0222-輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
0222-輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),輪式,移動(dòng),挪動(dòng),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)依據(jù)及研究意義:
隨著機(jī)器人技術(shù)在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領(lǐng)域得到日益廣泛的采用,機(jī)器人技術(shù)由室內(nèi)走向室外,由固定、人工的環(huán)境走向移動(dòng)、非人工的環(huán)境。移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。在軍事、危險(xiǎn)操作和服務(wù)業(yè)等許多場(chǎng)合得到應(yīng)用,需要機(jī)器人以無(wú)線方式實(shí)時(shí)接受控制命令,以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動(dòng)。其中輪式機(jī)器人由于具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、活動(dòng)靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型也很多,對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu),都不能進(jìn)行任意的定位和定向,而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以利用車輪所具有的定位和定向功能,實(shí)現(xiàn)可在二維平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車體改變姿態(tài),在某些場(chǎng)合有明顯的優(yōu)越性;如在較狹窄或擁擠的場(chǎng)所工作時(shí),全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外,在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候,全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法取代的獨(dú)特特性,對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要意義,成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)?;谝陨纤?,本文從普遍應(yīng)用出發(fā),設(shè)計(jì)一種帶有機(jī)械手臂的全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)靈活,機(jī)械手臂使之能夠執(zhí)行預(yù)定的操作。本文是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié),能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)
2.1 國(guó)外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制工作,在車輪設(shè)計(jì)制造,機(jī)器人上輪子的配置方案,以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面,進(jìn)行了廣泛的研究,形成了許多具有不同特色的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國(guó)和德國(guó)處于領(lǐng)先地位。八十年代初期,美國(guó)在DARPA的支持下,卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon university,CUM)、斯坦福(Stanford)和麻省理工(Massachusetts Institute of Technology,MIT)等院校開(kāi)展了自主移動(dòng)車輛的研究,NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開(kāi)展了這方面的研究。CMU機(jī)器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機(jī)器人代表了室外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向。德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成VaMoRs-P移動(dòng)機(jī)器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括:4個(gè)小型彩色CCD攝像機(jī),構(gòu)成兩
組主動(dòng)式雙目視覺(jué)系統(tǒng);3個(gè)慣性線性加速度計(jì)和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機(jī)器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾,而且摔倒后可以立即爬起來(lái)。本田公司1997年研制的Honda P3類人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米,工作時(shí)間為25分鐘,最大步行速度為2.0公里/小時(shí)。
國(guó)外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。
麥克納姆輪,如圖 1.1 所示,它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成,
輪子和滾子之間的夾角為 Y,通常夾角 Y 為 45°,每個(gè)輪子具有三個(gè)自由度,第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動(dòng),第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動(dòng),第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng),其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動(dòng)。由三個(gè)或三個(gè)以上的 Mecanum 輪可以構(gòu)成全方位移動(dòng)機(jī)器人。
圖1.2 麥克納姆輪應(yīng)用
正交輪,由兩個(gè)形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架,固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成,如圖 1.3 所示.每個(gè)球形輪子架有2個(gè)自由度,即繞輪子架的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同,由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),兩個(gè)輪子的軸線方向相互垂直,因而稱為正交輪。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所研制的全方位移動(dòng)機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu),如圖1.4。
圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應(yīng)用
球輪由一個(gè)滾動(dòng)球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成,其中支撐滾子固定在車底盤(pán)上,驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上,如圖 1.6 所示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應(yīng)用
偏心萬(wàn)向輪,如圖 1.7 所示,它采用輪盤(pán)上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動(dòng)方式,輪子在滾動(dòng)和換向過(guò)程中同地面的接觸點(diǎn)不變,因而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)使機(jī)器人振動(dòng),同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。
圖1.7偏心萬(wàn)向輪 圖1.8 偏心萬(wàn)向輪的應(yīng)用
2.2 國(guó)內(nèi)全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究工作起步較晚,上世紀(jì)八十年代末,國(guó)家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域自動(dòng)機(jī)器人主題確立立項(xiàng),開(kāi)始了這方面的研究。在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下,由國(guó)防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動(dòng)機(jī)器人7B.8,并于1995年 12月通過(guò)驗(yàn)收。7B.8的車體是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而成,車上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。
上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人,針對(duì)清洗壁面作業(yè)對(duì)機(jī)器人提出的特殊要求,研制了可越障輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)—車輪組機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動(dòng),或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動(dòng)和越障運(yùn)動(dòng)之間轉(zhuǎn)換。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰,孫笛生,劉廣利等人研制的移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人,并對(duì)課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù),如新型全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)、七自由
度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù),最后給出了移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國(guó)榮,張海兵研究一種新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu),這種全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于:這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直,則輪子主動(dòng)的滾動(dòng)和從動(dòng)的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的;輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輪緣上的小滾子也將是純滾動(dòng),如圖1.9。
圖1.9 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖
三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案
本課題從普遍應(yīng)用出發(fā),設(shè)計(jì)一種全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)靈活。本課題是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié),能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。本文研究?jī)?nèi)容主要有:了解和分析已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu),以及分析操作手臂常用的結(jié)構(gòu)和工作原理,對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案,并選擇最佳方案來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的方案對(duì)帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì),包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器人操作臂的設(shè)計(jì)。要求全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動(dòng)靈活,可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn);機(jī)械臂操作范圍廣、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且尺寸小,可以快速、準(zhǔn)確的完成指定工作。設(shè)計(jì)完成后要分析全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能,為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
1.緒論和全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3周
2.機(jī)器人的機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 3周
3.機(jī)械材料的選擇和零件的校核 3周
4.外文資料翻譯(不少于6000字) 1周
5.畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 2周
五.參考文獻(xiàn)
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6
外文翻譯
機(jī)器人
1.機(jī)器人的作用
機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
現(xiàn)在,國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說(shuō)來(lái),人們都可以接受這種說(shuō)法,即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義:“一種可編程和多功能的,用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī);或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。
2.能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
機(jī)器人能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括:智能,指感覺(jué)和感知,包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等;機(jī)能,指變通性、通用性或空間占有性等;物理能,指力、速度、連續(xù)運(yùn)行能力、可靠性、聯(lián)用性、壽命等。因此,可以說(shuō)機(jī)器人是具有生物功能的三維空間坐標(biāo)機(jī)器。
3.機(jī)器人的組成
機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)等組成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體,其臂部一般采用空間開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu),其中的運(yùn)動(dòng)副(轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副)常稱為關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同,機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮,常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部(夾持器或末端執(zhí)行器)和行走部(對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人)等。
驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào),借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào),輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置,如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等,此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。
檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況,根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng),與設(shè)定信息進(jìn)行比較后,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測(cè)裝置的傳感器大致可以分為兩類:一類是內(nèi)部信息傳感器,用于檢測(cè)機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況,如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等,并將所測(cè)得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器,形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器,用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息,以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化,使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化,甚至使機(jī)器人具有某種“感覺(jué)”,向智能化發(fā)展,例如視覺(jué)、聲覺(jué)等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息,利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路,從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。
控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制,即機(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散(級(jí))式控制,即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)器人的控制,如當(dāng)采用上、下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí),主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算,并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息;作為下級(jí)從機(jī),各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU,進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理,實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng),并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同,機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力(力矩)控制。
4.機(jī)器人發(fā)展史
1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說(shuō)《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司》中,根據(jù)Robota(捷克文,原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文,原意為“工人”),創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。
1939年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制,可以行走,會(huì)說(shuō)77個(gè)字,甚至可以抽煙,不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。
1942年 美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造,但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。
1948年 諾伯特·維納出版《控制論》,闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律,率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。
1954年 美國(guó)人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人,并注冊(cè)了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作,因此具有通用性和靈活性。
1956年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上,馬文·明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法:智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問(wèn)題,能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。
1959年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后,成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳,他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。
1962年 美國(guó)AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬(wàn)能搬運(yùn)),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人,并出口到世界各國(guó),掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。
1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器,包括1961年恩斯特采用的觸覺(jué)傳感器,托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器,而麥卡錫1963年則開(kāi)始在機(jī)器人中加入視覺(jué)傳感系統(tǒng),并在1965年,幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器,能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過(guò)聲納系統(tǒng)、光電管等裝置,根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始,美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、“有感覺(jué)”的機(jī)器人,并向人工智能進(jìn)發(fā)。
世界第一臺(tái)智能機(jī)器人Shakey
1968年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺(jué)傳感器,能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人,拉開(kāi)了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。
1969年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人,被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人的技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng),后來(lái)更進(jìn)一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作,就誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。
1978年 美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA,這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate,這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年,他還預(yù)言:“我要讓機(jī)器人擦地板,做飯,出去幫我洗車,檢查安全”。
1998年 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件,讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣,相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝,使機(jī)器人開(kāi)始走入個(gè)人世界。
1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO),當(dāng)即銷售一空,從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。
2002年 美國(guó)iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba,它能避開(kāi)障礙,自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線,還能在電量不足時(shí),自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。iRobot公司北京區(qū)授權(quán)代理商:北京微網(wǎng)智宏科技有限公司http://www.micronet.net.cn。
2006年 6月,微軟公司推出Microsoft Robotics Studio,機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯,比爾·蓋茨預(yù)言,家用機(jī)器人很快將席卷全球
5.機(jī)器人分類篇
誕生于科幻小說(shuō)之中一樣,人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊,才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。
家務(wù)型機(jī)器人:能幫助人們打理生活,做簡(jiǎn)單的家務(wù)活。
操作型機(jī)器人:能自動(dòng)控制,可重復(fù)編程,多功能,有幾個(gè)自由度,可固定或運(yùn)動(dòng),用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。
程控型機(jī)器人:按預(yù)先要求的順序及條件,依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。
示教再現(xiàn)型機(jī)器人:通過(guò)引導(dǎo)或其它方式,先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作,輸入工作程序,機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。
數(shù)控型機(jī)器人:不必使機(jī)器人動(dòng)作,通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教,機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。
感覺(jué)控制型機(jī)器人:利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。
適應(yīng)控制型機(jī)器人:能適應(yīng)環(huán)境的變化,控制其自身的行動(dòng)。
學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人:能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn),具有一定的學(xué)習(xí)功能,并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。
智能機(jī)器人:以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。
我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人,包括:服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中,有些分支發(fā)展很快,有獨(dú)立成體系的趨勢(shì),如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前,國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者,從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類:制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人,這和我國(guó)的分類是一致的。
空中機(jī)器人又叫無(wú)人機(jī)器,近年來(lái)在軍用機(jī)器人家族中,無(wú)人機(jī)是科研活動(dòng)最活躍、技術(shù)進(jìn)步最大、研究及采購(gòu)經(jīng)費(fèi)投入最多、實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)最豐富的領(lǐng)域。80多年來(lái),世界無(wú)人機(jī)的發(fā)展基本上是以美國(guó)為主線向前推進(jìn)的,無(wú)論從技術(shù)水平還是無(wú)人機(jī)的種類和數(shù)量來(lái)看,美國(guó)均居世界之首位。
6.機(jī)器人品種篇
6.1無(wú)人飛機(jī)
“別動(dòng)隊(duì)”無(wú)人機(jī)
縱觀無(wú)人機(jī)發(fā)展的歷史,可以說(shuō)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是推動(dòng)無(wú)人機(jī)發(fā)展的動(dòng)力。而無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的影響也越來(lái)越大。一次和二次世界大戰(zhàn)期間,盡管出現(xiàn)并使用了無(wú)人機(jī),但由于技術(shù)水平低下,無(wú)人機(jī)并未發(fā)揮重大作用。朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)使用了無(wú)人偵察機(jī)和攻擊機(jī),不過(guò)數(shù)量有限。在隨后的越南戰(zhàn)爭(zhēng)、中東戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)已成為必不可少的武器系統(tǒng)。而在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、波黑戰(zhàn)爭(zhēng)及科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)更成了主要的偵察機(jī)種。
越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間美國(guó)空軍損失慘重,被擊落飛機(jī)2500架,飛行員死亡5000多名,美國(guó)國(guó)內(nèi)輿論嘩然。為此美國(guó)空軍較多地使用了無(wú)人機(jī)。如“水牛獵手”無(wú)人機(jī)在北越上空?qǐng)?zhí)行任務(wù)2500多次,超低空拍攝照片,損傷率僅4%。AQM-34Q型147火蜂無(wú)人機(jī)飛行500多次,進(jìn)行電子竊聽(tīng)、電臺(tái)干擾、拋撒金屬箔條及為有人飛機(jī)開(kāi)辟通道等。
高空無(wú)人偵察機(jī)
在1982年的貝卡谷地之戰(zhàn)中,以色列軍隊(duì)通過(guò)空中偵察發(fā)現(xiàn)。敘利亞在貝卡谷地集中了大量部隊(duì)。6月9日,以軍出動(dòng)美制E-2C“鷹眼”預(yù)警飛機(jī)對(duì)敘軍進(jìn)行監(jiān)視,同時(shí)每天出動(dòng)“偵察兵”及“猛犬”等無(wú)人機(jī)70多架次,對(duì)敘軍的防空陣地、機(jī)場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)偵察,并將拍攝的圖像傳送給預(yù)警飛機(jī)和地面指揮部。這樣,以軍準(zhǔn)確地查明了敘軍雷達(dá)的位置,接著發(fā)射“狼”式反雷達(dá)導(dǎo)彈,摧毀了敘軍不少的雷達(dá)、導(dǎo)彈及自行高炮,迫使敘軍的雷達(dá)不敢開(kāi)機(jī),為以軍有人飛機(jī)攻擊目標(biāo)創(chuàng)造了條件。
在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中,美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)及英國(guó)總共出動(dòng)了6種不同類型的無(wú)人機(jī)約200多架,它們有:美國(guó)空軍的“捕食者”(Predator)、陸軍的“獵人”(Hunter)及海軍的“先鋒”(Pioneer);德國(guó)的CL-289;法國(guó)的“紅隼”(Crecerelles)、 “獵人”,以及英國(guó)的“不死鳥(niǎo)”(Phoenix)等無(wú)人機(jī)。
無(wú)人機(jī)在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中主要完成了以下一些任務(wù):中低空偵察及戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視,電子干擾,戰(zhàn)果評(píng)估,目標(biāo)定位,氣象資料搜集,散發(fā)傳單以及營(yíng)救飛行員等。
科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)不僅大大提高了無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位,而且引起了各國(guó)政府對(duì)無(wú)人機(jī)的重視。美國(guó)參議院武裝部隊(duì)委員會(huì)要求,10年內(nèi)軍方應(yīng)準(zhǔn)備足夠數(shù)量的無(wú)人系統(tǒng),使低空攻擊機(jī)中有三分之一是無(wú)人機(jī);15年內(nèi),地面戰(zhàn)車中應(yīng)有三分之一是無(wú)人系統(tǒng)。這并不是要用無(wú)人系統(tǒng)代替飛行員及有人飛機(jī),而是用它們補(bǔ)充有人飛機(jī)的能力,以便在高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)中盡量少用飛行員。無(wú)人機(jī)的發(fā)展必將推動(dòng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)理論和無(wú)人戰(zhàn)爭(zhēng)體系的發(fā)展。
6.2特種功能的機(jī)器人
機(jī)器警察
所謂地面軍用機(jī)器人是指在地面上使用的機(jī)器人系統(tǒng),它們不僅在和平時(shí)期可以幫助民警排除炸彈、完成要地保安任務(wù),在戰(zhàn)時(shí)還可以代替士兵執(zhí)行掃雷、偵察和攻擊等各種任務(wù),今天美、英、德、法、日等國(guó)均已研制出多種型號(hào)的地面軍用機(jī)器人。
英國(guó)的“手推車”機(jī)器人
在西方國(guó)家中,恐怖活動(dòng)始終是個(gè)令當(dāng)局頭疼的問(wèn)題。英國(guó)由于民族矛盾,飽受爆炸物的威脅,因而早在60年代就研制成功排爆機(jī)器人。英國(guó)研制的履帶式“手推車”及“超級(jí)手推車”排爆機(jī)器人,已向50多個(gè)國(guó)家的軍警機(jī)構(gòu)售出了800臺(tái)以上。最近英國(guó)又將手推車機(jī)器人加以優(yōu)化,研制出土撥鼠及野牛兩種遙控電動(dòng)排爆機(jī)器人,英國(guó)皇家工程兵在波黑及科索沃都用它們探測(cè)及處理爆炸物。土撥鼠重35公斤,在桅桿上裝有兩臺(tái)攝像機(jī)。野牛重210公斤,可攜帶100公斤負(fù)載。兩者均采用無(wú)線電控制系統(tǒng),遙控距離約1公里。
“土撥鼠”和“野牛”排爆機(jī)器人
除了恐怖分子安放的炸彈外,在世界上許多戰(zhàn)亂國(guó)家中,到處都散布著未爆炸的各種彈藥。例如,海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后的科威特,就像一座隨時(shí)可能爆炸的彈藥庫(kù)。在伊科邊境一萬(wàn)多平方公里的地區(qū)內(nèi),有16個(gè)國(guó)家制造的25萬(wàn)顆地雷,85萬(wàn)發(fā)炮彈,以及多國(guó)部隊(duì)投下的布雷彈及子母彈的2500萬(wàn)顆子彈,其中至少有20%沒(méi)有爆炸。而且直到現(xiàn)在,在許多國(guó)家中甚至還殘留有一次大戰(zhàn)和二次大戰(zhàn)中未爆炸的炸彈和地雷。因此,爆炸物處理機(jī)器人的需求量是很大的。
排除爆炸物機(jī)器人有輪式的及履帶式的,它們一般體積不大,轉(zhuǎn)向靈活,便于在狹窄的地方工作,操作人員可以在幾百米到幾公里以外通過(guò)無(wú)線電或光纜控制其活動(dòng)。機(jī)器人車上一般裝有多臺(tái)彩色CCD攝像機(jī)用來(lái)對(duì)爆炸物進(jìn)行觀察;一個(gè)多自由度機(jī)械手,用它的手爪或夾鉗可將爆炸物的引信或雷管擰下來(lái),并把爆炸物運(yùn)走;車上還裝有獵槍,利用激光指示器瞄準(zhǔn)后,它可把爆炸物的定時(shí)裝置及引爆裝置擊毀;有的機(jī)器人還裝有高壓水槍,可以切割爆炸物。
德國(guó)的排爆機(jī)器人
在法國(guó),空軍、陸軍和警察署都購(gòu)買了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆機(jī)器人。DM公司研制的RM35機(jī)器人也被巴黎機(jī)場(chǎng)管理局選中。德國(guó)駐波黑的維和部隊(duì)則裝備了Telerob公司的MV4系列機(jī)器人。我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。
美國(guó)Remotec公司的Andros系列機(jī)器人受到各國(guó)軍警部門的歡迎,白宮及國(guó)會(huì)大廈的警察局都購(gòu)買了這種機(jī)器人。在南非總統(tǒng)選舉之前,警方購(gòu)買了四臺(tái)AndrosVIA型機(jī)器人,它們?cè)谶x舉過(guò)程中總共執(zhí)行了100多次任務(wù)。 Andros機(jī)器人可用于小型隨機(jī)爆炸物的處理,它是美國(guó)空軍客機(jī)及客車上使用的唯一的機(jī)器人。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后,美國(guó)海軍也曾用這種機(jī)器人在沙特阿拉伯和科威特的空軍基地清理地雷及未爆炸的彈藥。美國(guó)空軍還派出5臺(tái)Andros機(jī)器人前往科索沃,用于爆炸物及子炮彈的清理??哲娒總€(gè)現(xiàn)役排爆小隊(duì)及航空救援中心都裝備有一臺(tái)Andros VI。
我國(guó)研制的排爆機(jī)器人
排爆機(jī)器人不僅可以排除炸彈,利用它的偵察傳感器還可監(jiān)視犯罪分子的活動(dòng)。監(jiān)視人員可以在遠(yuǎn)處對(duì)犯罪分子晝夜進(jìn)行觀察,監(jiān)聽(tīng)他們的談話,不必暴露自己就可對(duì)情況了如指掌。
1993年初,在美國(guó)發(fā)生了韋科莊園教案,為了弄清教徒們的活動(dòng),聯(lián)邦調(diào)查局使用了兩種機(jī)器人。一種是Remotec公司的AndrosVA型和Andros MarkVIA型機(jī)器人,另一種是RST公司研制的STV機(jī)器人。STV是一輛6輪遙控車,采用無(wú)線電及光纜通信。車上有一個(gè)可升高到4.5米的支架 ,上面裝有彩色立體攝像機(jī)、晝用瞄準(zhǔn)具、微光夜視瞄具、雙耳音頻探測(cè)器、化學(xué)探測(cè)器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、目標(biāo)跟蹤用的前視紅外傳感器等。該車僅需一名操作人員,遙控距離達(dá)10公里。在這次行動(dòng)中共出動(dòng)了3臺(tái)STV,操作人員遙控機(jī)器人行駛到距莊園548米的地方停下來(lái),升起車上的支架,利用攝像機(jī)和紅外探測(cè)器向窗內(nèi)窺探,聯(lián)邦調(diào)查局的官員們圍著熒光屏觀察傳感器發(fā)回的圖像,可以把屋里的活動(dòng)看得一清二楚。
6.3民用機(jī)器人
機(jī)器人指揮
其實(shí)并不是人們不想給機(jī)器人一個(gè)完整的定義,自機(jī)器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說(shuō)明到底什么是機(jī)器人。但隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來(lái),機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來(lái)越豐富,機(jī)器人的定義也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。
1886年法國(guó)作家利爾亞當(dāng)在他的小說(shuō)《未來(lái)夏娃》中將外表像人的機(jī)器起名為“安德羅丁”(android),它由4部分組成:
1,生命系統(tǒng)(平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動(dòng)、感覺(jué)、表情、調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)等);
2,造型解質(zhì)(關(guān)節(jié)能自由運(yùn)動(dòng)的金屬覆蓋體,一種盔甲);
3,人造肌肉(在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài));
4,人造皮膚(含有膚色、機(jī)理、輪廓、頭發(fā)、視覺(jué)、牙齒、手爪等)。
1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》。在劇本中,卡佩克把捷克語(yǔ)“Robota”寫(xiě)成了“Robot”,“Robota”是奴隸的意思。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的悲劇性影響,引起了大家的廣泛關(guān)注,被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。在該劇中,機(jī)器人按照其主人的命令默默地工作,沒(méi)有感覺(jué)和感情,以呆板的方式從事繁重的勞動(dòng)。后來(lái),羅薩姆公司取得了成功,使機(jī)器人具有了感情,導(dǎo)致機(jī)器人的應(yīng)用部門迅速增加。在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中,機(jī)器人成了必不可少的成員。機(jī)器人發(fā)覺(jué)人類十分自私和不公正,終于造反了,機(jī)器人的體能和智能都非常優(yōu)異,因此消滅了人類。
但是機(jī)器人不知道如何制造它們自己,認(rèn)為它們自己很快就會(huì)滅絕,所以它們開(kāi)始尋找人類的幸存者,但沒(méi)有結(jié)果。最后,一對(duì)感知能力優(yōu)于其它機(jī)器人的男女機(jī)器人相愛(ài)了。這時(shí)機(jī)器人進(jìn)化為人類,世界又起死回生了。
卡佩克提出的是機(jī)器人的安全、感知和自我繁殖問(wèn)題??茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問(wèn)題。雖然科幻世界只是一種想象,但人類社會(huì)將可能面臨這種現(xiàn)實(shí)。
為了防止機(jī)器人傷害人類,科幻作家阿西莫夫(Isaac.Asimov)于1940年提出了“機(jī)器人三原則”:
1,機(jī)器人不應(yīng)傷害人類;
2,機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令,與第一條違背的命令除外;
3,機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己,與第一條相抵觸者除外。
這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則。
在1967年日本召開(kāi)的第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議上,就提出了兩個(gè)有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的:“機(jī)器人是一種具有移動(dòng)性、個(gè)體性、智能性、通用性、半機(jī)械半人性、自動(dòng)性、奴隸性等7個(gè)特征的柔性機(jī)器”。從這一定義出發(fā),森政弘又提出了用自動(dòng)性、智能性、個(gè)體性、半機(jī)械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動(dòng)性等10個(gè)特性來(lái)表示機(jī)器人的形象。另一個(gè)是加藤一郎提出的具有如下3個(gè)條件的機(jī)器稱為機(jī)器人:
1,具有腦、手、腳等三要素的個(gè)體;
2,具有非接觸傳感器(用眼、耳接受遠(yuǎn)方信息)和接觸傳感器;
3,具有平衡覺(jué)和固有覺(jué)的傳感器。
禮儀機(jī)器人
該定義強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人應(yīng)當(dāng)仿人的含義,即它靠手進(jìn)行作業(yè),靠腳實(shí)現(xiàn)移動(dòng),由腦來(lái)完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當(dāng)于人的五官,使機(jī)器人能夠識(shí)別外界環(huán)境,而平衡覺(jué)和固有覺(jué)則是機(jī)器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機(jī)器人而是自主機(jī)器人。
機(jī)器人的定義是多種多樣的,其原因是它具有一定的模糊性。動(dòng)物一般具有上述這些要素,所以在把機(jī)器人理解為仿人機(jī)器的同時(shí),也可以廣義地把機(jī)器人理解為仿動(dòng)物的機(jī)器。
1988年法國(guó)的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為:“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng),并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對(duì)象”。
1987年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義:“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能,能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?!?
我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是:“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器,所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力,如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力,是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)程中,人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深,機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn),人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器,如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性,也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀,更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增強(qiáng),從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。
中國(guó)工程院院長(zhǎng)宋健指出:“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就,是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果,代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿,它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國(guó)際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。
我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人,包括:服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中,有些分支發(fā)展很快,有獨(dú)立成體系的趨勢(shì),如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前,國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者,從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類:制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人,這和我國(guó)的分類是一致的。
古代機(jī)器人
機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世都是近幾十年的事。然而人們對(duì)機(jī)器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器,以便代替人類完成各種工作。
機(jī)器馬車
西周時(shí)期,我國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人,這是我國(guó)最早記載的機(jī)器人。
春秋后期,我國(guó)著名的木匠魯班,在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家,據(jù)《墨經(jīng)》記載,他曾制造過(guò)一只木鳥(niǎo),能在空中飛行“三日不下”,體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明智慧。
公元前2世紀(jì),亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動(dòng)機(jī)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的雕像,它可以自己開(kāi)門,還可以借助蒸汽唱歌。
1800年前的漢代,大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀,而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。計(jì)里鼓車每行一里,車上木人擊鼓一下,每行十里擊鐘一下。
后漢三國(guó)時(shí)期,蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”,并用其運(yùn)送軍糧,支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。
1662年,日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動(dòng)機(jī)器玩偶,并在大阪的道頓堀演出。
1738年,法國(guó)天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨,它會(huì)嘎嘎叫,會(huì)游泳和喝水,還會(huì)進(jìn)食和排泄。瓦克遜的本意是想把生物的功能加以機(jī)械化而進(jìn)行醫(yī)學(xué)上的分析。
寫(xiě)字機(jī)器人
在當(dāng)時(shí)的自動(dòng)玩偶中,最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯。1773年,他們連續(xù)推出了自動(dòng)書(shū)寫(xiě)玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等,他們創(chuàng)造的自動(dòng)玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的。它們有的拿著畫(huà)筆和顏色繪畫(huà),有的拿著鵝毛蘸墨水寫(xiě)字,結(jié)構(gòu)巧妙,服裝華麗,在歐洲風(fēng)靡一時(shí)。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,這些玩偶其實(shí)是身高一米的巨型玩具。現(xiàn)在保留下來(lái)的最早的機(jī)器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶,它制作于二百年前,兩只手的十個(gè)手指可以按動(dòng)風(fēng)琴的琴鍵而彈奏音樂(lè),現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞,展示了古代人的智慧。
19世紀(jì)中葉自動(dòng)玩偶分為2個(gè)流派,即科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派,并各自在文學(xué)藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了《浮士德》,塑造了人造人“荷蒙克魯斯”;1870年霍夫曼出版了以自動(dòng)玩偶為主角的作品《葛蓓莉婭》;1883年科洛迪的《木偶奇遇記》問(wèn)世;1886年《未來(lái)的夏娃》問(wèn)世。在機(jī)械實(shí)物制造方面,1893年摩爾制造了“蒸汽人”,“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動(dòng)雙腿沿圓周走動(dòng)。
進(jìn)入20世紀(jì)后,機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持,一些適用化的機(jī)器人相繼問(wèn)世,1927年美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”,并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出。它是一個(gè)電動(dòng)機(jī)器人,裝有無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī),可以回答一些問(wèn)題,但該機(jī)器人不能走動(dòng)。1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人(可編程、圓坐標(biāo))在美國(guó)誕生,開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。
6.4現(xiàn)代機(jī)器人
現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期,其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展,以及原子能的開(kāi)發(fā)利用。
自1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái),計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步,向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。
大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展,其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
另一方面,原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下,美國(guó)原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手,1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。
鉚接機(jī)器人
1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念,并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié),利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教,機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?,F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。
作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型(示教再現(xiàn))是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似,但外形特征迥異,主要由類似人的手和臂組成。
1965年,MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺(jué)傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
機(jī)器狗
1967年日本成立了人工手研究會(huì)(現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì)),同年召開(kāi)了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)。
1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議。1970年以后,機(jī)器人的研究得到迅速?gòu)V泛的普及。
1973年,辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人,它是液壓驅(qū)動(dòng)的,能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。
到了1980年,工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及,故稱該年為“機(jī)器人元年”。
隨后,工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展,日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國(guó)的美稱”。
自治潛水器
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高,移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。80年代,將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人,這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用,而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間,水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世,許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)(如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等)擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器——機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱,這也說(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。
7.人類與機(jī)器人
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,各行各業(yè)的分工越來(lái)越明細(xì),尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中,有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個(gè)部位上的一個(gè)螺母,有的人整天就是接一個(gè)線頭,就像電影《摩登時(shí)代》中演示的那樣,人們感到自己在不斷異化,各種職業(yè)病逐漸產(chǎn)生,于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工作,因此人們研制出了機(jī)器人,用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險(xiǎn)的工作。由于機(jī)器人的問(wèn)世,使一部分工人失去了原來(lái)的工作,于是有人對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生了敵意。“機(jī)器人上崗,人將下崗?!辈粌H在我國(guó),即使在一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó),也有人持這種觀念。其實(shí)這種擔(dān)心是多余的,任何先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備,都會(huì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,創(chuàng)造出更多的社會(huì)財(cái)富,也就必然提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì),這已被人類生產(chǎn)發(fā)展史所證明。任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊,只不過(guò)利大于弊,很快就得到了人們的認(rèn)可。比如汽車的出現(xiàn),它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意,還常常出車禍,給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端,但它還是成了人們?nèi)粘I钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ摺S?guó)一位著名的政治家針對(duì)關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的這一問(wèn)題說(shuō)過(guò)這樣一段話:“日本機(jī)器人的數(shù)量居世界首位,而失業(yè)人口最少,英國(guó)機(jī)器人數(shù)量在發(fā)達(dá)國(guó)家中最少,而失業(yè)人口居高不下”,這也從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了機(jī)器人是不會(huì)搶人飯碗的。
美國(guó)是機(jī)器人的發(fā)源地,機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于日本,其中部分原因就是因?yàn)槊绹?guó)有些工人不歡迎機(jī)器人,從而抑制了機(jī)器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機(jī)器人大國(guó),原因是多方面的,但其中很重要的一條就是當(dāng)時(shí)日本勞動(dòng)力短缺,政府和企業(yè)都希望發(fā)展機(jī)器人,國(guó)民也都?xì)g迎使用機(jī)器人。由于使用了機(jī)器人,日本也嘗到了甜頭,它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起,很快占領(lǐng)了世界市場(chǎng)。從現(xiàn)在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看,發(fā)展機(jī)器人是一條必由之路。沒(méi)有機(jī)器人,人將變?yōu)闄C(jī)器;有了機(jī)器人,人仍然是主人。
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