1.1 走进机器人

机器人正在逐渐成为人类的助手和朋友，通过本章的学习，将初步揭开机器人的神秘面纱，走进机器人的世界，机器人如图1-1所示。

1.1.1 了解机器人

说到机器人大家可能会感到很神秘，觉得它是一个高科技的集合体，离人们很遥远，其实不然。机器人是一个很宽泛的概念，它们并不一定都具有人的外形，而是形象各异、种类繁多，如图1-2所示。它们不仅有月球车、火星探测器、机器人士兵等智能性很高的机器人，也有供人们学习用的积木式教学机器人和用于机器人比赛的擂台机器人、足球机器人等，更有用于工厂中的焊接机器人、切割机器人、码垛机器人等。

1920年，捷克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“Robot”——“机器人”这个词。

随着计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用，人们强烈希望用某种机器代替自己去完成那些枯燥、单调、危险的工作。尤其是原子能实验室的恶劣环境，迫切需要能代替人们处理放射性物质的机械装置。美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手，但这还不是真正意义上的机器人。1954年，美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的装置，它能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性，成为具有实际意义的机器人。

1.1.2 机器人的发展简史

机器人的发展主要经历了以下几个阶段。

第一阶段：20世纪50～60年代初。

技术准备期：1950年，美国作家阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓的“机器人三原则”，即机器人不可伤人、机器人必须服从人但不伤人的命令、机器人可维护自身不受伤害。1959年，乔治·德沃尔和约瑟·英格伯格发明了世界上第一台工业机器人，命名为Un imate（尤尼梅特），意思是“万能自动”，如图1-3所示。英格伯格负责设计机器人的“手”“脚”“身体”，即机器人的机械部分和操作部分，由德沃尔设计机器人的“头脑”“神经系统”“肌肉系统”，即机器人的控制装置和驱动装置。Unimate重达2t，通过磁鼓上的一个程序来控制。它采用液压执行机构驱动，基座上有一个大机械臂，可绕轴在基座上转动。大机械臂上又伸出一个小机械臂，它相对大机械臂可以完成伸出或缩回的动作。小机械臂顶部有一个腕子，可绕小机械臂转动，进行俯仰和侧摇的动作。腕子前部是手，即操作器。这个机器人的功能和人的手臂功能相似，其精确度达1/10000in。

第二阶段：20世纪60年代。

产业孕育期：小批量生产形成。在20世纪60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了应用阶段，并小有规模。

第三阶段：20世纪70～80年代。

产业形成期：大批量生产。在20世纪70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。1974年，Cincinnati Milacron公司成功开发多关节机器人。1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器的工业机器人，这在当时是先进技术的表现，现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in/Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。

进入20世纪80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人——有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人在工业生产中得到广泛应用。

第四阶段：20世纪90年代至今。

产业发展期：机器人产品多样化，市场趋于成熟，并在20世纪90年代得到迅速发展。机器人综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术以及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，应用十分广泛的领域。从20世纪90年代初期起，我国掀起了新一轮的技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

人工智能的发展，不得不提及两大计划：欧洲的“人类大脑计划”（Human Brain Project，HBP）和美国的“通过推动创新型神经技术开展大脑研究”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN）。人工智能与机器人的融合，是机器人在21世纪发展的一个巨大的转折点。

机器人技术是20世纪人类最伟大的发明之一，时至21世纪，机器人已发展到了第三代。

第一代机器人——可编程及示教再现机器人，按事先示教或编程的位置和姿态进行重复作业，主要完成搬运、喷漆、点焊等工作。

第二代机器人——感知机器人，带有如视觉、触觉等外部传感器，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能，可完成较为复杂的作业，如装配、检查等。

第三代机器人——有感知、决策、动作能力的智能机器人，它出现于20世纪90年代，是通过各种传感器、测量器等来获取环境的信息，利用智能技术进行识别、理解、推理并最后做出规划决策，自主行动实现预定目标的高级机器人。

随着电子技术、信息处理技术和通信技术的发展，机器人也进入新的发展阶段。第四代机器人正在研制之中，它具有更高的智能，可通过高级的中央处理器和内置软件实现实时加工作业。这种机器人的应用范围将不再局限于一道道特定的工序，而是能够实现整个生产系统的机器人化。

目前，先进的机器人系统正在或即将进入人类生活的各个领域，成为人类良好助手和亲密的伙伴。人们可通过对教学机器人的学习与研究，深入了解并掌控机器人，使其更好地为人们服务。

1.1.3 机器人的定义

科学家们对机器人的定义一直没有一个统一的意见，原因是机器人技术还在发展和完善，新机型、新功能的机器人不断涌现。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。也许正是由于对机器人定义的不统一，才给了人们充分的想象和创造空间。目前，在国内人们普遍认同机器人是自动执行工作的机器装置。1987年，国际标准化组织（ISO）对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机器。”我国科学家对机器人的定义：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”美国机器人协会给机器人下的定义：“机器人是一种可编程和多功能的操作机器，或是为了执行不同的任务而具有可用计算机改变和可编程动作的专门系统。”目前此定义得到了广泛的认可。

实际意义上的机器人应该是“能自动工作的机器”，它们有的功能比较简单，有的功能非常复杂，它们可以接受人类指挥，可以协助或取代人类的工作，也可以根据以人工智能技术制定的规则来运行，在制造业、建筑业、服务业等行业发挥重要作用。但机器人必须具备以下3个特征：

1）要有一个机械装置，其结构、大小、形状、材料取决于它要完成的工作。

2）具有感知和控制功能，通过安装在装置上的各种传感器获取外界信息，根据收到的信息，遵循人们编写的程序指令做出反应。

3）作业功能，即机器人的活动功能，机器人要在程序的指令下完成各种动作。