机器人技术
前言
机器人技术是综合了计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能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。从某种意义上说，机器人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。了解机器人的一些基本原理、用途、发展状况等，对我们现代研究生来说，是十分迫切和必要的。
一、机器人的定义
（1）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。
（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。
（4）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。
（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。
参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的多功能操作装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。因此，其实至今为止 ,各国也没有一个真正完全统一的机器人的定义。
机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。
二、机器人的应用领域
机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，对社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的技术的发展。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断在探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医 1
疗、农业、林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。
三、机器人的特点
1．通用性：即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一任务。
2．适应性：机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即要求所设计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能感知周围环境。
四、机器人系统的基本工作原理
机器人一般由程序控制，具有人或生物的某些功能。 智能机器人可以通过传感器了解外部环境或自身状态的变化，可以做出自己的逻辑推理、判断与决策。
计算机是机器人的大脑，传感器是机器人的感觉器官，输入/输出设备是人与机器人的交互工具，常用的有显示器、键盘、示教盒、打印机、网络接口等。
五、机器人的分类
1、按机器人结构形式：
根据手臂机构的运动副不同形式的组合得到不同的机器人机构形式。 (1) 直角坐标式(Cartesian) (2) 圆柱坐标式(Cylindrical) (3) 球坐标式(Spherical) (4) 多关节式(Jointed) (5)SCARA (Selective Compliance Aembly Robot Arm) 2.按机器人的智能程度：
(1)一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能 (2)智能机器人：具有不同程度的智能 1)传感型机器人
2)交互型机器人 3)自主型机器人
3、按机器人控制方式 ：
(1) 非伺服控制机器人：这种机器人按照事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器控制机器人的工作。
(2) 伺服控制机器人：通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。
4．按机器人的信息输入方式：
1) 手动操作手：由操作人员直接进行操作的有几个自由度的加工装置；
2) 定序机器人：按预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务，其预定信息难以修改；
3) 变序机器人：和第二类一样，但预定信息易于修改；
4) 示教式机器人：能够按照记忆装置存储的信息复现事先由人示教的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；
5) 程控机器人：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；
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6) 智能机器人：通过感知信息独立检测工作环境或工作条件的变化，借助机器人本身的自我决策能力，进行相应的工作。
5.按机器人的用途：
(1)军用机器人：主要用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。
(2)民用机器人：各种生产制造领域中的工业机器人和其它各种种类的机器人。
1)工业机器人：制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。机器人无论是否与其它机器一起运用，与传统的机器相比，它具有两个主要优点：
(1)．生产过程的几乎完全自动化。 (2)．生产设备的高度适应能力。
现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门。
机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验(在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、挤压和紧固等工序。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。
2)服务机器人：根据国际机器人联合会（IFR）采用的初步定义，所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它完成的是有益于人类健康的服务工作，但不包括那些从事生产的设备。另一种定义把服务机器人看做一种可自由编程的移动装置，它至少有三个运动轴，可以部分地或全自动地完成服务工作。这些服务工作为个人或单位完成的，不指工业生产服务。
包括:(1)诊断机器人，即配备有医疗诊断专家系统的机器人。
(2)护理机器人，是一些具有丰富护理经验的机器人护士或护师。 (3)伤残瘫痪康复机器人，包括假肢、矫形以及遥控等技术。
(4)家用机器人，机器人已开始进入家庭和办公室，用于代替人从事清扫、洗刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待、接电话、打印文件等。酒店售货和餐厅服务机器人、炊事机器人和机器人保姆已不再是一种幻想。
(5)娱乐机器人，包括文娱歌舞和体育机器人。 (6)医疗手术机器人近年来有所突破。
6.按应用环境：
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。
六、机器人的结构组成
1.执行机构：机器人完成工作任务的机械实体一般为机械手臂和末端操作器。
(1)机械手臂manipulator： 一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部。
(2)末端操作器（end-effector）：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置）。
2.驱动单元 ： 包括驱动器、传动机构和运动件
(1)驱动器：电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。 (2)传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、绳传动、各种齿轮传动及液力传动。
(3)运动件：机器人本体上的各运动体。
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3.控制系统：一般都是由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（servo controller）组成。
4.智能系统 (1) 运动机能
(2)感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点。
(3)思维机能：求解问题的认识推理和判断机能— —人工智能。
(4)人—机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能。
七、机器人控制系统的功能、组成
机器人控制系统的基本功能构成：记忆功能、示教功能、坐标设置功能、传感器接口、人机接口、与外围设备联系功能、故障诊断安全保护功能、位置伺服功能。
机器人控制系统的组成：控制计算机、操作面板、硬盘和软盘存储、数字和模拟量输入输出、示教盒、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制、通信接口、网络接口 。
八、我国工业机器人发展历史
我国的工业机器人起步于70年代，大致分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。
我国于50年代开始研究机械手。70年代是世界科技发展的一个新里程碑：人类登上了月球，实现了金星与火星的软着陆。我国也发射了人造地球卫星。70年代末，美国推出Puma系列高功能机器人，采用了当时最先进的16位多CPU二级微机控制系统，可进行轨迹控制和相当复杂的动作。在第一台机械手出现后20年，于1972年我国开始研制工业机器人。由上海开始，接着各大城市十几个研究单位和院校开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究，这些机器人大约有三分之一用于生产。
80年代是国际高技术竞争的年代。人类实现了太空行走、太空炼钢，中国也掌握了一箭多星技术。在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持。在80年代中期，国家组织了对工业机器人的需求的调查。在众多专家的建议和规划下，由机电部主持，中央各部委、中科院及地方几十所科研院所和大学参加，进行了工业机器人基础技术、基础元器件等的开发研究。为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人(DD驱动）和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究，已出了一批成果。这些技术的实用化将加速我国第
二、三代工业机器人的发展。经过多年努力，形成了京津、东北、华北、华南等机器人技术发达地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机器人设计、研制、应用队伍，使我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于世界之林。
90年代是20、21世纪交替的关键年代，以微电子技术为代表的高科技渗透进各个领域，信息高速公路将人类推向更快节奏发展的信息化时代。对我国来说，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机器人等自动化设备来改造传统产业，提高劳动生产率和产品质量，使产品更新换代，增强竞争力。90年代初期，在国家几无资金投入、市场经济发展的大潮裹胁下，从事机器人研制生产的单位既坚持专业方向，又要养活自己，主要做了几个方面的技术发展工作:1)喷涂机器人2）点、弧焊机器人3)搬运机器人4）装配机器人及视觉、力觉等传感技术5）矿山、建筑、管道作业等一些特种工业机器人。90年代后期，应是实现国产机器人的商品化，为产业化奠定基础的时期。在掌握机器人开发技术和应用技术的基础上，进一步开拓市场，扩大应用领域。从汽车制造业逐步扩展其它制造业并渗透到非制造业领域；开发第二代工业机器人及各类适合国情的经济型机器人；开展机 4
器人化柔性装配系统的研究。并且，嫁接国外技术，促进国际合作，以使我国工业机器人发展站在巨人的肩上，为以后的普及和腾飞奠定坚实的基础。
现今，我国越来越重视机器人技术的发展，与世界机器人高端技术国家共同合作，把我国的机器人技术推向世界级水平。
九、我国工业机器人发展现况
中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。
随着我国经济的快速发展，我国工业机器人的市场将不断扩大，这一点无容置疑。这也从另一个侧面说面了为什么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场。
但是，即使我国的市场有了，拥有了自主知识产权的机器人还是很少。国产工业机器人的发展还是要靠国家的大力扶持，并且我国的企业也要改变“外国的东西都比中国的好”这一错误观念，多给国产机器人一些机会。由于国产工业机器人的功能已经与国外在相当程度上相当，只要大力发展，一定能够造就出真正中国品牌的工业机器人。
中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。
在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。
我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。
十、机器人的发展趋势
为什么要发展机器人?理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊接机器人，提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度 。理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作 。理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人。
现如今，机器人及其应用的发展趋势：机器人的应用领域正不断扩大、种类日趋增多、性能不断提高，并逐步向智能化方向发展，追求目标是融入人类的生活，和人类一起协同工作，从事一些人类无法从事的工作，以更大的灵活性给人类社会带来更多的价值。
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。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的 5
开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有：
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。
2.机械结构向模块化、可重构化发展。
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，控制柜日渐小巧，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，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。
5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。
总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。
参考文献
【1】机器人学 : 控制、传感技术、视觉、智能 / (美)付京逊,R.C.冈萨雷斯,C.S.G.李 著 中国科学技术出版社 1989年。
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【3】机器人技术及其应用——高等学校机械电子工程规划教材 华南理工大学 谢存禧 张铁 主编 机械工业出版社出版。
【4】机器人技术导论 / (法)科依费特, F.,奇罗兹,M.著 国防科技大学出版社 1991年。
【5】2.朱世强，王宣银.机器人技术及其应用杭州：浙江大学出版社，2001。
【6】机器人探索——工程实践指南（国外计算机科学教材系列)(美)Fred G.Martin 著 刘荣 等译 电子工业出版社。
