国外新型家庭机器人研究现状论文

当年宣称“毁灭人类”的智能机器人，它的现状如何？被销毁了吗？

随着信息技术与互联网的快速发展与普及，智能机器人技术得到了突飞猛进的发展，其能够部分代替人工工作，已经成为未来各个领域的关注焦点，目前我国智能机器人技术还相对落后。本文主要从国内外机器人的发展现状入手研究，经过对相关的资料分析，提出未来智能机器人的发展趋势，并以我国农业智能机器人应用经验为例，分析智能机器人对我国农业领域的应用情况，对于我国农业水平的提高具有深远意义。1 国内外智能机器人研究现状随着科学技术的发展，人们越来越希望自己能从日常琐碎事务中解脱出来，利用空余时间能做更多、更重要的事情，因此机器人技术应运而生。根据联合国的美国机器人协会给机器人的定义可知，机器人是一种由编程操作执行某项专门任务、综合了机械、电子、遥控器、人工智能、仿生学等多种科学的复杂智能机械。机器人是当代研究热点话题之一，其可以做人类做不到的高危险性的工作，甚至是在外太空或者深海领域的探究过程中都可以使用机器人，甚至可以说在人类难以生存的环境中，机器人可以在某种程度上替代人类。1.1 国外智能机器人发展现状国外的机器人是最早起步的，发展较成熟，其中以日本、美国、英国为首的国家，其根据自身生产力的需求，研发了各种各样的机器人，并且机器人的销量成比例逐渐增加，在2014年，全球工业机器人的销售额增长了11.5%（如图1所示）。机器人产业的蓬勃发展，为全球经济带来了巨大的变化，机器人的应用将影响到人类社会生活和经济发展的每个领域。二战后，美国机器人技术得到大力发展，制造业技术提升、经济快速发展，而机器人是功不可没的；在欧洲，欧盟启动了“SPARC”研发计划，该计划投入了28亿欧元，创造24万个就业岗位，在世界范围内的各个领域、各个行业都有机器人的身影，因此产生了深远影响；日本正将机器人作为未来经济发展的重要工具，其可以促进社会经济有着更大范围的提升；韩国也在大力发展机器人产业，并将生产的机器人销往海外市场，促进了机器人产业的壮大。1.2 国内智能机器人发展现状在中国，机器人技术起步较晚，但是发展迅速，在20世纪70年代，以工业机器人的研究与制造工作逐渐有了起色，其发展阶段可以分为3个部分：第一个阶段是从20世纪80年代末开始起步，具有产权的切割、焊接、喷漆、运输、包装等产品相继出现，可以说在这一阶段中，中国机器人向实践迈出了第一步，并且在此阶段中，我国政府不断出台机器人发展规划的相关政策。第二个阶段是从2010年后，中国机器人装机容量逐步上升，开始面向机器人产业链发展。全球机器人几大巨头分别是瑞典ABB、德国库卡、日本发那科、日本安川等，这些知名机器人制造商看好中国市场的发展前景，纷纷在中国市场中设立分支机构，从机器人的生产、销售、制造等领域开始全面铺设。而国内的机器人品牌起步较晚，以沈阳新松、广州数控等公司为首，通过并购、引进技术等方式开始涉足这些行业。第三个阶段是2013年4月21日，我国机械工业联合会创建的中国机器人产业联盟将国内机器人科技和产业单位进行资源整合，构成实现健康有序发展的服务平台。通过3个阶段的发展，可以看出我国机器人行业发展势头良好，但是与发达国家相比，我国机器人在发展速度、核心技术、市场份额等方面还相对较弱，究其原因，中国在机器人产业上还没有形成研制、生产、制造、销售、服务等有序的产业链。2 智能机器人的发展趋势分析（1）关键部件和核心技术的发展。现有机器人传感器的各项性能有了较大的改观，采用集成技术后可以增加信息的融合量，需要专业人员专门研究关键部件，从细节解决问题，在一些核心技术上促进机器人的标准化和网络化发展，并深入研究与归纳仿真功能、方向感知、心情管理、生物神经系统理论与方法。（2）机器人网络化。机器人网络化是未来机器人技术发展的重要方向之一，利用互联网技术，对目标机器人实现联网，并通过网络对其进行有效控制，并实现多机器人协作，促进更快、更好地完成任务。另一方面，很多作业项目难以靠一个机器人的能力完成，特别是在一些相对较为复杂的环境条件下，实现对计算机的远程网络控制，也是未来机器人技术发展的主要方向。（3）更好的交互方式。目前市场中的机器人还没有能力去实现相关理论与方法，依旧需要依赖于相关的知识，因此需要把机器需要完成的任务加载进去。人类与机器人的交互需要更加简单化、多样化、人性化、智能化，因此需要研究设计自然语言、文字语言、图像语言、手写字识别等，采用更加人性化的方式与用户交互交流，保证人与机器之间信息交流的协调性。3 智能机器人的具体应用很多国家在工业领域内使用机器人较多，并且发展到一定程度，日本、美国等国家在农业等领域应用了智能机器人。在农业采摘过程中，这些采摘机器人（图2）依托机械手臂、三维视觉传感器、末端执行机构、压力传感器等部件进行采摘，使采摘番茄的成功率超过75%左右，采摘蘑菇的成功率为81%。这些采摘机器人在采摘过程中可以避开障碍物采摘得当，并对多余部分进行剪修。另外，一些国家的农业领域中应用了嫁接机器人，其可在嫁接的3个重要环节中实现全自动模式，并且能让成功率高达97%，节省了巨大的人力、物力成本。除此之外，耕耘机器人、农药机器人、除草机器人等多种机器人类型也应用于农业领域中。

数字化家庭是未来智能小区系统的基本单元。所谓“数字化家庭”就是基于家庭内部提供覆盖整个家庭的智能化服务，包括数据通信、家庭娱乐和信息家电控制功能。数字化家庭设计的一项主要内容是通信功能的实现，包括家庭与外界的通信及家庭内部相关设施之间的通信。从现在的发展来看，外部的通信主要通过宽带接入。intenet，而家庭内部的通信，笔者采用目前比较具有竞争力的蓝牙(bluetootlh)无线接入技术。传统的数字化家庭采用pc进行总体控制，缺乏人性化。笔者根据人工情感的思想设计一种配备多种外部传感器的智能机器人，将此智能机器人视作家庭成员，通过它实现对数字化家庭的控制。本文主要就智能机器人在数字化家庭医疗保健方面的应用进行模型设计，在智能机器人与医疗仪器和控制pc的通信采用蓝牙技术。整个系统的成本较低，功能较为全面，扩展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。2 智能机器人的总体设计2．1 智能机器人的多传感器系统机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合[1]，统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用，可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能；给机器人加上相关的医疗模块(ccd、camera、立体麦克风、图像采集卡等)和专用医疗传感器部件，再加上医疗专家系统就可以实现医疗保健和远程医疗监护功能。智能机器人的多传感器系统框图如图1所示。2．2 智能机器人控制系统机器人控制系统包含2部分：一是上位机，一般采用pc，它完成机器人的运动轨迹规划、传感器信息融合控制算法、视觉处理、人机接口及远程处理等任务；二是下位机，一般采用多单片机系统或dsp等作为控制器的核心部件，完成电机伺服控制、反馈处理、图像处理、语音识别和通信接口等功能。如果采用多单片机系统作为下位机，每个处理器完成单一任务，通过信息交换和相互协调完成总体系统功能，但其在信号处理能力上明显有所欠缺。由于dsp擅长对信号的处理，而且对此智能机器人来说经常需要信号处理、图像处理和语音识别，所以采用dsp作为智能机器人控制系统的控制器[2]。控制系统以dsp(tms320c54x)为核心部件，由蓝牙无线通信、gsm无线通信(支持gprs)、电机驱动、数字罗盘、感觉功能传感器(视觉和听觉等)、医疗传感器和多选一串口通信(rs-232)模块等组成，控制系统框图如图2所示。 (1)系统通过驱动电机和转向电机控制机器人的运动，转向电机利用数字罗盘的信息作为反馈量进行pid控制。(2)采用爱立信(ericsson)公司的rokl01007型电路作为蓝牙无线通信模块，实现智能机器人与上位机pc的通信和与其他基于蓝牙模块的医疗保健仪器的通信。(3)支持gprs的gsm无线通信模块支持数据、语音、短信息和传真服务，采用手机通信方式与远端医疗监控中心通信。(4)由于tms320c54x只有1个串行口，而蓝牙模块、gsm无线模块、数字罗盘和视觉听觉等感觉功能传感器模块都是采用rs一232异步串行通信，所以必须设计1个多选一串口通信模块进行转换处理。当tms320c54x需要蓝牙无线通信模块的数据时通过电路选通；当t~ms320c54x需要某个传感器模块的数据时，关断上次无线通信模块的选通，同时选通该次传感器模块。这样，各个模块就完成了与1~ms320c54x的串口通信。3 主要医疗保健功能的实现智能机器人对于数字化家庭的医疗保健可以提供如下的服务：(1)医疗监护通过集成有蓝牙模块的医疗传感器对家庭成员的主要生理参数如心电、血压、体温、呼吸和血氧饱和度等进行实时检测，通过机器人的处理系统提供本地结果。(2)远程诊断和会诊通过机器人的视觉和听觉等感觉功能，将采集的视频、音频等数据结合各项生理参数数据传给远程医疗中心，由医疗中心的专家进行远程监控，结合医疗专家系统对家庭成员的健康状况进行会诊，即提供望(视频)、闻、问(音频)、切(各项生理参数)的服务[3]。3．1机器人视觉与视频信号的传输机器人采集的视频信号有2种作用：提供机器人视觉；将采集到的家庭成员的静态图像和动态画面传给远程医疗中心。机器人视觉的作用是从3维环境图像中获得所需的信息并构造出环境对象的明确而有意义的描述。视觉包括3个过程：(1)图像获取。通过视觉传感器(立体影像的ccd camera)将3维环境图像转换为电信号。(2)图像处理。图像到图像的变换，如特征提取。(3)图像理解。在处理的基础上给出环境描述。通过视频信号的传输，远程医疗中心的医生可以实时了解家庭成员的身体状况和精神状态。智能机器人根据医生的需要捕捉适合医疗保健和诊断需求的图像，有选择地传输高分辨率和低分辨率的图像。在医疗保健的过程中，对于图像传送有2种不同条件的需求：(1)医生观察家庭成员的皮肤、嘴唇、舌面、指甲和面部表情的颜色时，需要传送静态高清晰度彩色图像；采用的方法是间隔一段时间(例如5分钟)传送1幅高清晰度静态图像。(2)医生借助动态画面查看家庭成员的身体移动能力时，可以传送分辨率较低和尺寸较小的图像，采用的方法是进行合理的压缩和恢复以保证实时性。3．2机器人听觉与音频信号的传输机器人采集的音频信号也有2种作用：一是提供机器人听觉；二是借助于音频信号，家庭成员可以和医生进行沟通，医生可以了解家庭成员的健康状况和心态。音频信号的传输为医生对家庭成员进行医疗保健提供了语言交流的途径。机器人听觉是语音识别技术，医疗保健智能机器人带有各种声交互系统，能够按照家庭成员的命令进行医疗测试和监护，还可以按照家庭成员的命令做家务、控制数字化家电和照看病人等。声音的获取采用多个立体麦克风。由于声音的频率范围大约是300hz一3400hz，过高或过低频率的声音在一般情况下是不需要传输的，所以只用传送频率范围在1000hz-3000hz的声音，医生和家庭成员就可以进行正常的交流，从而可以降低传输音频信号所占用的带宽，再采用合适的通信音频压缩协议即可满足实时音频的要求。智能机器人的听觉系统如图3所示。3．3各项生理信息的采集与传输传统检测设备通过有线方式连到人体上进行生理信息的采集，各种连线容易使病人心情紧张，从而导致检测到的数据不准确。使用蓝牙技术可以很好地解决这个问题，带有蓝牙模块的医疗微型传感器安置在家庭成员身上，尽量使其不对人体正常活动产生干扰，再通过蓝牙技术将采集的数据传输到接收设备并对其进行处理。在智能机器人上安装1个带有蓝牙模块的探测器作为接收设备，各种医疗传感器将采集到的生理信息数据通过蓝牙模块传输到探测器，探测器有2种工作方式：一是将数据交给智能机器人处理，提供本地结果；二是与internet连接(也可以通过gsm无线模块直接发回)，通过将数据传输到远程医疗中心，达到医疗保健与远程监护的目的。视频和音频数据的传输也采用这种方式。智能机器人的数据传输系统如图4所示。4 蓝牙模块的应用4．1蓝牙技术概况蓝牙技术[4]是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术。它的载波选用全球公用的2．4ghz(实际射频通道为f=2402 k×1mhz，k=0，1，2，…，78)ism频带，并采用跳频方式来扩展频带，跳频速率为1600跳/s。可得到79个1mhz带宽的信道。蓝牙设备采用gfsk调制技术，通信速率为1mbit/s，实际有效速率最高可达721kbit/s，通信距离为10m，发射功率为1mw；当发射功率为100mw时，通信距离可达100m，可以满足数字化家庭的需要。4．2蓝牙模块rokl01007型蓝牙模块[5]是爱立信公司推出的适合于短距离通信的无线基带模块。它的集成度高、功耗小(射频功率为1mw)，支持所有的蓝牙协议，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器、无线收发器、闪存、电源管理模块和时钟5个功能模块，可提供高至hci(主机控制接口)层的功能。单个蓝牙模块的结构如图5所示。4．3主，从设备硬件组成蓝牙技术支持点到点ppp(point-t0-point pro-tocol)和点对多点的通信，用无线方式将若干蓝牙设备连接成1个微微网[6]。每个微微网由1个主设备(master)和若干个从设备(slave)组成，从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，mac地址用3位来表示，即在1个微微网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从)。从设备受控于主设备。所有设备单元均采用同一跳频序列。将带有蓝牙模块的微型医疗传感器作为从设备，将智能机器人上的带有蓝牙模块的探测器作为主设备。主从设备的硬件主要包括天线单元、功率放大模块、蓝牙模块、嵌入式微处理器系统、接口电路及一些辅助电路。主设备是整个蓝牙的核心部分，要完成各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信之间的数据交换功能，同时还负责对各个从设备的管理和控制。5 结束语随着社会的进步，经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的人需要家庭医疗保健服务。文中提出的应用于数字化家庭医疗保健服务的智能机器人系统的功能较为全面，且在家用智能机器人、基于蓝牙技术的智能家居和数字化医院等方面的拓展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。

现在只是一个开端，现在市面上出来的机器人，有商用的也有家用的

家用最近出了一款功能也比较全面。豪铖独造机器人 ，相信未来会有更多的家用机器人走进我们的家庭。

据新华社消息，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。“九五”期间我国工业机器人的需求量以每年30％以上的速度增长。2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额为6．7亿元。据专家对国内542家用户以及汽车、电子电器、工程机械3个行业的部分用户进行的统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人；其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如华录一家就用了近300台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。据对724家用户的统计分析，大机械行业（机械制造和汽车工业）用户共有467家，占用户的65％；电子电器和邮电通讯业用户有92家，占用户的13％。可见，目前国内工业机器人主要应用在汽车、机械制造等行业。机器人及其自动化成套装备是指以机器人为核心，以信息技术和网络技术为媒介，将所有设备连接到一起而形成的大型自动化生产线。机器人及其自动化成套装备的拥有量和水平是衡量一个国家制造业综合实力的重要标志之一。机器人及其自动化成套装备已成为目前国内外极受重视的高新技术应用领域。目前，国外机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。国外汽车行业、电子和电器行业、物流与仓储行业（企业级）等已大量使用机器人自动化生产线， 从而保证了其产品的质量和生产的高效。典型的如机器人有大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套装备、大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备、电子和电器等的机器人柔性自动化装配及检测成套技术和装备、机器人整车及发动机装配自动化系统技术和成套装备、AGV物流与仓储自动化成套技术及装备等，这些机器人设备的使用大大推动了这些行业的快速发展，提升了制造技术的先进性。当前，国外将机器人自动化生产线成套装备的共性技术作为重点开发内容：1．大型自动化生产线的设计开发技术。利用CAX及仿真系统等多种高新技术和设计手段，快速设计和开发机器人大型自动化生产线，并进行数字化验证。2．自动化生产线“数字化制造”技术。虚拟制造技术发展很快，国外几家早期从事仿真软件的开发公司已经推出可进入实用的所谓“数字化工厂”（DMF）商品化软件。国外企业已利用这类软件建立起自己的产品制造工艺过程信息化平台，再与本企业的资源管理信息化平台和车身产品设计信息平台结合，构成支持本企业产品完整制造过程生命周期的信息化平台。自动化生产线的设计、制造、整定及维护也必须要基于上述信息化平台进行，开展并行工程，实现信息共享，这是最大限度地压缩自动化生产线投产周期所必须的，另外也有利于实现生产线的柔性和质量控制的功能。3．大型自动化生产线的控制协调和管理技术。利用计算机和信息技术，实现整条生产线的控制、协调和管理，快速响应市场需求，提高产品竞争力。4．自动化生产线的在线检测及监控技术。利用传感器和机器人技术，实现大型生产线的在线检测，确保产品质量，并且实现产品的主动质量控制。利用网络技术，实现生产线的在线监控，确保生产线安全运行。5．自动化生产线模块化及可重构技术。利用设计的模块化和标准化，能够实现生产线的快速调整及重构。6．生产线快速整定（commissioning time）技术。如建立完整的制造过程信息技术，发展机器人等自动化设备的离线编程技术、生产线上的机电设备实现网络控制管理技术、关键工位在线100％产品检测技术、先进的生产线现场安装精度测试技术。