机器人

第一课、机器人的分类
　　几千年前人类就渴望制造 一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。 如古希腊诗人Homeros的长篇叙事诗 《伊利亚特》中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司 ，就用黄金铸造出一个美丽聪颖的侍女；希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)；犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。

　　到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。从机器人的用途来分，可以分为两大类：

　　军用机器人：

　　◆ 地面军用机器人

　　地面机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆.地面军用机器人又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。

　　◆无人机

　　被称为空中机器人的无人机是军用机器人中发展最快的家族，从1913年第一台自动驾驶仪问世以来，无人机的基本类型已达到300多种，目前在世界市场上销售的无人机有40多种。美国几乎参加了世界上所有重要的战争。由于它的科学技术先进，国力较强，因而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。美国是研究无人机最早的国家之一，今天无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界首位。

　　综观无人机发展的历史，可以说现代战争是无人机发展的动力，高新技术的发展是它不断进步的基础。

　　◆水下机器人

　　水下机器人分为有人机器人和无人机器人两大类：

　　有人潜水器机动灵活，便于处理复杂的问题，担任的生命可能会有危险，而且价格昂贵。

　　无人潜水器就是人们所说的水下机器人，“科夫”就是其中的一种。它适于长时间、大范围的考察任务，近20年来，水下机器人有了很大的发展，它们既可军用又可民用。随着人对海洋进一步地开发，21世纪它们必将会有更广泛的应用。按照无人潜水器与水面支持设备（母船或平台）间联系方式的不同，水下机器人可以分为两大类：一种是有缆水下机器人，习惯上把它称做遥控潜水器，简称ROV；另一种是无缆水下机器人，潜水器习惯上把它称做自治潜水器，简称AUV。有缆机器人都是遥控式的，按其运动方式分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。无缆水下机器人只能是自治式的，目前还只有观测型浮游式一种运动方式，但它的前景是光明的。

　　◆空间机器人

　　空间机器人是一种低价位的轻型遥控机器人，可在行星的大气环境中导航及飞行。为此，它必须克服许多困难，例如它要能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航；几乎不能够停留；必须能实时确定它在空间的位置及状态；要能对它的垂直运动进行控制；要为它的星际飞行预测及规划路径。

　　民用机器人：

　　◆工业机器人

　　工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。

　　◆服务机器人

　　服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识也有一定差异。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护、保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。德国生产技术与自动化研究所所长施拉夫特博士给服务机器人下了这样一个定义：服务机器人是一种可自由编程的移动装置，它至少应有三个运动轴，可以部分地或全自动地完成服务工作。这里的服务工作指的不是为工业生产物品而从事的服务活动，而是指为人和单位完成的服务工作。

　　◆娱乐机器人

　　娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，可以像人，像某种动物，像童话或科幻小说中的人物等。同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，可以有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力。

　　◆类人机器人

　　从其他类别的机器人可以看出，大多数的机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模样，这一点使很多机器人爱好者大失所望。也许你会问，为什么科学家不研制类人机器人？这样的机器人会更容易让人接受。其实，研制出外观和功能与人一样的机器人是科学家们梦寐以求的愿望，也是他们不懈追求的目标。然而，研制出性能优异的类人机器人，其最大的难关就是双足直立行走。因为 机器人与人的学习方式不一样。一个婴儿要先学走，再学跑；而机器人则要先学跑，再学走。也就是说机器人学跑更容易些。

　　◆农业机器人

　　由于机械化、自动化程度比较落后，“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”成了我国农民的象征。但近年农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式。在农业机器人的方面，目前日本居于世界各国之首。

第二课、机器人发展史

　　美国

　　美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。

　　由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。

　　进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。

　　80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。

　　尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

　　（1）性能可靠，功能全面，精确度高；

　　（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；

　　（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；

　　（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。

　　英国

　　早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。

　　但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。

　　法国

　　法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。

　　法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及.　

　　德国

　　德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在"改善劳动条件计划"中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为"快完蛋的行业"重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。

　　俄罗斯

　　在前苏联（主要是在俄罗斯），从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划（1970年一1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。

　　中国
　　
　　有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

　　我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。

　　日本

　　日本在60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11％。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。

　　正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优待外，还可再享受 13％的价格补贴。另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。

　　这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。

　　日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。

　　日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。

第三课、机器人技术的新进展


　　一、国外机器人的最新进展

　　从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。下将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况。

　　1．工业机器人

　　（1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。

　　（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。

　　（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。

　　（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。

　　（5）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。

　　（6）可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需求。

　　2．先进机器人

　　近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。
　　（1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。

　　（2）空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸630~48mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。

　　（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等。

　　（4）地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。

　　（5）医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。

　　（6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。

　　（7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够 自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。

　　可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。

　　二、目前研究热点及发展趋势

　　目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：

　　1．工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

　　2．机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

　　3．多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

　　4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

　　5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

　　6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

　　7．多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

　　8．微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

　　9．软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

　　10．仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。
   
   
   
     

第四课、工业机器人技术



　　一、技术概述

　　工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

　　机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

　　机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

　　二、现状及国内外发展趋势

　　国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

　　1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。

　　2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

　　3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

　　4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

　　5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

　　6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

　　7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

　　我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，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；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

　　我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

　　三、“十五”目标及主要研究内容

　　1．目标

　　根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。

　　2．主要研究内容

　　（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究

　　①关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。

　　②柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。

　　③焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。

　　④弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。

　　⑤焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。

　　⑥电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。

　　⑦批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。

　　（2）智能机器人开发研究

　　①遥控加局部自主系统构成和控制策略研究

　　包括建模－遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。

　　②智能移动机器人的导航和定位技术研究

　　包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。

　　③面向遥控机器人的虚拟现实系统

　　包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。

　　④人机交互环境建模系统

　　包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。

　　⑤基于计算机屏幕的多机器人遥控技术

　　包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。

　　（3）机器人化机械研究开发

　　①并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究

　　包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化开式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论；RMC智能控制理论；VMT与RMC典型应用工程开发。

　　②机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备

　　包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。

　　（4）以机器人为基础的重组装配系统

　　①开放式模块化装配机器人

　　包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块CAD设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。

　　②面向机器人装配的设计技术

　　包括数字化装配与CAD集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。

　　③机器人柔性装配系统设计技术

　　其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。

　　④可重构机器人柔性装配系统设计技术

　　开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。

　　⑤装配力觉、视觉技术

　　包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。

　　⑥智能装配策略及其控制

　　包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。

　　（5）多传感器信息融合与配置技术

　　①机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用

　　包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。

　　②机电一体化智能传感器

　　包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。

第五课、纳米机器人走过来

　　纳米物理学家在世纪之交畅想了纳米科技发展的未来，它的主调是：纳米科技的发展将使得人类可以直接操纵原子，从而实现人们的很多梦想，如制造仅有少数原子构成的微型纳米机器人，它们可以游走在血管中吃掉沉积在血管壁上的垃圾，它们可以游走在组织间定向地识别和杀死癌细胞，它们可以直接利用太阳能制造面包，甚至于纳米机器人可以自行复制等等。这些听上去似乎是天方夜谭的畅想其实也并非不着边际，分子仿生学就是一门可以使研制纳米机器人成为现实的新学科。

　　研制"纳米机器人"将成为纳米科技时代的重要内容之一

　　物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的"功能器件"。 "纳米机器人"的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"。

　　事实上，细胞就是一个活生生的纳米机器。酶是细胞中种类最多和最活跃的分子，每一个酶分子也是一个个活生生的纳米机器人。酶分子催化底物反应时，其蛋白分子不同结构域之间的相对运动就像是微型人在移动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都是执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质进行修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质会被贴上标签送去被水解成氨基酸成为合成新蛋白的原材料。细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程，这些生命过程所需的一切能量来自太阳。植物叶子中的叶绿体是利用太阳能制造粮食的加工厂；线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造成能量货币ATP的车间；我们每人每天都要消耗相当于自身体重那么多的ATP分子以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令而井然有序地进行的。

　　纳米技术可以仿照细胞生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，可以预料就在21世纪很多意想不到的微型机器人将出现在人类生活的各个方面，直接或间接地服务于人类。

　　制造纳米机器人不是从单个原子堆积做起

　　理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件，但制造纳米机器人不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的，纳米机器人的零件可以是单个的原子或分子，但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或分子的集合。利用现实存在的功能器件组装纳米机器人比从一个原子一个原子地构建机器人更为现实可行。生物分子是自然界存在的最丰富的构建纳米机器人的零件的来源，现实可行的途径是按照分子仿生学的原理，利用大量存在的天然分子原器件，设计组装纳米机器人。下面列举几种研制纳米机器人的可能途径：

　　1.化学模拟

　　化学家很早就开始模拟酶分子的活性中心结构制造"模拟酶",这实际上就是在研制纳米机器人，因为每一个酶分子都是一个活生生的纳米机器人。但是化学家只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置，而没有模拟出功能基团在催化底物反应时出现的动作，这种动作应当足以打开一个化学键或者合成一个化学键。因此，化学模拟还有很长的路可走，一旦模拟出具有催化动作的"模拟酶"，化学合成的纳米机器人也就诞生了。

　　2.利用分子的自组合原理装配机器人

　　生物分子在各个层次上存在着自组合的性质，利用分子的自组合特性装配纳米机器人是一个值得探索的途径。比如构成生物膜的脂类分子是一端亲水另一端疏水的双亲性分子，它们在水溶液中会自组合成双分子层微囊泡，科学家利用这种微囊泡把抗癌药包裹起来，避免药物对正常细胞的杀伤作用。为了使包裹了抗癌药物的微囊泡能识别癌细胞，科学家利用了抗体分子对抗原分子的专一识别作用，把一种专一识别癌细胞特有抗原分子的抗体分子装在微囊泡表面，如此制成的药物载体如同"生物导弹"，可以专一地识别和杀死癌细胞。这不就是纳米物理学家倡导的定向杀死癌细胞的纳米机器人吗?

　　3.利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人

　　ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域，日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置，而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性。原则上所有的生物分子都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件，生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依据。因此，开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持。

　　呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。线粒体的功能是把储存在食物中的太阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP，在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部马达，那么呼吸链就如同连接马达和电源的导线。与导线不同的是，呼吸链传递电子是通过几个生物大分子的氧化还原变化而实现的，这些大分子被称为复合物I(NADH-泛醌还原酶)、复合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶)，它们按照氧化还原电位的高低有序地把底物电子逐一传递，最终把电子传递给氧。作为分子马达进行研究的ATP酶实际上被称作复合物V，它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程，放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

　　呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和组装规律的典型研究材料，它具备以下几方面的优点：

　　（1）呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料。 呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料，国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言：将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装。

　　（2）呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶体结构解析的结果，其分子内的电荷转移中心结构清楚，并有大量溶液结构研究数据可参考。

　　（3）最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(复合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性，发现其分子内的电子传递活性依然完好，而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液状态研究的结果很一致。有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶，其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性，这为该种酶作为纳米器件的研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的，到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

　　（4）呼吸链四个复合物中的每一个单体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心，它们多数是金属中心，或是某些氨基酸的功能基团。研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律，有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性。这种研究有可能打开一扇门，使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性，这些知识的积累将会产生组装纳米机器人的新思路。

　　（5）呼吸链四个复合物可以分开制成单体酶，也可以重组合制成不同的呼吸链片段，这为研究纳米器件的装配规律提供了便利。

　　纳米科技时代需要新型科技人才和新的管理模式

　　研究生物分子作为功能器件以及利用生物分子功能器件组装纳米机器人的原理和规律是一个前瞻性的研究，这里需要的是创新的思想和勇敢的探索以及新知识的累积。要有很多新型的人才在这一方向上进行创造性地开拓，因此，新型的纳米人才应当具有多学科交叉的知识和经验。更需要一大批新型管理人才，他们善于在各学科的交叉中有机地组织各方面的专家进行有效的合作。


　　20世纪初期嫦娥奔月的理想在世纪之末以宇航员登上月球的现实而得以实现，21世纪制造纳米机器人的理想也将在纳米科技的发展中逐步变成现实。

第六课、我国的仿人形机器人研究

　　我国在仿人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。


　　双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人，上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。

　 在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学于1988年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人，随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。




　　经过十年攻关，国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人——“先行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。

　　人类与动物相比，除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外，拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此，让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的目标。

　　在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发，最初研究出来的BH－1型灵巧手功能相对简单，但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。  


　　灵巧手有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由度，微电机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实时控制系统。

　　仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。因此，仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前，我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前，我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。

第七课、国家863计划先进制造与自动化技术领域机器人技术
主题发展战略的若干思考

863计划机器人技术主题专家组组长 王田苗

　　从需求入手分析了我国急需解决的问题，并针对这些问题分析了世界在这些领域的现状与趋势，讨论了国家863计划机器人技术主题在“十五”期间的工作目标和任务。

　　世纪之交，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，美国、欧盟、日本等发达国家的政府先后推出并实施了多个与机器人技术、自动化工艺装备相关的国家研究计划，以支持相关的核心技术和关键重大装备的研发与应用。我国政府也非常重视机器人技术研究与开发，并在国家“十五”863计划中予以重点支持。经过国家863计划15年的实施，我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已取得了突破性进展，缩短了同发达国家之间的差距。但是在机器人与自动化装备中核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、重大成套装备的系统集成与开发能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面，同发达国家相比我国仍存在较大的差距。

　　为了进一步提高我国机器人技术与自动化工艺装备的整体技术水平，进一步缩短同发达国家之间在制造业信息化方面的差距。“十五”期间，迫切需要进一步加强对机器人技术与自动化工艺装备研究开发的支持，以期在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术的研究开发等重点方向实现创新和跨越式发展，赶超世界先进水平，为我国国民经济发展和国家安全建设做出更大的贡献。

　　1. 需求分析

　　进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。

　　我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。

　　然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

　　随着我国加入WTO，我国装备制造业从来没有像今天这样直接地面对国际同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求，不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已是我国装备制造业不容回避的问题。同时加入WTO也为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上。

　　1．1国家发展迫切需要的战略必争装备与竞争前核心技术

　　战略必争装备是指那些涉及国家安全、经济命脉以及在国际经济竞争中对国民经济影响重大的装备；竞争前核心技术是指在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的战略必争技术。可以说，战略必争装备与竞争前核心技术关系到一个国家的兴衰与存亡，是一个国家安全独立和成为一个强国必须拥有的装备和技术。

　　对机器人技术主题，用于国家战略资源勘探——海洋资源开发的水下作业装备和空间资源探索的空间探测器，用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向IT等产业的电子专用制造装备，对未来许多行业将产生重大影响的微机电系统以及集当代众多高技术于一身的仿人形机器人、仿生机器人、微操作机器人等特种机器人，都是关系到子孙后代的战略必争装备或竞争前核心技术，是花钱也买不到的装备与技术，是中国要成为一个强国必备的装备与技术。

　　1．2国家发展急需的基础制造装备与成套装备制造技术

　　一个国家仅仅拥有了战略必争装备和竞争前核心技术是不够的。要想成为经济强国，完成工业化的建设，必须在装备制造业掌握有关基础制造装备与成套装备制造的核心技术。2O世纪70～80年代美国制造业发展的衰落和竞争力减弱的例子很好地说明了这一点。2O世纪70年代前，美国的产品竞争力一直令对手望尘莫及，但到了80年代，美国人发现日本、德国等国家后来居上，逐步取代了他在国际市场的霸主地位。经过认真深入地分析，他们发现其原因是美国失去了在装备制造业方面的优势，而日、德等国，特别是日本，对制造技术及装备研究的投入比例远大于美国。于是从20世纪80年代后期开始，开展了一系列旨在振兴美国装备制造业的庞大计划，加大了对制造业技术与装备研究的投人，使美国的制造业重振雄风，也使美国经济得以逐步复苏并保持持续增长的势头。

　　在世界经济全球化的今天，虽说绝大多数基础制造装备与成套装备，只要花钱都可以买到，但对我国这样的发展中大国来说，必须掌握了关键的基础制造装备与成套装备制造的核心技术，才能牢固占有国内市场，并不断开拓国际市场，在竞争中立于不败之地。

　　a. 对基础制措装备的需求。一个国家制造业水平的高低，很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。据原国家机械局预测：20O5年我国数控机床市场总容量约 30 000台，中、高档市场年需求量 12 O00台，其中数控车床、加工中心（包括数控铣床）占60％，约7000台。基础制造装备不仅需求量大，而且对装备的技术水平的要求越来越高，如飞机制造业中的大台面多坐标数控龙门铣床、高速加工中心、专用高速蜂窝铣等。对于这样的高档专用设备，目前主要依赖进口。但这类设备是西方国家对华禁运的重点，1999年的“考克斯报告”提出要控制对华出口机床，2000年美国就通过了针对中国的《控制高技术机床出口》法案。

　　b．对大型、成套装备的需求。我国汽车到2005年产量可接近270万辆，“十五”期间我国汽车制造业购买生产线所需的各种技术装备，初步测算就将达到600亿元；还有在电子、家电制造业，对生产线所需的数控加工装备、工业机器人、自动化物流输送系统均有巨大的市场需求。

　　在非制造领域同样有着迫切的需求。未来10年，我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段，将新建铁路1万余km，新建城市地铁1000km，公路建设投资 1万亿元；在水利建设方面，就有130多个水电工程需要建设；国家计划的大型露天矿有25个需要开采；此外尚有“西气东输”、“南水北调”、“进藏铁路”等巨大工程。这些均将形成对大型工程、建筑机械（装备）的巨大市场需求，如需要6.3m左右，用于地铁隧道掘进的盾构机约120台（每台数千万元）。

　　然而，我国对于一些大型的成套装备基本都依赖引进，目前光纤制造装备的 100％，IC制造装备的85％，石化装备的8O％，轿车工业装备。数控机床和其他数字化机械（如纺织机械、多色胶印机）的70％以上依赖进口。同样，大型工程机械（如用于地铁隧道掘进的盾构机）也主要依赖进口，且比例在上升。一个明显的例子是挖掘机，我国有挖掘机企业近2O家，虽然市场需求20000台，但在国外品牌挖掘机的大举进攻下节节败退，目前国产挖掘机的市场份额已剩不到5％。

　　综上所述，我国国民经济和社会发展对机器人技术和自动化工艺装备中的战略必争装备、基础制造装备和成套装备提出了迫切需求。研究开发上述技术与装备是实现我国传统产业改造升级。完成工业化的迫切需要；是促进我国制造业“两个根本性转变”，实施制造业信息化工程的需要；是增强国防实力、国家安全与国际地位的需要；是实现党中央第三步战略目标的需要；是国民经济可持续发展的基本保证。

　　2. 现状与趋势分析

　　2.1 战略必争装备与竞争前核心技术

　　正是看到了机器人技术与自动化工艺装备中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术，美国、欧盟、日本等西方发达国家对此极为重视，先后推出并实施了多个国家研究计划，我国也在国家863计划中予以重点支持。在此，我们对与本主题有关的若干战略必争装备与竞争前核心技术的国内外现状与重大研究方向作简要的列举分析。

　　2.1.1 水下作业装备

　　21世纪是人类向海洋进军的世纪。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一，是各国重要的战略目标。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底打捞救生以及军事应用，如侦察巡逻、扫雷、预警等，迫切需要进一步开发水下作业装备。

　　国际公海组织规定，对有能力进行深海勘探的国家将有优先开采权。“九五”期间，我国海洋局已利用本主题开发的 6 000m水下机器人，在太平洋上勘探了3O万平方公里，并获得了其中矿产资源最丰富的7．5万平方公里的优先开采权，为后人留下了一份产业，实现了以技术换资源的目标。下一步联合国将对富钻结壳进行勘探，如果没有勘探技术装备能力，将失去开采权。我国在水下机器人方面虽然拥有一定的基础，但与美国。俄罗斯、日本等国相比还有很大的差距，远不能满足未来开发海洋的需求，我国在深海载人潜水器、深海作业机器人、12O00m海沟探测机器人等方面还有很多没有开发而必须开发的装备。

　　2.1.2 超精密加工装备

　　信息、航空、航天，特别是国防工业对精密和超精密加工的需求是非常迫切的。如导弹、航空与航天器上使用的精密陀螺仪（精密陀螺仪转子的偏心增加0.5ｕm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差），飞机和潜艇上使用的高精度叶片，空对空导弹上使用的红外接收器非球面反射镜，航天望远镜上使用的超精密镜片等，无一不需要特殊的精密与超精密加工技术。同时，精密、超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键，也是一些高新技术和某些尖端科学赖以存在和发展的基础。

　　目前，国际上超精密车床主轴回转精度均已达O．025ｕm。工件表面粗糙度Ｒa=0.01～0.02ｕm，最高达0．0045ｕm。进人21世纪，超精密加工的精度将达至0.001ｕm（1nm）。超精密加工尤其是纳米加工是当前各工业发达国家主攻的目标。此外，超精加工材料对象由金属扩大到非金属，高密度、高能量的粒子束加工工艺和装备，以三维曲面加工为主的高性能超精密加工工艺和装备以及配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术等正成为进一步的发展趋势。而我国在超精密加工方面尚处于起步阶段。

　　2.1.3电子专用制造装备

　　电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一。预计到2O05年，我国集成电路市场总销售额将达到1000亿元。这种巨大的市场需求必将拉动对集成电路（IC）制造装备的巨大需求。据预测，“十五”期间我国需建IC芯片生产线30多条、IC封装生产线15条左右。另据预测，建设一条年封装能力为1亿块的IC封装生产线，装备投资约需2亿元人民币。若按我国IC年需求量增长20亿块计算，则仅增添IC的封装设备每年就需4O亿元人民币。

　　IC制造中的核心和关键装备包括制芯（前道工序）和封装（后道工序）2大部分。前道工序装备发展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备，以突破0.1ｕm的大关；后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快。成本更低的封装设备，并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影响，而且对国家安全极为重要，所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器。国家在IC制造行业中虽有一定的基础，也与国外合资建立了一些生产线，但由于我们自己没有先进的IC制造装备，使我国的IC行业受到了很大的制约。目前我国集成电路芯片制造设备的85％仍依赖进口。为了在 IC行业占有一席之地，我国必须自主开发IC制造的核心装备。

　　2.1.4 微机电系统（MEM）

　　MEMS是国际公认的一项战略高科技，是未来先进制造发展的主导技术之一，并在医疗保健、生物基因、IT消费电子、环保监测、军事武器等器件及微系统应用方面具有广阔的应用前景。例如，作为信息获取关键的多种传感MEMS已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息科学和生命科学的发展中，光MEMS被认为是开启全光通信之门的金钥匙；高密度MEM生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。

　　近几年，采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和进人狭窄空间的微型机器人，也展示了诱人的应用前景。现在MEMS已形成年产值14O亿美元的规模，预计5年后将达到300多亿美元的规模。

　　MEM是以电子制造的方式设计与制造的微机电系统，他是多种学科的交叉融合，已成为当今国际高技术竞争的一个热点，MEMS产业也正在形成之中。为此各国政府都非常重视MEMS技术，美国国防部近几年每年投人7000万美元用于MEMS研究，德国也投入约7000万美元用于MEMS的研究。MEMS对我国而言是个挑战，也是一个难得的发展机遇。

　　2.1.5 特种机器人

　　特种机器人通常是在非结构化环境下工作，即作业无法在事先布置好的条件下进行，而且在作业过程中环境可能发生变化。与在结构化环境下作业的工业机器人相比，在非结构化环境下工作的特种机器人控制更加困难，要求的智能程度更高，如空间与深海作业、精密操作、在役管道内作业等。

　　特种机器人集当代众多高技术于一身，目前重点研究的特种机器人有仿人机器人、微机器人、微操作机器人、水下机器人、医用机器人、服务机器人、网络机器人、军用机器人、农林与农副产品加工机器人等等，将在航空航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。

　　正因为如此．研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视，许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术研究发展计划或国家的关键技术研究开发计划。如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”等计划，欧共体的“尤里卡计划（EU－REKA）”和“信息技术研究发展战略计划（ES－PRIT）”，日本的“极限作业机器人研究计划（ R＆DOF ROBOICS INEXTREME－ENVI－RONMENT）”、“微机器研究计划（R＆D OF MI－CROMACHINE TECHNOLOGY）”、“仿人形机器人研究计划（HUMANOID ROBOICS PROJECT）”等，新加坡、韩国、巴西等发展中国家也都有相应的计划内容。我国863计划智能机器人主题前15年工作的重点之一就是发展我国的特种机器人技术，并在若干方向上取得了令世人瞩目的成就，但在总体上，与国外先进水平相比还有不小的差距。

　　2．2基础制造装备与技术

　　21世纪基础制造装备的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等几个方面。发达工业国家数控机床的加工精度普遍已达到1ｕm的水平，有些已达到0．1ｕm。国外主轴转速在10 000～20 000r／min的加工中心已普及，转速高达250 000r／min的实用主轴也正在研制中；直线电机的轴进给速度已达ZO0m／mn。超高速切削的研究已转移到一些难加工材料的切削加工上。高效率、高精度工艺的一个典型例子是精密成形技术，如近/净成形（Near Net or Net Shape Form－ing）技术，其目的是尽量减少切削，甚至免除切削，减少原材料的浪费，同时提高制造效率，精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用。如：美国的汽车、宇航、航空工业的模锻件、精密锻件占总锻件量的80％以上；日本汽车锻件达到63.9％；德国达到70％～75％。柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一。柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。为适应敏捷生产模式，人们正在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。

　　目前我国的基础制造装备与国际先进水平相比还存在着阶段性差距。工业发达国家早在20世纪五六十年代就已普遍采用了优质高效低耗的工艺及装备，实现了柔性自动化，目前正向集成化、敏捷化方向发展。而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足10％，数控机床、精密及高效设备不足5％，现在配国产数控系统的中档数控机床还不到25％，高档数控机床的 90％以上依赖进口。数字化机械（如纺织机械、多色胶印机）的 7O％以上依赖进口。

　　归纳起来，目前国产基础制造装备普遍存在着“四差”问题，即可靠性相对差、成套性差、外观质量相对差、名牌效应差，从而严重影响了企业的生产效率、产品质量以及产业化规模的提高，同时也严重制约了制造业及其相关行业的发展。

　　2．3成套关键装备与技术

　　国外在大型、成套装备方面有很大优势，并且在成套装备的高技术化方面，取得了巨大的进展，已经实现了数控化、柔性自动化，并大量采用工业机器人，正向着智能化、集成化的方向发展。

　　据统计，中国工业装备整体技术水平落后国际水平1O～15年，制造业与自动化技术落后15～20年，装备中工业机器人数量极少，数控化比例很低（5％），尚处于单机自动化和刚性自动化阶段，现有成套装备中技术经济性能比较先进的只占1/3，近1／5已经老化，超期率近4O％。装备落后，导致产品普遍档次低、质量差，已成为制约制造业发展的瓶颈。

　　面向非制造业的成套装备，如各种工程机械、建筑机械已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。目前国际工程机械的发展正逐步向机。电、液、讯一体化的方向发展。欧洲由产、学。研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。

　　我国工程机械正在完成机械液压一体化的进程，应用信息技术进行工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。对个别机种的单机智能化研究已经开始，并初步得到实际应用。但是从整体上看，无论从单机智能化工程机械种类，还是研究和开发的深度，与技术先进国家相比都还存在很大的差距，机群智能化技术的研究还处于空白。

　　3. 目标与任务

　　3.1 主题总体战略目标

　　主题发展的战略目标是围绕制造业信息化工程的关键技术与装备，以重大专项与重点课题为主线，研究开发基础技术、单元产品和系统装备，掌握战略必争装备关键技术及竞争前核心技术，增强自主设计与制造重大关键设备的能力，提升制造业基础装备的水平，取得一批具有自主知识产权的创新成果，实现机器人技术与自动化工艺装备的跨越式发展。

　　3.2 重点任务

　　主题研究内容分为重大专项与重点课题、一般课题2部分。重大专项与重点课题着重解决国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备与成套关键装备中的某一重大问题，增强自主设计与制造能力、产品成套及系统集成能力，提升装备制造业的水平。一般课题（即前沿探索性课题）围绕国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备、成套关键装备与竞争前核心技术中的某一问题，进行前沿探索性研究，强调原始创新，增强装备制造业的产品创新和技术创新能力，增强技术储备。

　　3.2.1 重大专项与重点课题

　　重大专项与重点课题是主题工作内容的重中之重。“十五”期间，“机器人技术主题”的重大专项是深海载人潜水器与微机电系统（MEMS）。重点课题是数控关键技术装备、全断面隧道掘进机、智能化工程机械防人形机器人以及水下机器人、（基因）微操作机器人等特种机器人，其目标与指标以及其作用与影响（预期成果）分别分析如下。

　　a．7 OO0m载人潜水器。根据该载人潜水器用户（业主）中国大洋协会勘查深海锰结核、富钴结壳、热液矿硫化物和深海生物等资源的计划目标及要求，计划到2005年完成一台采用多种高新技术。新材料和新工艺集成起来的拥有自主知识产权的7 000m载人潜水器，使其总体技术指标达到国际领先水平。该潜水器将在21世纪我国研究开发国际海底资源的伟大事业中发挥不可替代的重要作用，并可向世界展示我国科学技术的实力。

　　b．微机电系统（MEMS）。针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景，结合国家竞争前核心技术发展战略，围绕我国医疗保健、生物基因、环保监测、IT与家电等行的社会经济发展需要，以发展我国MEMS产业化基础的关键支撑技术作为切入点，掌握MEMS相关的材料、设计、制造、工艺、检测、装备与系统集成等方面的具有自主知识产权的理论方法和关键技术，开发出若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件及微系统，建立我国的MEMS研发体系和产业化基地，为推动MEMS的可持续发展和产业化打下良好的基础。

　　c．数控关键技术与装备。面向国家制造业的关键基础装备产业化需求，以中档精切类数控机床装备的产业化作为切入点，以机制创新和技术创新作为突破口，掌握数控装备关键技术，塑造中国数控机床品牌，提高市场竞争能力；根据国防工业的具体需求，设计制造高精尖精密加工装备，打破国外封锁；通过整机带动相关的机床设计、系统与伺服、高附加值关键部件以及配套工具技术创新及可靠性的发展，全面提升国家基础制造装备的核心竞争力。

　　d．全断面隧道掘进机（盾构机）。设计研制适应我国典型土层的6.3m全断面盾构机，完成2～3km的实际施工隧道应用示范工程、形成自主知识产权的盾构设计、制造、安装、调试等系统技术，制定盾构设计、施工的行业标准和规范体系，建立土壤分析、装备设计与制造产业化基地，提高国产盾构机的生产能力。

　　e．智能化工程机械。结合国情，选择工业基础较好、共性技术较多和经济效益显著的工程机械产品进行信息化智能化改造升级，选择市场占有率较高、具有行业带动作用的道路施工工程机械，开展在线机群智能化同步施工工程机械的研究开发和示范应用；加快我国工程机械产品的升级换代与产品结构调整，实现新一代工程机械的自主创新性设计，提高我国工程机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成。

　　f．仿人报机器人。以开发世界先进的仿人形机器人为目标，突破仿人形机器人系统中的各项关键技术，研制具有自主知识产权的国际先进水平的仿人形机器人，为仿人形机器人在服务、科技、军事、工业以及危险环境中的应用奠定基础，推动机械电子、控制、传感技术与人工智能等相关科学的技术革新与发展。

　　3.2.2　前沿探索处课题

　　一般课题即前沿探索性课题，是“机器人技术主题”开展前沿高技术、竞争前核心技术研究的重点，目标是增强我国在机器人技术和自动化工艺装备中的技术创新和产品创新能力，增强技术储备。

　　前沿探索性课题按研究内容分属3个专题。

　　a．制造工艺与装备专题。制造工艺与装备专题（专题一）主要围绕高精度、高效益、低成本、高柔性和洁净化的制造过程（系统）对先进制造工艺与装备的要求，开展产品快速开发、纳米级超精密加工、近牌成形、特种材料加工与生物制造等关键工艺技术及装备，以及其他基于先进工艺或新结构的重要装备的研究工作。

　　b．特种机器人专题。特种机器人专题（专题二）主要围绕非制造业对特种机器人的复杂环境适应能力、可靠性、智能化等要求，开展水下机器人。医用机器人、（基因）微操作机器人、仿生机器人、服务机器人、网络机器人、管道机器人、农林机器人等方面的关键技术及原型样机研究工作。

　　c．基础部件及系统专题。基础部件及系统专题（专题三）主要围绕高速度、高精度、数字化、智能化工艺装备的需求，开展检测与传感器信息融合技术、智能控制与远程操作、先进功能部件、新型数字化驱动系统、高速高精度动机构、开放式结构的网络化控制器等先进基础部件及系统研究工作。