機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述

秦 漢

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述

秦 漢

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化，在航空、物流、服務(wù)業(yè)、教育業(yè)、軍事等諸多行業(yè)中發(fā)揮出日益重要的作用.其中居主導(dǎo)地位的工業(yè)機(jī)器人已成為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度好、能在高危環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)制造業(yè)，特別是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮重要作用.本文通過(guò)回顧機(jī)器人的發(fā)展背景和起源，針對(duì)當(dāng)今機(jī)器人的種類、功能和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)介.

機(jī)器人；工業(yè)應(yīng)用；教育；醫(yī)療；軍事

隨著智能控制、機(jī)械、通訊、電子等技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)在生活中的方方面面中發(fā)揮著重要作用.人類對(duì)于機(jī)器人有著長(zhǎng)期的剛性需求，主要有以下原因：機(jī)器人是制造業(yè)發(fā)展的基石；在工業(yè)上應(yīng)用可以提升精度和效率；機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可以滲透在如醫(yī)療、教育、服務(wù)、軍事等生活中的諸多方面.研究機(jī)器人產(chǎn)業(yè)具有重要的社會(huì)價(jià)值.

在過(guò)去的幾十年里制造業(yè)得到了快速發(fā)展.但是，全球化經(jīng)濟(jì)模式已明顯改變了制造業(yè)的格局.隨著勞動(dòng)力成本的提高，大量勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)和區(qū)域性轉(zhuǎn)移的挑戰(zhàn).工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度好、能在高危環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)制造業(yè)，特別是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中可發(fā)揮重要作用.

綜上所述，本研究面向機(jī)器人進(jìn)行調(diào)研，介紹機(jī)器人的發(fā)展歷史、機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域和非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)述.

1 機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史

科學(xué)的發(fā)展帶動(dòng)著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)今很多前沿技術(shù)在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)均有應(yīng)用，可以說(shuō)機(jī)器人的發(fā)展史也是世界科技發(fā)展史的體現(xiàn).

機(jī)器人的發(fā)展大體可概括為三個(gè)階段.第一階段的機(jī)器人只有“手”,即以固定程序工作,對(duì)外界的信息沒有反饋互動(dòng)能力；第二階段的機(jī)器人具有了一定的反饋能力,即有了感覺,如力覺、觸覺、視覺等；第三階段,即“智能機(jī)器人”階段,這一階段的機(jī)器人已具有如自行學(xué)習(xí)、推理、決策、規(guī)劃等自主處理事物的能力.

第一代機(jī)器人一般可以根據(jù)編程人員所固化的程序，完成一些簡(jiǎn)單的重復(fù)性工作.這一帶機(jī)器人從20世紀(jì)60年代后半期開始投入使用，由于其操作簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉，現(xiàn)已在很多中小型工廠中得到了普遍應(yīng)用.

第二代是感知機(jī)器人，即自適應(yīng)機(jī)器人，該類型機(jī)器人在前一代機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了“感知”的能力.目前，在汽車、航空、船舶等自動(dòng)化生產(chǎn)線中具有廣泛的應(yīng)用.其工作效率、工作能力較第一代機(jī)器人有明顯提升.

第三代機(jī)器人將具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制，它可以把感知和行動(dòng)智能化結(jié)合起來(lái)，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，故稱之為智能機(jī)器人.目前，這類機(jī)器人處于試驗(yàn)階段，將向?qū)嵱没较虬l(fā)展.

在過(guò)去30-40年間，機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)獲得引人注目的發(fā)展，具體體現(xiàn)在：

（1）機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在全世界迅速發(fā)展.

（2）機(jī)器人的應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國(guó)防的各個(gè)領(lǐng)域.

（3）形成了新的學(xué)科——機(jī)器人學(xué).（4）機(jī)器人向智能化方向發(fā)展.

（5）服務(wù)機(jī)器人成為機(jī)器人的新秀.

2 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)及其分類

機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)及自動(dòng)化裝備的典型代表，是人類制造機(jī)器的終極形式.其需要的理論及實(shí)踐知識(shí)包羅萬(wàn)象，涉及機(jī)械、電子、液壓、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器及其應(yīng)用、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科及領(lǐng)域，是多種高科技技術(shù)理論的集成成果.

其應(yīng)用的領(lǐng)域主要分為兩方面，制造業(yè)領(lǐng)域和非制造業(yè)領(lǐng)域.本文以制造業(yè)機(jī)器人（即工業(yè)機(jī)器人）和非制造業(yè)機(jī)器人兩類進(jìn)行簡(jiǎn)述.

2.1 機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用

“工業(yè)機(jī)器人”一詞由《美國(guó)金屬市場(chǎng)報(bào)》于1960年提出，經(jīng)美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)定義為:“用來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)械部件或工件的、可編程序的多功能操作器，或通過(guò)改變程序可以完成各種工作的特殊機(jī)械裝置[1]”這一定義現(xiàn)已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織所采納[2].

隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展深度和廣度的延伸及其智能水平的提高，工業(yè)機(jī)器人已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用.目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中.在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用，并從傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸:如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等.在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多.現(xiàn)將其典型應(yīng)用舉例如下.2.1.1 機(jī)器人自動(dòng)化裝配線

由于機(jī)器人的智能化，精度高，效率高等特點(diǎn).其在發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱等車輛核心部件裝配生產(chǎn)線上的應(yīng)用日益廣泛.

馬丁路德公司的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線如圖1[4]所示.裝配工作臺(tái)由2臺(tái)FANUC機(jī)器人組成，實(shí)現(xiàn)了連桿、曲軸、活塞、缸蓋、缸體的自動(dòng)化傳送和裝配，采用視覺系統(tǒng)與力控軟件，以適當(dāng)?shù)牧Χ炔粩噍p推零件，使其以很小的接觸力滑入就位，保持工件不受損傷[3].

圖1 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)器人裝配線

2.1.2 搬運(yùn)機(jī)器人

為了提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，制造企業(yè)通常需要快速高效的物流線來(lái)貫穿整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)及包裝的過(guò)程，搬運(yùn)機(jī)器人在物流線中發(fā)揮著舉足輕重的作用.其一方面具有人難以達(dá)到的精度和效率，另一方面可以承擔(dān)大重量和高頻率的搬運(yùn)作業(yè)，因此被廣泛應(yīng)用在搬運(yùn)、碼垛、裝箱、包裝和分揀作業(yè)中.

2.1.3 打磨拋光機(jī)器人

機(jī)械零件形狀不斷向復(fù)雜化、多樣化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)打磨拋光工藝的機(jī)器人少有統(tǒng)一的方案.在打磨拋光加工中，機(jī)器人的工作方式有兩種，一是機(jī)器人夾持被加工工件貼近加工工具，如砂輪、砂帶等，進(jìn)行打磨拋光加工；另一種方法是機(jī)器人夾持打磨拋光加工工具貼近工件進(jìn)行加工.

2.1.4 移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人

對(duì)于大尺寸工件的制造，如航空航天產(chǎn)品，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人無(wú)法勝任.首先，大尺寸工件由于重量和尺寸巨大，不易移動(dòng)；其次，工業(yè)機(jī)器人相對(duì)工件而言尺寸不足，如果單純地按比例放大，機(jī)器人制造和控制成本將十分高昂，因此，移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)很好的解決方案.

2.1.5 碼垛機(jī)器人

最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)的國(guó)家是日本和瑞典.20世紀(jì)70年代末日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)[5].1974年，瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)[6].此外，德國(guó)、意大利、韓國(guó)等國(guó)家工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)水平也相當(dāng)高，如德國(guó)的KUKA，瑞典的ABB，日本的FANUC等.

2.2 非工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用舉例

由于技術(shù)進(jìn)步，制造成本下降，機(jī)器人正悄無(wú)聲息的進(jìn)入到平常人的生活、學(xué)習(xí)和工作中.它們可以做家務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上偵查，甚至還可以自主進(jìn)行精細(xì)的手術(shù).在教育、醫(yī)療、軍事和服務(wù)行業(yè)中，小型的非工業(yè)機(jī)器人正發(fā)揮著重要的作用.下文僅列舉幾個(gè)典型實(shí)例.

2.2.1 教育機(jī)器人

教育機(jī)器人是以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)的機(jī)器人成品、套裝或散件.它除了機(jī)器人機(jī)體本身之外，還有相應(yīng)的控制軟件和教學(xué)課本等.

近年來(lái)，教育機(jī)器人逐步成為中小學(xué)技術(shù)課程和綜合實(shí)踐課程的良好載體.目前常見的教育機(jī)器人既有類人形的教育機(jī)器人，也有非人形的機(jī)器人.青少年可以與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)基本的互動(dòng)交流，并可以對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行改裝擴(kuò)展.如圖2[7]所示，該學(xué)生操控的機(jī)器人屬于可進(jìn)行拆解、重組、功能擴(kuò)展的機(jī)器人.通過(guò)了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)部件和所需知識(shí)等，操控者可較為便捷地掌握機(jī)器人的基礎(chǔ)功能，并開拓思維進(jìn)行創(chuàng)新.

圖2 2016洛陽(yáng)智能裝備展覽會(huì)展出的教育機(jī)器人

2.2.2 炒菜機(jī)器人

炒菜機(jī)機(jī)器人不僅實(shí)現(xiàn)了煎、炒、炸等中式烹飪技術(shù)的智能化，還可以輕松做出意大利、希臘、法國(guó)等世界各地風(fēng)味菜肴.機(jī)器人自動(dòng)炒菜機(jī)實(shí)現(xiàn)了炒菜過(guò)程的自動(dòng)化，只需輕輕一按，就可以享受到世界各地的地道美食，烹飪過(guò)程不粘不糊不溢，而且安全、節(jié)能、無(wú)油煙.

2.2.3 醫(yī)療機(jī)器人

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)得到了全球高度關(guān)注.我國(guó)人口老齡化的加劇和科技的發(fā)展，人們對(duì)生活各個(gè)方面的要求也在提高.以醫(yī)療機(jī)器人為代表的服務(wù)機(jī)器人蘊(yùn)藏著極大的發(fā)展空間，未來(lái)的市場(chǎng)規(guī)模很可能會(huì)超過(guò)工業(yè)機(jī)器人.美國(guó)已經(jīng)把手術(shù)治療機(jī)器（圖3[8]）、假肢機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、心理康復(fù)輔助機(jī)器人、個(gè)人護(hù)理機(jī)器人、智能健康監(jiān)控系統(tǒng)定為未來(lái)發(fā)展的六大研究方向.

圖3 手術(shù)機(jī)器人

2.2.4 軍事機(jī)器人

作為立國(guó)之根本的國(guó)防業(yè)，機(jī)器人也已經(jīng)在悄然地發(fā)揮作用.因其具有常規(guī)作戰(zhàn)人員不具備的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、載重能力強(qiáng)、高續(xù)航能力、可在特殊場(chǎng)合進(jìn)行特種作戰(zhàn)任務(wù).最重要的是可以減少人員的傷亡.其在戰(zhàn)場(chǎng)上可進(jìn)行電子干擾、信息采集、偵查、突擊、排雷、爆破、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù).

3 小結(jié)

以上是機(jī)器人應(yīng)用典型實(shí)例，涉及工業(yè)機(jī)器人以及非工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，包括工業(yè)、軍事、教育、服務(wù)等行業(yè).由于應(yīng)用范圍廣泛，故不一一列舉.目前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，相關(guān)技術(shù)也日新月異.因其可適應(yīng)能力強(qiáng)，智能化程度不斷提升，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)被應(yīng)用在人類生活的方方面面，大到宇宙探索，小到衣食住行.屆時(shí)，人類需要思考機(jī)器人大面積普及后的倫理、人文等社會(huì)問(wèn)題.如人工智能會(huì)不會(huì)造成人員大面積失業(yè)？智能化的最終結(jié)局會(huì)不會(huì)使人類逐漸退化？機(jī)器人最終有無(wú)可能成為人類的克星？這一系列的問(wèn)題值得我們深思.

〔1〕蔣新松.國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展及我們的對(duì)策研究[J].機(jī)器人.1987,1(1):58-64.

〔2〕ISO Standard 8373. Manipulating Industrial Robots-Vo-cabulary[S].ISO Press,1994.

〔3〕OHMJ,LEESM,KIMA TW,et al.Design of a teaching pendant program for a mobile shipbuilding welding robotusing aPDA [J].Computer-Aided Design,2010,42 (3):173-182.

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〔8〕我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速增長(zhǎng) 醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?[EB/OL].[2016年08月15日]http://www.chinabaike.com/t/10472/2016/0815/56783 85.html.

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2017-09-29