第1章 导论
1.1 机器人技术概述
工业机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛的作用，占据更重要的地位，如在核工业、水下、空间、农业、工程机械、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面［1，2］，可代替人完成各种工作。同时，机器人作为自动化和信息化的装置与设备，完全可以进入网络世界，发挥更多及更大的作用，这对人类开辟新的产业，提高生产水平与生活水平具有十分重要的现实意义。机器人最新应用主要表现在生机电一体化、安防机器人巡检、机器人自主式、仿真模拟、物联网嵌入、云计算、脑电波控制及自动导引装置（Automated Guided Vehicle，AGV）协作等方面［3，4］。
（1）生机电一体化技术
生机电一体化是20世纪90年代以来快速发展的前沿科学技术，它是通过生物体运动执行系统、感知系统、控制系统等与机电装置（机构、传感器、控制器等）的功能进行集成，使生物体或机电装备的功能得到延伸。如将该技术应用于机器人上，通过对神经信息的测量和处理与人机信息通道的建立，将神经生物信号传递给机器人，从而使机器人能够执行人的命令［5］。正因为这种原理，假肢也能够“听懂”人的指示，从而成为人身体的一部分。
（2）安防机器人巡检技术
智能巡检机器人携带红外热像仪和可见光摄像机等检测装置，在工作区域内进行巡视并将画面和数据传输至远端监控系统，并对设备节点进行红外测温，及时发现设备发热等缺陷，同时也可以通过声音检测判断变压器运行状况。对于设备运行中的事故隐患和故障先兆进行自动判定和报警，有效消除事故隐患。
（3）机器人自主式技术
机器人在不断进化，甚至可以在更大的实用程序中使用，它们变得更加自主、灵活，协作更加便捷。最终，它们将与人类并肩合作，并且人类也要向它们学习。这些机器人花费将更少，并且相比于制造业之前使用的机器人，它们的适用范围更广泛。
（4）仿真模拟技术
仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。模拟技术是指利用相似原理，建立研究对象的模型（如形象模型、描述模型、数学模型），并通过模型间接地研究原型规律性的实验方法。仿真模拟技术可以理解为利用实时数据，在虚拟模型中反映真实世界，包括机器、产品及人等，可以使得运营商能够在虚拟建模中进行测试和优化［3］。
（5）物联网嵌入式技术
物联网（Internet of Things）指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities）［6］，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施及视频监控系统等，还包括“外在使能”（Enabled）的，如贴上射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线或有线的、长距离或短距离通信网络实现互联互通（M2M），应用大集成（Grand Integration）以及基于云计算的SaaS（Software as a Service）营运等模式，在内网（Intranet）、专网（Extranet）及互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持及领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全及环保”的“管、控、营”一体化。
“物联网技术”的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间以进行信息交换和通信。因此，物联网技术是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统及激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议将任何物品与互联网相连接并进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合。作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。物联网是通用计算机的互联网与嵌入式系统单机或局域物联在高级阶段融合后的产物。物联网的构建跟互联网不一样，物联网更复杂、范围更广。而嵌入式技术是构建物联网的基础技术，并为其提供保障。
物联网其实就是把所有的物体都连在网络上，这些是要通过嵌入式系统来实现的。随着物联网产业的发展，更多的设备甚至更多的产品将使用标准技术连接，可以进行现场通信，提供实时响应。
（6）云计算机器人
云计算是作为一种制造业的重要使能技术出现的，它可以改变传统的制造业模型，采用更科学的经营策略来促使产品创新，从而建立可以实现高效协作的智能化工厂网络。目前的制造业正在经历一轮由信息技术及其相关的智能技术带动的重大转变。云计算的主要作用是在分布式环境下根据客户需求提供一种高可靠性、高可扩展性和实用性的计算服务。云计算机器人将会彻底改变机器人发展的进程，极大地促进软件系统的完善。在当今时代，更需要跨站点和跨企业的数据共享，与此同时，云技术的性能将提高至只在几毫秒内就能进行反应。
（7）超限机器人技术
在微纳米制造领域，机器人技术可以帮助人们把原来看不到、摸不着的变成能看到、能摸着的，还可以进行装配和生产。例如，微纳米机器人可以把纳米环境中物质之间的作用力直接拓展，对微纳米尺度的物质和材料进行操作。
（8）AGV机器人协作技术
当前最常见的应用是AGV搬运机器人或AGV小车，主要功用集中在自动物流搬转运，AGV搬运机器人是通过特殊地标导航自动将物品运输至指定地点，最常见的引导方式为磁条引导和激光引导。相对于单个机器人的“单打独斗”，多个机器人之间的协同作业更为重要，而这需要一套完备的调度体系来保证车间里众多同时作业的机器人相互之间协调有序。多机器人协同控制算法这一技术平台可以协同控制几百台智能机器人共同工作，完成货物的订单识别、货物定位、自动抓取、自动包装和发货等功能。
（9）脑电波控制技术
在未来，远程临场（Telepresence）机器人会成为人们生活中不可或缺的一部分。用户需要佩戴一顶可以读取脑电波数据的帽子，然后通过想象来训练机器人的手脚做出相应的反应，换句话说，就是通过意念来控制机器人的运动。它不仅可以通过软件来识别各种运动控制命令，还能在行径过程中主动避开障碍物，灵活性很高，也更容易使用。
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及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。因为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，它也是机器进化过程的必然产物，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。