esb世博现代智能机械的发展和应用武汉理工大学机自1203方士铭一、现代智能机械的应用（1）军用机器人军用机器人是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机。机器人的国际名称叫“罗伯特”(ROBOT)。原意是用人手制造的工人。该词源于捷克作家卡列尔·查培于1920年创作的一部名叫《洛桑万能机器人公司》的幻想剧中。罗伯特是该剧主人公的名字。他是个既忠城又勤劳的机器人。提到机器人，人们会想到工业生产流水线上的焊接机器人、喷漆机器人，或者看到过各种服务性的机器人。但大多数人很少看到过供军事作战使用的机器人，因为它是一种军事机密。尽管如此，一些工业化国家的新闻媒体仍然透露了这方面的内幕，向人们描述了军用机器人的神秘风采。现代实用机器人，自50年代诞生以来，已风靡全球。据称，世界上机器人已达20万esb世博网，并且每年还在35%的速度递增。机器人从事的行业，也由原来单一的工业，迅速扩展到农业、交通运输业、商业，科研等各行各业。机器人从军虽晚于其他行业，但自60年代在印支战场崭露头角以来，日益受到各国军界的重视。作为一支新军，眼下虽然还难有作为，但其巨大的军事潜力，超人的作战效能，预示着机器人在未来的战争舞台上是一支不可忽视的军事力量。用于直接遂行战斗任务用机器人代替一线作战的士兵，以降低人员伤亡和流血是目前俄、美等国研制机器人时最受重视的课题。正在研制的这类机有：1．固定防御机器人。它是一种外形象“铆钉”的战斗机器人，身上装有目标探测系统、各种武器和武器控制系统，固定配置于防御阵地前沿，主要遂行防御战斗任务。当无敌情时，机器人隐蔽成半地下状态；当目标探测系统发现敌人冲击时，即靠升降装置迅速钻出地面抗击进攻之敌。2．奥戴提克斯I型步行机器人。这种机器人由美国奥戴提克斯公司研制，主要用于机动作战。它外形酷似章鱼，圆形“脑袋”里装有微由脑和各种传感器和探测器．由电池提供动力，能自行辨认地形，识别目标，指挥行动。安装有6条腿，行走时3条腿抬起。另3条腿着地。相互交替运动使身体前进。腿是节肢结构，能象普通士兵那样登高、下坡、攀越障碍，通过沼泽；可立姿行走，也可象螃蟹一样横行，还能蹲姿运动。脑袋虽不能上下俯仰，但能前后左右旋转，观察十分方便。该机器人负重也是人所不及，停止间可提重953公斤，行进时能搬运408公斤。它系美国设计的士兵型基础机器人，只要给其加装任务所需要的武器装备，就立即能成为某一部门的“战士”。3．阿尔威反坦克机器人。它是一种外型类似小型面包车的遥控机器人，车上装有反坦克导弹、电视摄相机和激光测距机，由微电脑和人两种控制系统控制。当发现目标时，机器人能自行机动或由远处遥控人员指挥其机动，占领有利射击位置，通过激光测距确定射击诸元，瞄准目标发射导弹。它是配属陆军遂行反坦克任务的机器人。4．榴炮机器人。它是一种外形象自行火炮的遥控机器人。车上火炮由机械手操作。作战时，先由机器人观察捕捉目标，报告目标性质和位置，再由机器人控制指挥中心定下决心，确定射击诸元，下达射击指令，然后机械手根据指令操作火炮射击。它是装备炮兵的机器人。5．飞行助手机器人。它是一种装有微电脑和各种灵敏传感器的智能机器人。该机器人安装在军用战斗机上，能听懂驾驶员简短的命令，主要通过对飞行过程中或飞机周围环境的探测、分析，辅助驾驶员遂行空中格斗任务。它能准确及时报告飞机面临导弹袭击的危险和指挥飞机采取最有利的规避措施。更奇特的是，它通过监视飞行员的脑电波和脉搏等，能确定飞行员的警觉程度，并据此向飞行员提供各种飞行和战斗方案，供飞行员选择。6．海军战略家机器人。它是美国海军正在研制的高级智能机器人，主要装备小型水面舰艇，用于舰艇操纵、为舰艇指挥员提供航行和进行海战的有关参数及参谋意见。其工作原理是，通过舰艇上的计算机系统，不断搜集与分析舰上雷达、空中卫星和其他探测手段获得的各种情投资料，从中确定舰艇行动应采取的最佳措施，供指挥员决策参考。类似的作战机器人还有“徘徊者机器人”、“步兵先锋机器人”、“重装哨兵机器人”、“电子对抗机器人”、“机器人式步兵榴弹”等。用于侦察和观察侦察历来是最勇敢者的行业，其危险系数要高于其他军事行动。机器人作为从事危险工作最理想的代理人，当然是最合适的人选。目前正在研制的这类机器人有：1．战术侦察机器人。它配属侦察分队，担任前方或敌后侦察任务。该机器人是一种仿人形的小型智能机器人，身上装有有步兵侦察雷达，或红外、电磁、光学、音响传感器及无线电和光纤通信器材，既可依靠本身的机动能力自主进行观察和侦察，还能通过空投、抛射到敌人纵深，选择适当位置进行侦察，并能将侦察的结果及时报告有关部门。2．三防侦察机器人。它用于对核沾染、化学染毒和生物污染进行探测、识别。标绘和取样。前面介绍的美陆军机器人“曼尼”就是这一种三防侦察机器人。3．地面观察员/目标指示员机器人。它是一种半自主式观察机器人，身上装有摄象机、夜间观测仪、激光指示器和报警器等，配置在便于观察的地点。当发现特定目标时，报警器使向使用者报警，并按指令发射激光镇定目标，引导激光寻的武器进行攻击。一旦暴露，还能依靠自身机动能力进行机动，寻找新的观察位置。类似的侦察机器人还有“便携式电子侦察机器人”、“铺路虎式无人驾驶侦察机”、“街道斥候机器人”等。用于工程保障繁重的构筑工事任务，艰巨的修路、架桥，危险的排雷、布雷，常使工程兵不堪重负。而这些工作，对于机器人来说，最能发挥它们的“素质”优势。研制中的这类机器人有1．多用途机械手。它是一种类似平板车的多功能机器人，上面装有机械手和无线电控制、电视反馈操作系统，可担负运送舟桥纵列和土石方的任务，同时，还能承担运送油桶、弹药等后勤保障任务。2．布雷机器人。它是一种仿造现行布雷机械制作的智能机器人，装有遥控和半自主控制两套系统，可以自主设置标准布局的地雷场。它工作时，能严格按照控制者的布雷计划挖坑，给地雷安装引信、打开保险、理雷、填土，并能自动标示地雷场的界限和绘制埋雷位置图等。3．排雷机器人。它是一种装有探雷器和使地雷失效装置的机器人，主要用于协助攻击分队在各种雷场中开辟通路，并进行标示。4．海卡尔思飞雷机器人。它是一种外形似导弹的小型智能机器人，全重50多公斤，装有小型电脑和磁、声传感器，可由飞机投送，也可依靠自身火箭机动。当接近目标区时，它身上的深测设备即工作，自行成战斗状态。当发现目标接近时，小火箭即点燃、起动向目标攻击。攻击半径为500至1000米，速度可达100公里/小时。5．烟幕机器人。它装有遥控发烟装置，可自行运动到预定发烟位置，按人的指令发烟，完成任务后，自主返回。该机器人主要协助步兵发烟分队。6．便携式欺骗系统机器人。它身上装有自动充气的仿人、车、炮等，主要用于战术欺骗。它可模拟一支战斗分队，并发出相应加声响，自行运动到任务需要的地区去欺骗敌人。用于指挥、控制人工智能技术的发展，为研制“能参善谋”的机器人创造了条件。研制中的这类机器人有“参谋机器人”、战场态势分析机器人”、“战斗计划执行情况分析机器人”等。这类机器人，一般都装有较发达的“大脑”——高级计算机和思想库。它们精通参谋业务，通晓司令部工作程序，有较高的分析问题的能力，能快速处理指挥中的各种情报信息，并通过显示器告诉指挥员，供其定下决心之用。用于后勤保障后勤保障是机器人较早运用的领域之一。这类机器人有：“车辆抢救机器人”、“战斗搬运依机器人”、“自动加油机器人”、“医疗助手机器人”等，主要在泥泞、沾染等恶劣条件下遂行运输、装卸、加油、抢修技术装备、抢救伤病人员等后勤保障任务。用于军事科研和教学机器人充当科研助手，进行模拟教学已有较长历史，并做出过卓越贡献。人类最早采集的月球土壤标本，太空回收的卫星都是机器人完成的。如今，用于这方面的机器人较多，典型的有“宇宙探测机器人”、“宇宙飞船机械臂”、“放射性环境工作机器人”、“模拟教学机器人”、“射击训练机器人”等。（2）智能机械手MECHANICAL??HAND,?也称机械手，?能模仿人手和臂的某些运动功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害的环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金esb世博网、电子、轻工和原子能等部门。?机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分构成。手部是用来抓取工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2—3个自由度。?机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。???（2）机械手?机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置，有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能了，改善热、累等劳动条件。?1.1.3国内外现状和发展趋势?工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。?机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用?自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,?主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱动装置是两个关键部分,?根据驱动装置的不同,?自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,?其中以凸轮式用得较多。发达国家数控加工中心的立式自动换刀机械手主要采用凸轮式,?我国加工中心技术起步较晚,?对自动换刀机械手研究较少。进入20?世纪90?年代后,?北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对立式自动换刀机械手进行了研究和开发。迄今为止,?我国制造的加工中心配置的自动换刀机械手大多数是进口的。其主要原因:?一是国内生产的换刀机械手质量较差,?成本也不低;?二是进口换刀机械手价格虽然较高,?但在整个加工中心中所占份额不大。作为加工中心的配套技术,?自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高,?从经济上、技术上考虑都是十分必要的。?立式换刀机械手和卧式换刀机械手已得到广泛应用20?世纪90?年代以来,?数控加工技术得到迅速的普及和发展,?数控机床在制造业得到了??3?越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,?它能缩短产品的制造周期,?提高产品的加工精度,?适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,?由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,?其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。换刀装置作为加工中心的重要组成部分,?其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,?提高生产率,?降低生产成本,?进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,?其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂,?动作多,?动作间的相互协调关系多,?因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。?可智能机械化的生活 对于可只能机械化的需求，我认为存在通过机械代替人类去从事一些生活中的活动，机械是最廉价的生产力，尤其是在从事高危险的工作时，机械的作用尤其之大，对于一些涉及核能源的工作，活用机械可以避免对人体的伤害，医用机械如果能大幅度发展，则可最大可能精密地完成复杂的手术，最大可能保护病人的生命。对于日常生活的活动，我认为许多本可以用机械代替的活动并没有被代替，人类需要活动，如果全部生活都在考虑被机械代替，那么大概不会拥有美好的未来。二、中外智能机械的发展1）世界智能机械发展美国是现代智能机械的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业智能机械，比起智能机械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智械强国之一，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，并没有把工业智能机械列入重点发展项目，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，去应用或制造智能机械。加上，当时美国失业率高达6.65％，政府担心发展智能机械会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制智能机械，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?放在研究智能机械软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级智能机械的开发上，致使日本的工业智能机械后来居上，并在工业生产的应用上及智能机械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，政府和企业界才对智能机械?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智能机械，另一方面制订计划、提高投资，增加智能机械的研究经费，把智能机械看成美国再次工业化的特征，使美国的智能机械迅速发展。80年代中后期，随着各大厂家应用智能机械的技术日臻成熟，第一代智能机械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、力觉的第二代智能机械并很快占领了美国60％的智能机械市场。尽管美国在智能上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的智能机械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）智能机械语言研究发展较快，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、高难度的军用智能机械、太空智能机械等发展迅速，主要 用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。 （2）中国智能机械发展史我国已在“七五”计划中把智能机械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智能机械研究示范工程，全面展开了智能机械基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再?型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业智能机械及水下作业、军用和特种智能机械。目前，示教再现型智能机械技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的智能机械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、开发智能智能机械的内容。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、成本低廉的实用型智能机械和某些特种智能机械。社会主义制度的优越性决定了智能机械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。? 三、智能机械的发展前景??智能机械可能会向以下几个方面发展：模糊处理、并行化、神经网络和机器情感。目前，智能机械的推理功能已获突破，学习及联想功能正在研究之中。下一步就是模仿人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的并行化处理功能。人工神经网络是未来智能机械应用的新领域，未来智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯·诺依曼机与作为智能外围的人工神经网络的结合。研究表明：情感是智能的一部分，而不是与智能相分离的，因此智能机械领域的下一个突破可能在于赋予?计算机情感能力。情感能力对于计算机与人的自然交往至关重要。智能机械一直处于计算机技术的前沿，智能机械研究的理论和发现在很大程度上将决定计算机技术的发展方向。由于计算机芯片的微型化已接近极限。人们越来越寄希望于全新的计算机技?术能够带动智能机械的发展。?随着科学技术的深入发展，降低能耗、保护环境、高精度、高性能的各类机械产品将不?断涌现，微型机械将会普及应用。21?世纪的机械发展方向主要表现：?（1）以太阳能和核能?为代表的没有污染的动力机械将会出现，?并投入使用。?燃氢发动机驱动的汽车将会行驶在公?路上。?（2）载人航天技术更加成熟，人类乘坐宇宙飞船登陆火星、月球和其他星球，甚至?可以实现太空旅行和其他星球居住。?（3）高精度esb世博网、高效率的自动机床、加工中心更加普及，?CAD/CAPP/CAM?系统更加完善，彻底实现无图纸加工。机械制造业将摆脱传统的设计、制?作观念。?（4）微型机械将会应用到医疗和军事领域，人工智能机械将会大量出现。?（5）绿色机械（不污染环境的报废机械又称为绿色机械）将会取代传统机械，设计方法智能化，?大量工程设计软件取代人工设计与计算过程。?（6）民用生活机械进入家庭，兵器更加先进，?非金属材料和复合材料在机器中的应用日益广泛。??总之，未来的智能机械在能源、材料、加工制作、操纵与控制等都会发生很大变革。未来机械的种类更加繁多，性能更加优良，将会使人类生活更加美好！

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