机器人技术的发展与应用综述

秦 汉

（赤峰工业职业技术学院，内蒙古 赤峰 024000）

机器人技术的发展与应用综述

秦 汉

（赤峰工业职业技术学院，内蒙古 赤峰 024000）

随着计算机技术不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，在航空、物流、服务业、教育业、军事等诸多行业中发挥出日益重要的作用.其中居主导地位的工业机器人已成为一种高新技术产业，具有效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势，在传统制造业，特别是劳动密集型产业的转型升级中发挥重要作用.本文通过回顾机器人的发展背景和起源，针对当今机器人的种类、功能和发展现状进行简介.

机器人；工业应用；教育；医疗；军事

随着智能控制、机械、通讯、电子等技术的进步与发展，机器人技术及其产业在生活中的方方面面中发挥着重要作用.人类对于机器人有着长期的刚性需求，主要有以下原因：机器人是制造业发展的基石；在工业上应用可以提升精度和效率；机器人产业可以渗透在如医疗、教育、服务、军事等生活中的诸多方面.研究机器人产业具有重要的社会价值.

在过去的几十年里制造业得到了快速发展.但是，全球化经济模式已明显改变了制造业的格局.随着劳动力成本的提高，大量劳动密集型产业面临转型升级和区域性转移的挑战.工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势，在传统制造业，特别是劳动密集型产业的转型升级中可发挥重要作用.

综上所述，本研究面向机器人进行调研，介绍机器人的发展历史、机器人在工业领域和非工业领域的应用情况进行简述.

1 机器人的发展简史

科学的发展带动着机器人产业的发展，现今很多前沿技术在机器人产业均有应用，可以说机器人的发展史也是世界科技发展史的体现.

机器人的发展大体可概括为三个阶段.第一阶段的机器人只有“手”,即以固定程序工作,对外界的信息没有反馈互动能力；第二阶段的机器人具有了一定的反馈能力,即有了感觉,如力觉、触觉、视觉等；第三阶段,即“智能机器人”阶段,这一阶段的机器人已具有如自行学习、推理、决策、规划等自主处理事物的能力.

第一代机器人一般可以根据编程人员所固化的程序，完成一些简单的重复性工作.这一带机器人从20世纪60年代后半期开始投入使用，由于其操作简单，可靠性高，成本低廉，现已在很多中小型工厂中得到了普遍应用.

第二代是感知机器人，即自适应机器人，该类型机器人在前一代机器人机械结构，电气结构的基础上增加了“感知”的能力.目前，在汽车、航空、船舶等自动化生产线中具有广泛的应用.其工作效率、工作能力较第一代机器人有明显提升.

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.目前，这类机器人处于试验阶段，将向实用化方向发展.

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.

2 机器人的发展趋势及其分类

机器人是先进制造技术及自动化装备的典型代表，是人类制造机器的终极形式.其需要的理论及实践知识包罗万象，涉及机械、电子、液压、自动控制原理、计算机、人工智能、传感器及其应用、通信技术、网络技术等多个学科及领域，是多种高科技技术理论的集成成果.

其应用的领域主要分为两方面，制造业领域和非制造业领域.本文以制造业机器人（即工业机器人）和非制造业机器人两类进行简述.

2.1 机器人在工业上的应用

“工业机器人”一词由《美国金属市场报》于1960年提出，经美国机器人协会定义为:“用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置[1]”这一定义现已被国际标准化组织所采纳[2].

随着工业机器人发展深度和广度的延伸及其智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用.目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中.在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用，并从传统的制造领域向非制造领域延伸:如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等.在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域，工业机器人的应用也越来越多.现将其典型应用举例如下.2.1.1 机器人自动化装配线

由于机器人的智能化，精度高，效率高等特点.其在发动机，变速箱等车辆核心部件装配生产线上的应用日益广泛.

马丁路德公司的摩托车发动机装配线如图1[4]所示.装配工作台由2台FANUC机器人组成，实现了连杆、曲轴、活塞、缸盖、缸体的自动化传送和装配，采用视觉系统与力控软件，以适当的力度不断轻推零件，使其以很小的接触力滑入就位，保持工件不受损伤[3].

图1 摩托车发动机机器人装配线

2.1.2 搬运机器人

为了提高自动化程度和生产效率，制造企业通常需要快速高效的物流线来贯穿整个产品的生产及包装的过程，搬运机器人在物流线中发挥着举足轻重的作用.其一方面具有人难以达到的精度和效率，另一方面可以承担大重量和高频率的搬运作业，因此被广泛应用在搬运、码垛、装箱、包装和分拣作业中.

2.1.3 打磨抛光机器人

机械零件形状不断向复杂化、多样化发展，实现打磨抛光工艺的机器人少有统一的方案.在打磨抛光加工中，机器人的工作方式有两种，一是机器人夹持被加工工件贴近加工工具，如砂轮、砂带等，进行打磨抛光加工；另一种方法是机器人夹持打磨抛光加工工具贴近工件进行加工.

2.1.4 移动式工业机器人

对于大尺寸工件的制造，如航空航天产品，传统的工业机器人无法胜任.首先，大尺寸工件由于重量和尺寸巨大，不易移动；其次，工业机器人相对工件而言尺寸不足，如果单纯地按比例放大，机器人制造和控制成本将十分高昂，因此，移动式工业机器人是一个很好的解决方案.

2.1.5 码垛机器人

最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运的国家是日本和瑞典.20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业[5].1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运[6].此外，德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高，如德国的KUKA，瑞典的ABB，日本的FANUC等.

2.2 非工业机器人应用举例

由于技术进步，制造成本下降，机器人正悄无声息的进入到平常人的生活、学习和工作中.它们可以做家务，在战场上侦查，甚至还可以自主进行精细的手术.在教育、医疗、军事和服务行业中，小型的非工业机器人正发挥着重要的作用.下文仅列举几个典型实例.

2.2.1 教育机器人

教育机器人是以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件.它除了机器人机体本身之外，还有相应的控制软件和教学课本等.

近年来，教育机器人逐步成为中小学技术课程和综合实践课程的良好载体.目前常见的教育机器人既有类人形的教育机器人，也有非人形的机器人.青少年可以与机器人实现基本的互动交流，并可以对机器人的结构功能进行改装扩展.如图2[7]所示，该学生操控的机器人属于可进行拆解、重组、功能扩展的机器人.通过了解机器人的结构部件和所需知识等，操控者可较为便捷地掌握机器人的基础功能，并开拓思维进行创新.

图2 2016洛阳智能装备展览会展出的教育机器人

2.2.2 炒菜机器人

炒菜机机器人不仅实现了煎、炒、炸等中式烹饪技术的智能化，还可以轻松做出意大利、希腊、法国等世界各地风味菜肴.机器人自动炒菜机实现了炒菜过程的自动化，只需轻轻一按，就可以享受到世界各地的地道美食，烹饪过程不粘不糊不溢，而且安全、节能、无油烟.

2.2.3 医疗机器人

随着机器人产业的快速发展，医疗机器人的发展已经得到了全球高度关注.我国人口老龄化的加剧和科技的发展，人们对生活各个方面的要求也在提高.以医疗机器人为代表的服务机器人蕴藏着极大的发展空间，未来的市场规模很可能会超过工业机器人.美国已经把手术治疗机器（图3[8]）、假肢机器人、康复机器人、心理康复辅助机器人、个人护理机器人、智能健康监控系统定为未来发展的六大研究方向.

图3 手术机器人

2.2.4 军事机器人

作为立国之根本的国防业，机器人也已经在悄然地发挥作用.因其具有常规作战人员不具备的优点：灵敏度高、载重能力强、高续航能力、可在特殊场合进行特种作战任务.最重要的是可以减少人员的伤亡.其在战场上可进行电子干扰、信息采集、侦查、突击、排雷、爆破、运输等任务.

3 小结

以上是机器人应用典型实例，涉及工业机器人以及非工业机器人的应用，包括工业、军事、教育、服务等行业.由于应用范围广泛，故不一一列举.目前机器人产业发展迅猛，相关技术也日新月异.因其可适应能力强，智能化程度不断提升，预计未来会被应用在人类生活的方方面面，大到宇宙探索，小到衣食住行.届时，人类需要思考机器人大面积普及后的伦理、人文等社会问题.如人工智能会不会造成人员大面积失业？智能化的最终结局会不会使人类逐渐退化？机器人最终有无可能成为人类的克星？这一系列的问题值得我们深思.

〔1〕蒋新松.国外机器人的发展及我们的对策研究[J].机器人.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〕摩托车发动机装配的机器人自动化[EB/OL].[2013-05-10].http://www.Robot-cn.net/photo/show.Php？itemid=136&page=1.

〔5〕胡洪国.高建华.杨汝清.码垛技术综述[J].组合机床与自动化加工技术，2000(6):7-9.

〔6〕毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008(7):5-7.

〔7〕宗宁.世界互联网大会揭开智能教育机器人时代帷幕 [EB/OL].[2016-11-19].http://it.sohu.com/20161119/n473628717.shtml.

〔8〕我国机器人产业迅速增长 医疗服务领域发展潜力巨大.[EB/OL].[2016年08月15日]http://www.chinabaike.com/t/10472/2016/0815/56783 85.html.

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