机器人论文报告

基于网络的移动机器人控制技术

作者：***

摘要

随着网络技术的飞速发展，传统的机器人控制技术与先进的网络通讯技术不断融合，基于网络的机器人控制技术正在不断发展。机器人控制技术是一种是以

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自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。本文介绍了国内外基于网络的机器人控制技术的研究现状，对其研发的技术特点和应用领域进行了着重分析，并对这一研究领域的发展方向进行了探讨。

关键词:网络；机器人控制；自动化技术；计算机技术

Abstract

With the fast development of the internet technology，the interaction between the traditional robotics and the advanced network technologies has become increasingly far-reaching. Robotics is a system with integration and application,which mainly based on automation and computer technology,and the organically integrating a variety of modern information technology.The intention of this paper is to investigate the status and development of the Web-based robotics technologies. In the first part of this paper, the concept of Web-based robotics has been introduced. Then it not only analyses the technical kernel of Web-based robotics9 but also illustrates the related applications in this area. ome research topics in the Web-based robotics are also proposed.

Keywords: Internet; web-based robotics; automation technology

; computer technology

目录

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引言·······································································4 机器人控制技术的国内外研究现状····························5 几种机器人控制技术的介绍······································6 分布式机器人控制系统·············································8 机器人控制技术在工业上的应用·····························10 一些硬件电路的设计··············································10 结束语··································································15 参考资料·······························································15

引言

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信息技术是当前高技术发展中的主流技术，它的发展对其它技术会产生极大的影响。机器人技术将借助信息技术而发展，及利用先进网络通讯技术发展网络机器人就是有说服力的例子，这两者的结合是必然的趋势。随着网络技术的发展，网络技术已逐渐渗透到各个领域。基于网络的机器人控制就是利用网络实现远程的机器人控制。网络的传输速率，时间迟延，数据丢失等是基于网络的机器人控制所面临的问题。一些有效的处理方法和控制方案已经被应用到基于网络的机器人遥操作中。互联网的飞速发展进一步促进了网络技术在机器人控制领域的应用。

基于网络的机器人控制技术也从初期的遥操作机器人的应用逐渐扩展到自主机器人和分布式机器人系统等研究领域。通过因特网对机器人实施实时控制是一项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景。

Introduction

Information technology is the mainstream in the development of high technology, its development will produce great impact on other technology. Will develop with the help of information technology and robot technology, and using advanced network communication technology development network robot is persuasive example, the combination of the two is the inevitable trend. With the development of network technology, network technology has gradually penetrated into all fields. Robot control based on network is to use the network to realize remote robot control. Network

transmission rate, time delay, data loss, etc are based on the robot control problems of the network. Some effective treatment method and the control scheme has been applied to the robot teleoperation based on network. The rapid development of the Internet to further promote the application of the network technology in the field of robot control. Network-based robot teleoperation robot control technology is also from the initial application gradually expanded to autonomous robots and researches, such as distributed robotic system. Through the Internet for robot real time control is a challenging work, the application of this technology will further enrich the robot remote control means, has good development trend and broad application prospects.

一、机器人控制技术的国内外研究现状

基于网络的机器人的思想是由Ken Goldberg 于1994 年春首先提出的。其

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最初的构想是给公众提供可通过万维网访问的遥控机器人， 并支持用户对其实施远程操作。这一构想极大扩展了于50 年前提出的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可通过TTP 提供的低成本且能被广泛应用的接口来访问并共享远程资源[3]。Ken Goldberg 很快就将这一构想应用到Mercury Project 中。 这一计划是采用安装有CCD 摄像头和气囊系统的工业机器手在装有沙子并埋有人造物的半圆形工作空间中实施发掘工作。 Mercury Project 是第一个基于万维网的机器人。在1994年8月到1995年3月间，过50，000主机访问过其在南加州大学的遥操作控制主页 ( http; / / WWW. uSc. edu/dept/raiderS/ )。1995 年Mercury Project 被Telegarden Project 所取代，计划中仍是采用装有CCD 摄像头的机械手复合其它机构通过万维网给网络用户提供远程培植操作。

几乎同期与Ken Goldberg 的Mercury Project向网络用户开放的遥操作机器人还有西澳大利亚大学Kenneth Taylor 研发的安装有固定摄像头并具有六自由度的机械手臂， 它支持网络用户在工作空间中实施用积木建造复杂建筑的操作。继Ken Goldberg 和Kenneth Taylor 的开创性工作之后，越来越多的学者投入到基于网络的机器人技术[4]的研发工作中来。如NASA(美国航空航天局)的一些专家开始研究通过万维网对空间飞行器实施遥操作的可行性。1995年，Rovetta 研制了一种远程医疗机器人系统。还有一些学者如SchulZ~Slotine~ Tarn 等对通过专线实现的遥操作理论如何应用到有不可预测时滞的因特网上进行了讨论。

国内在基于网络的机器人控制技术领域的研究工作比较有限，其工作主要集中在通过因特网实现遥操作技术的研发，如中科院沈阳自动化所，华南理工大学等单位。此外还有一些学者致力于网络机器人所涉及的通讯技术的研究。国内一些高科技企业也对网络机器人应用于服务业和娱乐业的前景非常看好。 基于网络的机器人远程控制技术不仅在传统的机器人遥操作领域中有着广泛的应用，随着因特网的迅猛发展，它在许多新兴领域中也有良好的应用前景，如应用于自主机器人系统， 远程制造业，远程培训，分布式制造系统以及家用机器人和娱乐机器人等领域。下面就按照网络技术在机器人学中不同的应用方向及不同的技术侧重点，从基于因特网的遥操作技术，基于网络的自主移动机器人控制技术和基于中间件技术的分布式机器人系统几个方面来进一步讨论。

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二、几种机器人控制技术的介绍

基于网络来控制机器人实现人类理想操作的技术有很多种，下面着重介绍遥操作和自主移动机器人两种技术。 1、基于网络的遥操作技术

遥操作系统允许操作者通过主从机器人来实现对远程设备的控制。它主要应用于空间技术，核废料的处理，显微外科，微电子装配，水下操作，采矿业及消防救援等方面。

遥操作系统包括操作者、主设备、通讯通道、从机器人和远端环境。主机器人设备核心是力反馈操纵杆，而从机器人可为任意类型的设备。设计并安装于机器人上的双工控制器负责主从设备间的双向信息流传输。通讯媒介可采用因特网或无线技术。总体来说，双工控制器要被设计为稳定且透明的系统。所谓透明系统是一种理想情况，即操作者自身感觉不到主从设备之间距离的存在，操作者的感觉就如同对远程环境中的设备进行本地直接操作。当从机器人设备上的位置和力的变化可与反馈给操作者的位置和力的变化相匹配时，上述透明系统在技术上是可实现的。然而，由于通讯中的时滞和系统中存在的噪声及系统自身存在的不稳定因素，使实现稳定且透明的双工系统操作仍有困难。因此，设计在系统存在显著通讯延迟环境下的双工控制器更具实际意义。设计具有自适应性的双工控制器[5]是一种可行的方法。

基于网络的机器人技术被提出后，首先被应用到遥操作领域。如前面提到的Mercury robot~Telerobot 及Telegerden 等都是给用户提供通过因特网对远程设备实施遥操作控制。这些系统在初期只能提供机器人工作环境的静止画面，有些系统如Telegerden 也尝试使用CAD 技术来回馈被控机械臂状态动画。当支持通过网络传输流式图像数据的网络摄像头技术出现后，现场环境的图像反馈变得易于实现。

要使用户能远程控制机器人并完成一系列复杂动作，就需要使用更先进的技术来实现复杂且友好的用户界面。在这些工作中，MattheW R. Stein 的网络交互绘画机器人PumaPaint Project 十分引人注目。它允许任意因特网用户通过网络控制PUMA76O机械臂在远程实验室画布上完成绘画操作。用户界面提供了用Java 设计的虚拟画布，并且系统通过不断的图像更新给用户提供及时的视觉反馈, 使得没有任何专业知识的网络用户也可轻松实施操作。 根据控制系统性能和技术的先进性, 遥操作机器人[6]控制技术研究现状与发展可分为如下几个阶段： (1) 手工闭环控制

这是最早且研究最多的一种遥操作形式，其中操作者是手动闭环控制的核心部分。这一早期的遥操作技术主要应用于在危险环境下进行操作的设备中，如核工业设备，水下遥控操作设备和空间设备。但通讯的明显滞后、不稳定性和手动闭环控制是其主要缺点。 (2) 共享或监管控制

这种控制机制的目的是使机器人或设备的控制可由本地控制回路和远程遥控操作者来共享。本地控制回路负责其基本功能的实现，远程遥控操作者主要负责系统的监控及对异常情况的处理。这一技术提高了操作者对设备的可操作性，避免了系统不稳定性问题。但昂贵的、为单一目的建设的操作站是其致命的缺

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点。通讯的专用性也了普通网络用户的访问， 使得这一技术只能应用于固定的专业领域中。 (3) 基于万维网的遥操作机器人

万维网遥控机器人这一概念还处于雏形阶段.它通过基于因特网的Web 浏览器来控制远程机器人和设备。这就需要先进的网络监控机制来避免系统的不稳定并支持网络多用户访问。这一技术的提出开创了一个崭新的研究领域，使遥操作技术的应用走向网络化和全球化。 2、基于网络的自主移动机器人控制技术

使用万维网作为机器人远程控制的基础构架使得在仅使用标准-TML 接口的情况下给网络用户提供访问变得易于实施。因此可应用网络技术进一步扩展自主移动机器人[7]的控制手段，使其控制不再受空间和地域的。国外在这一领域已经开展了深入研究，如Carnegie Mellon 大学研发的基于Web的办公室自主移动机器人Xavier 和基于网络进行远程控制的博物馆导游机器人Minerva。这些机器人的特点是自身具有较高自主性，而网络技术又给异地操作者提供了进行远程控制的手段.基于网络的室内自主机器人控制采用事件驱动和任务控制的系统体系结构时, 其自主性和基于网络的远程控制会得到更完美的结合。

最初基于网络的移动机器人的自主性能有限，而且同一时间内只能向单一用户提供网络服务。瑞士联邦洛桑科技研究所的KheponTheWeb 就是其中典型代表。用户可通过网络控制小型移动机器人在人造迷宫中进行运动并能同时经摄像头的图像反馈进行观察。

Carnegie Mellon 大学研发的Xaiver 是第一个可通过网络控制并运行于复杂办公环境的自主移动机器人。机器人可在线或离线接收请求命令并在运行时段内进行处理。Xaiver 完成任务后会通过电邮件通知用户。Xaiver 的网络界面使用了client-pull和server-push 技术来获取图像[8]。此外Xaiver 的用户界面还提供办公环境的地图并显示机器人在其上的位置。 在更为复杂的动态环境( 如博物馆) 中，机器人在执行任务时会遇到大量不可预见事件。博物馆导游机器人Minerva 除了要对网络用户进行在线响应，同时还要与博物馆中的游客进行现场人机交互，所以其任务规划要能够处理各种不可预测的突发事件。博物馆导游机器人要及时向用户提供各种反馈.由于使用了基于Java applet 的技术[9]，其在低带宽情况下仍能按要求更新机器人状态。网络用户界面还提供机器人所带摄像头和安装于天花板上摄像头所传回的图像。使用多种方式的代理技术可支持多用户同时访问。实际应用中常要求网络用户同现场用户分享机器人的控制。网络能给异地用户提供远程现场再现, 而现场用户则通过比网络更直接的方式控制机器人，这就要求混合控制的界面设计要避免两者相互干扰。

提高被控机器人的自主性对实现实时远程控制具有重要意义。被控机器人本身具有的避障功能，对路径的自主规划和对多任务的决策能力，都有利于减少网络通讯中不可预测时滞对机器人控制实时性的影响。这一思想的实质是将属于远程控制的部分功能下放到控制系统本地来实现，远程的操作者只需对预先定义好的操作指令实施控制操作，或直接通过对运行于客户端的辅助软件的图形

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界面及命令菜单的点击来实施远程操作控制。这一方法降低了系统的复杂度，将各种简单的基本操作集成为高层次的复合动作，从而提高了系统操作的集成度，加快了系统的控制响应速度，保证了控制的实时性。

通过上述技术手段的应用，当网络通讯出现拥塞而导致传输速率下降时，机器人控制系统本身应能够相应降低控制精度，暂缓非紧急任务，从而降低网络通讯的负载。如果出现系统暂时的通讯中断，控制系统的自主性可避免机器人处于失控状态，使其仍能正常完成底层控制功能，并可根据前一时间段中存储的远程控制信息进行智能预测，自主的继续完成操作者的控制要求。

基于网络的自主机器人远程控制技术与传统遥操作技术相比, 有如下几方面不同：

(1) 网络时滞和通讯容量具有相当的不确定性，因此自主性对基于网络的机器人更显重要。这就要求基于网络控制的机器人要比传统机器人具有更强的自主性。

(2) 如果要设计适合网络中大量用户可控的机器人，传统的专用控制模式是不适用的，取而代之的应采用网络多用户代理控制( brokering controlamong multiple Web users) 机制。 (3) 实际应用中需要网络用户同现场用户分享对机器人资源的控制。现场用户可通过比网络更方便直接的方式控制机器人。这就要求复合控制的软件设计要考虑如何协调现场人机交互和远程控制指令两者间的相互关系。网络还应能通过虚拟远程现场技术给访问用户提供视觉反馈。

(4) 网络用户通常缺乏远程操作控制所需的专业知识。因此要求界面设计要比传统遥操作机器人更图形化和易于操作。机器人采集的现场信息不仅要适于机器人自主控制的应用，同时也要易于网络用户的操作。 三、分布式机器人控制系统

基于因特网的远程遥控机器人技术的应用使得低价、灵活、可扩展的真正分布式系统得以在机器人领域实现。任何连接到因特网上的机器人、代理设备、现场设备相互间均可进行通讯和交互操作以共同完成远程任务。在美国航空航天管理局的寻路者计划( Pathfinder mission) 中就采用了这一技术[10]。这使得科学家们不必集中到加利福尼亚的控制中心也可在世界各地通过因特网交互系统来相互合作实施对寻路者计划中空间设备的控制。这一应用是通过因特网实施分布式控制的成功实例。

构建高性能的通讯协议体系是实现多个用户和代理间协作控制的前提。由于协议在整个系统中必须具有通用性，这也使得实施这一协议的系统应具有可重用的软件架构。在网络体系结构中，同位体是指任何与另一个实体处在同一层次上的功能单元或操作装置。分布式系统架构允许多个同位体通过路由器进行互联。同位体还可通过具有可选择性的通讯“频道”进行报文交换。路由器除了知道报文的目的地址和通讯“频道”外无需了解报文中具体内容。 当分布式系统中包含机器人设备时通常被定义为分布式机器人系统。不同的分布式机器人系统使用不同的通讯协议和技术，如可应用CORBA、RMI或MOM 等中间件技术来实现其分布性。中间件是为特定用户的需要而剪裁的系统软件。

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图1 同位体到路由器的体系结构

基于网络的机器人控制技术的研发核心是实时远程控制的实现。为克服网络的不可预测时滞，达到对被控机器人实施实时控制的要求，可将通讯构建在实时TCP/IP 通讯平台之上。国外已有基于这一先进技术的产品，其技术原理是在传统TCP/IP 协议的基础上，对开放式网络互联的七层通讯结构进行精简与优化。此外在新因特网协议IPV6 中有预留的SVP协议，其支持视觉图像数据流的实时高速传输，这都有利于虚拟远程现场技术的实现。研发中还可从控制软件的构架上实现对控制任务的规划与管理。由于Linux NT 技术均可实现对多个任务进程的管理，并支持具有不同优先级的任务进程实施抢占机制，这都适于远程操作者对机器人所遇到的突发事件实施优先处理。在研发中还可以考虑采用带有嵌入式模块的多任务实时操作系统来构建基于事件驱动和任务控制的系统体系结构。

为实现实时控制，需要对通讯的数据进行预处理。通过网络传输的数据主要分为远程控制信息和现场反馈信息。其中现场反馈信息包含大量的视觉图像数据。图像采集卡完成图像的数字化后，软件首先要对图像数据进行预处理，如进行图像辨识与数的网络通讯质量做出判断，并相应的以不同的图像精度和更新频率来响应控制端的请求。

基于网络的机器人远程控制软件的开发中涉及通用网关接口( CGID 和超文本传输协议(HTTPD等技术的应用。CGI 可对客户端的请求进行动态响应，而HTTP 是一个无状态的面向对象式协议。但CGI和HTTP 的技术组合仍有局限性，使用JAVA 技术可以解决这些问题. JAVA使客户端可控制网络连接且其用户接口功能完备。JAVA 语言的另一个重要特性是其内置的多线程机制。JAVA在系统级和语言级均提供了对多线程的支持，使得JAVA 具备了当代优秀操作

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系统并发处理事务的能力，这样在程序的运行中很容易实现各功能模块之间的切换协作与数据交换[13]。JAVA 是与平台无关的，它不仅在源代码级上实现了可移植，在二进制代码上也实现了可移植。 四、机器人控制技术在工业上的应用 90 年代后期，丰田双足步行机器人P2 和索尼AIBO 等对机器人热潮起到了推波助澜的作用；日本和韩国在2004 年都推出了下一步国家信息化战略，分别称作u-Japan 和u-Korea。日本的u-Japan 计划着力发展泛在网络（Ubiquitous Network，简称UN）和相关产业，希望由此催生新一代信息科技。“ubiquitous”来源于拉丁语，意为“普遍存在的，无所不在的”。国际信息产业界最早提出此概念的是已故美国施乐公司Palo Alto 研究中心(PARC) 的MarkWeiser 博士。由于光纤宽带的广泛应用、手机的迅速普及、小型无线条码阅读器、加速度传感器等超小型器件技术革新使得UN 得以实现。而这里所提及的UN技术不仅仅在电脑空间，在实际环境以及人体内的信息处理中，大大增加了和机器人技术的亲和性。随着这种技术潮流的发展，网络技术和机器人技术融合产生了“网络机器人” 2、网络机器人的实现功能 在“网络机器人调查研究会”的总结报告中就机器人能够给人提供兴奋的感觉、正常的感觉、安心的感觉，列举出网络机器人未来的形象。

（1）现实世界和虚拟世界融合给人们提供新的价值观和兴奋点（兴奋的感觉）。 （2）在机器人平台上能够按照用户的需求自由地应用软件。 （3）能够实现亲切的人机接口（正常的感觉），能够理解人的意图和情感。 （4）能够自由地选择最佳网络，访问通用数据库和软件库等资源，共享信息。 （5）能够灵活地应对局部性的规则，保护个人隐私保证信息安全保密，用户能够安全地安心利用网络（安心感）。 五、一些硬件电路的设计

（1）信号选频放大

使用电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出感应电动势。这个感应电动势信号比较弱，干扰多。因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。

可以使用 LC串并联谐振电路（带通电路）来实现选频电路。如图2所示：

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图2 选频电路图

电路谐振频率为：

f012LC （公式1）

已知感应电动势的频率f0=20KHz，感应线圈电感为L=10mH，由（公式1）可以得到电容容量的表达式如（公式2）。

C1(2f0)2L （公式2）

由（公式2）可以计算出谐振电容的容量为：

C16.33109F323(22010)1010

通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为 6.8nF，所以在实际电路中我们选用 6.8nF的电容作为谐振电容。

为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1~5V左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。

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最简单的设计可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。也可以选用运算放大器进行电压放大。但是需要选择低噪音、动态范围大的高速运放，成本较高，所示不选用运算放大器进行信号放大。

一般晶体三极管带宽较大，因而大体只需考虑放大倍数。可以选取常用的NPN三极管8050-D或1815-GR，我们选取的是1815-GR作为放大。

（2）检波整流

测量放大后的感应电动势的幅值E使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，该信号正比于感应电压幅值的数值，可以知道单片机的AD进行测量。

为了能够获得更大的动态范围，检波电路中的二极管使用肖特基二极管1N5819。由于肖特基二极管的开启电压一般在0.1~0.3V左右，小于普通的硅二极管（0.7V），可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。 最终，我们得到整个路径识别模块的电路图如图3所示：

图3 信号放大处理电路图

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（3）舵机使能控制电路

可以说，舵机是一个非常脆弱的部件，稍有不慎就会烧掉，特别是被卡住的时候，为了防止在下载程序的时候舵机处于供电状态，所以加了一个舵机使能控制电路，舵机使能电路相当于一个软开关，可以通过软件去控制舵机电源。设置PB0口可以使得舵机只有在程序被下进去并且运行之后才会被供电，否则处于断电状态，原理图如图4所示。

图4 舵机使能控制电路

（4）电机驱动模块

采用大功率MOS管IRF4905和IRF3205搭成H桥驱动电机。为使电机能够快速的加减速，可以采用反转进行刹车。但电机的正反转会产生很大的制动电流，对电机驱动本身造成很大的损害。而在实际应用中只使用到半桥，其中一个控制端接地。当需要制动时，只要使电机对地短接，依靠电机反电动势制动同样得到较好的制动效果。

驱动和单片机之间使用了MIC4424驱动H桥电路，既保证了开启MOS管栅极的逻辑控制，也对单片机有隔离保护的作用。

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图4.6.1 电机驱动电路图

（5）数字PID设计

通过对模拟控制系统PID控制规律的表达式进行离散化，可以得到直接离散控制（DDC）的PID表达式如（公式10）所示：

u(k)KPe(k)KIe(i)KD[e(k)e(k1)]i0k （公式10）

（公式10）表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)，所以被称为数字PID位置控制算式。

为方便数字PID算式的实现，对位置型控制算式进行了改进，即得到数字PID 的增量型控制算式如（公式11）所示：

u(k)u(k)u(k1)KP[e(k)e(k1)]KIe(k)KD[e(k)2e(k1)e(k2)]（公式11）

（6）PID控制算法

舵机转向控制采用了经典的 PID 控制，在合理的设置参数后，该算法响应速度快、稳态误差都较低，为使舵机的相应速度加快，只是使用了PD算法已经可以取得不错的控制效果。

采用位置型算法，根据小车偏离导线的偏差，舵机控制算式为：

uu0P*eiD*(eiei_1)（公式12）

在（公式12）中，u为给定舵机控制量，u0为舵机中心值，P、D分别为比例系数和微分系数，ei为当前偏移量，ei_1为上一次偏移量。

六、结束语

基于网络的机器人控制是当前机器人技术的研究热点，对于远程医疗、远程教学、远程监护以及传统生产模式的改造，具有潜在的应用价值。由单机器人控制到多机器人协制是机器人技术发展的必然趋势[15]，将Internet 嵌入到多机器人系统中，发挥其独到优势，是非常自然的事情,这方面的研究也是很有必要的。

机器人技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。经过半个多世纪的发展，机器人技术在工业生产领域得到了广泛的应用，极大地提升了生产品质并成功了劳动力资源。作为高技术领域中重要的前沿技术之一，机器人技术具有前瞻性、先导性的特点，对学术研究、产业升级、培养创新意识、保障、引领未来经济社会的发展有着十分重要的作用。目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持，为机器人的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的机器人技术研究高潮和发展契机业已到来。

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