机械，它能够通过自动
化的动作代替人类劳动。中国原机械工业部
对机器人的定义如下：工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，它能搬运材料零件或夹持工具，用以完成各种作业。虽然现在没有一个严格而准确的普遍接受的机器人定义，但从中可以看出机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
2.机器人系统的组成及功用
机器人系统一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。
执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。
检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类
是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。
控制系统有两种方式：一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
3.机器人技术的发展历程
机器人这一名词的出现，只是近代的事情，但关于机器人这一思想的渊源，却可以追溯到遥远的古代。在古希腊、古代中国和古代日本的历史文献中，都有自动玩偶和自动作业机的记载，记录了古人设计自动机械替代人工劳动或从事娱乐的实践活动。
现代机器人的出现是20世纪中期的事情。从20世纪60年代后期开始，搬运、喷涂、弧焊机器人相继在生产中得到应用，并且出现了有加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元。
从20世纪70年代开始，机器人技术的研究重点被放在对外部传感器和控制方法的研究上。1973年，博尔.斯大林.保罗在斯坦福大学的研究中，给机器人设计了视觉和力反馈系统，并用PDP-10计算机进行控制，这种被称之为“斯坦福”的机械手被用作水泵的装配线上，并且取得了成功。1975年，
IBM公司研制成功一种带有触觉和力觉传
感器的机械手，用于打字机的装配作业。1974年，德雷珀实验室的内文思等人研究了基于依从性的传感技术，这项研究发展成为后来的RCC，即被动柔顺或叫间接中心柔顺，它被安装在机器人的最后一个关节上，用于装配紧配合装置。在70年代后期，Unimation公司推出了PUMA型系列机器人，这是一种各关节由伺服电机驱动的多关节型两级CPU控制、使用专门的机器人语言的机器人系列，其中的部分产品配有机器人视觉和力觉系统。
20世纪80年代和90年代，在着重解决机器人感觉的同时，人机接口和机器人与环境的交互接口方面也有了较大的进步。更为重要的是，随着计算机技术和人工智能技术的发展，让机器人模仿人进行逻辑推理的研究也如火如余的发展起来，出现了所谓的第三代机器人，即智能机器人。
从机器人的推广角度来看，机器人的发展大致经历了技术发展和探索的“起步”阶段，在技术有所突破之后的“推广”应用阶段和被产业界接受之后的“普及”阶段，只不过因为各个国家的情况不同，机器人发展过程中这三个阶段的时间先后和各阶段时间的长短并不一样。
从技术上说，机器人的发展也经历了三个阶段，形成了通常所说的三代机器人，第一代机器人是示教再现型机器人，能在人的“示教”和编程下从事简单的重复劳动。第二代是有感觉的机器人，包括力觉、触觉、视觉、接近觉等，能够根据不同的作业任务适应作业需要。第三代时智能机器人，是以感觉为基础，以人工智能为特征，具有逻辑判断和局部自主功能的机器人。其中第一代和第二代机器人，已经得到广泛应用。在产业领域应用的机器人，大都是第一代或第二代机器人，第三代机器人还处于发展之中。
4.机器人技术的应用特征
机器人技术有着重要的理论意义和应用价值。在理论上，机器人技术具有多学科融合和多技术集成的特点，涉及众多学科领域的尖端技术，如平衡控制设计、智能避障设计等，这造成了其复杂性，令智能机器人
感知技术、通信技术、机械结构的研究都是一种挑战，促使特征提取算法、识别算法、路径规划算法朝着智能化的方向发展，促进模式识别理论的发展：另外，机器人是否实现智能化与机器人本身的结构也有很大的关系，要使其能完全智能化地完成任务，除了要有智能化算法还要有灵活的机构，因此智能机器人技术的发展将极大地促进机械结构理论的发展，其发展水平能够反映出一个国家或地区信息与自动化技术的综合实力。
机器人技术在实际生活中有着具大的应用价值。近年来各个行业的加速发展部对工业机器人提出了新的要求，带动工业机器人不断向智能化发展，机器人的智能化令工业领域效率提升的例子屡见不鲜。例如，传统的高速传送机器人识别物体存在障碍，导致实现自动化的进程比较缓慢。采用了视觉传感器和跟踪系统组合起来的新型智能化传送机器人，具备了视觉跟踪功能，能够进一步提高机器人的传送效率。
机器人技术除了在工业领域有广泛的应用外，在医疗和家庭服务行业也有着广泛的应用和新的需求。老龄化社会和残疾人服务对智能服务机器人有极大的市场需求。目前我国60岁以上人口己超过总人口的10％，预计到2015年全国老年入口总数将达
到2亿人，人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑战；此外，我国残疾人
占总人口的比重位居全世界较高国家之列。而智能机器人的发展将会提供诸如取物、康复训练等服务，将减少整个社会对护理人员数量和质量的需求。如今，达芬奇医疗机器人已经实现了临床上的应用，给患者带来了福音，也帮助医生提高了手术的效率和质量。智能机器人技术的发展为医疗事业的发展和变革带来了新的希望。 与此同时，特种探险救灾智能机器人也给人类带来了巨大的帮助，以前特殊环境下或及其危险的环境下，人类是无法进行了解或救灾的，现在随着智能机器人技术的发展，去这种特殊环境下作业成为了可能，为人类探索未知领域打开了一扇窗。多机器人系统的智能化研究将有助于实现机器人群真正实现群体间自主协调工作，实现机器人群自主大规模侦察巡逻、抢险救灾和复杂场景的服务等任务。而且机器人可以代替人们在有辐射、粉尘、毒气、高温等极限、危险、特殊环境下进行作业。
参考文献
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