一种尺蠖式爬行机器人的研究论文

接触危险物品的工作岗位高温、低温、高压、辐射等极端环境的工作岗位长时间机械作业的工作岗位长时间监视监控的工作岗位精细工作高强度工作……-----------------------------------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。----------------------------------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。----------------------------------------------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。