卢元洙 高级工程师

 

机器人一直被作为高尖技术的代表，总想到是“科幻、未来、高科技”，有一种神秘感。越是这样，我们就要越去真正认识它。

实际上机器人已越来越普及，技术人机器也已成为公认的重要的一门技术。各国都在抓紧研究发展，举办过许多机器人展览。作为青少年对此不但要有好奇、兴趣，更要认识它，懂得它，懂得如何制造和使用。

什么是机器人。

机器人的英文名为Robot，是奴隶（人类的仆人）之意。定义应是自动执行工作的机器装置。或者是：靠自身动力和控制能力来实际各种功能的一种机器。

另日本加滕一郎的定义是：三条件：1、具有脑、手、脚三要素；2、具有非接触器和接触传感器；3、具有平衡觉和固有觉的传感器。

机器人一般由以下部分组成：执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统、复杂的机构等几部分组成。

一、机器人的主要类别

各领域现在日常生活中有如下几类机器人：

1、工业机器人

用于工业领域的机器人。特点：相对于人类，它可以拥有更快的运动速度，搬更重的东西，定位精度相当高。如用于汽车制造，电子工业。

1962年由美国首先制成第一台机器人，由美国的AMF公司推出。

工业机器人是重要的自动化装备，集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等先进技术为一体。

它是工业自动化生产的得力产品、工具。

当前应用多有影响力的国家是：美国、日本、德国。近年中国有较大发展，但仍有较大差距。日本在1980年得到普及——自称为“机器人王国”。

2、农业机器人

用于农业生产中的机器人，可以改变农业劳动方式，减少农民体力劳动。

具有三个特点：：⑴农业机器人作业对象易受物理损害。⑵一般要求生产作业与移动同时进行。⑶使用条件变化较大（农业作物时间、同时常在变）。因此，农业机器人目前仍只是开始发展时期。

3、军事机器人

定义：是指为了军事目的而研制的自动机器人。它是以完成预定战术或战略为目标，以智能化、信息处理技术和通讯技术为核心的智能化武器装置。

可用于：扫雷、排爆、站岗、巡逻、作业、侦察、后勤支持等。其特点是：1、对目标形态的微变化实时鉴别，意外情况处置及经验积累等与人还有差距。2、敌我识别能力弱。3、尚未找到专门用于机器人的新型能源和动力系统，以上是弱点。

4、服务机器人

服务机器人的描述，有几种概念的描述：

⑴是自主或者半自主的能提供服务而不是提供生产的机器人，用于改变人们生活质量的机器人（欧美多用此定义）。

⑵是半自主或全自主的方式操作，用于完成对人类福利和设备有用服务的机器人（亚洲国家、中国多用此定义）。

⑶是能在日常环境中完成对于人类活动有用的服务，基于传感器的，可预偏程的机电一体化装置。

服务机器人主要用于娱乐、维护、保养、修理、运输、清洁、保安求护、监护、教育、研究等方面。

主要特点：1、外形亲和度高。2、人机交流较方便，有多种类型。

④、网络机器人

定义：网络机器人没有固定的身体、本质是网络自动程序。它存在于网络程序中。主要用于自动地查找和检索。互联网上的网站和网页的内容。广泛用于互联网，搜索引擎用网络机器人，如歌谷、百度、雅虎 用网络机器人抓取信息送入索引数据库，供用户查询。

它不是传统的机器人，应说它是机器人智能的灵魂。网络机器人还被应用于网络聊天机器人的智能行为中，如人人网中的“小黄鸡”。一般讲机器人不含网络机器人。

按以上归纳关于机器人的共同特征有如下：

机器人有一个可以移动的身体或部位。

机器人需要能源能量来驱动。

机器人都具有一定的判断和决定能力，根据环境情况的不同而适应。

二、机器人的发展过程和现状

当今机器人已有了相当的地位。

1、有确定的会展项目。包括[Robocup]两年一次机器人世界杯；[WRO]国际机器人奥林匹克竞赛；[IREX]一年一次的日本国际机器人展览；[Tisos]台北国际机品人展一年一次。

2、发展过程。

1910年捷克人在科幻小说中提到了机器人一词（捷文Rokota苦力、   苦工之意），后演变英文Robot，1914年美国人制造出世界第一台可编程机器人。1959年美国制造出第一台工业机器人，并成立机器人制造工厂。

1965年由美国约翰霍普金斯应用物理实验室研究出由声纳、光电应用的机器人，后又有视觉传感器的机器人；1999年日本索尼推出“爱宝（AIBO）”、机器人迈进家庭。

三、机器人技术的主要内容

发展迅速，由工业用转发展非工业用。包括：手术、摘果、巷道  掘进，侵查、空间、用于潜海机用等。

机器人的产生和发展要依赖下列几方面的技术发展。已可由下列几部分组成：生命系统、造型解质、人造肌肉、人造皮肤。

1、机器人的结构设计技术

即机器人的机械结构设计，必须要满足机器人的功能。机械设计要求的基本准则是：

⑴实现预期功能。⑵满足机械设计的要求，足够的强度、刚度，有良好的加工工艺性，易于制造装配、拆卸。⑶造型设计的合理和美学价值使之有吸引力。

2、机器人的传感器技术

人类具有的视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等五大感觉，机器也应有。传感器的选择，要分析多方面的因素、选择合适、先进、量程大小、精度、灵敏度、响应时间、抗干扰能力、频率等。

3、机器人运动学及动力学，是机器人运动的基础。机器人是一个多刚体系统，要让它按照我们想要的运动方式去运动，就需要相当的运动学和动力学知识。

运动学和动力学互为因果，运动学是研究运动的原理和方式，动力学主要研究物体的力和物体运动关系，是研究力的作用下，物理系统怎样随时间演进而改变。

4、机器人的自动控制技术

机器人的控制是机器人能够实现智能化的根本。正是有了相应的自动控制技术，机器人才能实现“自动化”与“智能化”。控制技术的好与坏，可以说从根本上决定一个机器人是否称得上“机器人”的标准。

机器人要用精准、快速的计算和判断，实现的基础是自动控制技术。

要控制的各种物理量包括有：温度、流量、压力、厚度、张力、速度 、位置、频率、相位等。都应入相应的控制系统。

在工业、农业、军事日常生活中，自动控制技术还随着控制理论、控制技术的发展，它的应用领域不断扩大，涉及生物、医学、生态、经济社会等几乎所有领域。

自动控制技术将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。

四、机器人的发展展望

目前各国十分重视机器人的发展与创新，加大研发、生产制造的投入。机器人的研究始于20世纪中期，以计算机、自动化以及原子能的开发利用推动自身的发展。

有以下参考数字：各国都在加大对机器人研究开发制造的投入，美国投入军事、反恐用的较多，德国、日本则在智能机器人、仿人机器人研究较快。

我国以上海、天津、深圳为机器人开发研究主要基地。如深圳、上海、天津的投入最大，深圳每年投入140多亿，而年产机器人（以工业机械人为主）达4.5万台，需技术人员1.5万人。研究开发多由大专院校为主，因为“发展机器人需要宽口径人才”。上海的机器人产业已达60-70亿元，列入全国第一，其中ABB、年产6000台，另建一个5000台的KUKA工厂。中科院在沈阳建立的自动化研究，是机械人学国家重点实验室。

世界的技术发展情况如下：

1、机器人材料技术发展

先进材料技术的发展对机器人的研究起着积极的促进作用，为机器人的轻型化、微型化、高性能化奠定了重要基础。采用第三代半导体材料、有机高分子材料、形状记忆合金材料，纳米材料等。（记忆合金即是在外力作用下产生变形、外力去掉、能恢复原来形状的材料）。

2、机器人传感器技术发展。

传感器将向智能化、微形化、集成化、多功能化、网络化等方向发展。传感器技术将向模块化、数字化、智能化的统一。着重研究开发、智能传感器、天线网络传感器、微型/纳米传感器等。

3、机器人的结构形态发展。

机器人的结构型式由机器人的工作环境决定的。现则需要机器人能够在不同的环境下工作，向自主作业方面发展，适应已知的环境，更要适应未来未知的环境。（以我国登月的月兔机器人例子说明）。

根据仿生学、设计制造出模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为的机器人，将生物的运动机理和行为方式运用到机器人运动机理和控制的研究中。

因而产生了如水母机器人，企鹅机器人，仿人的机器人。

另一个发展趋势是形态的模块化。形状是一个单独的模块，每个模块的结合组成功能不同形状各异的机器人。如蛇形、轮子形、并向小型化发展。

4、机器人控制器发展

机器人的控制器是机器人的大脑，其发展日新月异。它的特点是：首先采用开放式结构，开放式软件和硬件，用户可以对机器人的控制性能进行改进扩充。第二，是采用标准的开发环境，使开发环境的兼容度越来越高。第三，采用高效的数据总线技术，硬件采用统一的总体传输协议，为标准的硬件提供统一的接口。

同时发展量子计算机，它比现在的超计算机速度可快上10000倍。神经网络计算机即仿人脑，每个神经细胞既是存储单元又是处理单元。再发展生物计算机，其原材料是人体蛋白质的分子，可比现计算机快10万倍，至2020年运算速度更快的生物芯片将代替硅芯片。

5、机器人智能发展

未来机器人的软件功能将更加完善，控制方式和控制的算法更加智能，实现多种控制功能。机器人的智能将不断得到提高，自我学习能力会越来越强。

有人认为将来机器人会有属于自己的“自我意识”。这是一个很有争议的问题，即“将来机器人会不会奴役人类？”应该说，理论上讲，机器人的智能发展是可能达到人类的层次的，甚至会超越人类的层次。即逆向工程可制造出人脑，有人预测到2045年人工智能将会掌管全球科技发展，人工智能将超越大脑。

荷兰有科学家认为，2050年前后，一种被称为“浪漫人”的机器人将问世。这种机器人将不再会是简单的机械性产品，它将具有情绪、性格、意识，它可以与你交谈和使你发笑，说“我爱你”。到那时候，机器人将会取代人类现实生活中的某些重要角色，它们最终将被彻底地“人化”。

6、研究机器人与生物的结合。

生物机器人是利用生物的运动机能及动力供应体制，通过植入控制芯片或者控制神经元，而出现的生物—机电控制一体化技术机器人。已有科学家在老鼠、家鸽、壁虎、蟑螂的脑子里植入控制芯片或电极，控制动物的活动。也有在生物胚胎中植入控制元件，让植入物与生物的身体结合成一种真正意义上的机器人。

关于生物机器人的研究正在进行，许多国内外的学者从事该领域的研究，并已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。在这方面，美国、日本等发达国家走在世界前列。

生物机器人与一般机器人相比，有许多突出的优点，有其他机器人无法比拟的优越性。生物机器人主要可用于安全保卫、反恐安全、利用小空间或复杂危险环境下的搜救，以及人体康复上的应用需求。

由于受到生物学、神经学、MEMS技术、控制技术、通信技术、传感技术以及数学方法等相当基础学科发展的制约，生物机器人需实际应用，还有相当长一段距离。

7、关于机器“人”

机器人的发展的另一趋势是与人的结合。这一早已被科学家所注意，并着手进行这一领域的研究。现阶段已有成果并应用于机械外骨骼和智能假肢。

机械外骨骼主要是由电池驱动、机械骨架上安装有传感器、传感器会自动侦测穿戴者的行动意图。可记录肌肉收缩情况，将获取的信号传送到计算机中处理。然后由特定的马达下达相应的运动指令，驱动液压组件做出相应动作，保证动作与穿戴者的动作一致。

此项技术正在美国、日本两国研究，并进展最快、最好。除机械外骨骼外，还有混合辅助肢体、智能假肢等。智能假肢用于残障人士，不仅可以活动，还可以通过人类的脑电波来控制，提高残障人士的生活自理能力。

手臂残缺者装上智能假手后由脑部智能控制，可以做多个动作，手指能动作自如，还可以握手、弹钢琴。