1.2 机器人的基本概念

1.2.1 机器人的定义与特点

1.机器人的定义

机器人问世已有几十年了，但至今还没有一个统一的定义，其原因之一是机器人还在发展，另一个主要原因是机器人涉及人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人没有统一的定义，才给了人们充分的想象和创造空间^[5]。

美国机器人产业协会（Robotic Industries Association，RIA）对机器人的定义是：一种用于移动各种材料、零件、工具的专用装置，通过程序控制各种作业，并具有编程能力的多功能操作机。

美国国家标准局（National Bureau of Standards，NBS）对机器人的定义是：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）在1987年给出的工业机器人定义是：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。

日本工业标准局给出的机器人定义是：机器人是一种机械装置，在自动控制下能够完成某些操作或者动作。

英国相关部门给出的机器人定义是：貌似人的自动机，具有智力并顺从于人的，但不具有人格的机器。

我国业界给出的机器人定义是：机器人是一种自动化的机器，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。

百度百科给出的机器人定义是：机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编写的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如制造业、建筑业或危险的工作。

维基百科给出的机器人的定义是：包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械（如机器狗、机器猫等）。

尽管各方给出的机器人定义并不相同，但基本指明了作为机器人所具备的两个共同点：

● 机器人是一种自动机械装置，可以在无人参与的情况下自动完成多种操作或动作，即具有通用性。

● 机器人可以再编程，程序流程可变，即具有柔顺性（适应性）。

2.机器人的特点

（1）可编程

可以根据不同的环境编写不同的程序，以驱动机器人完成不同的动作，从而满足不同环境的需求，达成不同的任务目标，因此机器人可以适应不同的环境，并做出最适合该环境的调整，在机器人数量和品种较多的情况下有很高的工作效率。

（2）拟人化

机器人在机械结构上有类似于人的上臂、下臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机这一类似于人脑的控制中枢。此外，机器人还有许多模仿人类的生物传感器，如皮肤型接触传感器、力觉传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语音传感器等。传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。

（3）通用性

除了专门设计的专用的机器人，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。例如，可以通过更换机器人的末端操作器（手爪、工具等）来执行不同的作业任务。

（4）机电一体化

机器人技术涉及的学科非常广泛，但从总体上可以归纳为机械学和微电子学的结合——机电一体化，不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等，这些都和微电子技术，特别是计算机技术密切相关。因此，机器人技术的发展和应用水平也代表了一个国家科学技术和工业技术的水平。

1.2.2 机器人的结构和分类

1.机器人的结构

机器人的结构包括机械系统、控制系统、驱动系统和感知系统四大部分^[6]，如图1-1所示。

（1）机械系统

机器人的机械系统包括机身、臂部、手腕和末端操作器等部件，每个部件都有若干自由度，从而构成了一个多自由度的机械系统。此外，有的机器人还具备行走机构或腰转机构。若机器人具备行走机构，则构成行走机器人；若机器人不具备行走机构和腰转机构，则构成单臂机器人。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。机械系统的作用相当于人的身体（如骨骼、手、臂和腿等）。

（2）控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业程序，以及从传感器反馈回来的信息来控制机器人的执行机构，使机器人完成规定的作业。

如果控制系统不具备信息反馈环节，则称为开环控制系统；如果具备信息反馈环节，则称为闭环控制系统。控制系统主要由计算机硬件和控制软件组成，控制软件主要由人与机器人进行联系的人机交互系统和控制算法组成。控制系统的作用相当于人的大脑。

（3）驱动系统

驱动系统主要是指驱动机械系统动作的装置，根据驱动源的不同，可分为电气、液压和气压三种驱动系统，以及这三种驱动系统构成的综合驱动系统。驱动系统的作用相当于人的肌肉。

电气驱动系统在机器人中应用得比较普遍，可采用步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。早期多采用步进电机驱动，后来发展为直流伺服电机，现在交流伺服电机驱动也逐渐得到应用。有的电气驱动系统直接驱动机械系统，有的电气驱动系统通过谐波减速器后驱动机械系统。电气驱动系统的结构简单紧凑。

液压驱动系统的运动平稳，且负载能力大，对用于重载搬运和零件加工的机器人，采用液压驱动系统比较合适。但液压驱动系统存在管道复杂、清洁困难等缺点，因此限制了它在装配作业中的应用。

无论采用电气驱动系统，还是采用液压驱动系统的机器人，其手爪的开合都采用气压驱动系统。气压驱动系统具有结构简单、动作迅速、价格低廉等优点。由于空气具有可压缩性，其工作速度的稳定性较差，但是空气的可压缩性可提高手爪在抓取或卡紧物体时的柔顺性，可防止受力过大而造成被抓物体或手爪本身的破坏。气压驱动系统的压强一般为0.7 MPa，因而抓取力小，只有几十牛[顿]到几百牛。

（4）感知系统

感知系统主要由各种传感器组成，这些传感器可分为内部传感器和外部传感器。感知系统的作用是获取机器人的内部信息和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，为控制系统提供反馈信息。外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其识别周围环境并做出相应的处理。外部传感器可使机器人以灵活的方式对它所处的环境做出反应。感知系统的作用相当于人的五官。

2.机器人的分类

根据不同的标准，机器人有多种分类方法。这里主要介绍三种分类方法，即按机器人的应用环境分类、按机器人的功能分类和按机器人的智能程度分类。

（1）按机器人的应用环境分类

按机器人的应用环境分类，可将机器人分为两大类，即工业机器人和服务机器人。根据用途的不同，工业机器人又可以分为焊接机器人、搬运机器人、喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人、码垛机器人、切割机器人、自动牵引车机器人、净室机器人等。服务机器人则是指工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种机器人，主要包括个人/家用服务机器人和专业服务机器人。其中：个人/家用机器人主要包括家庭作业机器人、娱乐休闲机器人、残障辅助机器人、住宅安全和监视机器人等；专业服务机器人主要包括场地机器人、专业清洁机器人、医用机器人、物流用途机器人、检查和维护保养机器人、建筑机器人、水下机器人，以及国防、营救和安全应用机器人等。

（2）按机器人的功能分类

按机器人的功能分类，可将机器人分为传感型机器人、自主型机器人和交互型机器人。

①传感型机器人，也称为外部受控机器人。这类机器人本身没有智能单元，只有执行机构和感应机构，它可利用传感器反馈的信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、压力、红外线、超声波及激光等）实现控制与操作。传感型机器人受控于外部计算机，目前机器人世界杯的小型组比赛所用的机器人就属于这种类型。

②自主型机器人。自主型机器人不需要人的干预，能够在多种环境下自主完成多项拟人的任务。自主型机器人具有感知、处理、决策、执行等模块，可以像人一样独立地活动和处理问题。许多国家都非常重视自主型机器人的研究。机器人的研究从20世纪60年代初开始，经过几十年的发展，目前，基于感觉控制的智能机器人（又称为第二代机器人）已进入实际应用的阶段，基于知识控制的智能机器人（又称为自主型机器人或下一代机器人）也取得了较大进展，已研制出了多种样机。

③交互型机器人。交互型机器人通过计算机系统与操作人员或程序人员进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然交互型机器人具有部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单避障等功能，但还要由外部计算机控制。

（3）按机器人的智能程度分类

按机器人的智能程度分类，可将机器人可分为工业机器人、初级智能机器人和高级智能机器人。

①工业机器人。工业机器人只能死板地按照人们编写的程序作业，不管外界条件如何变化，工业机器人都不能对程序，也就是对作业进行相应的调整。如果要改变作业，必须对程序进行相应的修改，因此可以说工业机器人是毫无智能的。

②初级智能机器人。初级智能机器人具有感受、识别、推理和判断能力，可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序，也就是说，它能根据外界条件的变化做出相应的调整。不过，修改程序的原则由人预先规定。初级智能机器人已具有一定的智能。

③高级智能机器人。高级智能机器人具有感受、识别、推理和判断能力，同样可以根据外界条件的变化在一定范围内自行修改程序。和初级智能机器人不同的是，高级智能机器人修改程序的原则不是由人规定的，而是由机器人自己通过学习、总结经验来修改程序的，所以它的智能高于初级智能机器人。高级智能机器人已经具有一定的自动规划能力，能够自己安排作业，可以不需要人的监管，完全独立地工作。随着深度学习等技术的不断发展，高级智能机器人也开始走向实用。