第1章 工业机器人概述

1.1 机器人的产生与发展

1.1.1 机器人的产生与定义

1.概念的出现

机器人（Robot）的概念来自于科幻小说，它最早出现于1921年捷克剧作家Karel Čapek （卡雷尔·恰佩克）创作的剧本Rossumovi Univerzální Roboti（简称R.U.R）。由于剧中的人造机器名为Robota（捷克语，即奴隶、苦力），因此，英文Robot一词开始代表机器人。

自20世纪20年代起，机器人成了很多科幻小说、电影的主人公，如星球大战中的C3P等。科幻小说家的想象力是无限的，为了预防机器人可能引发的人类灾难，1942年，美国科幻小说家Isaac Asimov（艾萨克·阿西莫夫）在I，Robot的第4个短篇Runaround中，首次提出了“机器人学三原则”，它被称为“现代机器人学的基石”，这也是“机器人学（Robotics）”这个名词在人类历史上的首度亮相。

“机器人学三原则”的主要内容如下。

原则1：机器人不能伤害人类，或因其不作为而使人类受到伤害。

原则2：机器人必须执行人类的命令，除非这些命令与原则1相抵触。

原则3：在不违背原则1、原则2的前提下，机器人应保护自身不受伤害。

到了1985年，Isaac Asimov在其机器人系列最后作品Robots and Empire中，又补充了凌驾于“机器人学三原则”之上的“0原则”，即：

原则0：机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其他3条原则都必须在这一前提下才能成立。

继Isaac Asimov之后，其他科幻作家还不断提出了对“机器人学三原则”的补充、修正意见，但是，这些大都是科幻小说家对想象中机器人所施加的限制；实际上，“人类整体利益”等概念本身就是模糊的，甚至连人类自己都搞不明白，更不要说机器人了。因此，目前人类的认识和科学技术，实际上还远未达到制造科幻片中的机器人的水平；制造出具有类似人类智慧、感情、思维的机器人，仍属于科学家的梦想和追求。

2.机器人的产生

现代机器人的研究起源于20世纪中叶的美国，它从工业机器人的研究开始。

第二次世界大战期间（1939—1945年），由于军事、核工业的发展需要，在原子能实验室的恶劣环境下，需要有操作机械来代替人类进行放射性物质的处理。为此，美国的Argonne National Laboratory（阿尔贡国家实验室）开发了一种遥控机械手（Teleoperator）。接着，1947年，该实验室又开发出了一种伺服控制的主—从机械手（Master-Slave Manipulator），这些都是工业机器人的雏形。

工业机器人的概念由美国发明家George Devol（乔治·德沃尔）最早提出，并在1954年申请了专利、1961年获得授权。1958年，美国著名机器人专家Joseph F.Engelberger（约瑟夫·恩盖尔柏格）成立了Unimation公司，并利用George Devol的专利，在1959年研制出了图1.1-1所示的世界上第一台真正意义的工业机器人——Unimate，从而开创了机器人发展的新纪元。

Joseph F.Engelberger对世界机器人工业的发展做出了杰出的贡献，被人们称为“机器人之父”。1983年，就在工业机器人销售日渐增长的情况下，他又毅然地将Unimation公司出让给了美国Westinghouse Electric Corporation公司（西屋电气，又译为“威斯汀豪斯”），并创建了TRC公司，前瞻性地开始了服务机器人的研发工作。

从1968年起，Unimation公司先后将机器人的制造技术转让给了日本KAWASAKI（川崎）和英国GKN公司，机器人开始在日本和欧洲得到快速发展。据有关方面统计，目前世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已在进行智能机器人开发，美国、日本、德国、法国等都是机器人的研发和制造大国，无论是在基础研究还是产品研发、制造方面，都居世界领先水平。

机器人（Robot）自问世以来，由于它能够协助、代替人类完成那些重复、频繁、单调、长时间的工作，或进行危险、恶劣环境下的作业，因此发展较迅速。随着人们对机器人研究的不断深入，Robotics（机器人学）这一新兴的综合性学科已逐步形成，有人将机器人技术与数控技术、PLC技术并称为工业自动化的三大支撑技术。

3.机器人的定义

由于机器人的应用领域众多、发展速度快，加上它又涉及人类的有关概念，因此，世界各国标准化机构至今尚未形成一个统一、准确、世所公认的严格定义。例如：

International Organization for Standardization（ISO，国际标准化组织）的定义为：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，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，执行各种任务”。

Robotics Industries Association（RIA，美国机器人协会）的定义为：机器人是一种“用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程的动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能机械手”。

Japan Robot Association（JRA，日本机器人协会）则将机器人分为工业机器人和智能机器人两大类：工业机器人是一种“能够执行人体上肢（手和臂）类似动作的多功能机器”，智能机器人是一种“具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。

我国GB/T 12643标准的定义为：工业机器人是一种“能够自动定位控制，可重复编程的，多功能的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种作业”。

由于以上标准化机构及专门组织对机器人的定义都是在特定时间所得出的结论，故欧美国家的定义侧重在控制方式和功能上，它和工业机器人较接近；日本的定义关注的是机器人结构和行为特性，并已考虑了现代智能机器人的发展。

科学技术对未来是无限开放的，当代智能机器人无论在外观，还是功能、智能化程度等方面，都已超出了传统工业机器人的范畴，机器人正在源源不断地向人类活动的各个领域渗透，所涵盖的内容已越来越丰富，从这一点上看，日本的定义相对更准确。

1.1.2 机器人的发展与分类

1.技术发展

机器人最早用于工业领域，它主要用来协助人类完成重复、频繁、单调、长时间的工作，或进行高温、粉尘、有毒、辐射、易燃、易爆等恶劣、危险环境下的作业。但是，随着社会进步、科学技术发展和智能化技术研究的深入，各式各样具有感知、决策、行动和交互能力，可适应不同领域特殊要求的智能机器人相继被研发，机器人已开始进入人们生产、生活的各个领域，并在某些方面逐步取代人类独立从事相关作业。

根据机器人现有的技术水平，一般将机器人分为如下三代。

① 第一代机器人。第一代机器人一般是指能通过离线编程或示教操作生成程序，并再现动作的机器人。第一代机器人所使用的技术和数控机床十分相似，它既可通过离线编制的程序控制机器人的运动；也可通过手动示教操作（数控机床称为Teach in操作），记录运动过程并生成程序，并再现运行。

第一代机器人的全部行为完全由人控制，它没有分析和推理能力，不能改变程序动作，无智能性，其控制以示教、再现为主，故又称为示教再现机器人。第一代机器人现已实用和普及，图1.1-2所示的大多数工业机器人都属于第一代机器人。

② 第二代机器人。第二代机器人装备有少量传感器，能获取环境、对象的简单信息和进行简单的推理，可适当调整动作和行为，故称为感知机器人或低级智能机器人。

第二代机器人技术目前主要用于服务机器人。例如，图1.1-3所示的探测机器人可通过摄像头及视觉传感系统，识别图像、判断和规划运动轨迹，对环境具有一定的适应能力。

③ 第三代机器人。第三代机器人应具有高度的自适应能力，它有多种感知机能，可通过复杂的推理，做出判断和决策，自主决定机器人的行为，具有相当程度的智能，故称为智能机器人。

第三代机器人目前主要用于家庭、个人服务及军事、航天等行业，总体尚处于实验和研究阶段，目前还只有美国、日本、德国等少数发达国家能掌握和应用。例如，日本HONDA（本田）公司最新研发的图1.1-4（a）所示的Asimo机器人，不仅能实现跑步、爬楼梯、跳舞等动作，还能进行踢球、倒饮料、打手语等简单的智能动作。日本Riken Institute（理化学研究所）最新研发的图1.1-4（b）所示的Robear护理机器人，其肩部、关节等部位都安装有测力感应系统，可模拟人的怀抱感，它能够像人一样，柔和地将卧床者从床上扶起，或将坐着的人抱起，其样子亲切可爱、充满活力。

2.产品分类

机器人的分类方法很多，但由于人们观察问题的角度有所不同，直到今天，还没有一种分类方法能够满意地对机器人进行世所公认的分类。总体而言，通常的机器人分类方法主要有专业分类法和应用分类法两种，简介如下。

（1）专业分类法

专业分类法一般是机器人设计、制造和使用厂家技术人员所使用的分类方法，其专业性较强，业外较少使用。专业分类一般按机器人的机械结构形态和运动控制方式进行分类。

① 机械结构形态分类。根据机器人的机械结构形态不同，可分为圆柱坐标（Cylindrical Coordinate）、球坐标（Polar Coordinate）、直角坐标（Cartesian Coordinate）及关节型（Articulated）、并联型（Parallel）等。不同形态的机器人在外观、机械结构、控制要求、工作空间等方面均有较大的区别。例如，关节型机器人的动作类似于人类手臂；而直角坐标机器人的外形和结构，则与数控机床十分类似。工业机器人的结构形态将在本书后续章节具体阐述。

② 运动控制方式分类。根据机器人的控制方式不同，有人将其分为顺序控制型、轨迹控制型、远程控制型、智能控制型等。顺序控制型又称点位控制型，这种机器人只需要按照规定的次序和移动速度，运动到指定点进行定位，而不控制移动轨迹，故多用于物品搬运等场合。轨迹控制型机器人需要同时控制移动轨迹、速度和终点，故可用于焊接、喷漆等连续移动作业场合。远程控制型机器人可实现无线遥控，故多用于特定的行业，如军事机器人、空间机器人、水下机器人等。智能控制型机器人就是前述的第三代机器人，当前多用于军事、场地、医疗等专门领域。

（2）应用分类法

应用分类是根据机器人的应用环境（用途）进行分类的大众分类方法，其定义通俗，易为公众所接受，但定义方法也未统一；例如，日本分为工业机器人和智能机器人两类、我国分为工业机器人和特种机器人两类等。由于机器人智能性的判别缺乏严格的标准，工业机器人和特种机器人的界线较难划分；因此，本书参照国际机器人联合会（IFR）的相关定义，将其分为图1.1-5所示的工业机器人和服务机器人两大类：工业机器人用于环境已知的工业领域，服务机器人用于环境未知的其他领域。

① 工业机器人。工业机器人（Industrial Robot，IR）是指在工业环境下应用的机器人，它是一种可编程的多用途自动化设备，主要有加工、装配、搬运、包装4类。当前实用化的工业机器人以第一代示教再现机器人居多，但部分工业机器人（如焊接、装配等）已采用图像识别等智能技术，对外部环境具有一定的适应能力，初步具备了第二代机器人的一些功能。

② 服务机器人。服务机器人（Personal Robot，PR）是服务于人类非生产性活动的机器人总称，它是一种半自主或全自主工作的机械设备，能完成有益于人类的服务工作，但不直接从事工业品的生产。

服务机器人的涵盖范围非常广，简言之，除工业生产用的机器人外，其他所有的机器人均属于服务机器人的范畴，它在机器人中的比例高达95%以上。根据用途不同，可分为个人/家庭服务机器人（Personal/Domestic Service Robots）和专业服务机器人（Professional Service Robots）两类。