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自然机器人成功获得Pre-A2轮融资,德国风险投资机构Picus跟进(自然机器人是怎么来的)

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机器人最早是谁发明的?

发明第一台机器人的是享有“机器人之父”美誉的恩格尔伯格先生。

恩格尔伯格是世界上最著名的机器人专家之一,1958年他建立了Unimation公司,并于1959年研制出了世界上第一台工业机器人,他对创建机器人工业作出了杰出的贡献。

1956年,恩格尔伯格买下了乔治·德沃尔的“程序化部件传送设备”专利,1957年,天使投资的300万美元到位,他们创立了万能自动公司Unimation,也是世界第一家机器人公司。1959年,一个重达2吨但却有着1/10000英寸精确度的庞然大物诞生,这就是世界上第一个工业机器人尤尼梅特 。他们对创建机器人工业作出了杰出的贡献。

扩展资料:

1983年,恩格尔伯格和他的同事们将Unimation公司卖给西屋公司,创建了TRC公司,开始研制服务机器人。

1988年,恩格尔伯格的新公司开始销售护士助手医疗机器人。依靠大量的传感器,护士助手能够在医院自由行动,协助护士提供送饭、送药和送信等服务,可谓是《超能陆战队》中“大白”的鼻祖。这家服务机器人公司于20世纪90年代末被收购。

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扫地机器人哪个牌子好?

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4.小米MI扫地机器人拖地功能基本是不完善,在建图上栅格地图作为本器人的地图建立方案,建图功能,是首先提出来的,但是目前顶尖企业也没实现手机建图功能,只是一个概念设计,所以建议不要购买

5.海尔扫地机器人采用较高强度的塑料外壳,既减小了自身的重量又具有防碰撞和跌落的特性,质量不错,适合入门级的扫地机器人很优惠哦。

机器人产生的背景什么?为什么要发展机器人?

首先我介绍一下机器人产生的背景,机器人技术的发展,它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果,也同时,为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术,它的发展归功于在第二次世界大战中,各国加强了经济的投入,就加强了本国的经济的发展。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况,人们越来越不断探讨自然过程中,在改造自然过程中,认识自然过程中,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

那么什么是机器人呢?人们一般的理解来看,机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置,或者叫自动化装置,它仍然是个机器,它有三个特点,一个是有类人的功能,比如说作业功能,感知功能,行走功能,还能完成各种动作,它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作,这里一个显著的特点,就是它可以编程,改变它的工作、动作、工作的对象,和工作的一些要求,它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看,应该更强调机器人智能,所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境,能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求,展望21世纪,机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样,会深入地应用到各个领域,在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期,也是智能机器人发展的一个关键时期。

刚才我们用了短暂的时间,讲了机器人的发展以及我们对机器人的看法,进行了简单地介绍,相信大家在今后的学习中,能够加入到我们研究机器人这个行列中。

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首先我介绍一下机器人产生的背景,机器人技术的发展,它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果,同时,为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术,它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入,就加强了本国的经济的发展。比如说日本,战后以后开始进行汽车的工业,那么这时候由于它人力的缺乏,它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造,提高生产效率降低人的劳动强度,这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况,人们越来越不断探讨自然过程中,在改造自然过程中,认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面,尽管人们有各种各样的好的想法,但是它也归功于电子技术,计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。

那么下面我谈一下就人们很关心的问题,为什么要发展机器人?那么简单说,机器人有三个方面是我们必要去发展的理由:一个是机器人干人不愿意干的事,把人从有毒的、有害的、高温的或危险的,这样的环境中解放出来,同时机器人可以干不好干的活,比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点,就重复性的劳动,一方面他很累,但是产品的质量仍然很低;另一方面机器人干人干不了的活,这也是非常重要的机器人发展的一个理由,比方说人们对太空的认识,人上不去的时候,叫机器人上天,上月球,以及到海洋,进入到人体的小机器人,以及在微观环境下,对原子分子进行搬迁的机器人,都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题,也就是说机器人发展的三个理由。

那么什么是机器人呢?这个问题是一个非常有意思的一个问题。但人们一般的理解,机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置,它仍然是个机器。它有三个特点:一个是有类人的功能,比如说作业功能;感知功能;行走功能;还能完成各种动作,它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作,这里一个显著的特点,就是它可以编程,改变它的工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。它是人造的机器或机械电子装置,所以这个机器人仍然是个机器。但是目前还没有一个统一的有关机器人定义,一般来说我们认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某种工作或可以移动的自动化机械,这是美国工程师协会定的一个定义,但日本和其他国家也对机器人有不同的看法,他们认为从完整的更为深远的机器人定义来看,应该更强调机器人智能,所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境,能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求,那么比方说机器人在这里边可以代替人进行焊接,焊接的环境是非常复杂的,可以搬运,它在生产线中搬运玻璃和各种各样的一些零件的搬运的工作,还可以在生产线中码垛等等,这都是把人从繁重的体力劳动中解放出来的一个例子。

那么机器人怎么产生的呢?这是在1920年,有一个捷克斯洛伐克的一个作家叫卡佩克,他写了一本科幻小说,叫《罗萨姆的机器人万能公司》。这本小说中他构思了一个和幻想了一个机器人,它的名字叫罗伯特,也就是我们英文中的Robot,它可以不吃饭,它能够不知疲劳的,不知疲倦地进行工作。在1920年前后,大家也知道是在第一次世界大战以后,是各国工业发展比较迅速的时期,我们看到电影《摩登时代》,卓别林主演的人变成了机器人,在生产线中天天的进行劳动。人们在这种烦躁的体力劳动中就幻想有一种能代替人完成这样工作的想像、一种需要,这个小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家,还变成了一种当时的木偶剧和一些话剧,所以这样的一个机器人的名词就向全世界铺展开来,当时人们还认为是一个科幻小说,还没有把它跟我们日常的学习工作和生产结合起来。

但通过这样一个小说,一个罗伯特这样一个名词,它体现了人类长期的一种愿望,这种愿望就是创造出一种机器,能够代替人进行各种工作。这种想法是机器人产生的一种客观的要求,那么真正机器人的发展是在1947年,美国橡树岭国家实验室在研究核燃料的时候,大家知道核燃料,它有X射线对人体是有伤害的,必须有一台机器来完成像搬运和核燃料的处理这样的工作。在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人,那么1947年以后大家知道,是计算机电子技术发展比较迅速的时期,因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术,进行了机器人研究。那么在1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人,那么这就标志着机器人走向成熟,应该说第一台可用的机器人在1947年产生,真正意义的机器人在1962年产生。那么相继不久,在英国等国家,也相继研究出一些机器人,那么到了20世纪60年代末,日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合,它购买了美国的专利,在日本进行了再次开发和生产机器人。到20世纪70年代的时候,日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化,出现了很多公司,现在的像ABB,MOTOMAN,还有安川公司,还有很多机器人公司像OTC等等公司。它们都是已经将机器人进行了工业化,进行了批量生产,而且成功的用于了汽车工业,使机器人正式的走向应用。

在20世纪70年代到20世纪80年代初期,工业机器人变成产品以后,得到全世界的普遍应用以后,那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人,出现了瑞典的ABB公司,德国的KUKA机器人公司,日本几家公司和日本的FUNAC公司,都在工业机器人方面都有很大的作为,同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽,它已经从工业上的一些应用,扩展到了服务行业,扩展了它的作业空间,向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。

那么总结一下,我们认为,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。抓一个鸡蛋,它能通过一个触觉,知道它的力的大小和滑动的情况。

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。

那么从三代机器人发展过程中,从另一个方面,我们对机器人从应用的角度进行了分类,比如说工业机器人,它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛,在工业现场中工作的这种机器人,我们统称为工业机器人,那么从不同的应用中,到水下去作业的叫水下机器人,到空间作业的叫空间机器人,同时又存在农业、林业、牧业,对医疗机器人叫医用机器人,还包括娱乐机器人,建筑和居室上用的机器人,所以从应用分类,它包括从行业、应用角度,也可以进行这样简单的分类。

下面我简单介绍一下我国机器人发展的基本概况。刚才谈到了日本在20世纪60年代和美国都在开始进行机器人的研究,由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人的研究,在20世纪70年代后期,当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会,在这个会上有两个产品,一个是数控机床,一个是工业机器人,这个时候,我们国家的许多学者,看到了这样一个方向,开始进行了机器人的研究,但是这时候研究,基本上还局限于理论的探讨阶段,那么真正进行机器人研究的时候,是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展,发展最迅速的时候,是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划,就将机器人技术作为一个重要的发展的主题,国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究,使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。

目前主要单位像中科院沈阳自动化所,原机械部的北京自动化所,像哈尔滨工业大学,北京航空航天大学,清华大学,还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作,也取得了很多的成果,而且目前这几年来看,我们国家在高校里边,有很多单位从事机器人研究,很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究,目前我们国家比较有代表性的研究,有工业机器人,水下机器人,空间机器人,核工业的机器人,都在国际上应该处于领先水平,总体上我们国家与发达国家相比,还存在很大的差距,主要表现在,我们国家在机器人的产业化方面,目前还没有固定的成熟的产品,但是在上述这些水下、空间、核工业,一些特殊机器人方面,我们取得了很多有特色的研究成就。

下边我简单介绍一下工业机器人的一些情况,到目前为止,工业机器人是最成熟,应用最广泛的一类机器人,世界总量目前已经销售110万台,这是1999年的统计,但这110万台在已经进行装备使用的是75万台,这个量也是不小的。总体情况看,日本在工业机器人这一块,是首位的,成为机器人的王国,美国发展也很迅速,目前在新安装的台数方面,已经超过了日本,中国刚开始进入产业化的阶段,已经研制出多种工业机器人样机,而有小批量在生产中使用,这也是整个在日本、美国以及我们国家在工业机器人情况的一些比较。

这是点焊机器人,点焊机器人刚才讲的,主要是针对汽车生产线,提高生产效率,提高汽车焊接的质量,降低工人的劳动强度的一种机器人。它的特点是通过机器人对两个钢板进行点焊的时候,需要承载一个很大的焊钳,一般在几十公斤以上,那么它的速度要求在每秒钟一米五到两米这样的高速运动,所以它一般来说有五到六个自由度,负载三十到一百二十公斤,工作的空间很大,大概有两米,这样一个球形的工作空间,运动速度也很高,那么自由度的概念,就是说,是相对独立运动的部件的个数,就相当于我们人体,腰是一个回转的自由度,我们大臂可以抬起来,小臂可以弯曲,那么这就三个自由度,同时腕部还有一个调整姿态来使用的三个自由度,所以一般的机器人有六个自由度,就能把空间的三个位置,三个姿态,机器人完全实现,当然也有小于六个自由度的,也有多于六个自由度的机器人,只是在不同的需要场合来配置。

弧焊机器人也是工业机器人中一个最重要的方面,像我们汽车的后桥,进行焊接的时候,它连续焊接,所以它的特点是连续轨迹控制,所以它要求的轨迹精度要求非常高,一般来说也是五到六个自由度,由于它焊枪比较小,所以在五到十公斤就可以了,这个方面是在国际和国内应用非常大的一类机器人,在另一方面像搬运和铆接,这些工作场合下,像搬运,主要是要求机器人有很高的速度,承载能力很多、很强,像日本的大库机器人,它可以承载三百公斤,抓取、来进行搬运和码垛。

第二类是服务机器人,随着工业化的发展,尤其近十年以来,机器人的发展的应用领域在不断拓宽,目前一个很重要的特征,大家都知道,机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业,刚才谈的汽车制造属于是制造业,但服务行业包括清洁、加油、救护、抢险、救灾这些等等,都属于非制造行业和服务行业,那么这里边跟工业机器人相比,它有一个很重要的不同,它主要是一个移动平台,它能够移动、去运动,上面有一些手臂进行操作,同时还装有一些像力觉传感器和视觉传感器、超声测距传感器等等。它对周边的环境进行识别,来判断它的运动,完成某种工作,这是服务机器人的基本的一个特点。

比方说这里边有几张图片,这是在美国,他们研制的像大型客机这种清洗工作,如果人来做的话十分繁重,那么大一个机体来清洗的话,工作量是很大,而且也很不方便,那么他们采用这种机器人来实现像飞机的这些清洗的工作,包括一些国家开发像高层建筑的清洗机器人,这也都是服务行业的机器人,还包括像家庭使用的,还有一些宾馆和一些公共场合使用的这种清洁机器人,对地面来进行清扫,还包括网球场上能够自动地把撒下的球,集中收集起来,这种机器人也都是存在的。

另一个方面的服务机器人应用,在汽车加油机器人这块也很有意思,包括我们现在的一些加油站,都是用自动的计量装置,实现了有的这种自动计量,但是还仍然用人去操作,但可以看到在一些美国的高速公路上,汽车流量很大,包括夜间都要对汽车进行加油,工作也很烦琐,所以现在很多国家在开发这种自动的加油机器人,它可以自动的计量,自动的把汽车油嘴放到汽车油箱里边去,这也都是服务机器人的一种体现。

导盲机器人它针对盲人这种安全性考虑,类似于一个小狗的形状,它能够对道路的一些障碍,运动的车辆和行人进行判断,来引导这个盲人进行安全的行走,这个确实对提高盲人的安全,是非常必要的。

再有导游礼仪机器人,这也是服务机器人,体现出一种智能的,一个体现的代表,在很多大的公司它需要对产品进行宣传,它制作出一些各种卡通形状的机器人,能够跟人进行简单的对话,介绍产品等等,这在一些宾馆能够接待一些客人等等增加企业或者宾馆的这种对社会的影响。

家务机器人主要体现在像一些对地毯和地板定期的它能够进行清扫和吸尘,它这个机器人很有意思,它有传感器,它能够把家具和人能识别出来,它自动的按照一种规律,能根据路径把地面全部的清扫干净,这也是家务中一些机器人的表现。

那么表演娱乐机器人,现在很多国家在开发这种像动物园、还有娱乐中心、还有迪斯尼这样的一个大型的游园,它为了增加趣味性,把研究出像模仿人,包装成各种人的样子,它能够说话唱歌和表演,这样还能跟人进行交流,这样的机器人,还包括把机器人包装成各种有趣的动物,像恐龙、大象、狮子,还有一些小的卡通式的这种动物,它已经完成像动物的一些动作的模仿,模仿它的声音,同时还跟人进行交流,尤其是比较有趣的是一个弹钢琴机器人,早期在日本的时候,弹了一首世界著名的名曲,在当时,在机器人界引起了很大的轰动,那么这个机器人特点,它要求手指非常灵活,自由度也特别多,而且在弹的过程中,还要有力控制和感觉的控制,所以它相对来说是对机器人机构和控制方面提高更高的要求。

还有像这种机器人的演奏家,包括它的拉小提琴,这个小提琴在乐器里边最复杂的,难度最高的一种乐器,它能通过乐曲拉小提琴,力的控制、协调、速度等等,都要进行选择或者自动的判断,还包括这也是一个机器人在做一个表演,等等就是在服务机器人方面,它很宽的一个应用领域,它跟人的需求越来越接近,那么总结一下它有几个关键技术,从技术上的方面有四个,一个是移动机构,前面看过几种机器人它跟工业机器人不一样,大多数的服务机器人,它是移动的,有轮式、履带式、还有步行式的,包括还有组合式的,这种移动机构,对环境感知功能,这也是服务机器人最重要的特点,因为它所处的环境,不像工业机器人对一个固定的环境,固定的机座,固定样子来实现的,那么这个环境也许是未知的,也许是变化的,包括清扫机器人,屋子的形状,一家一个样子,家具的摆放不一样,甚至,还有一些人在走动,这些非结构环境使得它能够准确的描述和感知和判断,这一点来讲,就表现出服务机器人具有一定的人的智能的这种功能。

另一个方面是能源技术,大家知道,早期做仿人形机器人,都带一个“辫子”,因为它能量提供不足,那么电池能量很小,所以现在的这种服务机器人,理想的这种能源它要求是密度高,输出电压比较恒定,内阻小、耐高温,还可以充电,成本低,尤其在密度高这个方面是十分重要的,所以能源技术是未来移动机器人发展中的一个十分关键的一个问题,还有控制技术,控制技术在感知环境的过程中,它也需要跟人进行交互,它既然是服务,人总要跟它接触,那么如何跟人进行交互,那么就需要一个开放式的友好的连接接口,包括语音功能,图形编程方式等等。

另一个方面的体现在农林畜产机器人这方面,国际上也有些很大的进展,可能对我们国家农业机器人,林业机器人是否需要,我们也在探讨,那么对于一些发达国家农业人口十分有限,包括在一些农副产品,松籽的采集,量很大,非常麻烦的一件事情,这样的话,一个机器人能够对像西红柿,苹果等水果,它通过形状和颜色,来判断它的成熟度,然后摘取,这个确实提高了农业自动化的一个方面的研究,包括我们国家已经研制成功嫁接机器人,对一些像嫁接,机器人采摘以后,能够对两个树枝进行自动的对接,然后将树枝缠起来,这个在中国农业大学已经研制成功,还包括林业机器人,林业机器人主要对于农林产品,像松籽进行采摘,还包括像树根,进行采伐的时候,要拔出来,和植树这方面也都有开发,更有意思的是在牧业的机器人,包括澳大利亚,绵羊和羊是非常多的一种,他们国家产量最大的一个产业,那么绵羊,剪羊毛这个量很大,那么它人力又有限,所以它在致力于开发剪羊毛机器人,它首先通过机械手,把一个羊给固定住,通过摄影机把羊的形状识别出来,然后,用这种所谓的剪子,然后根据它的形状,自动地把羊毛剔出来,同时呢,还不破坏它的皮肤,因为一个羊一个模样所以它操作的难度是很大的,对环境的感知要求很高的,所以这个技术也是非常复杂的。

建筑机器人在国外,用量、需求在逐渐增加,建筑机器人它主要解决,像我们筑路机器人,也都需要建筑机器人,包括喷涂,挖掘机,包括像一些建筑的模块化的预制板来进行拼接,都需要一些自动化的装置,还包括家庭装修的时候,像墙壁的粉刷这个量也很大,而且也很脏,对人体有害,现在国外一些公司,在开发面向家庭的粉刷这种机器人已经得到了小批量的使用,这是在建筑方面的一些体现。

还有像食品包装,缝纫这也都是说,面向服务家庭也食品这方面的应用,包括对香肠的这种包装,实际上它一方面提高了自动化水平,但另一方面,也提高了卫生程度,不然的话人类参与的话,总会带来一些不卫生的因素,包括服装裁剪,现在我们做衣服,人们越来越追求个性化,那么现在从他们有些大学在研究,包括你希望的样子,包括你站在这块儿给你扫描以后,把你的体型给你扫描出来,机器人能自动地给你设计出适合你这种身材的样子,通过你的选择和修改,然后机械手自动地对它的布料进行裁剪,最后,还有一些生产线能够自动缝纫,在英国,很多国家,也都在开发这样的一些机器人装置。

还包括消防救护机器人,在日本发展的比较多,那么像高楼建筑一旦发生火灾,那么大家知道这是很危险的事情,也是很痛苦的事情,那么通过机器人来辅助来进行救护,把人从高楼救下来,然后进行抢救,包括高楼着火的时候,它可以用这种机械爬到大楼上去,进行喷水,或者是进行切断一些电缆等等这样的工作,都可以用机器人来完成。

那么医疗机器人,是近五年来发展比较迅速的一个新的应用领域,那么这个也可以看到几个方面,包括人是一个非常珍贵的生物,那么包括人的眼球、神经、血管都很精细,那么如果人手术的时候,医生来手术,一个是疲劳,另一个人手操作的精度还是有限的,那么这是在德国,一些大学里面,面向人的脊椎,如腰间盘突出这种病,进行识别以后,能够自动地用机器人来辅助进行定位,进行操作和手术。还有一类叫康复机器人,康复机器人像比方说,现在发病量比较大的是偏瘫和半身不遂这种病患,当他恢复治疗完以后,需要对他的肢体进行锻炼和恢复,那么如果医生是有限的,不可能一个医生,天天给一个病人进行按摩或牵引这样的工作,那么家庭的人员都上班,没有时间照顾,那么用一个机器人,可以对他的手进行牵动,天天强迫他进行锻炼,使人的肌肉的恢复达到最好,更为精细的工作像很多大学和一些医院在开发像人的脑手术,这个是很危险的事情,但是,已经得到了很好的例证,包括北航开发出了对人脑的定位和钻孔这样的工作,还包括像美国已经有一千多例机器人对人眼球进行手术,这样的机器人,还包括通过遥控操作的办法,实现对人的胃肠这种手术,大家在电视里边看到,一个机械手,大概有手指这样粗细的一个机械手,通过插入腹脏以后,人在屏幕上操作这个机器手,同时对它用激光的方法对病灶进行激光的治疗,这样的话,人就不用很大幅度地破坏人的身体,这实际对人的一种解放,是非常好一种机器人,医疗机器人它也很复杂,一方面它完全自动去完成各种工作,是有困难的,一般来说都是人来参与,这是美国开发的一个林白手术这样一个例子,人通过在屏幕上,通过一个遥控操作手来控制另一个机械手,实现通过对人的腹腔进行手术,前几年我们国家展览会上,美国已经成功的实现了对人的心脏瓣膜的手术和搭桥手术,这已经在机器人领域中,引起了很大的轰动,还包括,AESOP的这种外科手术机器人,它实际上通过一些仪器能够对人的一些病变进行检查,通过一个机械手就能够实现对人的某些部位进行手术,还包括遥操作机械手,以及多个医生可以在机器人共同参与下进行手术,包括机器人给大夫医生拿钳子、镊子或刀子来代替护士的工作,同时把照明能够自动的给医生的动作联系起来,医生的手到哪儿,照明就去哪儿,这样非常好的,一个医生的助手。

那么还有几个例子,像人肩关节的手术,还包括脑外科神经手术,那么这个手术应该难度是很大的,风险是很大的,但是人在参与下,实现了准确的定位,对人体的恢复是十分有益的。另一个比较体现机器人应用的一个显示度的一个研究,是水下机器人,首先我们要回答为什么要开发水下机器人,那么人随着人们的对陆地资源的这种不断地消耗,人们也已经认识到,我们怎么样去获得更多的资源,人们把目光已经放到宇宙和水下,那么海洋的资源是非常丰富的,包括矿产资源像铜、锰、镍、钴这些资源是地面资源的上千倍,这个资源是非常大的,包括空间,那么海底探测、海上打捞、海下侦查、排险,包括我们看的电影《泰坦尼克号》,大概我们看到了一个小机器人来进行水下拍摄,还包括俄罗斯的核潜艇,发生事故以后,实际上很多大学希望能够参与,能够用机器人来进行救护等等,那么反过来说水下的应用中,机器人是大显身手的,因为人在海底下的工作,是非常危险的,这个方面,应该说在美国、法国、俄罗斯研究的是水平比较高,那么这是法国的一个水下作业机器人,在日本“海沟号”潜水器已经到了水下几千米,进行了海底的探测和海底的一些矿物的收集这样的工作。

构筑机器人创新生态促进制造业高质量发展

作者:哈尔滨工业大学常务副校长、中国科学院院士 韩杰才

机器人在推动制造业高质量发展中的地位

机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家 科技 创新和高端制造业水平的重要标志。我们不仅要把我国机器人水平提高上去,而且要尽可能多地占领市场。

随着人口红利的消失,机器人在现代制造业中发挥着越来越重要的作用,中国从2017年开始成为世界机器人增长最大的市场。据预计,在2022年中国机器人市场规模将达到805.2亿美元,全球占比高达38.3%。中国机器人市场涵盖了全部20个行业类别、60多类主要场景。工业机器人应用领域已经率先从 汽车 、电子、食品包装等传统领域,向新能源、环保设备、高端装备、仓储物流等新兴领域加快转变,机器人应用场景也在从传统 汽车 及3C制造向新场景和新行业延伸。如何扩大并深耕场景,提升行业应用范围和水平,是机器人行业未来非常重要的爆发增长点。

机器人已经具备成为独立工业母机的可能性,发展智能工业机器人为我国制造业换道超车提供了机遇。工作母机处于产业链核心环节,是现代工业的心脏,是整个工业体系的基石和摇篮。机器人的出现打破了人们对于工业母机的认识,随着视觉、语音等人工智能技术在机器人上的应用,机械系统和电子系统高度融合,工业机器人正在替代传统机床成为新一代独立工作母机。在机械系统和电子系统层面,目前六轴机器人很大程度上已经具有了工业母机的特性,FANUC和ABB展示的用机器人制造机器人生产线就证明了这一点。

关键核心技术缺失制约机器人产业高质量发展

近年来我国将机器人关键核心技术作为 科技 发展重点领域,相继攻克了减速器、伺服控制、伺服电机等关键核心零部件领域的部分难题,但相比之下,国产机器人核心零部件竞争力仍旧不强,存在精度差、寿命短、故障多等问题,市场应用端当前还是大部分依赖进口,其中占工业机器人生产成本70%以上的三大核心零部件——减速器、伺服系统和控制器,国产产品市场份额还不到5%。要有效弥补 科技 创新的短板,必须发挥我们的制度优势,加大研发资源投入,充分释放青年人才队伍红利,强化核心技术攻关,完善创新制度设计,构建面向全球的创新体系和生态,持续提升中国 科技 创新能力。

构筑创新生态驱动机器人产业高质量发展

创新生态通常指为创新活动提供的条件和环境,是创新要素相互连接形成的网络。创新生态的构成主体一般包括大学和科研机构、企业、金融机构、政府和各类中介形成的功能综合体。其中,政府提供政策法规、条件支持、政务管理和服务;大学和科研院所提供知识、技术、人才支撑;金融机构提供资金融通;中介机构推动知识传播、技术扩散和成果转化;企业是创新生态的关键主体,建设“以企业为主体、以市场为导向,产学研深度融合的技术创新体系”已经成为 社会 共识。机器人是智能制造的共性技术和基础产业,是支撑制造业高质量发展的关键环节。哈尔滨工业大学发挥学校在机器人领域的技术、人才、项目优势,与黑龙江省、哈尔滨市联合成立了哈工大机器人集团(HRG)。在实践 探索 中我们认识到:构筑机器人创新生态,有助于促进制造业高质量发展。

一是以供给侧改革补齐创新短板,完善机器人产业创新链。创新链包括“基础研究—共性技术研究—商业应用研究—产品开发—工艺优化—规模生产”等功能环节。HRG按照平台模式和生态模式,建立广泛连接和开放合作的创新系统,全面打通资源导入渠道,优化资源配置,实现创新链上下游各环节的业务协作。在生态构建和创新链协同中,突出了以企业为主体、以市场为导向,有利于产学研合作的深度融合。实现创新链全链条全要素赋能,全面提高创新质量。

二是以共享共赢实现产业价值重塑,促进机器人产业链协同。产业链是生产制造各环节前后衔接构成的业务链条,包括从原材料到最终产品的全过程。产业链协同主要表现为利益协同、技术协同和空间协同,相关研究视角包括价值链、企业链、供需链和空间链。机器人产业链主要包括“技术研发—核心技术和零部件—本体制造—系统集成—售后服务”等环节。HRG积极为产业链关联企业提供要素赋能,协调上下游企业的合作配套关系,优化业务布局和区域协作,形成功能互补、利益共赢的事业共同体。机器人产业的竞争是全球化竞争,不只是企业之间的技术和产品的竞争,还包括国家的产业链、供应链、创新体系之间的竞争。

三是以利益共享推动风险共担,实现机器人产业资本链融合。一般来讲,资本链包括“募集资金—投资—项目培育—资本退出”等资本流动过程。资本链涉及投资人和投资机构、融资企业、资本市场等主体。资本是动员、组织和配置创新资源的关键力量。机器人产业是技术密集型和资本密集型项目,构筑机器人创新生态,需要促进创新链和产业链与资本链深度融合。通过资本的力量,可以更好地动员和整合资源,促进成果转化。HRG在机器人领域通过借助资本力量,有效导入创新创业资源,成功孵化了上百个优质产业项目,打通了 科技 创新、成果转化、产业培育的业务逻辑。

四是以协同创新引领创新生态发展,加快机器人产业体系建设。构筑机器人创新生态,要致力于机器人领域的产业体系建设。党的十九大报告提出“加快建设实体经济、 科技 创新、现代金融、人力资源协同发展的产业体系”。产业体系所包含的四方面内容构成了一个有机整体,是“转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力”的系统工程,缺少任何一个方面都不完整。HRG通过“创新+创业+产业”联动发展的业务逻辑,形成了包括产业研究院、孵化体系、产业基地、专项投资基金在内的“科创产”综合体业务模式,并在合肥、岳阳、中山等多个地区成功落地。围绕机器人产业,形成了实体经济、 科技 创新、现代金融、人力资源协同发展的局面,为地方经济发展构建了区域性机器人产业体系。

机器人是智能制造的重要支撑,是实现“互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”的主导力量。构筑机器人创新生态,开放共享创新生态平台,实现新技术交叉融合;打通创新链、对接产业链、融合资本链,促进实体经济、 科技 创新、现代金融、人力资源协同发展,实现规模效应和集聚效应;建立以企业为主体、以市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系,整体推进 科技 创新、成果转化、产业培育工作,优化创新体制机制,打造经济增长新动能,促进制造业高质量发展。

韩杰才,哈尔滨工业大学常务副校长、中国科学院院士。他长期从事超高温复合材料、红外光学晶体与薄膜材料的研究,揭示了材料超高温烧蚀机理和规律,发展了细观热烧蚀理论,提出了多元氧化物和固溶体抑制氧化烧蚀的机制,实现了材料氧化抑制与高温强韧化的协同,并应用于高超声速飞行器防热系统。发明了大尺寸蓝宝石晶体专用生长方法及生长装备、四面体非晶碳复合增透保护膜及制备工艺,用于多个工程型号,并长期致力于推动新材料、机器人 科技 成果的转化和产业化。曾获国家自然科学奖二等奖、国家技术发明奖二等奖、首届全国创新争先奖等。

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随着知识经济时代的到来,高技术已成为世界各国争夺的焦点,机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。据了解,目前日本继前两个机器人计划--“极限作业机器人”计划和“微机械技术”开发计划之后,正在实施第三个“人型机器人”计划;美国仅花在无人机上的费用就已达25亿美元。我国政府也非常重视机器人的研究,早在“七五”期间就开始了工业机器人和水下机器人攻关计划,并取得了一定的成绩。1986年,国家“863”计划将智能机器人列入其中。经过十几年的艰苦奋斗,从跟踪世界先进水平到自主开发,取得了举世瞩目的成果。

机器人技术--科技经济的必争之地 世界各国都非常重视机器人技术的开发与研究,主要有以下几个方面的原因:

第一,发展机器人可以提高综合国力。机器人技术是集光机电信息自动化于一身的高新技术,从某种意义上讲,一个国家机器人水平的高低,代表了一个国家的综合实力。

发展工业机器人可以增强一个国家的制造能力。国内外很多企业都是通过使用工业机器人来提高生产率和产品质量。国外一些大的汽车、电子、机械制造商通过采用工业机器人作为关键生产设备,可以做到根据市场需求,及时调整生产策略,以小批量、多品种,占领更多的市场份额。国家"863"计划正是看到了这一趋势,对工业机器人及其应用工程给予了大力支持,在摩托车、汽车、电子、家电等行业推广了一批示范工程,并形成了拥有自主知识产权的产品系列。

发展特种机器人可增强国家的可持续发展能力。所谓的特种机器人是指除工业机器人之外的各种机器人。在“863”计划实施的初期,我国先后研制出了水下机器人、排险机器人、机器人压路机、微操作机器人、双足步行机器人、灵巧手等多种用途的特种机器人,大大缩短了我国机器人水平与国外发达国家之间的差距,有力地推动了我国机器人技术的发展,加强了机器人与社会、经济的联系。

智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。智能机器人做为新一代生产和服务工具,在制造领域和非制造领域占有更广泛、更重要的位置,这对人类开辟新的产业,提高生产与生活水平具有十分现实的意义。例如,我国在争取公海海域优先开采权的过程中,由国家“863”计划研制的6000米水下无缆自治机器人系统先后两次出海,获得了海底锰结核分布的珍贵资料,使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。

第二,发展机器人技术可以提高国防实力。在海湾战争、波黑战争、科索沃战争中,各种无人机和地面军用机器人系统在战场侦察、探雷排雷、监视、通讯中继、电子对抗、火力导引、战果评估、骚扰、攻击等方面都起了特殊的作用。鉴于高新技术对未来战争的指挥系统、战场环境将产生重大影响,我国已经开展并将加强这方面的研究。

第三,机器人可以形成一个巨大的产业。尽管目前发展相对成熟的只有工业机器人,但从世界机器人的发展趋势看,服务机器人、个人机器人具有巨大的市场潜力,可以预见,个人机器人将会像个人电脑一样走进千家万户,成为人类社会必不可少的生活用品。

第四,发展机器人可以提高一个国家的国际地位。在国家攻关计划和“863”计划的支持下,我们已经研制出了各种用途的机器人,并加入了由少数发达国家参加的国际先进机器人计划,提高了中国科技的国际地位。

我国发展机器人技术的必要性目前,我国机器人市场还不是很大,其原因是多方面的。我国是一个人口大国,多数人对机器人缺乏了解,认为现在下岗人员就很多,还用机器人干什么。这是一个偏颇的观点。

首先,机器人不是简单地代替人工作,我们使用机器人是让它们完成不适合人直接干、干不了和干不好的一些工作。比如:机器人可以进入病人体内进行检查和治疗,进入煤气管道进行检查和维修,进入核电站检查核泄漏,机器人可以登陆月球、深潜海底,能24小时不停地高质量完成单调或复杂的工作。目前我国有许多人工作在有毒、有害、高温、危险的作业环境中,机器人的应用可以将他们从恶劣环境中解放出来。

市场竞争也需要机器人。机器人的应用,不仅可以提高产品质量,提高产品的改型速度,适应快速变化的市场,满足消费者的需要,而且可以降低产品的成本,提高市场竞争能力,从而提高我国企业在国内外市场上的竟争能力。

另外,随着物质及精神生活水平的提高及老龄人口的增多,人们将需要更多的智能化、社会化、家庭化、个性化、感情化的服务,机器人将大显神通。 最重要的是,站在国家的角度来看,许多尖端技术,尤其是国防高技术必须拥有自主知识产权,才能在国际竞争中得到主动权。霸权主义并不希望我国拥有能与其相抗衡的机器人技术,我们只能依靠自力更生。

前景光明的机器人应用我国是一个发展中大国,经济的高速发展给机器人技术带来了广阔的应用前景。

随着我国高技术产业的兴起和大中型国有企业的扭亏为赢,将出现一批新兴产业,也将诱发新一轮的投资,工业机器人作为先进制造业的核心必将得到广泛应用。近两年,我国大规模的基础设施建设为混凝土喷射机器人、凿岩机器人、机器人压路机、机器人推土机等机器人化工程机械提供了用武之地。新一代机器人化工程机械如装载机、搅拌机、摊铺机、盾构机器人等正在研究中。21世纪是人类走向海洋,向海洋要资源的世纪,我国的系列水下机器人将承担起海洋探测的重任,为我国开发海洋作出贡献。

通过国家“863”计划的实施,我国机器人产业化已初露端倪,而且发展势头良好。一些企业已看到了机器人的巨大潜力,一汽、华录、海尔、嘉陵、长安等大型企业集团都开 始涉足机器人领域,他们都看到了中国潜在的机器人市场。

抓住时机迎接挑战 加速我国机器人产业化的发展迫在眉睫,我们必须采取相应的措施,才能适应形势。

国家应加大对机器人技术的投人,并制定相应的鼓励政策。机器人是具有创新性的、战略性的、对国民经济和国家安全有巨大影响的高技术,是21世纪经济技术的制高点之一。国家必须投入较多的资金加快机器人技术的研究,同时对有关企业给予一定的优惠政策,以推动我国机器人产业的发展。

我国应组建机器人自动化装备产业集团。随着我国制造业的快速发展,国内对机器人自动化装备的需求越来越旺,国外大的机器人公司已纷纷进人中国市场。尽管总的说来我国的特种机器人性能价格比优于国外,但由于企业规模小,产品比较单一、批量小,缺乏足够的资金实力和企业间的协调能力,因此很难与国际大公司抗衡。我们只有成立具有一定规模的公司,增加投入,在提高产品质量的同时降低成本,创造品牌,才能形成企业的良性发展,在国际市场占有一席之地。

筹建中国机器人协会。现在我们国家拥有二级机器人协会、学会不少,但各个分会针对的重点不同,涉及的人员范围也不同,相互沟通不够,给人一种各行其事的感觉。如果能成立一个中国机器人协会,把现有的二级学会组织起来,通过学术交流、科普宣传、市场调查等活动普及知识、培养人才,推动机器人科学技术的研究和应用水平,将对我国的机器人事业大有裨益。

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中国工业机器人未来发展会怎样?它能不能大规模应用于生产,被市场所接受?这一直以来就是困扰很多人一个的问题。

中国工业机器人发展长期以来受限于成本较高同时国内劳动力价格低廉的状况,这种局面使得工业机器人应用面十分狭窄。但是随着中国经济近30年的持续快速扩张,人民生活水平不断提高,很多情况已经悄然间发生了变化,这些变化改善了工业机器人的使用环境。

加工制造业作为制造业体制最为灵活,发展最为迅速的部分,它对国民经济有着极大的影响。改革开放以来,加工制造业的发展经历了从80年代的“三来一补”到国内外厂商直接投资开办工厂并同时在国内和国外销售。但是这些在中国的投资和开办的工厂利用的只是中国充足和低廉的劳动力,而它所采用的技术和设备大多来自于国外。虽然劳动力近似无限的供应使得中国制造业在二十世纪末已经发展成为世界工厂。但是这种发展却埋下巨大的隐忧,世界工厂的发展依赖于劳动力能否充足供应。

经济持续的增强以及在中国推行了20余年的计划生育,中国劳动力供应格局到现在已经开始发生变化。中国劳动力市场逐步从“买方”市场转移到“卖方”市场,劳动力由供远大于求开始向供求平衡的方向发展。作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这种市场的变化使得很多劳动力密集行业中的企业为了提高劳动生产率所采用的依靠增加工人数量,延长工人劳动时间的方法反将使其成本越来越高昂,同时这种方法的使用也受到越来越多法律的限制和政策的阻碍。这种从企业微观层面到整个社会宏观层面的改变对于中国企业影响巨大,它促使企业认识到必须采取从改善机器设备入手,提高技术和资金的密集度以尽量减少用工量来应对这种改变。

随着劳动力过剩程度的降低,单个工人的成本上升、对于产品质量更高的要求以及国家对装备制造业的重视,工业机器人及技术在中国得到了政府和产业界的广泛重视。政府努力加快中国装备制造业尤其是工业机器人的发展,使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。产业界也开始重视工业机器人在降低劳动成本、减少劳动风险、提高产品质量中所起的巨大作用。正因为如此,最近几年国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人。不少企业通过采用工业机器人及技术满足了自己的要求,从而提高企业的竞争力。各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。最近四年,很多企业在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍。德国CLOOS公司在华焊接机器人销售量2000年以前为47台,2000年以后已经突破121台,销售量翻了近三倍。快速发展的工业机器人及技术正被大量应用于工业企业的技术提升。在未来,中国的工业机器人产业将作为一种在国民经济中占据重要地位的产业而存在。

国家863机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推广和应用,长期以来推进机器人技术提升传统产业,利用机器人技术发展高新产业。机器人技术主题不仅积极推动机器人产业化应用而且在普通人群中广泛普及机器人知识,增加人们对于各种机器人的了解和认识。使利用机器人技术提升我国工业发展水平,提高人民生活质量成为全社会的共识。

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1,基于符号的机器人学诞生与发展的简要历史

工程学科的一个共同点是:先有工程实践。机器人学的诞生也不例外,是随着工业机器人的诞生与发展而进行的,直至七十年代,工业机器人整个系统基本定型,发展主要在于单元器件性能的逐步改进。这时机器人学向深度和广度发展,成为一门非常综合和活跃的学科,这也是工程性质学科的另一个共同点:到一定时期,理论将超前于工程实践。George C. Devol于五十年代中期发明工业机器人,是可重复编程的PTP控制的操作手,和Jeseph F.Engelberger共同发展这一全新工具概念后,于1959年成立第一家工业机器人公司Unimation lnc.启发工业机器人发明的前期工作是二战中开始的主从控制的遥控机器人的开发,主要用于放射性物质的处理。

工业机器人发展的主要历史事件如下:

1954年:美国G.C.Devol,发明可编程机器人,专利号2988237

1959年:美国行星公司制造第一台商用机器人

1960年:美国Unimation公司成立

1970年:Victor Sheinman验证Starford Manipulator

1971年:日本工业机器人协会成立

1974年:美国Cincinnati Milaeron公司推出第一台小型机控制的机器人T3

1976年:Ralph Bolles发展了机器人编程语言AL

1978年:Unimation公司推出可用于装配的通用机器人PUMA

1978年:日本,牧野洋发明SCARA装配机器人

机器人学研究的主要事件有:

1954年:Denavit和Hartenberg(1954)提出用于表达空间杆件几何关系的一般方法,可用于解机器人正运动学

1962:Ernst(1962)和Boni(1962)分别研究带触觉和压觉传感器的机械手

1964:Uicker(1964)的博士论文研究了空间杆件的动力学

1968:Pieper(1968)的博士论文中用代数方法解逆运动学问题

1968:McCarthy(1968)在Stanford AI Lab研究带摄像机、麦克风的机器人,能根据人的指令发现并抓取积木

1971:Kahn和Roth(1971)研究机器人的最少时间控制

1972:Paul(1972)研究关节空间轨迹规划

1973:Bolles和Paul(1973)用装有视觉和力觉的Stanford arm完成水泵装配

1974:Bejezy(1974)研究机器人的动力学和计算力矩控制

1976:Bolles(1976)发展了机器人编程语言AL

1979:Paul(1979)研究了笛卡尔空间的轨迹规划

1979:Lozano—Perez和Wesley(1979)研究机器人避障问题

1981:R.P.Paul(1981)出版第一本机器人学课本,“Robot Manipulator:Mathematics,Programmings and Control”

这些事件的选择标准是该项研究开创性的。但是,虽然1954,1964二事件是机器人运动学和动力学的基础,但并不是专门为机器人学研究的。

1978年PUMA通用工业机器人的诞生可看作是工业机器人的成熟,直到现在,工业机器人的整个机械结构,驱动,控制结构,编程语言均和1978无本质差别。

1981年机器人学课本的出版标志着该学科的成熟,Denavit和Hartenberg(1954),Pieper(1968),Paul(1972),Bolles(1976),Paul(1979)等人的研究对工业机器人的成熟作用巨大。

由于学科发展的主要驱动力是求新求深,进入八十年代,机器人学的发展主要向广度和深度发展,主流也渐离工业背景。但由于机器人学是工程学科,太偏离实际肯定要受到制约,也即受到市场驱动力的制约,如那么多的机器人控制和智能方面的研究,但无一实用,这方面的研究肯定要萎缩。这几年,机器人学界意识到这一点(也即研究经费减少了),开始把注意力投向新的工程主题。基于行为的机器人学和生物机器人学将把机器人学推向新的发展时空。

2, 基于符号的机器人学的主要研究内容

参照K.S.Fu等(1988)的经典机器人学课本,传统机器人学的研究内容为:

·运动学

·动力学

·轨迹规划

·操作手控制(包括位置与力控制)

·机器人传感器

·路径规划与任务规划

以上内容均在笛卡尔空间对机器人或环境用符号进行描述(关节空间可映射至笛卡尔空间),然后实施规划和控制,这部分机器人学称之为基于符号的机器人学是恰当的。另外机器人路径规划和任务规划是与基于符号的人工智能特别相关的部分,这部分内容也称之为智能机器人学或基于人工智能的机器人学,基于符号的人工智能引起的危机自然也是它的危机。

进入十年代后,机器人学向深度和广度发展的研究有:

·多机器人系统的运行学、动力学、运动轨划、控制和协调等问题

·冗余度机器人的运动学、动力学、运动规划和控制问题

·弹性机器人的运行学、动力学、运动规划和控制问题

·复杂环境中机器人的基于多传感器的信息处理与任务实现问题

向广度发展的研究为:

·移动机器人的结构、传感器、控制与任务规划等

爬行,步行,飞行,水下,轮式,履带式等等能移动的机器人均是移动机器人,够成非常丰富的研究内容,由于机器人在工作空间中移动,首要问题即是避障与导航。由于移动机器人需要具有在动态环境中的自主运动和作业的能力,另一术语自主机器人也主要指移动机器人。

由于移动机器人的工作环境(动态的,不确定的)与工业机器人的工作环境(结构化的)完全不同,也就需要新的理论,正是这方面的工程需要诞生了基于行为的机器人学及向生物机器人学的发展。

3,什么是基于行为的机器人学?

基于行为的机器人学反对抽象的定义,因此采用场景化、具体化的解释更适合该领域的哲学思想,下列表是基于行为的机器人学和基于符号的机器人学在各方面的比较。 特征项 基于行为的机器人学 基于符号的机器人学

研究对象 非结构化环境工作的自主机器人 结构化环境工作的机器人

环境特点 动态的、不确定的、复杂的 确定的、预知的、简单的

传感信息的处理 分布式直接处理,不抽象、不定义 集中式融合处理,抽象、定义

对环境的处理 无中心模型,无中心表达 有模型,有中心表达

行为序列的产生 行为序列由目标、操作场景和机器人之间的交互作用而突现产生 根据给定的任务预先进行精确的规划

行为控制 自组织、分布式 中央控制或隐形中央控制

信息处理方式 并行、计算量极小 串行、计算量极大

任务实现 由自组织行为和环境交互作用的突现行为实现

由算法实现

系统结构 由行为模块并行组织,分层结构动态突现

由功能模块串行组织,结构固定不变

系统理论 主要用语言表达,难以形式化,强调具体化、场景化证实 主要用符号表达,便于分析,多用仿真

基于行为的机器人学的重要研究内容是系统结构而不是算法,基于行为的机器人在非结构化动态环境中的性能非常优越,用基于符号的机器人学设计的类似的机器人无法达到如下性能:

·高速度,高灵活性。在动态复杂环境中的移动速度可达到2米/秒。

·高柔性。迅速适应变化的内外部约束。

·高鲁棒性。可以承受局部损坏。

·高效性。软件代码可以是传统的几百分之一,硬件可以是传统的几十分之一。

·经济性。价格是传统的十几分之一。

·简易性。没有机器人学正规训练的人也能很快操作。

·可扩展性。很少改变原有系统便可增加性能。

·可靠性。分布式自组织并行工作,可靠性强。

4,生物机器人学,新的研究共同体

进入九十年代,机器人学研究中出现了许多新名称,如:基于行为的机器人学(Brooks,1991a),进化机器人学(Harvey,92),非笛卡尔机器人学(Gomi,1996),认知机器人学(Brooks,1997)等等。其中,进化机器人学主要研究当前环境行为进化,非笛卡尔机器人学和基于行为的机器人学研究类似的内容,认知机器人学是Brooks新提出的概念。因为Brooks一直领导着这个新的领域,有必要解释这个概念的背景。Brooks研究组研制基于行为的机器人取得很大成功后,(Brooks和Stein,1993)开始进行机器人的最高形式--仿人机器人的研究,主要是想实现其智能一步步累积的思想,更把研究面向人类认知问题,当时建立了很大的研究计划,至1996年底(Brooks,1997)报告了该计划的研究成果,显然,该计划从经费、技术和研究思想上遇到大挫折,目前还停留在单元模块的制造和研究上,在研究思想上,由于系统结构还是基于SA设计,由第三章的分析,根本是不会成功的。从技术上说,人从机体、感觉到大脑,远比想象的复杂,完全模拟人的行为,进一步拥有人的能力,还是长远的研究目标,从研究思想上,Brooks的智能累积思想(1991a)是行不通,一方面Brooks仍采用整体智能的概念,另一方面,智能的进化包含生物基础的进化,并不单纯是行为层次的增加。尽管如此,Brooks的研究计划引起世人注目,因为以前的类人机器人主要是机构的研究,最复杂是早稻田大学加藤一郎研制的会演奏钢琴的机器人,是传统控制方式的杰作,Brooks是第一个用基于行为的方法研制仿人机器人,已制成头眼手模块。德国GMD和日本东京大学也开始这方面的研究。虽然研究计划遭到挫折,但(Brooks,1997)提出了认知机器人学的概念,并把它作为基于行为的机器人学的进一步发展。他把身体形态、动机、一致性、自适应、发展、大脑机理等作为研究主题,可以看出,Brooks想把研究类人机器人作为基于行为的机器人的发展,他所说的认知机器人学即是对类人机器人的研究,也没有提出系统的理论,只是研究对象复杂了。

通过以上分析,进入九十年代,许多研究人员从生物学中寻找启发来开拓机器人学的新方向,主要推动力量是Brooks建立的包容结构理论,许多研究者也发现了包容结构的局限性,在它基础上很难再进行进一步的研究,上一章提出的GBA作出了很大的发展,GBA是一个开放的系统,在GBA的基础上,行为学习、行为进化等等均可以系统地进行研究,同时又面临许多新的问题,如更为有效的驱动系统、传感器,复杂学习问题,计算工具问题,思维问题等等,单一地面对某一问题,如,当前环境行为进化,或认知,都不利于机器人学新的发展,有必要把它们都统一到生物机器人学的范畴中,因为它们的思想基础都是统一的,另外,生物机器人学也不是基于行为的机器人学的发展,而是一种包容,以构成新的研究共同体,以深入、综合的视野拓宽机器人学研究的新时代。

生物机器人学的研究对象是:动态的不确定的环境中工作的自主、半自主的机器人。研究方法是:从生物系统的各个层次获得启发,动态平行应用从上向下和从下向上的研究方法,也即太极研究方法,更多地运用综合策略。

主要研究内容如下:

(1)仿生物机构、驱动器、传感器

(2)仿生物计算工具

(3)系统结构与智能结构

(4)意识、动机、情感、成长、相互作用、技能、语言、学习、知识、知觉、行为实现、思考等认知能力

(5)系统设计与制造

这样,生物机器人学就有了明确的指导方向,包容性也很大,如(Harvey,1992)提出的进化机器人学主要研究认知能力中的成长问题,采用动态神经网作为计算结构和工具,认知机器人学也主要针对认知能力中的几个因素。需要指出的是系统结构和智能结构是生物机器人学的基础,认知能力也需要在这个基础上实现。基于行为的机器人学主要研究了系统结构以及行为实现和相互作用问题。显然,生物机器人学能把已进行的该方向的所有领域都包容进来,并能促进和指导进一步的研究,同时避免犯局部性的错误。特别是,在研究方法上得到了和谐统一,一味从下向上的还原主义的研究方法容易犯机械论的错误,如目前发展的神经网络,难以产生高层行为,一味从上向下的研究方法容易脱离实际,如基于符号的机器人,难以适应环境。

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