1.2 仿生机器人

1.2.1 机器人的定义

在科技界，人们一般都会给每个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年了，而关于机器人的定义却仍然是仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见[23]。究其原因就是随着机器人技术的不断发展，新的机型、新的功能不断涌现，机器人所涵盖的内容越来越丰富，所表现的差异也越来越多样。机器人的定义需要不断充实和创新，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想，也不断拥有了自我的认识与理解[24]。也许正是由于机器人定义的模糊性和差异化，才给了人们充分的想象和创造空间，不断发展、创造着机器人，使机器人家族日益兴旺起来。

如前所述，“机器人”一词来自捷克语中的“robota”，意即劳动的意思。机器人初期出现在小说中时，是反抗人类和给人类带来灾害的“坏蛋”，而现在机器人却是帮助人们从繁重体力劳动和复杂脑力劳动中摆脱出来的亲密“伙伴”。

迄今为止，机器人的内涵仍在继续深化，机器人的外延也仍在继续扩展。因此，人们还没有对机器人的定义形成一个统一的结论，谈到机器人，人们普遍会提及以下几种较为权威的定义。

（1）简明牛津字典中的定义。机器人是貌似人的自动机，是具有智力的、顺从于人的但不具人格的机器[25]。

（2）美国机器人产业协会（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、通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。

（3）美国国家标准局（NBS）的定义。机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某种操作和移动作业任务的机械装备。

（4）日本工业机器人协会（JIRA）的定义。机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置，且能够完成各种移动作业来代替人类劳动的通用机器。

（5）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操作机，这种操作机具有几个轴，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，以执行各种任务[26]。

（6）我国科学家的定义。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。

纵观上述这些定义，虽然它们的具体表达形式不同，但基本上都包括三个共识，也就是三个共有的属性。

（1）机器人具有类人或者类生物的功能。

就是说机器人的某一部分像人或者机器人能像人或其他生物一样完成某种工作或动作。例如，机械手可以像人一样抓取物品；工业机器人可以像人一样在工厂里进行焊接、喷涂、装配等工作。有的机器人具有行走功能，能像人一样走动，去执行巡逻、探险等工作，它们就具有了某种或某些人类的能力。

有的机器人能够模仿生物，例如机器蚂蚁、机电蜻蜓，这些特种机器人有的可以像昆虫一样爬行，有的可以像鸟儿一样飞翔，去采集信息、收集情报。

（2）根据人的编程能自动的工作。

这里包括两点重要内容，第一是“编程”，其意是指：无论机器人的结构是简单还是复杂，也无论机器人的功能是高级还是普通，都有一定的程序在体内控制着机器人。人们可以通过编程，即通过对程序的编写和修改，来改变机器人的行为和动作。也就是说，一个机器人不仅能做一种特定的工作，而且可以通过编写和修改程序以完成很多不同的工作，当然这要受限于机器人的硬件结构。第二是“自动”，其意是指：只要根据工作内容编好程序并输入机器人的控制系统，机器人就会自己去工作，而不需要人一直在旁边控制。当然，做什么工作、怎么做都是按照程序预先设定好的。所以，这两点实际上相互融通，“自动”是通过“编程”来实现的。

（3）都是人造的机器或机械电子装置。

机器人虽然聪明能干，神通广大。但从根本上来看，它仍然是人制造的，仍然是一种机器。正如人们所说的，影响人类历史的事件，固然与政治、战争、革命等密切相关，但更多的是与科学技术的发展和创新息息相关。有时候，一件工具的发明、一项技术的革新，就足以改变人类的命运。计算机的发明与普及化应用就充分证实了这一点。而机器人，这一被认为将“重演计算机崛起史”的新发明，对人类社会产生的冲击与促进将会更加巨大和更加明显。机器人自命名之日起，就引发了它是否最终会取代人类、消灭人类的争论。随着机器人应用的好处越来越明显，机器人应用的场合越来越普遍，以及机器人应用的数量越来越惊人，研究如何让机器人更好地与人类相处、更好地为人类服务，而不是试图爬上生物链的顶端，奴役人类，甚至消灭人类，成为人们日益关心的热点[27]。

科幻作家们在这个问题上再次挺身而出，作出贡献。1950年，美国著名科幻大师艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在短篇小说集《I, Robot》（2004年被拍摄成影片《机械公敌》，如图1-29所示）中提出了著名的机器人三定律[28]。

（1）A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm[29].

机器人不得伤害人类，或袖手旁观坐视人类受到伤害。

（2）A robot must obey orders given it by human beings except where such orders would conflict with the First Law.

除非违背第一定律，否则机器人必须服从人类的命令。

（3）A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law.

在不违背第一和第二定律的情况下，机器人必须尽力保护自己。

虽然开始时这只是科幻作家们在小说里描述的“信条”，但后来却正式成为机器人发展过程中科研人员必须遵守的研发原则。

在阿西莫夫之后，人们不断对机器人定律提出补充条款和修正意见，试图为保证机器人不伤害人类而制作出滴水不漏、完美无缺的约束。

元原则：机器人不得实施行为，除非该行为符合机器人原则。

第零原则：机器人不得伤害人类整体，或者因不作为致使人类整体受到伤害。

第一原则：除非违反高阶原则，机器人不得伤害人类个体，或者因不作为致使人类个体受到伤害[30]。

第二原则：机器人必须服从人类的命令，除非该命令与高阶原则抵触。

第三原则：如不与高阶原则抵触，机器人必须保护上级机器人和自己的存在。

第四原则：除非违反高阶原则，机器人必须执行内置程序赋予的职能。

繁殖原则：机器人不得参与机器人的设计和制造，除非新机器人的行为符合机器人的原则。

为机器人量身打造的行为准则看起来堪称完美，但是诸如“人类的整体利益”这种混沌的概念，连人类自己都搞不明白，更不要说那些用0和1来想问题的机器人了[31]。机器人没有问题，科技本身也不是问题，人类逻辑的极限和伦理的缺陷才是真正的问题。因此，如何将这些准则落实成一行行严密的代码输入到机器人中去，是一项艰巨、复杂的工程。至于机器人到底会不会取代人类这个问题，恐怕现在没人能说得清楚。目前，社会主流意识还是认为应该支持机器人的研发和应用，同时机器人研究者们还在继续为机器人制定切实可行的机器人定律而努力。

现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器[32]。联合国标准化组织给机器人下的定义是：“机器人是一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”

参考各国、各标准化组织的定义，人们可以认为：机器人是一种由计算机控制的可以编程的自动化机械电子装置，它能感知环境，识别对象，理解指示，执行命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能按照操作程序来完成任务。

经过多年的发展，机器人目前已经成为多种类、多功能的庞大家族，大到身高体壮，能够力举千钧；小到纤细无比，能够进入血管；上到翱翔太空，九天揽月；下到潜入深海，五洋捉鳖；它既可在工业生产中兢兢业业高质量地完成任务，也可走入寻常百姓家温情款款地端茶递水。

从应用环境考虑，机器人家族可分为工业机器人和特种机器人两大类[33]。工业机器人（见图1-30）是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人；特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括探测机器人（见图1-31）、服务机器人（见图1-32）、水下机器人（见图1-33）、娱乐机器人（见图1-34）、军用机器人（见图1-35）、机器人化机器（见图1-36）等。

1.2.2 机器人的分类

目前，世界上已经有了上万种机器人，这些机器人形状各异、功能不同。关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按发展时代分，有的按仿生类型分，有的按几何结构分，有的按运动方式分，有的按驱动原理分，有的按应用领域分，这里只介绍两种分类方式。

1．按发展时代分类

（1）示教再现型机器人。

这是第一代机器人，英文叫Teach-in and playback。它是通过一个计算机来控制一个多自由度的机械，操作人员预先给出机器人的运动轨迹，与此同时机器人把这个过程对应的信息记录下来，这个过程称为“示教”[34]。当机器人工作时，把先前记录下来的信息读取出来，控制机器人准确地重复这种运动轨迹，这个过程叫作“再现”。例如，汽车生产线上布置的点焊机器人，人们只要预先把如何点焊的过程示教完毕以后，那么点焊机器人就会一直重复这一动作，不知疲劳，不感厌烦。它对于外界的环境没有感知功能，至于这个工件焊得好不好，它不知道，也没有办法去知道。第一代机器人就存在着这种缺陷。

（2）感觉判断型机器人。

为了克服第一代机器人缺乏感知功能的缺点，人们开始研究第二代机器人，即能够感觉外界环境的感觉判断型机器人[35]。该机器人具有类似人或生物的某种感觉功能，如力觉、触觉、视觉、听觉、接近觉等，能感知特定的外界环境信息，并根据这些信息，通过控制系统内已经编好的程序，就可以判断自己下一步要做什么。也就是说，机器人具有一些对外部信息进行反馈的能力。例如，在点焊机器人上装备可以探测焊接质量的传感器，控制机器人在焊完一个点之后进行质量检查，如果没有焊好就进行补焊，那么这种机器人就可以称之为感觉判断型机器人。

（3）智能机器人。

对于这种机器人，目前还没有一个统一和完善的定义。国外文献中对它的解释是“可动自治装置，能理解指示命令，感知环境，识别对象，计划其操作程序以完成任务”[36]。智能机器人是人们所追求的机器人理想最高阶段的产物，只要告诉机器人做什么，不用告诉它怎么做，它就能自动完成这项工作[37]。也就是说，只要告诉机器人工作目标，它就能自动构建中间过程而直达目的。目前这类机器人还只是在某些方面表现出低水平的智能，离真正完整意义上的智能机器人还比较遥远[38]。

2．按几何结构分类（如图1-37）

机器人的机械配置形式五花八门、多种多样。机器人的结构形式可用其坐标特性来描述。这些坐标结构包括直角坐标结构、柱面坐标结构、球面坐标结构和垂直多关节坐标结构以及水平多关节坐标结构等，如图1-37所示。

（1）直角坐标结构。

直角坐标结构又称笛卡儿坐标结构，它具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的2或3个独立自由度确定其手部的空间位置[39]。其工作包迹（动作区间）为长方体。

（2）柱面坐标结构。

柱面坐标结构主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成[40]。水平机械手安装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）在底座上移动，这种机器人的工作包迹形成一段圆柱面。

（3）球面坐标结构。

球面坐标结构就像坦克的炮塔一样，机械手能够做里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动[41]。这种机器人的工作包迹形成球面的一部分。

（4）垂直多关节坐标结构。

垂直多关节坐标结构由底座（或躯干）、上臂和前臂构成[42]。上臀和前臂可在通过底座的垂直平面上运动。在前臂和上臂间，机械手有个肘关节；而在上臂和底座间，有个肩关节。在水平平面上的旋转运动既可由肩关节进行，也可以绕底座旋转来实现。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，也称多关节球面机器人。

（5）水平多关节坐标结构。

水平多关节坐标结构具有串联配置的两个能够在水平面内旋转的手臂，动作空间为一个圆柱体[43]。