工业机器人课程设计学习报告.docx

机械与车辆学院工业机器人结课论文（2013-2014学年第一学期）论文题目：工业机器人课程设计实习报告 -实现机器人服务人类还有多久姓名：学号：1004040410班级：机械电子工程四班指导老师：曹少泳时间：2013年 11 月 18 日成绩：目录摘要：2关键词：21 机器人概述31.1机器人分类31.2机器人特点41.2.1通用性41.2.2适应性42 机器人职能42.1工业机器人42.2特种机器人53 服务人类的机器人53.1服务机器人分类63.1.1医疗服务机器人63.1.2健康福利服务机器人63.1.3公共服务机器人63.1.4家庭服务机器人73.1.5娱乐机器人73.1.6教育机器人73.2国内外服务机器人发展现状73.2.1欧美国家73.2.2韩国83.2.3中国83.3服务机器人市场需求及趋势93.4服务机器人为什么“可望不可即”93.5服务机器人还有多远104总结10参考文献11摘要：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几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000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。在机器人大家族中，服务机器人是最晚出现，而拥有最有发展潜力的机器人之一。但现阶段种种问题压迫服务机器人普及。在很多研究时间过长、研究经费庞大、构件材料高昂和控制系统复杂化情况下，服务机器人在未来段时间都难以普及普罗大众。更何况要机器人服务人类，未尝有点天荒夜唐，但在一些科研报告中体现到，服务机器人的普及率正在逐年递增，在很多可省的成本上研发者和厂家都已经做出巨大贡献，人类未来的服务机器人可将在未来二十年可以得到真正服务机器人服务人类。关键词：机器人 服务机器人 服务 未来 正文：1 机器人概述机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处！1.1机器人分类关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人；所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人下，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。表一 机器人分类分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，有几个自由度，可固定或运动，用于相关 系统中程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人通过数值、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。分类名称简要解释感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人以人工智能决定其行动的机器人1.2机器人特点机器人具有下列两个主要特征。1.2.1通用性机器人的通用性（versatility）取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。通用性也意味着，机器人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构；或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。1.2.2适应性机器人的适应性（adaptivity）是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人认识其环境，即具有人工知觉。2 机器人职能2.1工业机器人机器人一向是受关注的焦点。在工业上，各种类型的工业机器人展示着“十八般武艺”，人们可以想象机器人是如何代替人手进行一些高精度，高危险的工作环境。我记得在电视上观看过2011中国国际工业博览会展会现场，有一场机器人“搬运比赛”不断上演，多家机器人公司带了目前运用极广的高速“码垛机器人”。他们不仅比速度，而且还比“力气”，如日本发那科的机器人就能一次性搬运整层货物。展会工作人员钱晶介绍，搬运、堆放货物是一件繁重的工作，现在机器人已经可以代替人在车间、码头、仓库等完成这些物流工作。一个小型“智能机器人车身工厂”也被搬到了工博会现场，完成1辆车身的焊接喷涂时间只需1分多钟。此外，还有“会雕刻的机器人”，这台机器人正转动着机械臂刻绘一尊观音，线条清晰，速度极快工博会上出现的这些工业机器人不仅是一种展示，已经应用到了实际的生产、制造环节。在记者采访ABB机器人业务单元中国区负责人顾纯元时，他觉得：“工业机器人是劳动力和生产力的解放。工业机器人在一些高危行业代替人完成任务，并且能将人从大量重复性、枯燥的生产流水线上解放出来。同时，还大大提高了企业的生产力和产品质量。”2.2特种机器人经过多年的发展，机器人不再是制造业的专项名词。随着技术的发展和社会的需求，目前各种功能的服务机器人相继出现，有能照料老人的家政机器人、陪伴孩子学习的书童机器人、能够做饭的厨师机器人等。在2011年上海工博会上，除了“重磅出场”的工业机器人外，还出现了许多服务机器人的身影。在中国科学院展区，一个身着红色连衣裙，身高160厘米的卡通智能服务机器人能和观众自由对话，这台机器人可充当迎宾小姐、展厅讲解员。而在复旦大学展区，名为“爱家一号”的智能家庭服务机器人惹人喜爱。小家伙“人小鬼大”，能通过自动感应、远程遥控、语音交流等，让主人随时随地知晓家里的一切。然而，相比能上天、入地、下海、替人类干“苦差事”的工业机器人，这些智能服务机器人目前在现实生活中的应用仍然很少，普通老百姓“可望而不可即”。3 服务人类的机器人相信人们都在很多科幻电影中接触过服务性机器人，服务机器人是机器人家族中的一位年轻成员服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。国际机器人联合会经过多年的搜集整理，给服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人哩健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。服务机器人的定位就是服务。从机器人的功能特点上讲，它与工业机器人的一个本质区别在于，工业机器人的工作环境都是已知，而服务机器人所面临的工作环境绝大多数都是未知的。3.1服务机器人分类根据服务对象和应用目的不同，可以分为六大类：3.1.1医疗服务机器人医疗服务机器人：能够直接为医生提供服务，帮助医生对病人进行手术治疗的服务机器人。医疗外科机器人是医疗服务机器人的典型代表，它可以由医生对机器人进行遥控操作，在医生难以直接进行手术的部位由机器人准确地完成各种手术。而外科手术导航系统和可以进入人体的微机器人诊疗系统也都可以为医生进行手术提供必要的手术信息和辅助手段。因此，采用医疗服务机器人进行手术可以减小创面、缩短手术时间，从而达到减少病人痛苦，并使病人早日痊愈的目的。3.1.2健康福利服务机器人健康福利服务机器人是指在医院里为医生或病人提供服务的服务机器人。其中一种服务机器人可以提供指定负载力和行走速度的步行训练和为腿部受伤的病人提供术后康复训练治疗。许多研究单位和公司正在积极开发的各种类型的智能轮椅和智能病床也都属于健康福利服务机器人。3.1.3公共服务机器人公共服务机器人的范围最为广泛，只要能够为公众或公用设备提供服务的机器人都属于该类型服务机器人。例如，在展览会会场、办公大楼、旅游景点为客人提供信息咨询服务的迎宾导游机器人，在建筑物内或居民区内进行自动巡视的保安巡逻机器人，加油站里的自动加油机器人，高楼擦窗和壁面清洗机器人，飞机清洗机器人，下水道清洗机器人等。此外还有机器邮递员以及用于多种用途的自主移动机器人平台，它们可在办公室内部传递信件或其他物品。目前这些机器人在技术上都已经相当成熟，在价格上也基本上被用户接受，并已在许多国家得到了实际应用。随着机器人技术的进一步发展，在不久的将来，会有越来越多的公共服务机器人进入我们的日常生活。3.1.4家庭服务机器人自动割草机和全自动吸尘器是家庭服务机器人的典型代表。凯驰RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人。该机器人内置四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让。扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下面。其相应的基站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。3.1.5娱乐机器人娱乐机器人的种类很多，其中主要是以机器狗AIBO为代表的机器宠物。AIBO的出现不但给索尼公司带来了新的商机，也为机器人如何进入寻常家庭提供了一个新的发展思路。3.1.6教育机器人教育机器人的发展则是通过以“机器人足球”比赛为代表的各种类型的机器人竞赛进行的。机器人竞赛的参赛队伍主要由大、中、小学生组成。由于机器人竞赛不但具有很好的观赏性，而且可以使参赛的学生在创新能力、动手能力等方面都可以得到很好的锻炼，所以深受学校和学生家长的欢迎，并越来越多地受到各国政府的重视。目前一些国家正在积极组织机器人国际比赛，并提出了举行机器人奥林匹克竞赛的想法。3.2国内外服务机器人发展现状3.2.1欧美国家欧美国家在服务机器人产品研制开发方面起步较早。欧洲在以康复机器人为代表的服务机器人方面的研究起源20世纪70年代中期的Spartacus和Heidelberg操作手项目。Spartacus项目是法国项目，开始于高位截瘫病人远程操作手可行性研究。这个项目最大的结论是把操作手装在轮椅上能提高它的效率。由德国联邦研发技术部支持的Heidelberg项目是基于工作站的早期1987年，英国人MikeTopping研制了Handy1康复机器人样机，使一个患有脑瘫的11岁男孩第一次能够独立就餐。它属于工作站式机器人，在已知的环境中，机器人按操作要求，从相应的物品架上抓取所需物品。属于此类型的还有美国的DeVAR机器人，加拿大的Regencies机器人和法国的Master机器人。3.2.2韩国韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的10大“发动机”产业，他们已经把服务型机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重发展，对机器人技术给予了重点扶持，通过不断地努力，韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人的世界潮流。韩国信息通信部官员表示，虽然韩国的机器人技术起步比美国、日本和欧洲的竞争者要晚，但是有望在未来510年内迎头赶上。2011年韩国科学家成功研制出世界上最聪明的类人机器人“Android”，它集众多前沿科技在一身，包括实时数据传输、音像和力觉感应器、高速处理器等，通过它身上装备的音像及力觉感应器可以探测前方物体的运动，能够识别说话声，然后向服务器发送数据，服务器将数据处理后会下达指令给机器人，帮助它与人类以及周围环境进行互动,同时“夏娃机器人2号”是韩国科学家最新研制的一款娱乐型机器人，这位“女性”机器人不仅能和观众进行对话，还能和人进行眼神接触，并会表达各种情绪和唱歌，唱歌时能对上口形和随着歌曲扭动手臂、臀部和膝盖。3.2.3中国我国在服务机器人领域的研发与日本、美国等国家相比起步较晚，但国家对此非常重视。近年来，在国家863计划的支持下，我国在服务机器人研究和产品研发方面已开展了大量工作，并取得了一定的成绩。智能机器人主题在863的旗帜下，团结了近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务，建成了一批高水平的研究开发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国21世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基础。2012年由北京理工大学牵头、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、中科院自动化所等单位参加，通过三年的奋斗，研制的“汇童”仿人机器人，取得了重大成果,“汇童”仿人机器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的自主知识产权的仿人机器人，功能达到了国际先进水平，研制的“汇童”仿人机器人在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作。3.3服务机器人市场需求及趋势全球范围（主要是在发达国家）的服务机器人具有广阔的市场空间。由于发达国家的劳动力价格日趋上涨，人们越来越不愿意做一些琐事，因此，在发达国家，类似于清洁、看护、保安等工作从事的人越来越少。为了弥补此类劳动力不足的现象，对服务机器人的需求越来越大。目前，我国的服务机器人主要有吸尘器机器人，教育、娱乐、保安机器人，智能轮椅机器人，智能穿戴机器人，智能玩具机器人，同时还有一批为服务机器人提供核心控制器、传感器和驱动器功能部件的企业。在中国，人口老龄化是亟待解决的一个问题。目前，我国60岁以上人口已经超过总人口的10%，预计到2015年，全国老年人口总数将达到2亿人。此外，我国残疾人占总人口比重居世界较高国家之列。可以预想，在不久的将来，对老年人和残疾人的护理需要很大的人力、财力。如果我们使用服务机器人，提供诸如取物、喂饭、翻书等服务，帮助照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他们的生活质量，那将会减少整个社会对护理人员数量和质量的需求。3.4服务机器人为什么“可望不可即”在一篇报道上中国科学院自动化研究所工作人员刘益群说过一段话：“智能服务机器人目前在日本等机器人王国都还没有实现产业化，在我国的应用范围就更小了，只在一些科技馆、展厅和部分高级餐厅使用。在2011年这届工博会上展出的卡通智能服务机器人，成本就要20多万元，市场售价为30万元以上，单单机器人外壳成本就要2万元。成本难以降低，无法量产，目前更多是处于技术研究、提高以及展示的阶段，离进入寻常百姓家还有一定的距离。”智能机器人在研发阶段往往需要投入巨大的科研经费，再加上机器人本身的各种新型设备，导致最终产品的价格居高不下，普通百姓难以接受，因而难以成功打入大众市场。一直以来，由于过分重视技术而忽略消费者的需求和支付能力，服务型机器人难以商业化，只能沦为消费者眼里在展览馆中陈列的神奇产品。尽管形形色色的智能服务机器人不断被研发出来，但我国至今几乎还没有成功实现市场化的产品。服务型机器人的商业化还有很漫长的路要走，消费者还不能承受为机器人付出高昂的费用，工程师们不应只是闷在实验室里研究机器人技术，还要看看人们的需求和消费者的承受能力。人们一直憧憬过多十几二十年可以享受像电影我，机器人里面服务机器人达到每5个人就可以拥有一个机器人，机器人为人类服务，成为人类不可缺少的一部分。个人觉得，服务机器人为什么这么有不可及其中一个或不重要的原因：人们过于追求人形机器人。在一些研究表明，人类在研究新型的机器时很多时候都尝试追求完美拟人效果。虽然在很多时候追求拟人效果的机器人可能是在研究方向是一个很好的出发点，但只也往往带来很多研究时间过长，研究经费庞大，构件材料高昂，控制系统复杂化。3.5服务机器人还有多远在一些报刊我们已经看到一些小型的机器人应用正在不断地与市场对接。一款名叫“爱家一号”低成本服务机器人，成本大约为5000元，未来推向市场，实现产业化生产以后的售价估计是1万元左右。相比动辄10万元以上的服务机器人，这个价格很多消费者都能承受。在这么多年研发下来最大的体会是，以技术为前提将成本控制住，小型服务机器人就大有应用前景。以往研发出来的服务机器人往往因为成本过高，导致企业不愿意进行商业化生产，从而无法从实验室走向市场。一些专家认为：随着未来城市化进程加速、人口老龄化和人口素质的提高，服务型机器人的商业应用将会加速发展，老百姓对小型服务机器人的需求也会加大。新闻报道现已经有好几个有意向的企业寻找一些科研机构浅谈相关事项，可以憧憬未来产业化生产后服务机器人在人们家家户户出现的场景。4总结机器人经历多年的发展，在工业上已经取得很好的认可度，取得人们对其欣赏，替代人类在一些恶劣工作环境很好的完成所需的工作。机器人是不仅仅趋于为人类工业做服务，而更要为人类服务，从事更多未来人类不愿意从事的行业，代替人类做一些琐碎，繁杂的工作，或者更好与人类一起生活。很多人都期望人类可以达到我，机器人里面的服务机器人遍及，人类真正享受生活。因为现在技术水平还有更多社会因素，服务机器人不能更好的遍及人类，成为它名字一样的服务机器人。但在多方的研究者和科研机构及厂家努力，他们已经努力把研究成本，材料成本和利润减少，而促成人类可以尽快达到服务机器人真正服务人类，遍及人类个个生活环节。我个人觉得，未来20年后机器人可以真正服务人类。参考文献1顾震宇全球工业机器人产业现状与趋势机电一体化2006 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