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第一篇：工业机器人
引言
机器人的诞生和机器人学的建立及发展，是20世纪自动控制领域最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。现在全世界已经有100万台机器人，销售额每年增加20%及以上。机器人技术和工业得到了前所未有的发展。机器人技术是现代科学与技术交叉和综合的体现，先进机器人的发展代表着国家综合科技实力和水平，因此目前许多国家都已经把机器人技术列入本国21世纪高科技发展计划随着机器人应用领域的不断扩大，机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，另外，随着需求范围的扩大，机器人结构和形态的发展呈现多样化。高端系统具有明显的仿生和智能特征，其性能不断提高，功能不断扩展和完善；各种机器人系统便逐步向具有更高智能和更密切与人类社会融洽的方向发展。
一、早期机器人的发展
机器人的起源要追溯到3000多年前。“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。
直到四十多年前，“机器人”才作为专业术语加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却已存在三千多年了。早在我国西周时代（公元前1066年~前771年），就流传着有关巧匠偃师献给周穆王一个艺妓（歌舞机器人）的故事。
春秋时代（公元前770~前467）后期，被称为木匠祖师爷的鲁班，利用竹子和木料制造出一个木鸟，它能在空中飞行，“三日不下”，这件事在古书《墨经》中有所记载，这可称得上世界第一个空中机器人。
东汉时期（公元25~220），我国大科学家张衡，不仅发明了震惊世界的“候风地动仪”，还发明了测量路程用的“计里鼓车”，车上装有木人、鼓和钟，每走1里，击鼓1次，每走10里击钟一次，奇妙无比。
三国时期的蜀汉（公元221~263），丞相诸葛亮既是一位军事家，又是一位发明家。他成功地创造出“木牛流马”，可以运送军用物资，可成为最早的陆地军用机器人。
在国外，也有一些国家较早进行机器人的研制。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。
在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。
公元前2世纪，古希腊人发明了一个机器人，它是用水、空气和蒸汽压力作为动力，能够动作，会自己开门，可以借助蒸汽唱歌。
1662年，日本人竹田近江，利用中标技术发明了能进行表演的自动机器玩偶；到了18世纪，日本人若井源大卫门和源信，对该玩偶进行了改进，制造出了端茶玩偶，该玩偶双手端着茶盘，当讲茶杯放到茶盘上后，它就会走向客人将茶送上，客人取茶杯时，它会自动停止走动，带客人喝完茶姜茶被放回茶盘之后，他就会转回原来的地方，煞是可爱。
法国的天才冀师杰克·戴·瓦克逊，于1738年发明了一直机器鸭，他会游泳。喝水、吃东西和排泄，还会嘎嘎叫。
瑞士钟表名匠德罗斯父子三人于公元1768~1774年间，设计制造出三个像真人一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。同时，还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙哥雷姆”，日本物理学家细川半藏设计的各种自动机械图形，法国杰夸特设计的机械式可编程织造机等。1770年，美国科学家发明了一种报时鸟，一到整点，这种鸟的翅膀、头和喙便开始运动，同时发出叫声，他的主弹簧驱动齿轮转动，是活塞压缩空气而发出叫声，同时齿轮转动时带动凸轮转动，从而驱动翅膀、头运动。1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力的。这些机器人工艺珍品，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上，前进了一大步。
二、近代机器人的发展
1920年，原捷克斯洛伐克剧作家卡雷尔·凯培克在他的科幻情节剧《罗萨姆的万能机器人》中，第一次提出了“机器人”（Robot）这个名词，被当成了机器人一词的起源。在捷克语中，Robot这个词是指一个赋役的努力。
20世纪初期，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安地期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。针对人类社会对即将问世的机器人的不安，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫于1950年在他的小说《我是机器人》中，首先使用了机器人学（Robotics）这个词来描述与机器人有关的科学，并提出了有名的“机器人三守则”：
（1）机器人必须不危害人类，也不允许他眼看人将受害而袖手旁观；（2）机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；
（3）机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。
这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。
wps_clip_image-16453 图一 第一代机器人
通常可将机器人分为三代。第一代是可编程机器人（如图一）。这类机器人一般可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作。这一带机器人从20世纪60年代后半期开始投入使用，目前他在工业界得到了广泛应用。第二代是感知机器人（如图二），即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。这类机器人在工业界已有应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业，故称之为智能机器人（如图三）。目前，这类机器人处于试验阶段，将向实用化方向发展。wps_clip_image-30784 图二第二代机器人
今日工业机器人的最早研究可追溯到第二次大战后不久。在40年代后期，橡树岭和阿尔贡国家实验室就已开始实施计划，研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。这些系统是“主从”型的，用语准确地“模仿”操作员手和臂的动作。主机械手由使用者进行导引做一连串动作，而从机械手尽可能准确地模仿主机械手的动作，后来用机械耦合主从机械手的动作加入力的反馈，使操作员能够感觉到从机械手及其环境之间产生的力。50年代中期，机械手中的机械耦合被液压装置所取代，如通用电气公司的“巧手人”机器人和通用制造厂的“怪物”I型机器人。1954年G.C.Devol提出了“通用重复操作机器人”的方案，并在1961年获得了专利。同一时期诞生了利用肌肉生物电流控制的上臂假肢。wps_clip_image-1709 图三 第三代机器人
1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation（Univeral Automation）公司，并参与设计了第一台Unimate机器人（如图四）。这是一台用于压铸的五轴液压驱动机器人，手臂的控制由一台计算机完成。它采用了分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆完成180个工作步骤。与此同时，另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人，即Versatran（Versatile Transfer）机器人。它主要用于机器之间的物料运输、采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。wps_clip_image-29756 图四 Unimate机器人
1959年，美国Consolidated Controls公司研制出第一代工业机器人原型。1960年美国机床铸造公司（AMF）生产出圆柱坐标的VERSATRAN型机器人，可做点位和轨迹控制，同年第一批电焊机器人用于工业生产。随后，美国Unimation公司研制出球坐标的UNIMATE型机器人，它采用电液伺候驱动，磁鼓存储，可完成近200种示教在线动作。
可以说，60年代和70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。主要成就如表一。表一 机器人技术发展编年表 机器人表
虽然，编程机器人是一种新颖而有效的制造工具，但到了60年代，利用传感器反馈大大增强机器人柔性的趋势就已经很明显了。60年代早期，H.A.厄恩斯特于1962年介绍了带有触觉传感器的计算机控制机械手的研制情况。这种称为MH-1的装置能“感觉”到块状材料，用此信息控制机械手，把块状材料堆起来，无需操作员帮助。这种工作是机器人在合理的非结构性环境中具有自适应特性的一例。机械手系统是六自由度ANL Model-8型操作机，由一台TX-O计算机通过接口装置进行控制。此研究项目后来成为MAC计划的一部分，在机械手上又增加了电视摄像机，开始进行机器感觉研究。与此同时，汤姆威克和博奈也于1962年研制出一种装有压力传感器的手爪样机，可检测物体，并向电机输入反馈信号，启动一种或两种抓取方式。一旦手爪接触到物体，与物体大小和质量成比例的信息就通过这些压力敏感元件传输到计算机1963年，美国机械铸造公司推出了VERSATRAN机器人商品，同年初，还研制了多种操作机手臂，如Roehampton型和Edinburgh型手臂。
在60年代后期，麦卡锡于1968年和他在斯坦福工人智能实验室的同事报告了有手、眼和耳（即机械手、电视摄象机和拾音器）的计算机的开发情况。他们表演了一套能识别语音命令、“看见”散放在桌面上的方块和按指令进行操作的系统。皮珀也在1968年研究了计算机控制的机械手的运动学问题。在1971年卡恩和罗恩分析了机械限位手臂开关式（最短时间）控制的动力学和控制问题。
这时，其他国家（特别是日本）也开始认识到工业机器人的潜力。早在1968年，日本川崎重工业公司与Unimation公司谈判，购买了其机器人专利。1969年，机器人出现了不寻常的新发展，通用电气公司为诶过陆军研制了一种试验性步行车。同年，研制出了“波士顿”机械手，次年又研制出了“斯坦福”机械手。后者装有摄像机和计算机控制器。把这些机械手用作机器人的操作机，是一些重大的机器人研究工作开始了。对“斯坦福”机械手所做的一项实验是根据各种策略自动地堆放状材料。在当时对于自动机器人来说，这是一项非常复杂的工作。1974年Cincinnati Milacron公司推出了第一台计算机控制的工业机器人，定名为“The Tomorrow Tool”。它能举起重达45.36kg的物体，并能跟踪装配线上的各种移动物体。
在此期间，智能机器人的研究也有进展，1961年美国麻省理工学院研制出有触觉的MH-1型机器人，在计算机控制下用来处理放射性材料。1968年美国斯坦福大学研制出名为SHAKEY的智能移动机器人。从60年代后期起，喷漆、弧焊机器人相继在工业生产中应用，由加工中心和工业机器人组成的柔性加工单元标志着单件小批生产方式的一个新的高度。几个工业化国家竞相开展了具有视觉、触觉、多手、多足，能超越障碍、钻洞、爬墙、水下移动的各种智能机器人的研究工作，并开始在海洋开发、空间探索和核工业中试用。整个60年代，机器人技术虽然取得了如上列举的许多进展，建立了产业并生产了多种机器人商品，但是在这一阶段多数工业部门对应用机器人还持观望态度，机器人在工业应用方面的进展并不快。
在70年代，大量的研究工作把重点放在使用外部传感器来改善机械手的操作。1973年博尔斯和保罗在斯坦福使用视觉和力反馈，表演了与PDP-10计算机相连由计算机控制的“斯坦福”机械手，用于装配自动水泵。几乎同时，IBM公司的威尔和格罗斯曼在1975年研制了一个带有触觉和力觉传感器的计算机控制的机械手，用于完成20个零件的打字机机械装配工作。1974年，麻省理工学院人工智能实验室的井上对力反馈的人工智能作了研究。在精密装配作业中，用一种着陆导航搜索技术进行初始定位。内文斯等人于1974年在德雷珀实验室研究了基于依从性的传感技术。这项研究发展为一种被动柔顺（称为间接中心柔顺，RCC）装置，它与机械手最后一个关节的安装板相连，用于紧配合装配。同年，贝杰茨在喷气推进实验室为空间开发计划用的扩展性“斯坦福”机械手提供了一种基于计算机的力矩控制技术。从那以后相继提出了多种不同的用于机械手伺候的控制方法。
1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，他是全电动驱动、关节式结构、多CPU二级微机控制、采用VAL专用语言，可配置视觉、触觉的力觉感受器的，技术较为先进的机器人。同年日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARA型机器人。整个70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业生产中逐步推广应用。随着计算机科学技术、控制技术和人工智能的发展，机器人的研究开发，无论就水平和规模而言都得到迅速发展。据国外统计，到1980年全世界约有2万余台机器人在工业中应用。
进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。到80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。机器人在工业中开始普及应用，工业化国家的机器人产值近几年以年均20%~40%的增长率上升。1984年全世界机器人使用总台数是1980年的四倍，到1985年底，这一数字已达到14万台，1990年达到30万台左右，其中高性能的机器人所占比例将不断增加，特别是各种装配机器人的产量增长较快，和机器人配套使用的机器视觉技术和装置正在迅速发展。1985年前后，FANUC和GMF公司又先后推出交流伺候驱动的工业机器人产品。
到80年代后期，由于传统机器人用户应用工业机器人已经饱和，从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂家倒闭或被兼并，是国际机器人学研究和机器人产业出现不景气。到90年代初，机器人产业出现复苏和继续发展迹象。但是，好景不长，1993~1994年又跌入低谷。1995年后，世界机器人数量逐年增加，增长率也较高，1998年丹麦乐高公司推出了机器人套件，让机器人的制造变得像搭积木一样相对简单又能任意拼装，从而使机器人开始走入个人世界。机器人学以较好的发展势头进入21世纪。2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba（如图五），他能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座，这是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。近年来，全球机器人行业发展迅速，2007年全球机器人行业总销售量比2006年增长10%。人性化、重型化、智能化已经成为未来机器人产业的主要发展趋势。现在全世界服役的工业机器人总数在100万台以上。此外，还有数百万服务机器人在运行。wps_clip_image-27967 图五Roomba
阿富汗战争中，美国军方领导人决定向阿富汗派遣一种名为“大狗”的新型机器人，作为增兵计划的一部分。与以往各种机器人不同的是，“大狗”并不依靠轮子行进，而是通过其身下的四条“铁腿”。美媒体报道称，美军正在将阿富汗作为测试这种具有高机动能力的机器人的试验场。机器人发展史 在过去30~40年间，机器人学和机器人技术获得引人注目的发展，具体体现在：①机器人产业在全世界迅速发展；②机器人的应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域；③形成了新的学科——机器人学；④机器人向智能化方向发展；⑤服务机器人成为机器人的新秀而迅猛发展。
我国是从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究和应用开发的主要是高校及有关科研院所等。最初我国在机器人技术方面研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术。随后，我国在机器人技术及应用方面取得了很大的成就，主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993年研制的喷涂机器人，1995年完成的高压水切割机器人，沈阳自动化研究所研制完成的有缆深潜300m机器人、无缆深潜机器人、遥控移动作业机器人。
我国在仿人形机器人方面，也取得很大的进展。例如，中国国防科学技术大学经过10年的努力，于2000年成功地研制出我国第一个仿人形机器人——“先行者”，其身高140厘米，重20公斤。它有与人类似的躯体、头部、眼睛、双臂和双足，可以步行，也有一定的语言功能。它每秒走一步到两步，但步行质量较高：既可在平地上稳步向前，还可自如地转弯、上坡；既可以在已知的环境中步行，还可以在小偏差、不确定的环境中行走。
三、未来机器人的展望
展望未来，对机器人的需求是多面的。在制造工业由于多数工业产品的商品寿命逐渐缩短，品种需求加多，这就促使产品的生产就要从传统的单一品种成批大量生产逐步向多品种小批量柔性生产过渡。有各种加工装备、机器人、物料传送装置和自动化仓库组成的柔性制造系统，以及由计算机统一调度的更大规模的集成制造系统将逐步成为制造工业的主要生产手段之一。
现在工业上运行的90%以上的机器人，都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出了更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动；有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力。这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多真体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、放声技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等。可以说，智能机器人将是未来机器人技术发展的方向。
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