机器人发展综述

2017年10月机器人应用与发展综述1/9机器人应用与发展综述熊健孙亚超王建波问皓月王文杰（西安交通大学机械工程学院西安）摘要：本文首先介绍了机器人的发展现状，对比了国内外机器人发展的方向，阐述了我国机器人发展不足；之后结合目前已经广泛应用的各种机器人，介绍了现有机器人的分类及其优缺点，以及机器人给现代生活带来的影响；接着介绍了当前环境下机器人发展的难点和热点问题；最后本文对机器人的发展进行了展望，对未来可能出现和发展的机器人进行介绍。关键词：机器人；发展现状；差距；难点；热点；展望SurveyonAgriculturalMachineryXIONGjianSUNYachaoWANGwenjianWENGhaoyueWANGJianbo（MachanicalAcademy,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an）Abstract:Thispaperfirstlyintroducesthedevelopmentstatusofrobot,comparesthedevelopmentdirectionofdomesticandforeignrobots,andexpoundsthedevelopmentofrobotsinChina.Afterthat,weintroducedtheclassificationandadvantagesanddisadvantagesofexistingrobots,andtheinfluenceofrobotsonmodernlife.Thenthedifficultiesandhotspotsofrobotdevelopmentinthepresentenvironmentareintroduced.Intheend,thispaperlooksforwardtothedevelopmentofrobot,andintroducestherobotthatmayappearanddevelopinthefutureKeywords:Robotcontroller;Currentsituationofthedevelopment;Gap;Thedifficulty;Hotspots；Future1引言机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险，复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学，控制论，计算机、人工智能和系统工程等多学科知识干一身的高新技术综合体。工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。[1]1972年我国开始研制自己的工业机器人。。七五”期间。国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关。完成了示教再现式工业机器人成套技术的发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863[2]计划)开始实施。智能机器入主题跟踪世界机器入技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。20世纪90年代。我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、装配，喷漆，切割，搬运等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程．形成了一批机器人产业化基地，为我国器人产业的腾飞奠定了基础。本文将从机器人发展现状开始，介绍当前机器人发展所取得的成绩，之后将介绍目前已经广泛应用的各种机器人及其优缺点，并介绍当前环境下机器人发展的难点和热点问题，以及机器人的发展趋势。2机器人发展现状2.1国内机器人发展现状我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人2017年10月机器人应用与发展综述2/9自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。品牌基础薄弱，中国机器人缺乏大型支柱企业，更难以形成产业集群和规模效应[3]。核心零部件研发滞后，核心零部件缺乏领先的自主创新技术及产品，市场主要被国外行业巨头所垄断。低端产能过剩，盲目扩张生产能力，生产出来的机器人产品只能聚集在中低端应用领域进行价格竞争。中国是农业大国，现代农业的持续快速发展必须依靠农业机械的物资辅助，良好的农业机械装备不仅对生产水平的提高起到促进作用，也将对生产专业化、规模化、集约化和商品化带来强有力的保障。[4]服务机器人持平世界，甚至赶超。相比工业机器人的复杂，简单的服务机器人发展似乎比较乐观。现场有两位嘉宾均是做扫地机器人的，他们都对中国的服务机器人很有信心，表示已经走在世界水平线上，甚至有些地方已经赶超。扫地机器人和陪伴类机器人已经持平甚至超越国际水平，尤其是在语义识别上已经不输其他国家，目前中国语言类机器人还是做得比较好的。包括科大讯飞和图灵。他们会给语言类机器人做强有力的支持。不过，中国现在还并没有出现一款真正让人认知深刻的服务机器人。2.2发达国家农业机械发展现状机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。正如《2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样[6]，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划（2003～2007年），现正在实施中。机器人广泛应用于国外各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。机器人的应用主要有两种方式[5]，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线。后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为50亿日元，经过70年代的应用期和80年代的普及期，1981年产值达到1000亿日元，到1991年提高到6000亿日元，到2000年，其产值达到10800亿日元，2005年将达到18500亿日元。2.3中西方农业机械发展差距对比发达国家来说，我国的工业机器人相对过于简单，核心计划和核心部件仍需要进口，水平比较落后，自主创新能力也不够，智能的高端的机器人对比发达国家是严重滞后，很多先进仪器还需要从国外引进[1]我国农业机械化同西方发达国家相比，其许多方面的机械生产还处于空白状态。以及市场的恶性竞争较为严重，使得机器人的发展2017年10月机器人应用与发展综述3/9收到了严重影响[9]。[2]3广泛应用的机器人3.1机器人的分类机器人发展至今体系庞大，分类广泛。按照功能可以分为：操作机器人，移动机器人，信息机器人。操作机器人能自动控制，可重复编程，拥有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。移动机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业，或是危险的工作。信息机器人是通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业的机器人[10]。3.2具体机器人设备3.2.1软体机器人软体机器人是一类新型仿生连续体机器人，可以任意改变自身形状，在非结构化环境中应用前景广阔[11]。软体机器人是一种新型连续体仿生机器人．虽然在生物学中软体生物组织结构理论已经相当成熟，但目前对软体机器人的研究仍处于起步阶段，在设计具有类软体生物组织结构的仿生软体机器人基础上进行运动控制和步态规划是研究趋势．现有软体机器人按功能特性可以分为两类：具有爬行、蠕动、游动、跳跃能力的运动型机器人和具有抓取、提升物体能力的操作型机器人。软体机器人多采用气动－液压驱动技术成熟，反应速度快，功率密度高。气动－液压驱动需要空气、液体流通的管道，软体机器人本体制作过程将管道嵌入其中，形成驱动－结构一体化，提高驱动效果的同时有效避免渗漏，如图５所示，该机器人采用低7压空气即可驱动，采用的最高气压为7psi。由于软体机器人具有无限自由度，而现实中致动器个数是有限的，要实现精确实时控制实现对机器人形态与位姿进行精确控制．建立柔性机构的性能控制及监测方法。3.2.2家用服务机器人家用服务机器人起步较晚，一直到1999年宠物机器人爱宝的推出，才标志着家用服务机器人第一次大规模地在商业市场中亮相。然而，二十一世纪以来，家用服务机器人的研发迅速成为一个热点，具有巨大潜在市场的家庭、个人服务机器人产业也逐渐发展壮大起来。不同国家对家用服务机器人的研发重点不一样，发展历程也不一样。实现在室内环境中的自主导航，是大部分家用服务机器人最基本的能力之一。室内移动机器人的自主导航通常涉及到三方面的问题：地图表示与创建、自主定位和路径规划。2017年10月机器人应用与发展综述4/9（a）地图表示与创建。按照是使用绝对坐标系还是抽象出来的拓扑关系来描述环境特征，可以将机器人地图的表示方法分为三大类：度量表示、拓扑表示以及混合表示。度量表示法使用绝对坐标系来描述环境特征，其又可以进一步分为栅格法和几何表示法[31]等。拓扑表示法[32]使用抽象出来的拓扑关系来描述环境特征，将环境表示为一系列节点以及连接节点的边。每个节点对应于环境中一个特征位置或区域，而连接节点的边表示相应位置间的连通关系。混合表示法将度量表示和拓扑表示相结合。如可采用二级分层结构[33]，第一层为使用拓扑表示法的全局地图，第二层为使用度量表示的以拓扑节点为核心的局部地图，这样既发挥了拓扑表示法简洁、有利于维护全局地图一致性的优点，又发挥了度量表示法容易实现局部精确定位的优势。（b）自主定位定位是指通过融合先验环境信息、机器人位姿的当前估计和传感器测量值等信息，来获取更准确的对机器人当前位姿的估计[34]。家用服务机器人的定位方法，可分为相对定位和绝对定位[35]。相对定位是指以初始位置为先验条件，在行进的过程中根据每一步的运动状态确定当前家用服务机器人在局部环境中的位置。绝对定位也可以称为全局定位，指根据预先确定好的环境地图或者传感器信息获取机器人在全局坐标系中位姿。定位和地图创建这两个问题具有高度的相互依赖性，被人们形象地比喻成“鸡和蛋”的问题：机器人的定位需要依赖准确的环境地图，而为了创建地图机器人又要实现准确的定位。SLAM（SimultaneousLocalizationandMapping）[36]技术，顾名思义，试图同时考虑机器人的定位和地图创建问题。SLAM指机器人从未知位置出发，在运动的过程中利用自身定位信息估计观测到的环境路标位置，建立环境地图，然后利用已经建立的地图来校正机器人的定位[37]。它的基本原理是基于概率统计的方法，通过多特征匹配来实现机器人定位与地图创建并减少误差。（c）路径规划传统的机器人路径规划算法研究的是从起始点运动到目标点的类型，期望输出是一条安全的在某种意义上最优或者较优的路径。常用的方法主要包括路线图法[38]、单元分解法[39]、势场法[40]、萤火虫算法[41]和遗传算法[42]等。家用服务机器人的许多应用场合需要该类型的路径规划。传统的起始点-目标点型的路径规划并不适用于清扫地面、割草等任务。这些任务需要进行覆盖路径规划，即要求机器人必须通过环境中的每个不被障碍物占领的点，并且要避开障碍物和尽量避免重复遍历[43]。常用的覆盖算法有启发式算法、基于模板的方法、单元分解法等