機(jī)器人研究報(bào)告現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、. 學(xué)校代碼：10904. . 學(xué)年論文機(jī)器人研究現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：院系部所：機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化完成日期：2015年9月2日. 機(jī)器人研究現(xiàn)狀及開展趨勢(shì) 摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷向智能化方向開展,機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化,機(jī)器人已成為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)揮了巨大作用,將對(duì)未來生產(chǎn)和社會(huì)開展起越來越重要的作用。文章介紹了機(jī)器人的國國外的開展?fàn)顩r并對(duì)機(jī)器人的開展趨勢(shì)作了預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人; 開展歷程 ; 現(xiàn)狀 ; 開展趨勢(shì)1機(jī)器人的開展歷程 自 1954 年美國戴沃爾最早提出了機(jī)器人的概念以來，機(jī)器人就得以不斷地開展。 概括起來，機(jī)

2、器人的開展歷程為 3 代：第 1 代：示教再現(xiàn)型機(jī)器人，但不具備反應(yīng)能力。如郭勇等人1研制的挖掘機(jī)手柄自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作示教再現(xiàn)。第 2 代：有感覺的機(jī)器人，不僅具有部傳感器，而且具有外部傳感器， 能獲得外部環(huán)境信息。 如 P.lLiljeb.ck 等人研制的蛇形機(jī)器人就裝有部測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器，以及外部測(cè)力的傳感器，該機(jī)器人能夠在不規(guī)則環(huán)境中具有一定的運(yùn)動(dòng)能力。第 3 代：智能機(jī)器人。定義為可自動(dòng)控制的裝置，能理解指示命令，感知環(huán)境，識(shí)別對(duì)象，規(guī)劃自身操作程序來完成任務(wù)。 如 John Vannoy 等人采用實(shí)時(shí)可適應(yīng)性的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃RAMP算法的 PUMA560 機(jī)械臂，它

3、能在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中自動(dòng)識(shí)別來自不同方向的移動(dòng)或靜止的障礙物，主動(dòng)規(guī)劃路徑，進(jìn)而完成預(yù)定任務(wù)。2. 國外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀2.1 仿生機(jī)器人與新型機(jī)構(gòu)對(duì)人的研究，國外側(cè)重于對(duì)人行走時(shí)的步態(tài)分析，通過對(duì)人腳形狀的分析， 得出具有圓形截面的腳趾和腳后跟以及具有扁平截面的連接腳趾和腳后跟的中間局部具有最正確的動(dòng)力學(xué)性能。 對(duì)人形機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃問題，*ia Zeyang 等人提出了一種基于樣品的決定性的腳步規(guī)劃方法， 該方法綜合考慮了自身獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)能力和穩(wěn)定性。 對(duì)于在不同類型障礙的復(fù)雜環(huán)境中腳步規(guī)劃，Yasar Ayaz 采用與人走近障礙物時(shí)繞過的方法，通過腳步實(shí)時(shí)的生成成功避開障礙物。 此外，對(duì)于雙足

4、步行機(jī)器人的復(fù)雜地面運(yùn)動(dòng)的研究也有新的進(jìn)展，研究出一種新型的雙足機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)不平區(qū)域穩(wěn)定地行走，該足由 4 個(gè)分別帶光學(xué)傳感器的鞋釘組成，總重 1.5 kg。 對(duì)動(dòng)物的研究則表現(xiàn)為對(duì)諸如蛇、魚的構(gòu)造以及運(yùn)動(dòng)性能的研究。 仿蛇機(jī)器人不僅可以作為管道檢測(cè)裝置，也可以作為地震或礦難探索裝置，更可以當(dāng)作 極 地 探 測(cè) 器 來 進(jìn) 行 科 研 活 動(dòng) 。 Shigeo 和 HiroyaYamada 就將仿蛇機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造分為 5 種類型：活動(dòng)的彎曲關(guān)節(jié)式；活動(dòng)的彎曲和拉伸關(guān)節(jié)式；活動(dòng)的彎曲關(guān)節(jié)和活動(dòng)的車輪式；被動(dòng)彎曲關(guān)節(jié)和活動(dòng)車輪式；活動(dòng)的彎曲關(guān)節(jié)和履帶式。 Aksel Andreas Transe

5、th 等采用摩擦力模型方法建立了一蛇形機(jī)器人模型， 該機(jī)器人能與包括地面的障礙物以外的物體接觸， 對(duì)地震或礦區(qū)救援很有幫助。 Kristin Y.Pettersen 等人對(duì)蛇形機(jī)器人在存在障礙物環(huán)境中運(yùn)動(dòng)進(jìn)展了復(fù)合建模，仿真構(gòu)造證明該模型能實(shí)現(xiàn)不規(guī)則環(huán)境中的一般運(yùn)動(dòng)。但蛇形機(jī)器人目前要真正到達(dá)在復(fù)雜環(huán)境中暢通無阻地運(yùn)動(dòng)，還有待進(jìn)一步研究。 對(duì)海洋的開發(fā)，相對(duì)于其它的水下自動(dòng)化裝置， 仿生魚具有更好的推進(jìn)力和流體適應(yīng)性。其研究主要表達(dá)在構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特性上。JunGao 和 K.H.Low 等人對(duì)胸鰭驅(qū)動(dòng)和尾鰭驅(qū)動(dòng)魚形機(jī)器人進(jìn)展了分析， 討論了魚構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)各參數(shù)的關(guān)系。Yu Zhong 等人對(duì)由閥體

6、與尾鰭構(gòu)成的機(jī)器人魚的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)展了研究，采用量綱分析方法，建立了一種能預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器魚模型。 Giuseppe Tortora 等人設(shè)計(jì)了類水母微型機(jī)器人，它由磁體驅(qū)動(dòng)自身的運(yùn)動(dòng),具有較好的運(yùn)動(dòng)性能。但機(jī)器魚在構(gòu)造仿生度、性能如直線游泳與拐彎半徑等方面還有待進(jìn)一步的研究。 此外，Kazuya Kobayashi 等人對(duì)用于抓掐、 旋轉(zhuǎn)細(xì)小物體的手指尖進(jìn)展了設(shè)計(jì)和分析，并進(jìn)展了抓取 USB 插頭的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性，但其抓取策略還有待進(jìn)一步的優(yōu)化。 Jian S.Dai 等人第一次提出了可變構(gòu)手掌，并設(shè)計(jì)了多指可變構(gòu)手 Metahand,該手可折疊也可展開，具有相當(dāng)高的靈活性。新型機(jī)構(gòu)

7、也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。隨著對(duì)機(jī)器人的柔性程度和精度要求越來越高。于是對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究成為了時(shí)代的必要。Michael D.M.Kutzer 等人設(shè)計(jì)的一種新型的獨(dú)立移動(dòng)可重構(gòu)模塊化的機(jī)器人，工作時(shí)可以是鏈?zhǔn)交蚓钍剑谖ｋU(xiǎn)環(huán)境中表現(xiàn)出了出色的運(yùn)動(dòng)能力。Hong*ing Wei 等人設(shè)計(jì)了一種自組裝和自重構(gòu)的模塊化機(jī)器人，而 Graham GRyland 等人設(shè)計(jì)了專門用于搜救行動(dòng)中的可重構(gòu)iMobot 機(jī)器人，它有 4 個(gè)可控自由度，通過驅(qū)動(dòng)輪子將自身舉起來成為一個(gè)攝像平臺(tái)。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)因其具有精度高、構(gòu)造緊湊、剛度高等優(yōu)點(diǎn)，引起了眾多科研人員的興趣，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì) 2 自

8、由度的微型并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)展了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Sergiu-Dan Stan 等人運(yùn)用遺傳算法和模擬退火的優(yōu)化方法對(duì)一個(gè) 2 自由度并聯(lián)微型機(jī)器人的工作空間進(jìn)展了優(yōu)化分析， 實(shí)驗(yàn)說明該方法具有可行性。2.2 機(jī)器人的定位與環(huán)境地圖的創(chuàng)立隨著機(jī)器人技術(shù)的開展，其應(yīng)用圍日趨廣泛。由室到室外，由構(gòu)造環(huán)境到非構(gòu)造的復(fù)雜環(huán)境，使機(jī)器人創(chuàng)立環(huán)境地圖的同時(shí)進(jìn)展自主定位和導(dǎo)航成為當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)問題。機(jī)器人的同時(shí)定位與建圖SLAM可以描述為：在未知的環(huán)境中移動(dòng)的機(jī)器人，根據(jù)傳感器獲得的環(huán)境信息，采用*些算法對(duì)信息進(jìn)展處理，最后經(jīng)控制器進(jìn)展自身位置估計(jì)與環(huán)境地圖的創(chuàng)立。機(jī)器人的定位可分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位兩種。

9、前者是根據(jù)機(jī)器人本身或從環(huán)境中提取*些特征信息，如物體外部幾何構(gòu)造點(diǎn)、里程信息等，結(jié)合上一次的位置和姿態(tài)來判斷出機(jī)器人的當(dāng)前位姿，該方法靈活性高，有利于機(jī)器人的導(dǎo)航與定位，但誤差累積較大會(huì)造成定位精度降低。而后者是通過人們?cè)诃h(huán)境中預(yù)先設(shè)置的路標(biāo)或顯眼節(jié)點(diǎn)等來計(jì)算機(jī)器人實(shí)時(shí)的位姿，此法快速可靠，但適用圍較窄，在無法設(shè)置路標(biāo)場(chǎng)合難以工作。通常將以上兩種方法相結(jié)合來提高機(jī)器人的定位精度，目前對(duì)環(huán)境圖像的獲取可通過不同的視覺系統(tǒng)，有學(xué)者提出了不同的方法，主要分為 3類：第 1 類是可旋轉(zhuǎn)的相機(jī)，可提供高分辨率圖片但每一幀需要 8 s，實(shí)時(shí)性并不高，同時(shí)也無法很好地嵌入微小型自動(dòng)機(jī)器人中；第 2 類是相

10、機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能獲得環(huán)境的全景，主要的問題是各相機(jī)獲得圖片的同步性以及較多的照片處理；第 3 類是兼反射和折射的相機(jī)，它是由朝向同一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱鏡的一個(gè)透視攝像機(jī)構(gòu)成，無活動(dòng)件，一次對(duì)焦能提供 360的高分辨率的全視野。隨著 SLAM 技術(shù)的開展，產(chǎn)生的許多 SLAM 算法。包括擴(kuò)展卡爾曼濾波算法EKF-SLAM、粒子濾波算法Fast-SLAM、擴(kuò)展信息濾波算法EIF-SLAM、掃描匹配算法DP-SLAM、解耦算法D-SLAM、壓縮擴(kuò)展卡爾曼濾波算法CEKF-SLAM、快速擴(kuò)展信息濾波算法 FEIF-SLAM、 無跡卡爾曼濾波算法 UKF-SLAM、Rao -Blackwelled 粒 子 濾 波 算

11、法 RBPR -SLAM、Uncented FastSLAM 法UFastSLAM法等 。較常用的是 EKF、Fast-SLAM、UKF、RBPF 以及 UFastSLAM法。EKF 的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，估計(jì)準(zhǔn)確，但線性相關(guān)較差，UKF不適于解決存在非線性和高斯噪聲情況。粒子濾波算法對(duì)線性和噪聲沒有要求，但問題的維數(shù)較高時(shí)計(jì)算量較大，難以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。FEIF 是 EIF 的對(duì)稱形式，保存了 EIF 的優(yōu)點(diǎn)，但濾波的一致性更好。而UKF 比 EKF 有著更好的濾波一致性，并且適用于室外大的復(fù)雜環(huán)境。 RBPF 對(duì)解決非線性和非高斯噪聲時(shí)具有很好的特性。相比 Fast-SLAM 和 RBPF-SL

12、AM 在雅各比線性逼近非線性功能缺乏的問題，UncentedFastSLAM 就能更好地解決線性逼近問題，并且有很好的估計(jì)精度和濾波一致性。2.3 機(jī)器人-環(huán)境交互隨著民用、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)難控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合對(duì)機(jī)器人的需求不斷增大， 機(jī)器人與環(huán)境的交互成為機(jī)器人領(lǐng)域的又一研究熱點(diǎn)。主要表現(xiàn)為機(jī)器人作用對(duì)象的識(shí)別，路徑規(guī)劃，最后實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航完成任務(wù)。機(jī)器人通過立體視覺、激光測(cè)距儀、超聲波、紅外線、聲納、光束等工具對(duì)環(huán)境進(jìn)展數(shù)據(jù)收集。超聲波測(cè)距儀由于超聲波受周圍環(huán)境影響較大，測(cè)量距離比擬短，測(cè)量精度比擬低；紅外測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)、易制、平安，缺點(diǎn)是精度低、距離近、方向性差。非接觸的距離測(cè)量應(yīng)用最廣的

13、兩種方法是激光和超聲波，無論哪種方法,測(cè)量區(qū)域的圖像都是不可見的，同時(shí)目標(biāo)物的反射外表狀態(tài)也會(huì)影響測(cè)量的精度，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像的顯示與距離的測(cè)量方法有：模式識(shí)別和圖像分析方法。機(jī)器人根據(jù)采集到的環(huán)境信息進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，得到對(duì)圖像匹配有用的信息，如物體邊緣輪廓、 關(guān)鍵特征點(diǎn)等，主要方法有尺度不變特征轉(zhuǎn)換法SIFT和更為有效的傅里葉描敘子FD法。最后將得到的特征信息與機(jī)器人的數(shù)據(jù)特征庫進(jìn)展匹配，進(jìn)展對(duì)象識(shí)別。機(jī)器人最重要的功能是輔助或完全替代人類完成作業(yè)任務(wù)，因而它的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航問題也一直是研究的焦點(diǎn)。目前對(duì)機(jī)器人路徑規(guī)劃提出的方法有：A* 算法、快速行進(jìn)法 FMM、邊界跟蹤的快速行進(jìn)法BFFMM、

14、非線性規(guī)劃法、進(jìn)化算法EAs等。FMM 法對(duì)解決最短路徑規(guī)劃很有效， 但只能應(yīng)用在完全的環(huán)境中，而 BFFMM 法只需要知道運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和目的地，用于未知的多邊性環(huán)境中，效果優(yōu)于 FMM 法。 無人飛行器的飛行最優(yōu)路徑搜索中多采用 EAs 法。機(jī)器人的導(dǎo)航方法分兩類，一類是基于 GPS 或伽俐略定位系統(tǒng)的全局導(dǎo)航系統(tǒng)；另一類是基于自身設(shè)計(jì)的算法如 ELA+法等的局部導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 或伽俐略定位系統(tǒng)對(duì)較大目標(biāo)的定位和導(dǎo)航效果很好，但當(dāng)區(qū)域中有任何障礙時(shí)，都將導(dǎo)致精度降低，而且不適合對(duì)陰影、橋梁或有其它遮擋物的情況。而 ELA+法能在離目的地的距離和位置不知的情形下，利用可靠方位信息成功引導(dǎo)機(jī)器

15、人完成任務(wù)。導(dǎo)航技術(shù)的開展促進(jìn)了新的更高精度的導(dǎo)航方法的出現(xiàn)， 即融全局和局部的混合導(dǎo)航方法。3 .國機(jī)器人的研究現(xiàn)狀我國對(duì)機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代,通過七五的起步，八五、九五的科技攻關(guān)，已經(jīng)根本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、 控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)器人軟件和編程等關(guān)鍵技術(shù)。形成了一批具有較強(qiáng)機(jī)器人科研實(shí)力的公司和院校，如中科院自動(dòng)化研究所、新松機(jī)器人自動(dòng)化、清華大學(xué)、工業(yè)大學(xué)、北航等。仿生機(jī)器人一直是我國機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)機(jī)器人魚的研究集中在它的驅(qū)動(dòng)單元上，因機(jī)器魚有較高的液體推進(jìn)性能，其推進(jìn)方法可以是尾鰭或者胸鰭推進(jìn)。 尾鰭推進(jìn)機(jī)器魚游動(dòng)速度快，但靈活性較差，

16、胸鰭推進(jìn)則使機(jī)器魚游動(dòng)速度慢，但穩(wěn)定性高、機(jī)動(dòng)性好。國防科技大學(xué)采用胸鰭推進(jìn)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的設(shè)計(jì)；工業(yè)大學(xué)采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)對(duì)仿生魚進(jìn)展了設(shè)計(jì)，但是，機(jī)器魚很難實(shí)現(xiàn)柔性的仿生運(yùn)動(dòng)。與其它輪式、履帶式、爬行式移動(dòng)機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人因能在復(fù)雜的非構(gòu)造化環(huán)境中能行走，因而具有更高的靈活性和適應(yīng)性。清華大學(xué)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)步行雙足機(jī)器人 THBIP-II，工程大學(xué)設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人 HEUBR_1，但仿生程度都還有待提高。我國對(duì)機(jī)器人 SLAM 研究取得了可喜的成果。 具有代表性的是梁志偉等人采用基于分布式傳感器感知的方法，周武等人采用遺傳快速 SLAM 算法，文玲等人采用自適應(yīng) SLAM 算法同時(shí)進(jìn)展

17、自身定位與環(huán)境地圖的創(chuàng)立。針對(duì)以往速度障礙法在動(dòng)態(tài)避碰應(yīng)用中的缺乏，朱齊丹等人采用雙障礙檢測(cè)窗口進(jìn)展動(dòng)態(tài)避碰規(guī)劃的改良，有效提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平安性。伍明和牛長鋒等人對(duì)目標(biāo)跟蹤方法進(jìn)展了研究，分別提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波和基于 SIFT 特征和粒子濾波的方法，都適用于未知環(huán)境中動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤問題。經(jīng)過 30 多年的開展，我國機(jī)器人數(shù)量也到達(dá)了一定的規(guī)模，機(jī)器人的研究在一些方面也已經(jīng)到達(dá)了世界先進(jìn)水平，但與興旺國家相比仍然有很大差距。不難發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)是：我國在機(jī)器人的研究方面采取的方法主要是借鑒外國的先進(jìn)技術(shù)，然后再進(jìn)展二次開發(fā)，這就造成了我國自身創(chuàng)新技術(shù)較少，制約了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的開展。主要表現(xiàn)在

18、：根底零部件制造能力差； 缺少自己的機(jī)器人品牌；認(rèn)識(shí)還不夠到位，鼓勵(lì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化開展的政策少。為打破國外對(duì)機(jī)器人的技術(shù)壟斷，我國必須從以下方面努力：以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)攻關(guān)一些具有核心競爭力的產(chǎn)品；國家應(yīng)對(duì)開展機(jī)器人專門立項(xiàng)，解決機(jī)器人中的具有核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)， 加速我國機(jī)器人邁向產(chǎn)業(yè)化的步伐；國家應(yīng)該加大對(duì)機(jī)器人的宣傳力度，采取多種形式的優(yōu)惠政策鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)、采購、應(yīng)用、開展機(jī)器人，普及機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用；以企業(yè)為主體，以產(chǎn)學(xué)研為重要的開展模式，密切關(guān)注社會(huì)對(duì)機(jī)器人的實(shí)際需求，快速推進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售人才的建立。4 .機(jī)器人的研究趨勢(shì)隨著機(jī)器人的應(yīng)用圍的擴(kuò)大，建筑、農(nóng)業(yè)、采礦、災(zāi)難救援等非制造業(yè)行業(yè)、國防軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、 日常生活領(lǐng)域等對(duì)機(jī)器人的需求越來越大。 因此， 適合應(yīng)用的更為智能的機(jī)器人技術(shù)必將成為未來的研究熱點(diǎn)。 對(duì)機(jī)器人的研究趨勢(shì)如下：1 機(jī)械電子構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、微型化及具有可重構(gòu)性；2 新型傳感器和多傳感器融合技術(shù)；3 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化、集成化及分散化；4 新型智能技術(shù)，如虛擬技術(shù)；5 控制技術(shù)的開放化、網(wǎng)絡(luò)化及 PC 化。5 結(jié)論本文對(duì)國外在機(jī)器人研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域現(xiàn)狀進(jìn)展了簡要的綜述， 詳細(xì)介紹了國外在仿生機(jī)器人與其新型機(jī)構(gòu)、機(jī)器人的定位與環(huán)境地圖的創(chuàng)立以及機(jī)器人環(huán)境交互