机器人学概论论文

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！机器人概论在当今社会中，机器人越来越受到人们的广泛关注。此文从机器人的发展史说起，着重于机器人的分类与应用和关键技术。关键词：发展史分类与应用关键技术正文：一、机器人的发展史机器人（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。在近代，随着第一次、第二次工业革命，各种机械装置的发明与应用，世界各地出现1920年，捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词。1950年美国作家I.阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓1.机器人不可伤人；2.机器人必须服从人给与，但不和（1）矛盾的指令；3.在与（12）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。本世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可作点位和轨迹控制，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1964年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Milacron公司的机器人T3。Cincinnati70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。1974年CincinnatiMilacron公司开发成功多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制；采用VAL现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in/Playback）型机器人。只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人—有感觉的机器人。它能够获得作2业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到广泛应用。1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年AIBO成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世，1927纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。1959年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司。2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。二、机器人的应用及分类（一）分类机器人诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。中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。在特种机器人中，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，这和中国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。3操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。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：通过引导或其它方式，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。4数控型机器人：不必使机器人动作，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。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：能适应环境的变化，控制其自身的行动。5学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，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。搜救类机器人：在大型灾难后，能进入人进入不了的废墟中，用红外线扫描废墟中的景象，把信息传送给在外面的搜救人员。（二）品种篇1.特种功能的机器人（1）机器警察：排爆用机器人所谓地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统，它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务，在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务，今天美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人。(2)英国的“手推车”机器人在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。英国由于民族矛盾，饱受爆炸物的威胁，因而早在60年代就研制成功排爆机器人。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人，已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化，研制出土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人，英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用它们探测及处理爆炸物。土拨鼠重35公斤，在桅杆上装有两台摄像机。野牛重210公斤，可携带100公斤负载。两者均采用无线电控制系统，遥控距离约1公里。(3)“土拨鼠”和“野牛”排爆机器人除了恐怖分子安放的炸弹外，在世界上许多战乱国家中，到处都散布着未爆炸的各种弹药。排除爆炸物机器人有轮式的及履带式的，它们一般体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台彩色CCD摄像机用来对爆炸物进行观察；一个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水6枪，可以切割爆炸物。(4)德国的排爆机器人在法国，空军、陆军和警察署都购买了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆机器人。DM公司研制的RM35机器人也被巴黎机场管理局选中。德国驻波黑的维和部队则装备了Telerob公司的MV4系列机器人。中国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安部队的行列。美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹5台Andros个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台Andros。（5）中国研制的排爆机器人排爆机器人不仅可以排除炸弹，利用它的侦察传感器还可监视犯罪分子的活动。监视人员可以在远处对犯罪分子昼夜进行观察，监听他们的谈话，不必暴露自己就可对情况了如指掌。2.民用机器人(1)古代机器人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。(2)机器马车西周时期，中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是中国最早记载的机器人。春秋后期，中国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他援前方战争。3.现代机器人现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器三大会用机器人1.福娃机器人福娃机器人能够感应到一米范围内的游客，与人对话、摄影留念、唱歌舞蹈，还能回答与奥运会相关的问题。2.翻译机器人7能够实现在任何时间、场所，对任何人和任何设备的多语言服务。3.安保机器人其杰出代表为排爆机器人。4.海宝机器人12）请来宾在触摸屏3）流畅的肢体运动实现动感十足的拟人交流。12）配合肢体动作、声光电效应营造出动人的时尚感。1）提供世博会信息平台服务，为来宾介绍上海世博会情况、世博会各场2）为来宾介绍机场、车站附近可换乘的公交路线及著名景点，以及播报近期天气信息等。1）在欢迎来宾后/监测到游客长期驻立身侧/在某些景点，海宝会主动询2）在准备合影过程中，机器人会更换另一姿势；游客表示“好的”等满意评价后，机器人还会询问参与者是否已经准备好，得到肯定的答复后便和参与者一起倒数准备拍照。游客通过触摸屏选择也可触发海宝的照相服务。海宝将语音引导参与者站到指定的位置进行拍照。拍照时，可基于人体检测和人脸检测实现自动对焦。参与者可在机器人触摸屏上看到所拍摄的照片，若对照片不满意，参与者可选择进行重拍。提供大头贴照相效果服务，利用人物提取、背景融合等技术为相片添加世博主题相关的趣味特效，游客可选择采用何种特效，特效处理结果可实3）通过友善可爱的语言提醒并控制单次服务时间。12）海宝通过语音3）为游客规划一条最便捷的到达路径。12）讲笑话/说故事（3）歌曲。协作引领参观：室内外、展区间，机器人在完成了本区间的引领任务后，会将游客带机器人换岗仪式：机器人电量低、检修、故障时，可自动召唤备用机器人前来换岗；可设计具有较强观赏性的机器人定时换岗仪式。团体舞蹈表演：海宝家族的兄弟姐妹们可以一同协作，完成群体舞蹈或队列表演。5.女子机器人女子机器人乐队可以轻挪舞步，合力弹奏一曲“茉莉花”或其他乐曲。6.机器人除了以上这些，还有的机器人能表演太极拳，身怀中国功夫的机器人也将出现在世博会上。7.腾讯Qrobot机器人腾讯Qrobot方式为用户提供丰富快捷的网络服务，用户只需要语音控制，就可以获得像天气、新闻、音乐、股票、教育、智能提醒等资讯和应用。同时，Qrobot是一个开放的平台，在这个平台上用户可以下载自己想要的各项应用。Qrobot机器人是一个有“思想”的机器人，它能听懂你的话，回应你的说话，明白你的小情绪，用各种搞笑逗乐你，而且它也有自己的小情绪哦；它可以帮你打字，你只需要keep8自定义各种对话，让它具有学习功能......每一台Qrobot都对应一个全球唯一的编码，每个Qrobot都因不同的主人使用喜好和习惯有一套自有成长体系，即使用户将来更换了，原有机器人的成长体系仍可以全部加载到新的机器人上。Qrobot1）音乐点歌（2）语音搜索资讯（3）娱乐游戏（4）567）诗歌国学（8910）天气预报（11）语音打字（12）SNS提醒（）办公备忘等等。三、机器人的关键技术（一）关于机器人运动平衡的研究机器人脑中的自身图形的运动与机器人运动相同，机器人自身图形需要怎样的运动，机器人的脑就指挥机器人做怎样的运动。因为在机器人脑中，有机器人自身图形上每个部位的形状、密度、大小和每一时刻的位置，所以不论机器人的自身图形做怎样的运动，机器人的脑中都能很快计算出自身图形的质点。重力方向很容易被测量，自身图形的质点和重力方向合并在一起，就在机器人脑中有了机器人自身图形的重心。机器人必须能用一条腿很容易站稳，这样对机器人做各种运动都十分重要。机器人脑中自身图形的每一个关节的运动变化，都可能影响到脑中自身图形重心的变化。如果机器人用一只脚站立，那么机器人的脑能够通过调整机器人身体关节的轻微运动来调整脑中机器人自身图形的重心，使机器人自身图形的重心和图形脚中心位置总保持在一条重力线上，这样当机器人用一只脚站立时，遇到轻微的碰撞也能够通过身体的自动调整使机器人不会摔倒。机器人的脚与地面接触，会在机器人脑中形成图形脚的接触面和确定一个较大范围的当机器人双脚走路时，机器人脑中自身图形的重心点投影在自身图形双脚接触面的连线中，在机器人脑中自身图形双脚的接触面，能够确定并形成更准确的图形地面。反过来当机器人重心突然偏移，会在机器人脑中图形地面上出现一个运动的重心投影点，这时机器9人自身图形必须马上向重心投影点的运动方向迈出一步，这一步的大小应该保证重心的投影点在自身图形的双脚连线之间。在机器人脑中有了与机器人做相同运动的机器人自身图形，机器人的脑就能够随时知道机器人自身图形做各种运动时的重心变化，这样机器人的脑就能够按照重心偏移的快慢来选择迈步的速度，当机器人需要快速起跑时要先有意造成身体重心向前的快速偏移，这样就必须快速向重心偏移的方向迈步才能保持机器人身体平衡。当机器人受到碰撞使身体的重心快速偏移，机器人就必须快速向重心偏移的方向迈步使机器人身体平衡。在机器人脑中有与机器人做相同运动的自身图形，机器人就能够通过脑中自身图形上重心投影点的变化，随时知道机器人重心的变化，这样机器人的脑就能够准确地控制机器人身体做各种运动，使机器人在运动时始终保持运动平衡。（二）机器人在视觉上存在的问题和解决的办法实际上机器人通过电子眼在脑中形成的是一副由像素点构成的平面图像，其中的任何一个物体图像都是平面的，由于是二维的平面图像所有各种物体和环境的图像都混合在一起，机器人通过这样的二维平面图像不能准确地识别物体也不能知道物体的远近，机器人并不能通过这样的眼睛行走和感知环境，我们可以把各种物体图像事先存入计算机用于对物体的识别，但这种办法只能识别特定的物体并不能适用于千变万化的环境，可以说目前的机器人并不能真正地看到物体。为了要解决这些问题我们就必须让机器人脑中能够形成外界物体的立体图形，如图一、是机器人的眼，o点是视线中心，长方形外框是机器人的眼眶，在眼中所有的线段都在一个平面上没有远近之分，但这时我们能够按照我们的视觉经验来为机器人的眼中标出各条线段的距离和长度，为机器人创造出一个视觉空间，如果一个线段的长度是一米，它在机器人眼中形成的空间线段图像是一厘米长，那么我们就把机器人眼中的一厘米长的线段标成一米，这样当外界的一条线段在机器人的视觉空间中形成一厘米长的线段图像时机器人就知道自己看见了一条一米长的线段。图一中我们可以看到如果我们为机器人创造一个视觉空间，机器人认为的一个固定长度在机器人眼中的不同位置的实际长度是不同的，如线段ab比线段ef长但在机器人视觉空间中线段ab和线段ef的长度相等，线段bf和线段dn本来是平面上的线段但在机器人的视觉空间中就变成了前后的距离长度，因为有了视觉中心这样机器人就能够知道一个在视觉平面中某一位置的角度在视觉空间中这一位置上的实际角度，如图一中角fbd小于角ndb，但在视觉空间中角fbd等于角ndb是90,有了平面视觉和空间视觉的对应关系机器人就能够通过眼在脑中形成立体的物体图形，例如这时有一个运动的正方体在机器人眼中形成了运动的平面图像，机器人脑中就马上利用图形微粒在视觉空间中形成了与之对应的正方体图形，这样正方体每一时刻的运动变化和到机器人的距离变化都十分清楚地显示出来。在机器人的视觉中同时存在着平面视觉和立体视觉，对于一个图形有时可以看成是平面的有时可以看成立体的这要根据实际情况来选择。在机器人脑中有了视觉空间机器人就能够通过视觉在脑中直接形成外界物体的立体图形，机器人通过眼中平面图像上的像素点提取出各种事先在机器人脑中存储的图形微粒，在脑中的视觉空间中构成物体的立体图形，选择用微粒来构成图形是因为微粒细小可以填充出各种物体图形，图形微粒在机器人脑中形成一个物体图形的过程中机器人也在逐渐识别出这个物体，这时机器人对这个物体的各种认识都会加在这个物体图形上使这个物体图形产生变化，如机器人识别出这个物体是一块海绵，那么这时机器人脑中的这个物体图形的内部就会马上变成海绵的结构。10我们在计算机中可以制作一个虚拟的立体图形世界，如计算机中的人工生命，计算机能够十分清楚虚拟图形世界中的每一个物体图形的性质和在每一时刻的运动状态。在这里机器人通过电子眼在脑中自动形成了外界物体的立体图形，这样机器人就能够认识外界物体认识和了解外界物体每一时刻的运动变化。机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势