機器人技術的發展與應用綜述

秦 漢

（赤峰工業職業技術學院，內蒙古 赤峰 024000）

隨著智能控制、機械、通訊、電子等技術的進步與發展，機器人技術及其產業在生活中的方方面面中發揮著重要作用.人類對于機器人有著長期的剛性需求，主要有以下原因：機器人是制造業發展的基石；在工業上應用可以提升精度和效率；機器人產業可以滲透在如醫療、教育、服務、軍事等生活中的諸多方面.研究機器人產業具有重要的社會價值.

在過去的幾十年里制造業得到了快速發展.但是，全球化經濟模式已明顯改變了制造業的格局.隨著勞動力成本的提高，大量勞動密集型產業面臨轉型升級和區域性轉移的挑戰.工業機器人具有工作效率高、穩定可靠、重復精度好、能在高危環境下作業等優勢，在傳統制造業，特別是勞動密集型產業的轉型升級中可發揮重要作用.

綜上所述，本研究面向機器人進行調研，介紹機器人的發展歷史、機器人在工業領域和非工業領域的應用情況進行簡述.

1 機器人的發展簡史

科學的發展帶動著機器人產業的發展，現今很多前沿技術在機器人產業均有應用，可以說機器人的發展史也是世界科技發展史的體現.

機器人的發展大體可概括為三個階段.第一階段的機器人只有“手”,即以固定程序工作,對外界的信息沒有反饋互動能力；第二階段的機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“智能機器人”階段,這一階段的機器人已具有如自行學習、推理、決策、規劃等自主處理事物的能力.

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

第二代是感知機器人，即自適應機器人，該類型機器人在前一代機器人機械結構，電氣結構的基礎上增加了“感知”的能力.目前，在汽車、航空、船舶等自動化生產線中具有廣泛的應用.其工作效率、工作能力較第一代機器人有明顯提升.

第三代機器人將具有識別、推理、規劃和學習等智能機制，它可以把感知和行動智能化結合起來，因此能在非特定的環境下作業，故稱之為智能機器人.目前，這類機器人處于試驗階段，將向實用化方向發展.

在過去30-40年間，機器人學和機器人技術獲得引人注目的發展，具體體現在：

（1）機器人產業在全世界迅速發展；

（2）機器人的應用范圍遍及工業、科技和國防的各個領域；

（3）形成了新的學科——機器人學；

（4）機器人向智能化方向發展；

（5）服務機器人成為機器人的新秀.

2 機器人的發展趨勢及其分類

機器人是先進制造技術及自動化裝備的典型代表，是人類制造機器的終極形式.其需要的理論及實踐知識包羅萬象，涉及機械、電子、液壓、自動控制原理、計算機、人工智能、傳感器及其應用、通信技術、網絡技術等多個學科及領域，是多種高科技技術理論的集成成果.

其應用的領域主要分為兩方面，制造業領域和非制造業領域.本文以制造業機器人（即工業機器人）和非制造業機器人兩類進行簡述.

2.1 機器人在工業上的應用

“工業機器人”一詞由《美國金屬市場報》于1960年提出，經美國機器人協會定義為:“用來進行搬運機械部件或工件的、可編程序的多功能操作器，或通過改變程序可以完成各種工作的特殊機械裝置[1]”這一定義現已被國際標準化組織所采納[2].

隨著工業機器人發展深度和廣度的延伸及其智能水平的提高，工業機器人已在眾多領域得到了應用.目前，工業機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與家具制造業等領域中.在工業生產中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業機器人都已被大量采用，并從傳統的制造領域向非制造領域延伸:如采礦機器人、建筑業機器人以及水電系統用于維護維修的機器人等.在國防軍事、醫療衛生、食品加工、生活服務等領域，工業機器人的應用也越來越多.現將其典型應用舉例如下：

2.1.1 機器人自動化裝配線

由于機器人的智能化，精度高，效率高等特點.其在發動機，變速箱等車輛核心部件裝配生產線上的應用日益廣泛.

馬丁路德公司的摩托車發動機裝配線如圖1[4]所示.裝配工作臺由2臺FANUC機器人組成，實現了連桿、曲軸、活塞、缸蓋、缸體的自動化傳送和裝配，采用視覺系統與力控軟件，以適當的力度不斷輕推零件，使其以很小的接觸力滑入就位，保持工件不受損傷[3].

圖1 摩托車發動機機器人裝配線

2.1.2 搬運機器人

為了提高自動化程度和生產效率，制造企業通常需要快速高效的物流線來貫穿整個產品的生產及包裝的過程，搬運機器人在物流線中發揮著舉足輕重的作用.其一方面具有人難以達到的精度和效率，另一方面可以承擔大重量和高頻率的搬運作業，因此被廣泛應用在搬運、碼垛、裝箱、包裝和分揀作業中.

2.1.3 打磨拋光機器人

機械零件形狀不斷向復雜化、多樣化發展，實現打磨拋光工藝的機器人少有統一的方案.在打磨拋光加工中，機器人的工作方式有兩種，一是機器人夾持被加工工件貼近加工工具，如砂輪、砂帶等，進行打磨拋光加工；另一種方法是機器人夾持打磨拋光加工工具貼近工件進行加工.

著各省所有書院，于省城均改設大學堂，各府及直隸州均改設中學堂，各州縣均改設小學堂，并多設蒙養學堂。其教法當以四書五經綱常大義為主，以歷代史鑒及中外政治藝學為輔。[9]

2.1.4 移動式工業機器人

對于大尺寸工件的制造，如航空航天產品，傳統的工業機器人無法勝任.首先，大尺寸工件由于重量和尺寸巨大，不易移動；其次，工業機器人相對工件而言尺寸不足，如果單純地按比例放大，機器人制造和控制成本將十分高昂，因此，移動式工業機器人是一個很好的解決方案.

2.1.5 碼垛機器人

最早將工業機器人技術用于物體的碼放和搬運的國家是日本和瑞典.20世紀70年代末日本第一次將機器人技術用于碼垛作業[5].1974年，瑞典ABB公司研發了全球第一臺全電控式工業機器人IRB6，主要應用于工件的取放和物料的搬運[6].此外，德國、意大利、韓國等國家工業機器人的研發水平也相當高，如德國的KUKA，瑞典的ABB，日本的FANUC等.

2.2 非工業機器人應用舉例

由于技術進步，制造成本下降，機器人正悄無聲息的進入到平常人的生活、學習和工作中.它們可以做家務，在戰場上偵查，甚至還可以自主進行精細的手術.在教育、醫療、軍事和服務行業中，小型的非工業機器人正發揮著重要的作用.下文僅列舉幾個典型實例.

2.2.1 教育機器人

教育機器人是以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力為目標的機器人成品、套裝或散件.它除了機器人機體本身之外，還有相應的控制軟件和教學課本等.

圖2 2016洛陽智能裝備展覽會展出的教育機器人

2.2.2 炒菜機器人

炒菜機機器人不僅實現了煎、炒、炸等中式烹飪技術的智能化，還可以輕松做出意大利、希臘、法國等世界各地風味菜肴.機器人自動炒菜機實現了炒菜過程的自動化，只需輕輕一按，就可以享受到世界各地的地道美食，烹飪過程不粘不糊不溢，而且安全、節能、無油煙.

2.2.3 醫療機器人

隨著機器人產業的快速發展，醫療機器人的發展已經得到了全球高度關注.我國人口老齡化的加劇和科技的發展，人們對生活各個方面的要求也在提高.以醫療機器人為代表的服務機器人蘊藏著極大的發展空間，未來的市場規模很可能會超過工業機器人.美國已經把手術治療機器（圖3[8]）、假肢機器人、康復機器人、心理康復輔助機器人、個人護理機器人、智能健康監控系統定為未來發展的六大研究方向.

圖3 手術機器人

2.2.4 軍事機器人

作為立國之根本的國防業，機器人也已經在悄然地發揮作用.因其具有常規作戰人員不具備的優點：靈敏度高、載重能力強、高續航能力、可在特殊場合進行特種作戰任務.最重要的是可以減少人員的傷亡.其在戰場上可進行電子干擾、信息采集、偵查、突擊、排雷、爆破、運輸等任務.

3 小結

以上是機器人應用典型實例，涉及工業機器人以及非工業機器人的應用，包括工業、軍事、教育、服務等行業.由于應用范圍廣泛，故不一一列舉.目前機器人產業發展迅猛，相關技術也日新月異.因其可適應能力強，智能化程度不斷提升，預計未來會被應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，人類需要思考機器人大面積普及后的倫理、人文等社會問題.如人工智能會不會造成人員大面積失業？智能化的最終結局會不會是人類逐漸退化？機器人最終有無可能成為人類的克星？這一系列的問題值得我們深思.

〔1〕蔣新松.國外機器人的發展及我們的對策研究[J].機器人，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.

〔4〕摩托車發動機裝配的機器人自動化[EB/OL].[2013-05-10].http：//www.Robot-cn.net/photo/show.Php?itemid=136&page=1.

〔5〕胡洪國.高建華.楊汝清.碼垛技術綜述[J].組合機床與自動化加工技術，2000(6)：7-9.

〔6〕畢勝.國內外工業機器人的發展現狀[J].機械工程師，2008(7)：5-7.

〔7〕宗寧.世界互聯網大會揭開智能教育機器人時代 帷 幕 [EB/OL].[2016-11-19].http：//it.sohu.com/20161119/n473628717.shtml.

〔8〕我國機器人產業迅速增長 醫療服務領域發展潛力巨大.[EB/OL].[2016年08月15日]http：//www.chinabaike.com/t/10472/2016/0815/5678385.html.