机器人概论论文
机器人发展史
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机器人分类
机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。
古代机器人
国内 古代机器人是古代社会的科学家、发明家研制出的自动机械物体,
是现代机器人的鼻祖。机器人一词虽出现得较晚,然这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是人类社会机器人技术研究者的梦想,代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来,就有不少杰出科学家、发明家和能工巧匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。
唐代的机器人还用于生产实践。唐朝的柳州史王据,研制了一个类似水獭的机器人。它能沉在河湖的水中,捉到鱼以后,它的脑袋就露出水面。它为什么能捉鱼呢?如果在这个机器人的口中放上鱼饵,并安有发动的部件,用石头缒着它就能沉入水中了。当鱼吃了鱼饵之后,这个部件就发动了,石头就从它的口中掉到水中,当它的口合起来时,它衔在口中的鱼就跑不了啦,它就从水中浮到水面。这是世界上最早用于生产的机器人。 此外,在《拾遗录》等书中,还记载了古代机器人登台演戏、执灯伴瞎等机巧神妙。
春秋后期,中国著名的木匠鲁班,在机械方面也是一位发明家,据《墨经》记载,他曾制造过一只木鸟,能在空中飞行“三日不下”,体现了中国劳动人民的聪明智慧。
1800年前的汉代,大科学家张衡不仅发明了地动仪,而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里,车上木人击鼓一下,每行十里击钟一下。
国外
公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人—自动机。它是以空气、水和蒸汽压力为动力的会动的雕像,它可以自己开门,还可以借助蒸汽唱歌。
1662年,日本的竹田近江利用钟表技术发明厂自动机器玩偶,并在大阪的道顿掘演出。
日本古代机器人
工业机器人时期
工业机器人是应用于制造环境下以提高生产率的一种工具。它的历史并不算长,直到1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人,机器人的历史才真正拉开了帷幕。
二十世纪50、60年代,随着机构理论和伺服理论的发展,机器人进入了使用化阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利;1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人,可作点位和轨迹控制,这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。
英格伯格在大学攻读一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的伺服理论。德沃尔曾于1946年发明了一种系统,可以“重演”所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利,这种机械手臂按程序进行工作,可以根据不同的工作需要编制不同的程序,因此具有通用性和灵活性,英格伯格和德沃尔都在研究机器人,认为汽车工业最适于用机器人干活,因为是用重型机器进行工作,生产过程较为固定。1959年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。
工业机器人可用于承担常规的、冗长乏味的装配线工作,或执行那些对工人也许有危害的工作。例如,在第一代工业机器人中,曾有一台被用于更换核电厂的核燃料棒。从事这项工作的工人可能会暴露在有害量的放射线下。工业机器人也能够在装配线上操作——安装小型元件,例如将电子元件安装在线路板上。为此,工人可以从这种冗长乏味任务的常规操作中解放出来。通过编程的机器人还能去掉炸弹的雷管、为残疾者服务以及在我们社会的众多应用中发挥作用。 智能机器人技术的形成与发展时期
智能机器人是人工智能的综合成果,它是在扩大计算机的功能和研究人工智能的实验床的基础上形成和发展起来的。1958年,美国人工智能学者Shanonn和Minsky为使计算机更有用,提出给计算机装上手的想法。1961年麻省理工学院(MIT)林肯实验室的H.A.ERNST把AMF公司处理放射线物质的伺服操作器和MIT的Tx-0计算机连接起来,研制出具有感觉,由计算机控制的MH-1型智能机器人。它凭触觉判断积木的形状,并把散放的积木进行组装。同时,L.G.Robons开展了给计算机装上眼的研究,即以电视摄象机作为与计算机的接口,进行物体识别研究。1963年,他又发展了齐次坐标变换法,用于决定机械手的位置和方向,提出机器人位置控制方法。1967年,综合上述成果出现了装有电视摄象机,由计算机控制的智能机器人。这种机器人通过电视摄像机确定物体的位置,用齐次坐标变换的数学方法计算出各关节的转角和手臂的位置。随后美国斯坦福大学研制出能进行行动规划的眼-车系统;MIT研制出手-眼系统;英国爱丁堡大学研制出手-眼结合的智能机器人系统;日本研制出能按识别图形进行积木组装的机器人和带视觉反馈的手-眼系统。
人工智能研究者通过智能机器人实验床把人工智能活现出来,第一次证实了智能机器人可以根据环境和任务目标制定行动规划和进行操作,尤其是它能使用简单的工具 去完成某种任务,这项发现具有非常重要的科学价值。由于智能机器人本身难度较大,耗资多,与实际应用较远,长期以来只有技术驱动,没有形成产品,发展比较 缓慢。而几乎与其同期形成和发展的第一代工业机器人却进展较快。
进入20世纪70年 代之后,研究重点转向智能机器人的单元技术:如计算机视觉、机器人语言、操作器的高级控制、触觉等研究课题。智能机器人基础技术的发展促进了整机性能的提 高,开始了面向自动化的应用研究。智能机器人的主要研制目的是为了解决工业装配、原子能利用、宇宙和海洋开发等领域的需要。由于研究目的明确,针对性强, 实际需要迫切,研制和使用部门结合,资金、人力集中使用,因此研制出了面向自动化应用的各种机器人。如美国麻省理工学院的电动机机器人装配系统以及西屋电 气公司可实现柔性自动装配的电动机机器人装配系统,二者均可进行8种小型电动机的装配;日本研制的各种智能机器人可用于电动机组装、集成电路压焊和印刷电路检查等。另外,特殊条件下工作的特种机器人也已取得实验成果。
到目前为止,在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素:一是感觉要素,用来认识周围环境状态;二是运 动要素,对外界做出反应性动作;三是思考要素,根据感觉要素所得到的信息,思考采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离的非接触型传感器和 能感知力、压觉、触觉的接触型传感器。这些要素实质上就相当于人的眼、鼻、耳等五官,它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传感器、激光器、 导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。对运动要素来说,智能机器人需要有一个无轨道型移动机构,以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼 梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制,这种控制不仅要包 括位置控制,而且还要有力度控制、位置与力度混合控制及伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键,也是应赋予机器人的必备要素。思考要素包 括判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程,而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。
现代机器人
目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下9个方面:
1.工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。
2.机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实用化将成为研究重点。
3.多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法,特别是在
非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。
4.机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。
5.机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有时延的情况下,建立预先显示进行遥控等。
6.虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。
7.多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
8.微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白,因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命,并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
9.软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处,因此其结构材料多为金属或硬性材料,软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机器人对人是友好的。
对智能机器人未来发展的展望
相信进入21世纪,更多先进的技术手段将被应用于智能机器人的研发制造中,而更加智能化,更加全面的机器人也会逐渐地进入我们的视野,渗透我们的生活,为我们的生产生活带来意想不到的便利。我相信,我们的生产生活将会因为他们的加入而变得更加方便快捷,变得更加丰富多彩。
【参考文献】
【1】《机械工程概论》 郭绍义主编
【2】《机器人概论》 李云江主编
【3】 网络