特种机器人
来源: 摩臣登陆    发布时间: 2020-02-06 23:49    次浏览   大小:  16px  14px  12px

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  特种机器人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机器人总称。

  按照服务范围和用途的不同,特种机器人可以分为民用和军用两大类。其中民用机器人又可分为:家务机器人、医用机器人、娱乐机器人、机器人化机器等。军用机器人又可分为:排爆机器人、侦察机器人、战场机器人、扫雷机器人、空中机器人、水下机器人,有些分支发展很快,如空中机器人,即无人机,广泛地应用于现代战争中。

  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。

  实用上,机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥,也可以执行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作,例如制造业、建筑业,或是危险的工作。

  机器人可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。

  欧美国家认为:机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械,但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”,这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此,很多日本人概念中的机器人,并不是欧美人所定义的。

  国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

  机器人能力的评价标准包括:智能,指感觉和感知,包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等;机能,指变通性、通用性或空间占有性等;物理能,指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此,可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。

  1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中,根据Robota(捷克文,原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文,原意为“工人”),创造出“机器人”这个词。

  1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制,可以行走,会说77个字,甚至可以抽烟,不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

  1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造,但后来成为学术界默认的研发原则。

  1948年 诺伯特·维纳出版《控制论》,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

  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。

  1956年 在达特茅斯会议上,马文·明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

  1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为“工业机器人之父”。

  1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

  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1965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。

  1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人,并向人工智能进发。

  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,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。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。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机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Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

  1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线年 英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年,他还预言:“我要让机器人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检查安全”。

  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 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO),当即销售一空,从此娱乐机器人成为机器人迈进普通家庭的途径之一。

  2002年 丹麦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。

  2006年 6月,微软公司推出Microsoft Robotics Studio,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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  学习控制型机器人: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。

  我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,这和我国的分类是一致的。

  空中机器人又叫无人机,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。

  纵观无人机发展的历史,可以说现代战争是推动无人机发展的动力。而无人机对现代战争的影响也越来越大。一次和二次世界大战期间,尽管出现并使用了无人机,但由于技术水平低下,无人机并未发挥重大作用。朝鲜战争中美国使用了无人侦察机和攻击机,不过数量有限。在随后的越南战争、中东战争中无人机已成为必不可少的武器系统。而在海湾战争、波黑战争及科索沃战争中无人机更成了主要的侦察机种。

  越南战争期间美国空军损失惨重,被击落飞机2500架,飞行员死亡5000多名,美国国内舆论哗然。为此美国空军较多地使用了无人机。如“水牛猎手”无人机在北越上空执行任务2500多次,超低空拍摄照片,损伤率仅4%。AQM-34Q型147火蜂无人机飞行500多次,进行电子窃听、电台干扰、抛撒金属箔条及为有人飞机开辟通道等。

  在1982年的贝卡谷地之战中,以色列军队通过空中侦察发现。叙利亚在贝卡谷地集中了大量部队。6月9日,以军出动美制E-2C“鹰眼”预警飞机对叙军进行监视,同时每天出动“侦察兵”及“猛犬”等无人机70多架次,对叙军的防空阵地、机场进行反复侦察,并将拍摄的图像传送给预警飞机和地面指挥部。这样,以军准确地查明了叙军雷达的位置,接着发射“狼”式反雷达导弹,摧毁了叙军不少的雷达、导弹及自行高炮,迫使叙军的雷达不敢开机,为以军有人飞机攻击目标创造了条件。

  1991年爆发了海湾战争,美军首先面对的一个问题就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隐藏的飞毛腿导弹发射器。如果用有人侦察机,就必须在大漠上空往返飞行,长时间暴露于伊拉克军队的高射火力之下,极其危险。为此,无人机成了美军空中侦察的主力。在整个海湾战争期间,“先锋”无人机是美军使用最多的无人机种,美军在海湾地区共部署了6个先锋无人机连,总共出动了522架次,飞行时间达1640小时。那时,不论白天还是黑夜,每天总有一架先锋无人机在海湾上空飞行。

  为了摧毁伊军在沿海修筑的坚固的防御工事,2月4日密苏里号战舰乘夜驶至近海区,先锋号无人机由它的甲板上起飞,用红外侦察仪拍摄了地面目标的图像并传送给指挥中心。几分钟后,战舰上的406毫米的舰炮开始轰击目标,同时无人机不断地为舰炮进行校射。之后威斯康星号战舰接替了密苏里号,如此连续炮轰了三天,使伊军的炮兵阵地、雷达网、指挥通信枢纽遭到彻底破坏。在海湾战争期间,仅从两艘战列舰上起飞的先锋无人机就有151架次,飞行了530多个小时,完成了目标搜索、战场警戒、海上拦截及海军炮火支援等任务。

  在海湾战争中,先锋无人机成了美国陆军部队的开路先锋。它为陆军第7军进行空中侦察,拍摄了大量的伊军坦克、指挥中心、及导弹发射阵地的图像,并传送给直升机部队,接着美军就出动“阿帕奇”攻击型直升机对目标进行攻击,必要时还可呼唤炮兵部队进行火力支援。先锋机的生存能力很强,在319架次的飞行中,仅有一架被击中,有4~5架由于电磁干扰而失事。

  除美军外,英、法、加拿大也都出动了无人机。如法国的“幼鹿”师装备有一个“马尔特”无人机排。当法军深入伊境内作战时,首先派无人机侦察敌情,根据侦察到的情况,法军躲过了伊军的坦克及炮兵阵地。

  1995年波黑战争中,因部队急需,“捕食者”无人机很快就被运往前线。在北约空袭塞族部队的补给线、弹药库、指挥中心时,“捕食者”发挥了重要的作用。它首先进行侦察,发现目标后引导有人飞机进行攻击,然后再进行战果评估。它还为联合国维和部队提供波黑境内主要公路上军车移动的情况,以判断各方是否遵守了和平协议。美军因而把“捕食者”称作“战场上的低空卫星”。其实卫星只能提供战场上的瞬间图像,而无人机可以在战场上空长时间盘旋逗留,因而能够提供战场的连续实时图像,无人机还比使用卫星便宜得多。

  1999年3月24日,以美国为首的北约打着“维护人权”的幌子对南联盟开始了狂轰滥炸,爆发了震惊世界的“科索沃战争”。在持续78天的轰炸过程中,北约共出动飞机3.2万架次,投入舰艇40多艘,扔下炸弹1.3万吨,造成了二战以来欧洲空前的浩劫。

  南联盟多山、多森林的地形以及多阴雨天的气候条件,大大影响了北约侦察卫星及高空侦察机的侦察效果,塞军的防空火力又很猛,有人侦察机不敢低飞,致使北约空军无法识别及攻击云层下面的目标。为了减少人员的伤亡,北约大量使用了无人机。科索沃战争是世界局部战争中使用无人机数量最多、无人机发挥作用最大的战争。无人机尽管飞得较慢,飞行高度较低,但它体积小,雷达及红外特征较小,隐蔽性好,不易被击中,适于进行中低空侦察,可以看清卫星及有人侦察机看不清的目标。

  在科索沃战争中,美国、德国、法国及英国总共出动了6种不同类型的无人机约200多架,它们有:美国空军的“捕食者”(Predator)、陆军的“猎人”(Hunter)及海军的“先锋”(Pioneer);德国的CL-289;法国的“红隼”(Crecerelles)、 “猎人”,以及英国的“不死鸟”(Phoenix)等无人机。

  无人机在科索沃战争中主要完成了以下一些任务:中低空侦察及战场监视,电子干扰,战果评估,目标定位,气象资料搜集,散发传单以及营救飞行员等。

  科索沃战争不仅大大提高了无人机在战争中的地位,而且引起了各国政府对无人机的重视。美国参议院武装部队委员会要求,10年内军方应准备足够数量的无人系统,使低空攻击机中有三分之一是无人机;15年内,地面战车中应有三分之一是无人系统。这并不是要用无人系统代替飞行员及有人飞机,而是用它们补充有人飞机的能力,以便在高风险的任务中尽量少用飞行员。无人机的发展必将推动现代战争理论和无人战争体系的发展。

  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,美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人。

  一台电脑输出命令,旁边的大手臂就开始工作了,那是一个机械臂,弯曲的时候有一米多高,前端有两个摄像头,那是它的眼睛。它伸出手,凑上去看了看,找到要卸载的部件的位置,用手旋转下来,再放到指定的位置。

  这是一部工业机器人,刚才模拟的操作是对放射源的装卸。这部机器人不久将装石油测井仪器到钻井平台去工作,替代之前由人工完成的装卸放射源这项危险的工作。

  这款机器人,中国航天科工集团北京自动化控制设备研究所的工程师们管它叫FAA-05K,是中国自主研发的首台装卸放射源机器人,由机械臂系统、末端操作器、定位与回转装置、视觉反馈装置和操作台等组成,可以满足在2.5米长、2.5米宽空间内灵活作业的要求,采用图像识别与末端随动综合控制技术的产品,能够精确完成放射源的安装过程,而且,经过精心设计的灵巧末端夹持器可以确保夹持可靠,也不会对放射源造成损伤。

  研制人员吕翀介绍:“装卸源机器人是我们应中海油田服务股份有限公司的需求开发的一款特种机器人,能够满足测井仪探测放射源装卸过程无人化的使用需求,避免了对操作人员的健康损害。”

  这个看起来简单的手臂,却是航天技术的集成,在系统集成技术、自主控制技术、视觉定位系统、高功率密度电机、伺服驱动控制器等方面都有所关联。

  除了石油领域,在煤矿、电网等领域,特种机器人也有大显身手的地方。面向反恐、侦察、排爆、电站巡检、煤矿巷道探测等方向,开发了中、小型通用移动机器人产品,融合了航迹推算、路径跟随、自主避障等多项导航控制技术。

  MGT-20K移动机器人就有这个本领,有履带还有两条辅助的手臂,一般遥控玩具车的大小,可适应沙滩、田野、瓦砾、街道等多种路面,具有较强的爬坡、越障能力,上面安装了航姿系统、GPS、摄像机等多种传感器,可用于日常巡检,危险环境侦查、搜救和排爆等工作。

  智能机器人研究室负责人张新华告诉记者,移动类机器人的模块化设计使其功能极富可塑性,可以快速实现与已有技术的融合,从而拓展应用领域。比如,将惯性导航定位功能加载在移动类机器人上,就能够产生一种可以为煤矿坑道提供精确位置信息的小型智能移动机器人,该产品一旦投入应用将为矿难的救援工作提供重要帮助,大大提升救援的准确度。在这个技术条件下,无人汽车也能成为现实,“技术上是完全有条件去做,就是成本问题。”据张新华介绍,单是核心系统的成本价就有七八十万元人民币。

  七八台小型机器人连接成了一个流水线的工作平台,可以广泛应用于电子部件生产、装配、包装等领域。“我所是国内首家实现小型工业机器人系列化的单位。”张新华说。今年已经有一家外资公司定制了30台产品,包括电路板焊锡、印制板点胶、螺钉装配和印制板切割等类型机器人,用于空调、音响控制面板、电子智能钥匙等汽车零部件的生产。

  张新华和他的团队开发这一系列小型工业机器人之前去不少工厂调研过,一排排生产线,年龄不大的工人每天重复地同一个简单的动作,安个螺丝或者点个胶水,你甚至很难捕捉到他们脸上的表情。“这些机器人都能做,而且更熟练,废品率会更低。”在样品台上,记者看到了半径大小不同的铜丝线圈,最细的一个比头发丝还细,在一个半径不足50毫米,长度不足1厘米的线圈上,它能分毫不差地完成900圈的缠绕。

  这样的小型工业机器人,每台售价在25万元人民币,寿命在七八年左右,因为是模块化设计,只要工厂的技术人员稍加培训就能完成维护和修理。相同性能的机器人在日本的单台售价约合人民币50万元,价格上的优势也确实吸引了一批想引入机器人进行生产的工厂,连年上涨的人力成本以及工业化生产带来的用工社会问题,让一些企业有了让机器人进工厂的想法。“但是考虑到社会就业率问题,估计机器人在中小企业工厂的替代率不会太大。”张新华说,这些工厂引入机器人还都是试探性的态度。

  现在的平台还是传统机器手臂的模样,下一步要做出仿人上半身的形状来,再加上两只灵巧手,每只手至少有3个手指,这样就能执行更加复杂的工作任务。在研究室里,张新华还给记者演示了新研制出的可以同时进行两项工作任务的双轴机器人系统。

  此外,还有一个可以自动码垛的大家伙,它每分钟可以码30箱矿泉水,这个机器人是为一家矿泉水公司定制的,之前,这家公司一直用的是进口产品,而采用国产化的设备后,这一项就能让用户的机器人采购成本减半、日常应用成本降低60%以上。

  这个大家伙由托盘供给装置、滚筒输送线大部分组成,可应用于食品、饮料和矿泉水生产线末端成品箱的搬运、码垛,码垛层数可达5~8层,能够胜任不同规格产品的使用需求。

  全球来看,工业机器人的应用领域主要有汽车制造业、汽车零部件、电力电子工业、金属加工业、塑料制品、饮料、食品等。目前中国市场上已有4.6万台工业机器人在服役,占全球总量的4.5%。2004年以来,中国工业机器人市场开始启动,国内需求强劲,新安装量年均增长率高达37%。2009年中国工业机器人新安装量受到金融危机的影响,下降了30%;2010年已强劲恢复,增长了54%;预计2011至2013年新安装量年均增长率将达到31%。到2013年在中国服役的工业机器人将达到8.5万台。此外,2012年下半年起,以3D打印、智能机器人为代表的国家产业政策助力产业发展,在全国范围内出现爆发式增长。同时,各地机器人产业基地相继开工,特别是上海、哈尔滨、重庆等地发展迅猛。

  “工业机器人在技术和理念上,我们现在一点儿也不比国外差,但问题恰恰是在核心零部件的研发和制造上,这一块,差距很大,还是基础工业实力的问题。”张新华在说,“目前,工业机器人技术已日趋成熟,重点在于工业机器人批量生产和建立产业链。工业机器人未来的发展方向,主要体现在新型智能制造机器人的创新以及机器人集成应用技术的丰富和发展。”----《 人民日报海外版 》( 2013年09月21日 第08 版)

  在标准化、轻巧型方面,主要注重提高运动速度和运动精度,减轻重量和减少安装占用空间,工业机器人功能部件逐步趋于标准化和模块组合化,以降低制造成本和提高可靠性。

  在柔性化、智能化方面,在多品种、小批量生产的柔性制造自动化技术中,特别是应用机器人的自动装配技术中,要求工业机器人对外部环境和对象物体有自适应能力,即具有较高的智能和更多功能,机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等,即有很强的检测功能和判断功能。而机器人柔性化是指其操作执行任务时,能够根据任务不同,快速调整机器人组合,并调整末端执行器完成各种各样的任务。

  工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

  1954年,美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。

  我国工业机器人起步于上世纪70年代,90年代初起加速发展,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

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