第12章未來(lái)機(jī)器人

1、機(jī)器人引論第12章 未來(lái)機(jī)器人第12章 未來(lái)機(jī)器人o 12.1 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)o 12.2 未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用前景o 12.3 未來(lái)機(jī)器人與人類社會(huì)12.1 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)1 傳感型智能化機(jī)器人發(fā)展迅速傳感型智能化機(jī)器人發(fā)展迅速o 作為傳感機(jī)器人基礎(chǔ)的機(jī)器人傳感技術(shù)有了新的發(fā)展，各種新型傳感器不斷出現(xiàn)。o 多傳感器集成和融合技術(shù)在智能機(jī)器人上獲得應(yīng)用。由于單一傳感信號(hào)難以保證輸入信息的準(zhǔn)確性和可靠性，不能滿足智能機(jī)器人系統(tǒng)獲取環(huán)境信息以及系統(tǒng)決策能力。采用多傳感器集成和融合技術(shù)，利用各種傳感信息，獲得對(duì)環(huán)境的正確理解，使機(jī)器人系統(tǒng)具有容錯(cuò)性，保證系統(tǒng)信息處理的快速性和正

2、確性。o 在多傳感器集成和融合技術(shù)研究方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特別引人注目，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。2 開發(fā)新型智能技術(shù)開發(fā)新型智能技術(shù)o 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是新近研究的智能技術(shù)，它是一種對(duì)事件的現(xiàn)實(shí)性從時(shí)間和空間上進(jìn)行分析后重新組合的技術(shù)。這一技術(shù)包括三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感器的交互接口技術(shù)以及高清晰度的顯示技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可應(yīng)用于遙控機(jī)器人和臨場(chǎng)感通訊等。o 形狀記憶合金（SMA）被譽(yù)為“智能材料”。SMA的電阻隨溫度變化而變化，導(dǎo)致合金形變，可用來(lái)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，完成傳感和驅(qū)動(dòng)功能。o 多智能機(jī)器人系統(tǒng)（MARS）是近年來(lái)開始探索的又一項(xiàng)智能技術(shù)，它是在單體智能的發(fā)展到需要協(xié)調(diào)作業(yè)的條件下產(chǎn)

3、生的。多個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)具有共同的目標(biāo)，完成相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)作或作業(yè)。o 在諸多新型智能技術(shù)當(dāng)中，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別、檢測(cè)、控制和規(guī)劃方法的開發(fā)和應(yīng)用占著重要位置。基于專家系統(tǒng)的機(jī)器人規(guī)劃獲得新的發(fā)展，除了應(yīng)用與任務(wù)規(guī)劃、裝配規(guī)劃、搬運(yùn)規(guī)劃和路徑規(guī)劃外，又被用于自動(dòng)抓取規(guī)劃。3 采用模塊化的設(shè)計(jì)技術(shù)采用模塊化的設(shè)計(jì)技術(shù)o 智能機(jī)器人和高級(jí)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要力求簡(jiǎn)單緊湊，其高智能部件甚至全部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)已向模塊化方向發(fā)展；其驅(qū)動(dòng)采用交流伺服電機(jī)，向小型和高輸出方向發(fā)展；其控制裝置向小型化和智能化發(fā)展，采用高速CPU和32位芯片、多處理器和多功能操作系統(tǒng)，提高機(jī)器人的實(shí)時(shí)和快速相應(yīng)能力。機(jī)器人軟件的模塊

4、化則簡(jiǎn)化了編程，發(fā)展了離線編程技術(shù)，提高了機(jī)器人的控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。4 微型機(jī)器人的研究有所突破微型機(jī)器人的研究有所突破o 微型機(jī)器和微型機(jī)器人為21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一。微型驅(qū)動(dòng)器是開發(fā)微型機(jī)器人的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。o 在大中型機(jī)器人和微型機(jī)器人系列之間，還有小型機(jī)器人。小型化也是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。一種能鉆入血管的機(jī)器人想象圖5 應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展o 下面為非制造業(yè)應(yīng)用智能機(jī)器人技術(shù)的一些典型例子：n太空太空 空間站服務(wù)機(jī)器人（裝配、檢查和修理），機(jī)器人衛(wèi)星（空間會(huì)合、對(duì)接與軌道作業(yè)），飛行機(jī)器人（人員和材料運(yùn)送及通訊），空間探索（星球探測(cè)等）和

5、資源收集，太空基地建筑，衛(wèi)星回收以及地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等；n 海洋海洋 海底普查和采礦機(jī)器人，海上建筑的建筑與維護(hù)，海灘救援機(jī)器人，海況檢測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)；n 建筑建筑 鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)加工系統(tǒng)，防火層噴涂機(jī)器人，混凝土地板研磨機(jī)器人，外墻裝修機(jī)器人，天花板和燈具安裝機(jī)器人，外墻清洗、噴涂、檢驗(yàn)和瓷磚鋪設(shè)機(jī)器人，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)機(jī)器人，橋梁自動(dòng)噴涂，小管道和電纜地下鋪設(shè)，混凝土預(yù)制板自動(dòng)安裝等；n 采礦采礦 金屬和煤炭自動(dòng)采掘機(jī)器人，礦井安全監(jiān)督機(jī)器人；n電力電力 配電線帶電作業(yè)機(jī)器人，絕緣子自動(dòng)清洗，變電所自動(dòng)巡視機(jī)器人，核電站反應(yīng)堆檢查與維護(hù)機(jī)器人，核反應(yīng)堆拆卸機(jī)器人等；n 煤氣及供水煤氣及供水 管道安

6、裝、檢查和修理機(jī)器人，容器檢查、修理和噴涂機(jī)器人；n 農(nóng)林漁業(yè)農(nóng)林漁業(yè) 剪羊毛機(jī)器人，森林自動(dòng)修剪和砍伐，魚肉自動(dòng)去骨、切片、分選和包裝；n 醫(yī)療醫(yī)療 神經(jīng)外科感知機(jī)器人，胸部腫瘤自動(dòng)診斷機(jī)器人，體內(nèi)器官和脈管檢查及手術(shù)微型機(jī)器人，用于外科手術(shù)的多只手等；n 社會(huì)福利社會(huì)福利 老年人和臥床不起的病人護(hù)理機(jī)器人，殘疾人員支援系統(tǒng)，人工假肢等。6 開發(fā)敏捷的制造生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)敏捷的制造生產(chǎn)系統(tǒng)o工業(yè)機(jī)器人必須改變過去那種“部件發(fā)展方式”，而優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”。機(jī)器人作為高精度、高柔性的敏捷性加工設(shè)備的時(shí)代必將到來(lái)。不論機(jī)器人再生產(chǎn)線上起什么樣的作用，他總是作為系統(tǒng)中的一員而生存。o通用的工業(yè)機(jī)

7、器人編程語(yǔ)言仍是動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言，雖然開發(fā)了很多任務(wù)級(jí)語(yǔ)言，但大多是不實(shí)用。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展以及離線編程技術(shù)的成熟，任務(wù)級(jí)語(yǔ)言可能會(huì)日趨成熟。但在可以預(yù)見的將來(lái)，由于任務(wù)的復(fù)雜性，實(shí)用的語(yǔ)言仍將是動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言。o使機(jī)器人的編程與機(jī)床的數(shù)控設(shè)備一樣，完全可以實(shí)現(xiàn)離線編程，再加上易于大規(guī)模安全修改的軟件，就可實(shí)現(xiàn)“敏捷制造生產(chǎn)線”。7 軍用機(jī)器人將裝備部隊(duì)軍用機(jī)器人將裝備部隊(duì)美軍排爆機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)“反恐一號(hào)”機(jī)器人12.2 未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用前景未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用前景1 未來(lái)機(jī)器人將更加廣泛地代替人從事各種生產(chǎn)作業(yè)未來(lái)機(jī)器人將更加廣泛地代替人從事各種生產(chǎn)作業(yè)o 未來(lái)機(jī)器人將從目前的以廣泛應(yīng)

8、用于汽車、機(jī)械制造、電子工業(yè)及塑料制品等生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航天、航空、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)而應(yīng)用在非工業(yè)領(lǐng)域中，如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、和養(yǎng)殖業(yè)等方面。o 未來(lái)機(jī)器人將成為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的“主勞力”，人類將從繁重的重復(fù)單調(diào)、有害健康和危險(xiǎn)的生產(chǎn)勞動(dòng)中解放出來(lái)，從而有更多的時(shí)間去學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)造。2 未來(lái)機(jī)器人將成為人類探索與宇宙開發(fā)、海洋和地未來(lái)機(jī)器人將成為人類探索與宇宙開發(fā)、海洋和地下未知世界的有力工具下未知世界的有力工具o將人類送入太空進(jìn)行宇宙探索是非常危險(xiǎn)和昂貴的。未來(lái)機(jī)器人將代替人從事空間作業(yè)和太空探索。目前，航天飛機(jī)已經(jīng)將倉(cāng)

9、外作業(yè)機(jī)器人帶入太空進(jìn)行太空作業(yè)，火星探測(cè)車已被送到火星表面上，并成功的完成了預(yù)定的探測(cè)任務(wù)。o水下和地底作業(yè)對(duì)于人類來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)危險(xiǎn)作業(yè)，也是人類為解決的難題，水下和地下機(jī)器人將解決這個(gè)問題，被用于海底和地底的探索和開發(fā)、海洋和地下資源的利用、水下作業(yè)和救生等。水下機(jī)器人3 未來(lái)機(jī)器人將在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要作用未來(lái)機(jī)器人將在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要作用o 軍用機(jī)器人可以是一個(gè)武器系統(tǒng)，如機(jī)器人坦克、自主式地面車輛、掃雷機(jī)器人等，也可以是武器裝備上的一個(gè)系統(tǒng)或裝置，如軍用飛機(jī)的“副駕駛員”系統(tǒng)。艦船作戰(zhàn)管理系統(tǒng)、武器裝備的自動(dòng)故障診斷和排除系統(tǒng)、坦克炮裝蛋機(jī)器人系統(tǒng)等。o 將來(lái)可能出現(xiàn)機(jī)器人化部隊(duì)或兵

10、團(tuán)，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中將出現(xiàn)機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的戰(zhàn)斗。4 未來(lái)機(jī)器人將用于提高人類健康水平與生活質(zhì)量未來(lái)機(jī)器人將用于提高人類健康水平與生活質(zhì)量o 家庭服務(wù)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、炊事、垃圾處理、家庭維護(hù)與服務(wù)等作業(yè)。o 在醫(yī)院，未來(lái)機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗(yàn)、運(yùn)輸、康復(fù)和病人護(hù)理等作業(yè)。o 在商業(yè)和旅游業(yè)中，導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人都將得到發(fā)展。智能機(jī)器人玩具和智能機(jī)器人寵物的種類將不斷增加，各種機(jī)器人體育運(yùn)動(dòng)比賽和文藝表演將層出不窮。機(jī)器人不再只用于生產(chǎn)作業(yè)的工具，大量的服務(wù)機(jī)器人、表演機(jī)器人、科教機(jī)器人、機(jī)器人玩具和機(jī)器人寵物將進(jìn)入人類社會(huì)，使人類生活更加豐富多彩。5 未來(lái)機(jī)器人與人類

11、共生未來(lái)機(jī)器人與人類共生o目前，國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣性化，以及與人類共生方向發(fā)展，主要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面：o(1) 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。o(2) 機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中，機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。o(3) 多傳感器系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能化和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其他問題解決的關(guān)鍵，其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多

12、傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)性，非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。o(4) 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化的方向發(fā)展。o(5) 機(jī)器人的遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人的遙控系統(tǒng)，并能夠預(yù)先顯示遙控指令等。o(6) 虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。o(7) 多智能體（multi-agent）協(xié)調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)，相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)

13、習(xí)方法，建模和規(guī)劃，群體行為控制等方面進(jìn)行研究。o(8) 微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的嶄新領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。o(9) 軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）：主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑、和娛樂場(chǎng)所。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料。軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控

14、制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。o(10) 仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究。對(duì)于仿生機(jī)器人，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所已研制了機(jī)器水下仿生機(jī)器人魚樣機(jī)。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的機(jī)器魚12.3 未來(lái)機(jī)器人與人類社會(huì)未來(lái)機(jī)器人與人類社會(huì)o 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)機(jī)器人與人類社會(huì)將會(huì)產(chǎn)生更加緊密的關(guān)系。因此，機(jī)器人的“人性化”是當(dāng)代科技的主題。作為一個(gè)特殊的領(lǐng)域，科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的“人性化”還有一個(gè)專門的注解?！邦惾嘶笔侵肝磥?lái)的機(jī)器人能和人一樣進(jìn)行“人機(jī)”和“機(jī)機(jī)

15、”的交流，以及在各種復(fù)雜或者危險(xiǎn)的工作中用機(jī)器人替代人來(lái)進(jìn)行實(shí)際操作。雖然許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有了某些智能化機(jī)器人，但是這些機(jī)器人的“智能”都是通過預(yù)置的計(jì)算機(jī)程序獲取的。科學(xué)家指出，靈活的機(jī)械構(gòu)造和具有“自主性”的軟件系統(tǒng)是造出真正“類人化”機(jī)器人的關(guān)鍵。1 機(jī)器人醫(yī)生機(jī)器人醫(yī)生o 在未來(lái)，如果你要接受手術(shù)，給你開刀的也許不是外科醫(yī)生，而是機(jī)器人。美國(guó)內(nèi)布拉斯加醫(yī)學(xué)中心研發(fā)的微型的“手術(shù)機(jī)器人”2 楊利偉的楊利偉的“接班人接班人”o 雖然“載人航天”的技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是人所能達(dá)到的太空范圍是很有限的，更大范圍的太空探測(cè)，將由機(jī)器人先行一步“宇航員機(jī)器人”是未來(lái)太空探測(cè)的首選。美國(guó)太空總署設(shè)計(jì)的太

16、空機(jī)器人3 未來(lái)救災(zāi)全靠機(jī)器人未來(lái)救災(zāi)全靠機(jī)器人o 如果在救援中使用機(jī)器人，那么救援工作的效率將大大提高。首先，帶攝影頭和氣體探測(cè)器的機(jī)器人能鑿洞進(jìn)入地下，以最短的時(shí)間獲取地下的情況，在獲得有關(guān)數(shù)據(jù)之后，機(jī)器人能迅速制定最有效的救援方案，當(dāng)機(jī)器人找到被救者，它能與被救者進(jìn)行交流，以判斷被救者的狀態(tài)。中國(guó)用于核電領(lǐng)域的首臺(tái)水下異物打撈機(jī)器人o隨著智能機(jī)器人的進(jìn)化，尤其是有天賦、有思考能力的機(jī)器人的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。對(duì)于未來(lái)的機(jī)器人，西方專家對(duì)他們持有兩種不同的觀點(diǎn)：o第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，高級(jí)機(jī)器人的出現(xiàn)將會(huì)為人類造福，機(jī)器人將對(duì)人類社會(huì)做出不可估量的貢獻(xiàn)。o而持有悲觀論點(diǎn)的一些科學(xué)家則認(rèn)為，正像原子能