030131机器人技术发展状况-孙立宁-第1章

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　　孙立宁，哈尔滨工业大学机器人研究所所长，博士生导师。机电工程学院副院长，1981年考入哈尔滨工业大学机械工程系，1993年获得博士学位。主要从事微　操作机器人、工业机器人技术等方面的研究工作。取得过多项重要的研究成果。

　　内容简介

　　首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

　　另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

　　那么什么是机器人呢？人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。

　　刚才我们用了短暂的时间，讲了机器人的发展以及我们对机器人的看法，进行了简单地介绍，相信大家在今后的学习中，能够加入到我们研究机器人这个行列中。

　　全文

　　首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中；来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。

　　那么下面我谈一下就人们很关心的问题，为什么要发展机器人？那么简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由：一个是机器人干人不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳；一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。

　　那么什么是机器人呢？这个问题是一个非常有意思的一个问题。但人们一般的理解，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置，它仍然是个机器。它有三个特点：一个是有类人的功能，比如说作业功能；感知功能；行走功能；还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。它是人造的机器或机械电子装置，所以这个机器人仍然是个机器。但是目前还没有一个统一的有关机器人定义，一般来说我们认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某种工作或可以移动的自动化机械，这是美国工程师协会定的一个定义，但日本和其他国家也对机器人有不同的看法，他们认为从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，那么比方说机器人在这里边可以代替人进行焊接，焊接的环境是非常复杂的，可以搬运，它在生产线中搬运玻璃和各种各样的一些零件的搬运的工作，还可以在生产线中码垛等等，这都是把人从繁重的体力劳动中解放出来的一个例子。

　　那么机器人怎么产生的呢？这是在1920年，有一个捷克斯洛伐克的一个作家叫卡佩克，他写了一本科幻小说，叫《罗萨姆的机器人万能公司》。这本小说中他构思了一个和幻想了一个机器人，它的名字叫罗伯特，也就是我们英文中的Robot，它可以不吃饭，它能够不知疲劳的，不知疲倦地进行工作。在1920年前后，大家也知道是在第一次世界大战以后，是各国工业发展比较迅速的时期，我们看到电影《摩登时代》，卓别林主演的人变成了机器人，在生产线中天天的进行劳动。人们在这种烦躁的体力劳动中就幻想有一种能代替人完成这样工作的想像、一种需要，这个小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，还变成了一种当时的木偶剧和一些话剧，所以这样的一个机器人的名词就向全世界铺展开来，当时人们还认为是一个科幻小说，还没有把它跟我们日常的学习工作和生产结合起来。

　　但通过这样一个小说，一个罗伯特这样一个名词，它体现了人类长期的一种愿望，这种愿望就是创造出一种机器，能够代替人进行各种工作。这种想法是机器人产生的一种客观的要求，那么真正机器人的发展是在1947年，美国橡树岭国家实验室在研究核燃料的时候，大家知道核燃料，它有X射线对人体是有伤害的，必须有一台机器来完成像搬运和核燃料的处理这样的工作。在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，那么1947年以后大家知道，是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。那么在1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在1947年产生，真正意义的机器人在1962年产生。那么相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了20世纪60年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器人。到20世纪70年代的时候，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像ABB，MOTOMAN，还有安川公司，还有很多机器人公司像OTC等等公司。它们都是已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式的走向应用。

　　在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司，日本几家公司和日本的FUNAC公司，都在工业机器人方面都有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，扩展了它的作业空间，向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。

　　那么总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。

　　那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。

　　那么从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。

　　下面我简单介绍一下我国机器人发展的基本概况。刚才谈到了日本在20世纪60年代和美国都在开始进行机器人的研究，由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。

　　目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。

　　下边我简单介绍一下工业机器人的一些情况，到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售110万台，这是1999年的统计，但这110万台在已经进行装备使用的是75万台，这个量也是不小的。总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本，中国刚开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，而有小批量在生产中使用，这也是整个在日本、美国以及我们国家在工业机器人情况的一些比较。

　　这是点焊机器人，点焊机器人刚才讲的，主要是针对汽车生产线，提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度的一种机器人。它的特点是通过机器人对两个钢板进行点焊的时候，需要承载一个很大的焊钳，一般在几十公斤以上，那么它的速度要求在每秒钟一米五到两米这样的高速运动，所以它一般来说有五到六个自由度，负载三十到一百二十公斤，工作的空间很大，大概有两米，这样一个球形的工作空间，运动速度也很高，那么自由度的概念，就是说，是相对独立运动的部件的个数，就相当于我们人体，腰是一个回转的自由度，我们大臂可以抬起来，小臂可以弯曲，那么这就三个自由度，同时腕部还有一个调整姿态来使用的三个自由度，所以一般的机器人有六个自由度，就能把空间的三个位置，三个姿态，机器人完全实现，当然也有小于六个自由度的，也有多于六个自由度的机器人，只是在不同的需要场合来配置。

　　弧焊机器人也是工业机器人中一个最重要的方面，像我们汽车的后桥，进行焊接的时候，它连续焊接，所以它的特点是连续轨迹控制，所以它要求的轨迹精度要求非常高，一般来说也是五到六个自由度，由于它焊枪比较小，所以在五到十公斤就可以了，这个方面是在国际和国内应用非常大的一类机器人，在另一方面像搬运和铆接，这些工作场合下，像搬运，主要是要求机器人有很高的速度，承载能力很多、很强，像日本的大库机器人，它可以承载三百公斤，抓取、来进行搬运和码垛。

　　第二类是服务机器人，随着工业化的发展，尤其近十年以来，机器人的发展的应用领域在不断拓宽，目前一个很重要的特征，大家都知道，机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，刚才谈的汽车制造属于是制造业，但服务行业包括清洁、加油、救护、