机器人研究现状及发展方向.docx
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机器人研究现状及发展方向
机器人研究现状及发展方向
摘要：
机器人代表了一个国家机械、电子等多行业的综合实力水平。
现在机器人的发未来机器人的发展前景非常宽广。
随着科学技术的不断进步更加适合人们需要的机器人将被研制出来。
机器人的普及和应用将极大的提高社会生产力和人民的生活水平。
本文着重讲解了机器人的发展现状和研究方向
关键词：
机器人；发展前景；研究方向
1引言
机器人是一种综合了机械、电子、计算机、控制论、机构学、信息和传感、人工智能、仿生学等多学科先进技术与一体而形成的高新技术产品。
机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近代的事情，但是人们对机器人的幻想和追求却已有三千多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。
西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。
东汉时期的大科学家张衡设计了一种木制的飞行装置，有类似鸟翅膀的扑翼，利用弹性物体积蓄的能量飞行，能量耗尽后，凭借上升气流的作用滑翔的机器鸟，称之为“独飞木雕”。
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。
它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，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了自动机器玩偶，并在大阪的道顿演出。
然而以上介绍的机器人没有感知能力或认知能力，并不能称之为机器人，只能称作机器装置。
现代机器人的研究始于二十世纪二十年代，其早期产品称之为机械手（MechanicalHand），不过其研究仅局限于英、美等工业发达的国家。
1913年美国福特汽车公司研制成功给机床上下料的机械手，形成生产自动线，使产量显著提高，取得了良好的经济效果。
为了适应更加复杂多变的小批量成产的需要1959年美国联合控制公司研制成功动作程序可变，行程可调，适应性强的高级机械手。
它不但能给多品种、小批量成产的自动机床上下料，而且能自动操纵工具进行焊接、热处理等作业，在一定程度上像人一样工作，因而称这种高级机械手为机器人（Robot）。
机器人虽然最早是美国发明的但是由于前期美国政府的政策失误，没有鼓励机器人的发展，让日本后来居上，到了1980年，工业机器人在日本得到普及，故称1980年为“机器人元年”。
随后，机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此赢得了“机器人王国”的美称。
由于机器人发展早期，我国有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。
其实这是一种误解。
在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越贡献。
我国机器人的发展相比欧美发达国家来说较晚，但是进步较快。
随着我国经济社会的发展，人们越来越认识到机器人发展的重要性，上海拖拉机齿轮厂于1972年研制成功我国第一台机械人。
在国家政策的支持下我国机器人发展经历了70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。
到现在已经初具规模。
机器人的应用日益广泛，成为当代新技术研究的热点。
机器人的应用情况也是一个国家综合实力水平的重要体现。
2机器人的优势
机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人和机器特长的一种拟人的高科技产品，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器持续工作时间长、精确度高、抗恶劣环境的能力。
2.1解放人类的体力劳动改善工作环境
人类发明机器人的最初目的是为了用其代替人从事有害、危险、艰苦、单调的工作，改善人的劳动条件。
机器人可以不知疲倦地代替人进行搬运、上下料、堆垛、采矿、化工操作等作业，不仅可使人免除重体力劳动，还可以免受有害物质的侵害，减少人员伤亡，实现作业省力化。
机器人还可以改善人类的工作环境，在一些工作环境恶劣的地方人类可以在环境优越的室内命令或操纵机器人完成工作任务。
2.2提高产品生产率和质量改善企业形象
使用机器人可以提高各行业的自动化水平，因为其既有人类智能的一面又有机器不知疲倦的能力，可以不分昼夜的连续工作，所以能极大的提高生产效率。
例如在零件加工过程中采用机器人进行装卸工件，比人工装卸节省工时达60%～70%，生产率提高50.7%；天津自行车厂采用机器人对自行车三角架进行直接焊接工艺，代替旧的代替旧的盐溶钎焊工艺，取得了良好的效果。
不仅节约工时30%左右，日本日立公司的一条电子电路版（PCB）自动装配线就装备了56台各种机器人，是PCB电子元件的自动插装率达到85%，相比较人工有了很大提高。
机器人可以提高企业形象增强企业竞争力，机器人几乎是高科技的代名词，代表着工业自动化的最高水平，先进的生产设备，体现现了企业先进的加工能力和科研能力，使我们的企业形象上升了一个台阶，使客户更加信赖我们，从而提高企业的竞争力
并且机器人具有高度的准确性、可靠性和一致性，能够保质保量的完成各种生产活动。
日本之所以能成为世界头号汽车生产大国，其电子工业产品之所以能行销世界，都是与日本大量采用机器人生产分不开的。
2.3能够扩大就业和促进科技创新
机器人在生产生活中的广泛应用，不仅可以使体力劳动和熟练工种减少，增加劳动者的脑力劳动，而且新的工种增多。
因此，机器人部分代替了人的工作之后，不但不会造成失业，反而能扩大就业机会。
据统计报道，在20世纪80年代中，日本的制造业因应用机器人虽使焊工减少了4.9%，机床操作工减少了2.3%，但在电子计算机操作员增加了4.5%，穿孔机操作员增加了4.6%，软件技术员增加了10.2%，电气技术员增加了7.5%，机器技术员增加了7.0%，社会就业率呈上升趋势。
人类社会最宝贵的资源之一就是人的创造力，劳动力密集型的产业不能充分发挥人力资源的创造力。
只有充分利用机器人或自动化程度高的机器人代替人，就可以使人类更多地从事创造性研究工作，最大的发挥人的创造力，加快技术创新速度，促进社会发展。
2.4帮助人类探索一些特殊的未知领域
随着机器人的发展，它还能不断地拓宽人类的活动领域，使人类可以进入到过去想进入而无法进入的地方。
开发和利用太空以及宇宙中其他星体的前景无限美好，可是恶劣的空间环境给人类在太空和其它星体的生存活动带来巨大的威胁。
仅仅要使人类在太空停留，就需要有庞大而复杂的环境控制系统、生命保障系统、物质补给系统、救生系统等，这些系统的耗资十分巨大。
更不用说远的其它遥星体了。
在未来的空间活动中，不仅要探索还要建设一些重要的保证人类生活工作的设施，这些工作光靠人类是很难完成的，由于机器人相较于人类而言能更好的适应地球以外的环境，所以可以帮助人类建设和开发太空和其它星体。
地球的表面积的71%被海洋覆盖着，而人类的研究仅仅停留在浅海，由于海底的巨大压力和恶劣的环境，人类很难进入到海洋的底部，而机器人可以战胜海底恶劣的环境帮助人类研究和探索海洋的更深处。
帮助人类更好的了解地球生命的起源地—海洋。
3机器人在各领域中的应用
3.1机器人技术在农、林、牧、渔方面的应用。
农、林、牧、渔产业是人类社会最原始的产业也是其它产业的基础，更是国民经济的基础和重要组成部分。
在发达国家，第一产业已经基本实现机械化，并且正在向机器人应用方面迈进。
我国的机械领域由于历史原因发展较晚以及我国幅员辽阔，地形复杂，第一产业的机械化水平相较于发达国家有一定的差距，但是这并不影响机器人在第一产业的发展和普及，并且还是一次更好的实现跨越式发展的极好机会。
因为机器人的应用就是为了能更灵活的适应各种环境，所以非常符合我国的国情。
仅仅机器人在农业方面的应用就能使我国农民摆脱几千年面朝黄土背朝天的繁重劳动。
机器人在农业方面的应用相较于二、三产业方面有优势也有不足。
优势在于农业机器人更新换代的周期长，因为农业已经经历的几千年的发展劳作模式相对固定。
虽然初始投入成本高但是使用周期长，综合成本较低。
我国在农业机器人方面的发展较晚但是进步很快，我国已经研制出多款农业机器人，国外农业机器人的研究中，日本由于研究时间比较早，现在在技术上处于领先地位。
3.1.1比较著名的机器人有西红柿采摘机器人、黄瓜采摘机器人、西瓜采摘机器人等，此类的机器人的系统工作原理就是设定成熟果蔬的颜色，大小等特征。
让机器人通过这些特征用摄像头进行观察然后锁定目标进行采摘。
西班牙发明了采摘柑橘机器人，这种机器人通过把柑橘颜色、大小等与体内已设好程序对比，从而判断柑橘是否已经成熟。
英国西尔索研究所开发了采蘑菇机器人，这种机器人可借助装有的计算机软件和录像机确定蘑菇是否达到采摘标准。
如图1是一种采摘草莓的机器人，图2是中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人，其工作原理与以上机器人基本相同。
图
（1）草莓采摘机器人
图
（2）黄瓜采摘机器人
图（3）蘑菇采摘机器人
3.1.2喷药机器人，喷药机器人的应用能更好的保护农民的身体健康，并能提高作业效率。
图（4）喷药机器人
3.1.3放牧机器人，英国研究出一种底座是四轮车的多功能牧羊机器人。
它由雷达导航系统，视觉传感器、摄像机和录像机构成。
它能查数、分发羊饲料，把走散的羊赶回羊群。
同时，它的工作还包括护卫庭院、安全检查、寻觅救援等。
英国研究出一种具有放牧能力的机器人，它包括机械运动装置、计算机及摄像机。
它可进入鸭舍，赶出鸭群，通过计算机程序找到鸭群到达目的地的最佳路径。
3.1.4耕耘机器人是在原有的拖拉机上加上一些磁方位传感器、电脑等自动调整机构从而能辨别、判断自身位置和前进方向。
除此之外各国还根据不同的情况研制了除草机器人、嫁接机器人、育苗机器人、剪羊毛机器人、挤奶机器人、葡萄树修剪机器人、伐木机器人等。
机器人在第一产业的应用近年来虽已有重大发展，但由于在第一产业领域应用的历史还比较短，至今还没有普及。
首先由于前期资金投入问题，机器人应用的前沿，工业有充裕的资金来研发和应用机器人，而第一产业领域应用机器人的主要群体资金并不宽裕。
从而导致了机器人普及的滞后。
第二，从操作上讲，现在的机器人操作相对第一产业应用群体来说，还是比较复杂的，一般的农民很难自己操作。
但是随着我国在机器人研究领域的不断深入，和政府资金的不断注入，价格低廉，智能化更高的机器人一定会研制出来，这样就能解决操作难的问题。
3.2工业领域—机器人应用的中心地带
机器人发明的最初目的就是为了工业的发展。
工业也是机器人应用最早和最成熟的领域。
目前机器人的应用已经渗入到工业的各行各业，应用最主要和最成熟的行业有焊接、冲压、码垛、装配、搬运、机械加工、喷涂、注塑、热处理、铸造、采矿等各行各业。
3.2.1焊接机器人
焊接时机器人应用最广泛的领域之一。
焊接工作是一项单调而复杂并且繁重的劳动。
焊接过程中还会产生很多有害的物质影响工人的健康，例如，焊接过程中产生的噪声、高频电磁辐射、光辐射等，一些危险环境下的焊接甚至会影响人的生命安全。
焊接领域也是职业病的高发地带。
焊接工作对操作者的定位精度和重复定位精度要求非常高，而机器人在这方面比人有着先天的优势，这也是促进机器人在焊接行业迅速普及的重要因素。
焊接机器人的应用能极大的提高生产效率和保护工人的身体健康和生命安全。
目前焊接机器人大都是固定式的，可移动式焊接机器人的研制还处于待研究阶段。
但是就发展前景来说可移动式焊接机器人有更大的应用前景。
图5是我国唐山开元机器人系统有限公司研发的标准型焊接机器人—ARCMAN-MP。
图6是机器人焊接生产线。
图（5）焊接机器人
图（6）机器人焊接生产线
3.2.2冲压机器人
冲压作业的危险性很高，并且十分单调和繁重，稍不留神就会对人体造成重大的伤害。
冲压作业具有危险系数高，事故多发等特点。
目前冲压作业主要的危害有噪声污染、有毒物质（润滑油雾）对人体的伤害等。
由于近年来我国对工人保障力度的加大，使得冲压行业的人工费用越来越高，并且机器人在冲压作业中的良好表现等都促进了机器人在冲压领域的普及。
图7的德国库卡公司的冲压机器人KR100R3500型，其负荷是100kg，附加负荷是50kg，最大工作范围3.5m，重复精确度是±0.06mm，轴数为6轴。
图8是工作中的冲压机器人。
图（7）冲压机器人
图（8）工作中的冲压机器人
3.2.3码垛机器人
码垛作业是一项繁重的体力劳动，工作强度大，并且具有一定的危险性。
近年来我国经济高速发展，需要的码垛工人越来越多，与之形成鲜明对比的是愿意从事码垛作业的工人却越来越少，这也直接导致使用码垛工人的成本越来越高。
虽然码垛是一项单调且劳动强度大的作业，但是码垛作业对工人的技术要求并不是很高。
所以以上几点也是码垛机器人得以在码垛作业中迅速普及的重要因素。
码垛机器人具有可以连续长时间工作且作业能力强，安全、稳定的好处，更具有工作效率高，负重能力强，精确度高等优点。
加之码垛机器人的成本相对于人工的成本正在变的越来越有竞争力，因此近年来在欧美、日本等发达国家的码垛机器人应用已超过70%以上，在日本码垛机器人在码垛市场的占有率超过了90%，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。
码垛机器人能适应于纸箱、袋装、罐装、箱体、瓶装等各种形状的包装成品码垛作业。
图9是工作中的码垛机器人。
图（9）码垛机器人
3.3第三产业—机器人应用的前沿领域
第三产业的发展是一国经济发展的重要标志，第三产业的发展能更快的加快我国的社会的现代化进程。
加快发展第三产业能扩大就业领域，显著提高人民生活水平和改善人民生活质量。
欧美日等发达国家的第三产业占其GDP的比例一般都在百分之七十以上。
而我国的第三产业在GDP占比不到百分之五十。
在未来我国的第三产业必将会得到快速的发展。
这也是机器人进入第三产业的最佳时期，机器人在第三产业的应用有很大的优势。
例如一些企业应用的咨询机器人可以实现24小时全天候同时为大量客户服务，这是人工很难办到的。
3.31机器人在医疗卫生领域的应用
在每一次的科技进步之中，医疗技术的进步无疑是人类最直接受益的方面，由于机器人有很高的精确度在进行一些微创手术时的精确度是人类所无法达到的。
机器人在卫生医疗中的应用极大的改善了医生的工作条件，提高了手术的质量，减轻了患者的痛苦。
目前由于技术上的限制，医疗机器人还不能独自的进行手术操作，需要在医生的指导下进行，但是这样已经可以很大程度的减轻医生的劳动强度了。
现在应用比较成熟的手术机器人主要有以下三种机器人：
1、达芬奇手术系统
2、ZEUS机器人手术系统
3、AESOP机器人系统
手术机器人的优点：
1、可以实现精密的远程手术，节约宝贵的手术时间。
2、缩小手术切口，减轻病人痛苦，加快恢复时间。
3、节省医生体力，防止医生因疲劳产生的手部颤动。
图（10）手术机器人工作示意图
3.32机器人在第三产业领域正在全面高速发展
机器人在第三产业的应用是一个发展趋势，现在很多大学和研究机构都在研究应用于服务业的机器人。
未来机器人在第三产业中的应用必然会像机器人现在在制造业的应用一样得到广泛普及。
机器人在第三产业的应用由于涉及到安全稳定性的问题，现在处于刚刚起步的阶段，但是发展迅速。
现在已经研制出了，导游机器人、清洁机器人、汽车加油机器人、图书馆管理机器人、迎宾机器人等。
图11导游机器人。
图（11）导游机器人
4机器人发展方向
随着机器人在社会中的不断普及和应用，人们对机器人实用化、市场化的呼声也越来越高。
未来机器人的发展将有一个非常大的发展空间。
未来机器人可能会朝着一下几个方面发展。
1外形结构的拟人化和微型化
机器人发展的初级阶段是以机械手的形式呈现的。
当时由于技术、资金、性价比等方面的原因，并没有注重发展拟人机器人。
随着技术的不断进步，还有机械手式机器人呈现的不足，拟人化的机器人正在得到快速的发展。
机械手式机器人的不足之处有：
1、机械结构通用性差，更换工具繁琐，几乎不可能只通过软件升级就适应新的生产线或者其它行业。
2、不具备自我修复和维护的能力，因为机械手为了节约成本和技术的问题，一般不具备自我修复的硬件条件。
3、现在的机械手大部分是固定式的，工作空间有限，限制了其工作能力。
4、一般机械手的变成需要专业人员来完成，不具备自我学习的能力。
微型化也是机器人发展的一个目标，研制纳米级的机器人可以进入人体内部，帮助人体清理垃圾，治疗疾病等。
2功能的多样化
机器人以后的发展方向必然是向着多功能、多扩展性的方向发展，听、视、触、嗅、味觉将会是机器人必备的功能。
在现今的机器人中，听、视觉发展相对较快，在触、嗅、味觉方面的由于技术上的限制，现在还没有研制出在这些方面比较成熟的感应装置。
人类的生活节奏越来越快，人与人之间的沟通也越来越少，人们期望研发一种能与人进行沟通的机器人，并且能成为人的伙伴。
听觉可以帮助机器人更好的接受一些声波信号，而这种信号是人类最容易使用的方法，有助于人类更好的控制机器人。
视觉的发展，以后的视觉系统将会带有三维立体效果，可以帮助机器人更好的掌握平衡感，行走的稳定性。
并且能够更好的了解外界信息。
触觉是机器人发展的一个瓶颈，导致机器人有力不能用的尴尬。
因为现实中很多物质的软硬程度不同，需要机器人能够很好的去感知受力情况，从而不至于把物体损坏，或者由于无意而伤害人类。
嗅觉和味觉可以更好的帮助机器人了解整个世界，也有利于机器人进入到餐饮行业，真正做到无所不能，一个全职的人类伙伴。
3具有自我学习和思考的能力
机器人相对于人最大的不足就是不具有思考和再学习的能力，这也是由于多方面原因造成的。
首先人类对自身的这种能力的认识也不是很彻底。
其次机器人的大脑（CPU）的运算能力还是不如人脑。
不过相信在不远的将来，人类对于这种能力的认识足够清楚之后，并且更加强大的CPU将能被研制出来。
机器人也将很快就具有这种思考和自我学习的能力了。
5结论
综上所述，机器人从无到有，到现在得到了广泛的发展。
相信在不久的将来，机器人将走进千家万户成为人们生活、学习和工作的好帮手。
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