0222-輪式移動機器人的結構設計

0222-輪式移動機器人的結構設計,輪式,移動,挪動,機器人,結構設計 一、畢業(yè)設計（論文）依據(jù)及研究意義： 隨著機器人技術在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領域得到日益廣泛的采用，機器人技術由室內走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動、非人工的環(huán)境。移動機器人已經(jīng)成為機器人研究領域的一個重要分支。在軍事、危險操作和服務業(yè)等許多場合得到應用，需要機器人以無線方式實時接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動。其中輪式機器人由于具有機構簡單、活動靈活等特點尤為受到青睞。按照移動特性又可將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動機構的類型也很多，對于一般的輪式移動機構，都不能進行任意的定位和定向，而全方位移動機構則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實現(xiàn)可在二維平面上從當前位置向任意方向運動而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場所工作時，全方位移動機構因其回轉半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時候，全方位移動機構可以對自己的位置進行細微的調整。由于全方位輪移動機構具有一般輪式移動機構無法取代的獨特特性，對于研究移動機器人的自由行走具有重要意義，成為機器人移動機構的發(fā)展趨勢。基于以上所述，本文從普遍應用出發(fā)，設計一種帶有機械手臂的全方位運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活，機械手臂使之能夠執(zhí)行預定的操作。本文是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。 二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢 2.1 國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 國外很多研究機構開展了全方位移動機器人的研制工作，在車輪設計制造，機器人上輪子的配置方案，以及機器人的運動學分析等方面，進行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內基· 梅隆大學（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機器人代表了室外移動機器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學和奔馳公司于二十世紀九十年代研制成VaMoRs-P移動機器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個小型彩色CCD攝像機，構成兩 組主動式雙目視覺系統(tǒng)；3個慣性線性加速度計和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的Honda P3類人機器人代表雙足步行機器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時。 國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進行介紹。 麥克納姆輪，如圖 1.1 所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構成， 輪子和滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個輪子具有三個自由度，第一個是繞輪子軸心轉動，第二個是繞滾子軸心轉動，第三個是繞輪子和地面的接觸點轉動。輪子由電機驅動，其余兩個自由度自由運動。由三個或三個以上的 Mecanum 輪可以構成全方位移動機器人。 圖1.2 麥克納姆輪應用 正交輪，由兩個形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個共同的殼體上構成，如圖 1.3 所示.每個球形輪子架有2個自由度，即繞輪子架的電機驅動轉動和繞輪子軸心的自由轉動。兩個輪子架的轉動軸方向相同，由一個電機驅動，兩個輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機器人采用了這種結構，如圖1.4。 圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應用 球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅動滾子固定在一個可以繞球體中心轉動的支架上，如圖 1.6 所示。每個球輪上的驅動滾子由一個電機驅動，使球輪繞驅動滾子所構成平面的法線轉動，同時可以繞垂直的軸線自由轉動。 圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應用 偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點不變，因而在運動過程中不會使機器人振動，同時明顯減少了機器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。 圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應用 2.2 國內全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 我國在移動機器人方面的研究工作起步較晚，上世紀八十年代末，國家863計劃自動化領域自動機器人主題確立立項，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計劃的資助下，由國防科大、清華大學等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機器人7B.8,并于1995年 12月通過驗收。7B.8的車體是由躍進客車改進而成,車上有二維彩色攝像機、三維激光雷達、超聲傳感器。其體系結構以水平式機構為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達到20km/h。避障速度達到5-10km/h。 上海大學研制了一種全方位越障爬壁機器人,針對清洗壁面作業(yè)對機器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機構—車輪組機構,該機構保證機器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動,或在原地任意角度旋轉,同時能跨越存在于機器人運行中的障礙,不需要復雜的輔助機構來實現(xiàn)平面上運動和越障運動之間轉換。 哈爾濱工業(yè)大學的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務機器人，并對課題當中的一些關鍵技術，如新型全方位移動機構、七自由 度機器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術，最后給出了移動機器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動機構，這種全方位移動機構當中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動的滾動和從動的橫向滑移之間將是真正相互獨立的；輪子正常轉動時，輪緣上的小滾子也將是純滾動，如圖1.9。 圖1.9 全方位移動機構仿真圖 三、研究內容及實驗方案 本課題從普遍應用出發(fā)，設計一種全向運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活。本課題是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文研究內容主要有：了解和分析已有的機器人移動平臺的工作原理和結構，以及分析操作手臂常用的結構和工作原理，對比它們的優(yōu)劣點。在這些基礎上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設計。根據(jù)選定的方案對帶有機械臂的全方位移動機器人進行本體設計，包括全方位車輪旋轉機構的設計、車輪轉向機構的設計和機器人操作臂的設計。要求全方位移動機構轉向、移動靈活，可以快速、有效的到達指定地點；機械臂操作范圍廣、運動靈活、結構簡單緊湊且尺寸小，可以快速、準確的完成指定工作。設計完成后要分析全方位移動機構的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 四、目標、主要特色及工作進度 1.緒論和全向移動機器人移動結構設計 3周 2.機器人的機械手臂設計 3周 3.機械材料的選擇和零件的校核 3周 4.外文資料翻譯（不少于6000字） 1周 5.畢業(yè)論文整理及答辯準備 2周 五．參考文獻 1.孫恒等主編。機械原理（第六版）。高等教育出版社，2011 2.馬香峰主編。工業(yè)機器人的操作機設計。冶金工業(yè)出版社，1996 3.宗光華 張慧慧譯。機器人設計與控制?？茖W出版社，2004 4.李志尊。UG NX CAD基礎應用與范例解析【M】。機械工業(yè)出版社，2004 5.楊靜宇．多傳感器集成與信息融合．機器人情報，1994(1)：1～9 6.夏德深傅德勝現(xiàn)代圖像處理技術與應用東南大學出版社2001，84～112 7.劉進長, 王全福. 發(fā)展機器人技術, 占領21 世紀的經(jīng)濟技術制高點. 中南工業(yè)大學學報, 31 (中國2000 年機器人學大會論文專輯,長沙, 2000- 10- 23～ 26).2000, 10- 14 8.蔡自興. 機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略. 中南工業(yè)大學學報,2000, 31 (中國2000 年機器人學大會論文專輯, 長沙, 2000- 10-23～ 26) : 1- 9 9.張鐵，謝存禧主編.機器人學，第一版，華南理工大學出版社，2001，9、45-47 10.吳廣玉，姜復興主編.機器人工程導論，第一版，哈爾濱工業(yè)大學出版社，1988 11.熊有倫，丁漢，劉恩滄主編，機器人學，第一版，機械工業(yè)出版社，1993 12.崔正昀主編.機械設計基礎，第一版，天津大學出版社，2000，221-224、322-323、412-424、457-475 13.賈名著主編.工程力學，第一版，天津大學出版社，1998，48-57 14.廖念釗主編.互換性與測量技術基礎，第三版，2002，11-19 15.孟憲員源，姜琪主編.機構構型與應用，第一版，機械工業(yè)出版社，2004，43、145-146、274、151-152、607-609 16.談欣柏主編.大學物理，第一版，天津大學出版社，2000，2-22 17.成大先主編.機械設計手冊，第一版，化學工業(yè)出版社，2005，76-84、99-141，157-160 18.加騰一郎主編.機械手圖冊，第一版，上?？茖W技術出版社，1979，50、59、78-79、97、160-176 19.宗光華等編著.機器人的創(chuàng)意設計與實踐，第一版，北京航空航天大學出版社，2004，25-35、138-150 20.卜炎主編.中國機械設計大典—機械零部件設計，第一版，江西科技出版社，2002 6 外文翻譯 機器人 1.機器人的作用 機器人是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。 現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。 2.能力評價標準 機器人能力的評價標準包括：智能，指感覺和感知，包括記憶、運算、比較、鑒別、判斷、決策、學習和邏輯推理等；機能，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續(xù)運行能力、可靠性、聯(lián)用性、壽命等。因此，可以說機器人是具有生物功能的三維空間坐標機器。 3.機器人的組成 　 機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。 執(zhí)行機構即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機器人）等。 驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。 檢測裝置的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 4.機器人發(fā)展史 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。 1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。 1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956年 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 1962年 美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。 1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。 　　 世界第一臺智能機器人Shakey 1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。 1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。 1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。 1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。 1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。iRobot公司北京區(qū)授權代理商：北京微網(wǎng)智宏科技有限公司http://www.micronet.net.cn。 2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球 5.機器人分類篇 誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 家務型機器人：能幫助人們打理生活，做簡單的家務活。 操作型機器人：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。 示教再現(xiàn)型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。 數(shù)控型機器人：不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。 感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。 適應控制型機器人：能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。 學習控制型機器人：能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中。 智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。 我國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。 空中機器人又叫無人機器，近年來在軍用機器人家族中，無人機是科研活動最活躍、技術進步最大、研究及采購經(jīng)費投入最多、實戰(zhàn)經(jīng)驗最豐富的領域。80多年來，世界無人機的發(fā)展基本上是以美國為主線向前推進的，無論從技術水平還是無人機的種類和數(shù)量來看，美國均居世界之首位。 6.機器人品種篇 　6.1無人飛機 “別動隊”無人機 縱觀無人機發(fā)展的歷史，可以說現(xiàn)代戰(zhàn)爭是推動無人機發(fā)展的動力。而無人機對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的影響也越來越大。一次和二次世界大戰(zhàn)期間，盡管出現(xiàn)并使用了無人機，但由于技術水平低下，無人機并未發(fā)揮重大作用。朝鮮戰(zhàn)爭中美國使用了無人偵察機和攻擊機，不過數(shù)量有限。在隨后的越南戰(zhàn)爭、中東戰(zhàn)爭中無人機已成為必不可少的武器系統(tǒng)。而在海灣戰(zhàn)爭、波黑戰(zhàn)爭及科索沃戰(zhàn)爭中無人機更成了主要的偵察機種。 越南戰(zhàn)爭期間美國空軍損失慘重，被擊落飛機2500架，飛行員死亡5000多名，美國國內輿論嘩然。為此美國空軍較多地使用了無人機。如“水牛獵手”無人機在北越上空執(zhí)行任務2500多次，超低空拍攝照片，損傷率僅4％。AQM-34Q型147火蜂無人機飛行500多次，進行電子竊聽、電臺干擾、拋撒金屬箔條及為有人飛機開辟通道等。 高空無人偵察機 在1982年的貝卡谷地之戰(zhàn)中，以色列軍隊通過空中偵察發(fā)現(xiàn)。敘利亞在貝卡谷地集中了大量部隊。6月9日，以軍出動美制E-2C“鷹眼”預警飛機對敘軍進行監(jiān)視，同時每天出動“偵察兵”及“猛犬”等無人機70多架次，對敘軍的防空陣地、機場進行反復偵察，并將拍攝的圖像傳送給預警飛機和地面指揮部。這樣，以軍準確地查明了敘軍雷達的位置，接著發(fā)射“狼”式反雷達導彈，摧毀了敘軍不少的雷達、導彈及自行高炮，迫使敘軍的雷達不敢開機，為以軍有人飛機攻擊目標創(chuàng)造了條件。 在科索沃戰(zhàn)爭中，美國、德國、法國及英國總共出動了6種不同類型的無人機約200多架，它們有：美國空軍的“捕食者”（Predator）、陸軍的“獵人”（Hunter）及海軍的“先鋒”（Pioneer）；德國的CL-289；法國的“紅隼”（Crecerelles）、 “獵人”，以及英國的“不死鳥”（Phoenix）等無人機。 無人機在科索沃戰(zhàn)爭中主要完成了以下一些任務：中低空偵察及戰(zhàn)場監(jiān)視，電子干擾，戰(zhàn)果評估，目標定位，氣象資料搜集，散發(fā)傳單以及營救飛行員等。 科索沃戰(zhàn)爭不僅大大提高了無人機在戰(zhàn)爭中的地位，而且引起了各國政府對無人機的重視。美國參議院武裝部隊委員會要求，10年內軍方應準備足夠數(shù)量的無人系統(tǒng)，使低空攻擊機中有三分之一是無人機；15年內，地面戰(zhàn)車中應有三分之一是無人系統(tǒng)。這并不是要用無人系統(tǒng)代替飛行員及有人飛機，而是用它們補充有人飛機的能力，以便在高風險的任務中盡量少用飛行員。無人機的發(fā)展必將推動現(xiàn)代戰(zhàn)爭理論和無人戰(zhàn)爭體系的發(fā)展。 　6.2特種功能的機器人 機器警察 所謂地面軍用機器人是指在地面上使用的機器人系統(tǒng)，它們不僅在和平時期可以幫助民警排除炸彈、完成要地保安任務，在戰(zhàn)時還可以代替士兵執(zhí)行掃雷、偵察和攻擊等各種任務，今天美、英、德、法、日等國均已研制出多種型號的地面軍用機器人。 英國的“手推車”機器人 在西方國家中，恐怖活動始終是個令當局頭疼的問題。英國由于民族矛盾，飽受爆炸物的威脅，因而早在60年代就研制成功排爆機器人。英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人，已向50多個國家的軍警機構售出了800臺以上。最近英國又將手推車機器人加以優(yōu)化，研制出土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機器人，英國皇家工程兵在波黑及科索沃都用它們探測及處理爆炸物。土撥鼠重35公斤，在桅桿上裝有兩臺攝像機。野牛重210公斤，可攜帶100公斤負載。兩者均采用無線電控制系統(tǒng)，遙控距離約1公里。 “土撥鼠”和“野?！迸疟瑱C器人 除了恐怖分子安放的炸彈外，在世界上許多戰(zhàn)亂國家中，到處都散布著未爆炸的各種彈藥。例如，海灣戰(zhàn)爭后的科威特，就像一座隨時可能爆炸的彈藥庫。在伊科邊境一萬多平方公里的地區(qū)內，有16個國家制造的25萬顆地雷，85萬發(fā)炮彈，以及多國部隊投下的布雷彈及子母彈的2500萬顆子彈，其中至少有20％沒有爆炸。而且直到現(xiàn)在，在許多國家中甚至還殘留有一次大戰(zhàn)和二次大戰(zhàn)中未爆炸的炸彈和地雷。因此，爆炸物處理機器人的需求量是很大的。 排除爆炸物機器人有輪式的及履帶式的，它們一般體積不大，轉向靈活，便于在狹窄的地方工作，操作人員可以在幾百米到幾公里以外通過無線電或光纜控制其活動。機器人車上一般裝有多臺彩色CCD攝像機用來對爆炸物進行觀察；一個多自由度機械手，用它的手爪或夾鉗可將爆炸物的引信或雷管擰下來，并把爆炸物運走；車上還裝有獵槍，利用激光指示器瞄準后，它可把爆炸物的定時裝置及引爆裝置擊毀；有的機器人還裝有高壓水槍，可以切割爆炸物。 德國的排爆機器人 在法國，空軍、陸軍和警察署都購買了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆機器人。DM公司研制的RM35機器人也被巴黎機場管理局選中。德國駐波黑的維和部隊則裝備了Telerob公司的MV4系列機器人。我國沈陽自動化所研制的PXJ-2機器人也加入了公安部隊的行列。 美國Remotec公司的Andros系列機器人受到各國軍警部門的歡迎，白宮及國會大廈的警察局都購買了這種機器人。在南非總統(tǒng)選舉之前，警方購買了四臺AndrosVIA型機器人，它們在選舉過程中總共執(zhí)行了100多次任務。 Andros機器人可用于小型隨機爆炸物的處理，它是美國空軍客機及客車上使用的唯一的機器人。海灣戰(zhàn)爭后，美國海軍也曾用這種機器人在沙特阿拉伯和科威特的空軍基地清理地雷及未爆炸的彈藥。美國空軍還派出5臺Andros機器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮彈的清理?？哲娒總€現(xiàn)役排爆小隊及航空救援中心都裝備有一臺Andros VI。 我國研制的排爆機器人 排爆機器人不僅可以排除炸彈，利用它的偵察傳感器還可監(jiān)視犯罪分子的活動。監(jiān)視人員可以在遠處對犯罪分子晝夜進行觀察，監(jiān)聽他們的談話，不必暴露自己就可對情況了如指掌。 1993年初，在美國發(fā)生了韋科莊園教案，為了弄清教徒們的活動，聯(lián)邦調查局使用了兩種機器人。一種是Remotec公司的AndrosVA型和Andros MarkVIA型機器人，另一種是RST公司研制的STV機器人。STV是一輛6輪遙控車，采用無線電及光纜通信。車上有一個可升高到4.5米的支架 ，上面裝有彩色立體攝像機、晝用瞄準具、微光夜視瞄具、雙耳音頻探測器、化學探測器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、目標跟蹤用的前視紅外傳感器等。該車僅需一名操作人員，遙控距離達10公里。在這次行動中共出動了3臺STV，操作人員遙控機器人行駛到距莊園548米的地方停下來，升起車上的支架，利用攝像機和紅外探測器向窗內窺探，聯(lián)邦調查局的官員們圍著熒光屏觀察傳感器發(fā)回的圖像，可以把屋里的活動看得一清二楚。 6.3民用機器人 機器人指揮 其實并不是人們不想給機器人一個完整的定義，自機器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機器人。但隨著機器人技術的飛速發(fā)展和信息時代的到來，機器人所涵蓋的內容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。 1886年法國作家利爾亞當在他的小說《未來夏娃》中將外表像人的機器起名為“安德羅丁”（android），它由4部分組成： 1，生命系統(tǒng)（平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調節(jié)運動等）； 2，造型解質（關節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體，一種盔甲）； 3，人造肌肉（在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)）； 4，人造皮膚（含有膚色、機理、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等）。 1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，“Robota”是奴隸的意思。該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關注，被當成了機器人一詞的起源。在該劇中，機器人按照其主人的命令默默地工作，沒有感覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司取得了成功，使機器人具有了感情，導致機器人的應用部門迅速增加。在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員。機器人發(fā)覺人類十分自私和不公正，終于造反了，機器人的體能和智能都非常優(yōu)異，因此消滅了人類。 但是機器人不知道如何制造它們自己，認為它們自己很快就會滅絕，所以它們開始尋找人類的幸存者，但沒有結果。最后，一對感知能力優(yōu)于其它機器人的男女機器人相愛了。這時機器人進化為人類，世界又起死回生了。 卡佩克提出的是機器人的安全、感知和自我繁殖問題?？茖W技術的進步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問題。雖然科幻世界只是一種想象，但人類社會將可能面臨這種現(xiàn)實。 為了防止機器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫（Isaac.Asimov）于1940年提出了“機器人三原則”： 1，機器人不應傷害人類； 2，機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外； 3，機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。 這是給機器人賦予的倫理性綱領。機器人學術界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則。 在1967年日本召開的第一屆機器人學術會議上，就提出了兩個有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象。另一個是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器稱為機器人： 1，具有腦、手、腳等三要素的個體； 2，具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器； 3，具有平衡覺和固有覺的傳感器。 禮儀機器人 該定義強調了機器人應當仿人的含義，即它靠手進行作業(yè)，靠腳實現(xiàn)移動，由腦來完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機器人而是自主機器人。 機器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。動物一般具有上述這些要素，所以在把機器人理解為仿人機器的同時，也可以廣義地把機器人理解為仿動物的機器。 1988年法國的埃斯皮奧將機器人定義為：“機器人學是指設計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。 1987年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機?！? 我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術的本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國工程院院長宋健指出：“機器人學的進步和應用是20世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化”。機器人技術綜合了多學科的發(fā)展成果，代表了高技術的發(fā)展前沿，它在人類生活應用領域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術的作用和影響。 我國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。 古代機器人 機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。 機器馬車 西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機器人。 春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明智慧。 公元前2世紀，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人──自動機。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。 1800年前的漢代，大科學家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。 后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。 1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術發(fā)明了自動機器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。 1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨，它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進食和排泄。瓦克遜的本意是想把生物的功能加以機械化而進行醫(yī)學上的分析。 寫字機器人 在當時的自動玩偶中，最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯。1773年，他們連續(xù)推出了自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的。它們有的拿著畫筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結構巧妙，服裝華麗，在歐洲風靡一時。由于當時技術條件的限制，這些玩偶其實是身高一米的巨型玩具?，F(xiàn)在保留下來的最早的機器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十個手指可以按動風琴的琴鍵而彈奏音樂，現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞，展示了古代人的智慧。 19世紀中葉自動玩偶分為2個流派，即科學幻想派和機械制作派，并各自在文學藝術和近代技術中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克魯斯”；1870年霍夫曼出版了以自動玩偶為主角的作品《葛蓓莉婭》；1883年科洛迪的《木偶奇遇記》問世；1886年《未來的夏娃》問世。在機械實物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅動雙腿沿圓周走動。 進入20世紀后，機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關心與支持，一些適用化的機器人相繼問世，1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問題，但該機器人不能走動。1959年第一臺工業(yè)機器人（可編程、圓坐標）在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。 6.4現(xiàn)代機器人 現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。 自1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。 大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術的進展，其結果之一便是1952年數(shù)控機床的誕生。與數(shù)控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。 另一方面，原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。 鉚接機器人 1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。 作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。 1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。 　 機器狗 1967年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機構研究會），同年召開了日本首屆機器人學術會。 1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。1970年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。 1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅動的，能提升的有效負載達45公斤。 到了1980年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。 隨后，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機器人王國的美稱”。 自治潛水器 隨著計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術就是典型的代表。由于這些技術的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術（如傳感技術、智能技術、控制技術等）擴散和滲透到各個領域形成了各式各樣的新機器——機器人化機器。當前與信息技術的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡機器人”的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。 7.人類與機器人 隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，就像電影《摩登時代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病逐漸產(chǎn)生，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們去完成那些單調、枯燥或是危險的工作。由于機器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對機器人產(chǎn)生了敵意?！皺C器人上崗，人將下崗。”不僅在我國，即使在一些發(fā)達國家如美國，也有人持這種觀念。其實這種擔心是多余的，任何先進的機器設備，都會提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量，創(chuàng)造出更多的社會財富，也就必然提供更多的就業(yè)機會，這已被人類生產(chǎn)發(fā)展史所證明。任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認可。比如汽車的出現(xiàn)，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財產(chǎn)帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們日常生活中必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關于工業(yè)機器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機器人數(shù)量在發(fā)達國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側面說明了機器人是不會搶人飯碗的。 美國是機器人的發(fā)源地，機器人的擁有量遠遠少于日本，其中部分原因就是因為美國有些工人不歡迎機器人，從而抑制了機器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當時日本勞動力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機器人，國民也都歡迎使用機器人。由于使用了機器人，日本也嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領了世界市場。從現(xiàn)在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機器人是一條必由之路。沒有機器人，人將變?yōu)闄C器；有了機器人，人仍然是主人。 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