机器人现状与趋势课件

机器人概述机器人研究所2011.4机器人现状与趋势【3月20日报道】日本向事故区投放了Monirobo机器人用于检测核辐射剂量、摄像、温度、湿度检测、粉尘和可燃气体收集检测等（日本核安全技术中心设计和生产）

•外形尺寸：

800×1500×1500mm（双履带）

•重量：600Kg（可搭载作业机械臂）

•行进速度：40m/min•无线传输（遥控）距离：1100m

特点：机器人防辐射，须加屏蔽罩，电子产品（尤其照相机）易受辐射的影响，故障或失效。

美国关岛空军基地的全球鹰无人机（携带摄像机、热成像仪、合成孔径雷达等）提供全天候航拍支持。一、福岛核电站事故与机器人Monirobo（红黄两种）机器人离我们越来越近！机器人现状与趋势【3月28日报道】当日晚，（美）6位工程师携4台iRobot机器人（Packbot/2台、Warrior/2台）从马萨诸塞州总部飞抵东京。这些核化侦察机器人可适应高辐射环境，但无法在堆芯区域存积的冷却水中工作。越靠近堆芯，抢险人员越无法接近，故不得不越来越期待起用机器人。Packbot任务：清理废墟，搬运危险物品，探测辐射。Warrior任务：抓住直径7.6cm消防水管，将其拖曳和敷设到冷却水注入点。【4月17日报道】Packbot进入福岛第一核电站3号反应堆，监测核辐射量和温度，拍摄内部照片。机器人采集的各种数据将择日公布。【4月19日报道】福岛第一核电站2号反应堆湿度过大，机器人未完成任务。

加拿大、中国等国家也声称可派遣机器人救援，不过日方未接受。宋健：机器人是20世纪自动化领域最伟大的发明。比尔∙盖茨：机器人进入千家万户。机器人在福岛第一核电站3号反应堆现场作业机器人现状与趋势二、机器人分类机器人工业机器人焊接机器人喷涂机器人装配机器人搬运机器人智能机器人军用机器人家用机器人医疗机器人娱乐机器人医疗机器人机器人现状与趋势三、工业机器人（IndustrialRobot）机器人现状与趋势

各大洲的机器人需求预期1991～2008世界工业机器人年产量×1000台/年机器人现状与趋势

主要国家地区工业机器人预期（2008、2009、2012）年装机数

在役数

机器人现状与趋势

中国工业机器人每年新增安装台数

•2009年总在役台数：37000（占全球3.6%）台

•2008年销售额（机器人）70亿，生产线（1000亿）

•2012年保有台数：60000台，年均增速：25%年份台数机器人现状与趋势英法美意韩德日国国国大国国本利

发达国家制造业工业机器人密度（台/每万人）机器人现状与趋势焊接喷漆洁净其他搬运中国工业机器人应用类型比例汽车电子其他化工机械中国工业机器人应用行业比例机器人现状与趋势小结（1）工业机器人的数量还不及汽车，但是如果计入服务机器人，就可比了（工业10万+服务400万：吸尘、割草、娱乐、家用……）；（2）工业机器人已经成熟，但是不等于中国没有机会；（3）中国今后的成长点在搬运和洁净机器人；（4）中国机器人市场会以两位数成长，从老龄化（比日本还要严重4个老人-一对夫妻，目前60岁以上1.59亿人，10%）和百人占有量看；（5）33所机器人产业化方面的作为在直流伺服驱动技术（无刷电机、驱动器）、减速器、传感器等是军民结合生长点；（6）国际上军用机器人刚刚兴起，中国需求尚要启蒙，市场尚未唤醒（10～20年），产业需要培育（5～10年）；但是工业机器人的市场切入应该不存在认识上的问题。小结（1）工业机器人的数量还不及汽车，但是如果计入服务机器人，就可比了（工业10万+服务400万：吸尘、割草、娱乐、家用……）；（2）工业机器人已经成熟，但是不等于中国没有机会；（3）中国今后的成长点在搬运和洁净机器人；（4）中国机器人市场会以两位数成长，从老龄化（比日本还要严重4个老人-一对夫妻，目前60岁以上1.59亿人，10%）和百人占有量看；（5）33所机器人产业化方面的作为在直流伺服驱动技术（无刷电机、驱动器）、减速器、传感器等是军民结合生长点；（6）国际上军用机器人刚刚兴起，中国需求尚要启蒙，市场尚未唤醒（10～20年），产业需要培育（5～10年）；但是工业机器人的市场切入应该不存在认识上的问题。小结（1）工业机器人的产量还不及汽车，但如果计入服务机器人，就可比了（工业10万+服务400万：吸尘、割草、娱乐、家用……）；（2）工业机器人已经成熟，但是不等于中国没有机会；（3）中国今后的成长点在搬运和洁净机器人；（4）中国机器人市场将以2位数成长，老龄化（日本60岁以上1.59亿，占10%，比日本更严重，4个老人一对夫妻，）和万人密度看；（5）机器人产业化基础弱：交直流伺服驱动技术（伺服电机/驱动器）、减速器、传感器等；（6）机器人发展的历程是先民用后军用，中国的军用机器人市场尚要启蒙，唤醒（5～10年），产业培育（10～20年）；但是工业机器人的市场切入应该不存在认识上的问题。机器人现状与趋势【推荐1】搬运机器人需求行业：＞30～40kg的箱式、袋式、罐式包装石化、化肥、建材、水泥、橡塑食品、饮料、乳业饲料加工、粮食加工医药卫生军事国防中国搬运机器人市场：2000台/年（占30%，产值8亿=40万×2000台）生产线市场：按2台/条计，机器人：生产线=3：7，1000条生产线的总产值为18.0亿利润：20%（成本20～30万/台，3.6亿）码垛机器人搬运机器人机器人现状与趋势搬运机器人国外ABBMOTOMAN500kgFANUCFUJIKUKA直角坐标机器人现状与趋势国产搬运机器人&生产线哈工大博实哈工大海尔广州裕轻无锡力马机器人现状与趋势手爪的形式机器人现状与趋势【推荐2】洁净自动化产业（cleanroomrobot）特点：洁净度、平稳性、高效率、可靠性市场：芯片（晶圆片）、平板显示、超薄玻璃、食品、医药、太阳能、镀膜IC装备大气机械手真空机械手自动物料输送系统半导体前端设备平板显示垂直关节基板搬运机器人水平关节基板搬运机器人洁净AGV、RGV洁净自动物料输送系统其他行业超薄玻璃、电子、食品、医药洁净环境搬运机器人线镀膜、太阳能洁净环境机器人线食品、医药、纸业洁净环境码垛包装机器人线机器人现状与趋势四、军用机器人（Militaryrobotsareautonomousrobotsorremote-controlleddevicesdesignedformilitaryapplications）机器人现状与趋势美国未来作战系统(FutureCombatSystems)概念图(2006)

以智能化信息处理技术和网络通信技术为核心1.FCS的作战概念机器人现状与趋势FCS的作战概念阿富汗战场的拆弹部队

2010年9月5日两名《环球时报》记者跟随一个巡逻队在坎大哈市郊美军基地不远的地方执行巡逻任务（巡逻队由美军101空中突击师营A连6名官员、6名当地国民军士兵、2条嗅弹犬组成），在途中突然与塔利班武装人员遭遇。但是塔利班武装人员一闪就消踪匿迹了。巡逻队觉得形迹可疑，急忙上前搜查，在距离美军基地外围墙跟约200m处，嗅弹犬狂叫不止，表明嗅到了可疑物。于是马上通知后方支援。20min后，一个机器人拆弹小组前来增援，该组5人组成，包括女专家1人、机器人操纵手1人、排爆手1人、掩护枪手2人。操纵手从背包取出PackBot，以遥控模式让机器人趟过一片不深的积水，爬过一堆废墟后，发现了一包自制炸弹，又花费了30min，机器人成功剪断了炸弹引爆线，于是拆弹小组顺利返回。PackBot机器人功能全面、外形小巧，质量较轻，因此美国大兵们将之昵称为“背包”。码垛机器人机器人现状与趋势UnmannedAircraftCombatVehicles（UACV）

UnmannedGroundCombatVehicles（UGCV）AutonomousUnderwaterCombatVehicles（AUCV）iROBOT-15A轻骑兵RQ-4全球鹰2.军用机器人的种类机器人现状与趋势一名士兵最大负荷:40~60kg（必备随身武器26公斤+单兵机器人＜30kg）×1

（<30Kg）微小型SUGV，单兵、省电设计×4（<100Kg）中型MUGV，侦察、排雷、作战、后勤>×4（>100Kg）大型LUGV，作战、后勤3.UGCV的种类侦察作战移动机器人爆炸物处理机器人地面移动机器人自主移动机器人半自主移动机器人遥控移动机器人大型移动机器人中型移动机器人微小型移动机器人按控制方法按功能按重量体积机器人现状与趋势典型移动模式机器人现状与趋势4.典型的UGCVTALON（魔爪）尺寸:0.864×0.559m最高速:8.37Km/h最大爬坡角度:40°无负载车重:54.4Kg控制方式:无线遥控多任务平台40mm高爆弹或由澳大利亚金属风暴公司研制的多管机枪（射速达16发/s）Foster-Miller公司的产品机器人现状与趋势Warrior×700（勇士•今年夏天定型）尺寸:0.889×0.768×0.457m最高时速:12.9Km/h最大爬坡角度:45°无负载车重:157.4Kg最大负载:68Kg控制方式:无线遥控iRobot公司的产品机器人现状与趋势金属风暴（MetalStorm）=FireStorm（武器系统）+标准“战斗平台”（Warriorplatform）（底座）FireStorm的火药发射筒一分钟内齐发几千次弹药（理论可达100万次）机器人现状与趋势•尺寸:0.813×0.521×0.178m•最高速:9.3Km/h•最大爬坡角度:45°•无负载车重:20Kg•最大负载:6.8Kg•控制方式:无线遥控机器人现状与趋势ReconscoutLANdroidsEyeDrive机器人现状与趋势中型地面移动机器人本体型谱

微小型地面机器人本体型谱机器人现状与趋势中型机器人应用模块型谱

小型机器人应用模块型谱

机器人现状与趋势5.市场权威军事咨询公司

WinterGreenResearch的资料2009年军用移动机器人市场统计序号国家、地区销售额（百万$）全球市场占有1美国702.784.5%2欧洲124.715.0%3日本0.80.1%4中国0.80.1%5印度、俄罗斯、巴西0.80.1%6亚太地区0.80.1%机器人现状与趋势

世界UGCV市场销售额预测

世界UGCV市场销售量预测机器人现状与趋势

大中小型UGCV销售额对比预测

大中小型UGCV销售量对比预测机器人现状与趋势市场结论（1）世界军用机器人市场在2014~2016年将迅速膨胀，十二•五是军用机器人重要的战略发展机遇期；（2）（MUGV）占有的市场份额最大。WinterGreenResearch预测2016年它的市场额接近65亿美元，是（SUGV）的3.4倍，（LUGV）的26倍；（3）（SUGV）的销售量可观。WinterGreenResearch的预测2016年它将达750万台，是（MUGV）的97倍，（LUGV）的20900倍，（SUGV）2010销售量的3700倍；（4）（SUGV）在2014~2016年的销售额年均增长率＞100%，相对下，（MUGV）的年平均增长率≈30%。从纯商业角度看，着重发展（SUGV）和（MUGV）是符合市场需求条件的。从军事角度看，（SUGV）和（MUGV）在未来作战系统中具有重要的战术地位。机器人现状与趋势（1）iRobot公司20年发展年谱年份发展阶段主要事件备注1990IsRobotics公司后改iRobotMIT的CSAIL（ComputerScienceandArtificialIntelligenceLaboratory）RondyBrooks教授和学生ColinAngle和HelenGreiner创办机器人研发商业公司PackBot原型机及多项专利2000

政府资助得DARPA（DefenseAdvencedResearchProjectsAgency）战术移动机器人计划（TMR）资助，启动军用机器人原型机Urbie开发2001Urbie申报专利Urbie参与了9.11世贸中心搜救。表现稍逊，但在作业需求和性能等方面获宝贵经验和数据，奠定它的发展方向，申报了专利。

200210月获美军首批订货美陆军在阿富汗对多种机器人样机测试（越野、清除洞穴、入房搜索、穿越布雷场等），Urbie崭露头角2003PackBot正式定名EOD（排爆型机器人）列装2007中标&拓展型谱7系列中标陆军1000台，试用满意后追加2000台，该年底获2.6亿$，3000台不确定订货、备件、训练及维修员工300价格至2010年的销售业绩：20个合同共计3000台单价：低配置价格11万$/套，高配置40万$（扩展和现场维修服务）6.典型的制造商机器人现状与趋势PackBot2005～2010部分销售业绩2004年前iRobot公司在中国有代理，产品一度在中国销售，但其后被撤消，原因据说是接到了美国军方的巨额定单。目前PackBot

仅售到德国机器人现状与趋势（2）Foster-Miller发展年谱年份发展阶段主要事件备注1956创建Foster-Mille公司最初由MIT的三名学生创办的一家专用设备开发商2000TALON处女秀在波斯尼亚成功转移并处理爆炸物2001亮相9.11参与世贸中心救援，因表现出色开始配备美国陆军，并首批进入阿富汗，执行爆炸物拆除、侦察、危险品操作、战斗支援等2004

被（英）公司QinetiQ收购Foster-Miller成奎奈蒂克（QinetiQ）旗下的北美全资子公司。

Qinetiq前身为（英）DERA（国防部防务评估及研究局：DefenseEvaluationandResearchAgency），2001年分出独立国际防务安全科技公司（国防部控股）主流产品机器人2001～2007投入实战美军购置1000辆，投入阿富汗、伊拉克战场。与ARDEC（武器研究开发及工程中心）、金属风暴等武器公司合作，开发作战概念，包括：M16步枪、M240/M249机枪、M202-A16mm火箭弹发射器等2006申请多项专利2008.05.06需求剧增2007.4～2008.5，仅13个月内再交付1000辆“魔爪”，于是在2008.05.06“

Foster-Miller宣布该公司已经向美军交付了第2000辆“魔爪”价格简版系统单元：11万$/台，SWORDS系统（带机枪）：20万$/台如选用陆军的CKEM小型动能弹。它是陆军视距内的超高速反坦克导弹（LOSAT）的较小型号，长1.2m、重22.7kg，可由单兵搬运，垂直发射，射程4

5km。机器人现状与趋势Talon&Swords2004～2007部分销售业绩平均价格:TALON:11万U.S.SWORDS:20万U.S.D机器人现状与趋势小结（1）一个军用机器人从技术到产品的培育期大致5～10年；（2）一个军用机器人生产商（企业）的初创期和成长期大致需要5～10年；（3）技术与市场的引领关系是辩证发展的。在技术已经有一定积淀的目前阶段，应该由市场引领，反过来再促进技术的跟踪和发展；（4）中国发展机器人的困难在工业体系的配套机制不全，核心元器件的产能不强；（5）中国发展军用机器人的风险在一哄而上，低水平重复；在受到市场挫折后，又浅尝辄止，一哄而下；投机成分厚重，锲而不舍的精神缺乏。这一点在月球车的研发上已经有所暴露；机器人现状与趋势五、地面军用机器人关键技术（1）模块化技术（2）基于COFDM的新一代机器人无线通讯技术（3）自主导航技术（4）多机器人协同作战能力机器人现状与趋势（1）模块化技术

快速可维修性

机器人可代替士兵受伤或牺牲。据阿富汗/伊拉克战场的统计，每台军用机器人受损后平均可维护的次数是10次。机器人一旦发生故障，或受对方攻击发生残损，可以立即被送到战地维修所，快速地更换整个模块（而非零部件），重新投入战斗。更换模块既快速，又简单，非专业技术人员即可胜任。如果更换停留在零部件级，非需要专业维修人员不可，花费的时间和代价会相当高。（前面看到，低配置价格11万$/套，可扩展和跟随维修人员的高配置40万$。再例如旋转编码器，抗振性差，故障率高，是伺服电机的薄弱环节，新的趋势是将电机-编码器分离。安川HP系列机器人的分离式编码器，一旦损坏，15分钟即可更换）。

独立性和自封装

每个模块彼此独立，各成一个完整的单元实体，具有独立的结构、对外有通用的机械、电气、电池、通讯和控制的接口，满足标准化、互换性、通用性。

多样性

机器人配备一系列可选模块，在通用平台基础上添加或删减选件，可按照机器人型谱进行“重组”，以适应不同任务的需求。机器人现状与趋势军用机器人易损的零部件机器人现状与趋势模块化示意图机器人现状与趋势自主导航的模式感知对象:

环境（各种外部传感器）本体（各种内部传感器）定位：定量描述机器人和环境的空间几何位置关系（算法）规划：全局规划；局部规划（算法）；智能行走：灵活运动和安全越障（算法）关键问题：小型集成化、国产化双目视觉10帧/s•慢百米测距•mm级分辨率惯导+GPS•长时工作双目立体视觉：几何关系明确，问题：1）要在两幅画中找到对应点，建立点-点对应关系，信息可能不充分（如照度低或颜色混淆）2）受遮掩或阴影影响，景物中某些部分仅在一幅图像出现。障碍检测：激光雷达（主动，数据稀、频率低）+立体视觉信息融合（被动，受光照影响）、超声检测局部避障的策略、路径规划和算法：人工势场、虚拟力场、模糊逻辑、神经网络、增强学习自主导航：航位推算法、卫星定位法、组合定位法、（2）自主导航技术在何处？欲何往？如何去？机器人现状与趋势

《大都市大震灾减轻特别计划》

（简称DDTProject）2002年开始实施日本国家研究计划新一代救援手段技术的构成瓦砾堆中搜救机器人瓦砾堆上搜救机器人空中搜救机器人信息及通信技术震灾模拟实验现场先进搜救传感器及工具地下室遥控移动机器人搜救灾情的社会广域信息通报交流人机接口多种搜救手段两处国家实验场地：川崎/神户试验场

机器人遥控和生命搜救系统性能评价

逼真模拟震后城市倒塌现场环境模型，对机器人在不平整地面、台阶、壕沟、狭窄空间、三维迷宫的穿行能力做评价再现倒塌木结构平房的环境，机器人在狭窄、散乱的室内空间中穿行，考察能力。台阶/壕沟宽度：0.1m～0.2m狭窄空隙：0.2m～0.3m行进距离：20m机器人现状与趋势

机器人与士兵功能优劣的比较

项目功能比较备注机器人士兵机器人+士兵体能延伸中良良与传统车辆比较，在轻型、速度、越野机动、翻滚等方面强，但比人类差信息延伸中中优人无法接近目标，机器人直接视觉差，互补后在近战态势侦察方面强作战功能良良优杀伤力方面各有优缺，在网络支持下某些场合提高了近距离打击准确度。机器人加士兵的作业能力也更强了。如德国一款扫雷机器人，在6小时内的扫雷面积相当于30个有经验的工兵，效率提高15～20倍生存能力强弱强士兵生命牺牲代价大，机器人可维护10次其他“战争成本数学”计算，美军士兵一生的平均军费支出为400万$，机器人士兵仅1/10。官兵有晋升军衔、涨薪资、退役金、保险费、家属安置费问题，更有伤亡带来的抚恤赔偿和政治压力。机器人是“零伤亡”。总体伤亡降低70%。

在难度方面，机器人地面的自主导航比空间飞行器至少不低。

军用机器人作战定位：半自主（遥控+局部自主）、分散（系统和群的概念）、信息网络的末端节点。机器人现状与趋势（3）基于COFDM的新一代机器人无线通讯技术

1973年阿以战争后，（美）陆军总结坦克变为“被发现就意味着被击中，被击中就将灭亡”。因此要“先敌发现，先敌识别，先敌打击”。一场没有硝烟的信息战是未来战争的序曲。高速移动中机器人系统远距离、实时、多频道、高保密性地传输图像和声音，需MPEG4数字图象压缩编码和COFDM多载波数字调制技术。在无线视频上首选是数字传输而非模拟传输。正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是目前最主要的调制技术，在频域内将给定信道分成许多正交子信道，提高频谱利用率。COFDM技术是在OFDM上加入信道编码技术，增强纠错功能，提高抗多径衰落、抗码间干扰（ISI）、抗多普勒频移能力，使非视距、超视距、高速移动下实现图像，语音，数据的高速高保真传输。该技术涉及有线通讯原理、无线视频压缩处理、视频数字传输和处理、智能图像、RF射频通信技术、自控等技术领域，可借鉴如：公安应急指挥系统、军队无线图传系统、消防无线指挥系统、武警无线指挥系统、电力抢险指挥系统等各种需要无线移动图像、声音实时传输的典型应用场合。机器人现状与趋势（4）多机器人协同作战能力

协同的基础是每一台机器人本身的控制技术已经过硬了。多刚体控制曾是机器人关键技术的一大热门。80～90年代自动控制学者都乐意在机器人上试试新的控制方法和技术（动力学、最优、模糊、变结构、学习、H

等）。这样的代价比在空间技术中要安全和节省。

2000年9月美军进行了一次多机器人协同作战的“彩排”（试验），47台机器人组成的机器人群与士兵共同演练了将近4个小时。每个士兵控制4台机器人，操纵它们隐蔽、侦察、救援、穿过密林、爬楼梯等等。项目经理陆军中校布里奇评价说：“我们学到了许多关于传感器集成和它们对于机器人性能影响方面的知识。这是第一次我们想在茂密的植被中做点事情，这是非常非常困难的目标。这次试验取得了重大突破，机器人跌倒后能爬起来，通信及定位方面的情况良好，但是在机动和避障方面还需要做更多的工作。”

2003年8月6日，12台机器人在美国圣安东尼奥的东南研究所有一次演习，一个6轮“WallCrawler”机器人沿着墙壁爬上天花板地，借助一种百叶窗扇结构（能在两个邻近的表面之间产生低压区域）粘附在任何表面上，包括砖墙；一个6足机器人能有效地攀爬岩石；而一个机器蛇能在管道中蜿蜒前行等等。这些演示充分展现了军用机器人参与现代作战行动的潜力。五角大楼的防卫指挥官JamesShamess旅长说：“这次演习使我们第一次看到在作战区域内机器人的各种各样的五花八门的军事应用”。

机器人现状与趋势从人-机博弈看未来战争中军用机器人的角色人机博弈（ComputerGames）的两大挑战性课题

人-计算机国际象棋比赛：

在人工智能（AI）的发展史中，人-机器智能的博弈始终作为一个标准问题起到有力的推动作用。从1958年以来45年间人/计算机大战了多次。1997年5月，IBM的超级计算机“更深的蓝”在国际象棋较量中以3：2战胜了著名的国际象棋冠军卡斯帕罗夫，成为40年来人工智能研究重大进展的标志性事件，同时也意味着博弈已经在某种程度上完成了它的历史使命，需要寻找新的标准问题、新的挑战来继续推动人工智能的发展。

机器人足球比赛：

于是学者们将目标锁定在机器人足球比赛，它成为AI研究的新挑战。这个构想的由来是加拿大学者AlanMackworth教授在1992年的论文《OnSeeingRobot》中首次提出的。同年10月东京AI重大挑战研讨会上，一些学者积极筹划，由SONY出资注册了RoboCup联盟（TheRoboCupFederation），宗旨是利用机器人足球比赛、仿真比赛等手段加快机器人学及相关科学与技术的发展。1997年第1届RoboCup比赛在日本名古屋揭开帷幕，40支队伍参加，观众5000余人，迈出机器人2050年在绿荫场上战胜人类足球冠军队的梦想的第一步。机器人现状与趋势

人/计算机大战史年份战况、战绩1958