第1章 绪论
1.1 概述
机器人是融合了机械电子、自动化、信息科学、人工智能、材料科学、仿生学等领域交叉研究成果的高新技术，已经被广泛应用于国民经济的诸多方面。国际上有舆论认为，机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。国务院在2015年印发的《中国制造2025》战略文件中，将机器人领域列为十大重点领域之一，明确了机器人技术在推进制造强国战略过程中的重要支点作用。本章重点介绍机器人的发展历史、组成、分类、常见图形符号、主要技术参数等内容。
1.2 机器人的概念
机器人是一种能够自动执行任务的机器装置。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来自主执行任务。机器人的任务是协助或代替人类进行工作，例如，机器人可以在工业制造业、医疗服务业或危险行业等场合工作。作为人类在20世纪*伟大的发明之一，机器人技术经过几十年的发展已经取得了显著的成果，并成为先进制造业的关键支撑装备，也是改善人类生活方式的重要切入点。机器人一词起源于科幻小说，然而机器人的完整定义却具有模糊性，并且随着机器人技术及其应用领域的快速发展而不断被修正和补充。
1886年，法国作家维里耶德利尔 亚当(Auguste Villiers de L’isle-Adam)在他的科幻小说《未来的夏娃》(L’Eve Future)中，将外表像人的机器起名为“安德罗丁”(Android)，这些人形机器由四部分组成：
(1)生命系统(平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等)；
(2)造型解质(关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲)；
(3)人造肌肉(在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态)；
(4)人造皮肤(含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等)。
“机器人(robot)”一词*早出现于捷克剧作家卡雷尔 恰佩克(Karel Capek)于1920年发表的科幻戏剧《罗素姆的万能机器人》(Rossums’s Universal Robots)中，其中“Robot”一词是由捷克语“Robota”衍生而来的，原意为“奴隶、劳役、苦工”。
1. 机器人三原则
为了防止机器人伤害人类，美国科幻作家艾萨克 阿西莫夫(Isaac Asimov)于1950年在小说《我是机器人》(I，Robot)中提出了著名的“机器人三原则”。这三条原则如下。
(1)机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸。
(2)机器人必须服从于人的指令，除非这些指令与第一原则相矛盾。
(3)机器人必须能保护自己生存，只要这种保护行为不与第一或第二原则相矛盾。
这些原则给机器人社会赋予了伦理性纲领，并使机器人概念通俗化，也成为研究者和设计制造厂商开发机器人的基本准则。
2. 机器人的定义
目前，国际上比较认可的机器人定义有以下几种。
(1)美国机器人工业协会的定义：机器人是“一种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操作机，可以用于搬运各种材料、零件、工具或专用装置”。这个定义已被国际标准化组织采纳。
(2)日本工业机器人协会的定义：工业机器人是“一种能够执行与人体上肢类似动作的多功能机器人”，智能机器人是“一种具有感知和识别能力，并控制自身行为的机器”。
(3)国际标准化组织的定义：机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能；机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。
(4)中国国家标准GB/T 12643—2013对工业机器人的定义：工业机器人是“自动控制的、可重复编程、多用途的操作机，可对三个或三个以上轴进行编程，它可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用”。
1.3 机器人的发展历史
1.3.1 古代机器人的发展
早在三千多年前，人类对机器人的构思就已经萌芽。据《列子 汤问篇》记载，我国西周时期流传着偃师造人的典故。能工巧匠偃师为周穆王设计了一种能歌善舞的人形机械——伶人(木甲艺伶)，其举手投足如同真人一般，是我国*早记录的机器人。据《墨经》记载，我国春秋时期的著名木匠鲁班利用竹子和木料制造出了一只机械鸟，能在空中飞行“三日不下”。据《三国志 诸葛亮传》记载，蜀国丞相诸葛亮发明了能输送军粮的“木牛流马”，其载重量约为两百公斤 ，每日行程为“特行者数十里，群行者二十里”。
公元前2世纪，古希腊人发明了以水、空气和蒸汽压力为动力的人形机器人——“自动机”，可以完成开门和唱歌等动作。1662年，日本科学家竹田近江发明了基于钟表技术的自动机器玩偶，并成功在大阪的道顿堀展出。1738年，法国科学家杰克 戴 瓦克逊为了实现生物功能的机械化，发明了一种具备游泳、鸣响、喝水、进食和排泄功能的机器鸭。1773年，瑞士钟表匠杰克 道罗斯和他的儿子利 路易 道罗斯利用齿轮和发条原理发明了人形自动书写玩偶、自动绘图玩偶和自动演奏玩偶，目前保存在瑞士纳沙泰尔市(Neuchatel)艺术和历史博物馆内。1893年，加拿大科学家摩尔发明了人形“蒸汽人”，其采用蒸汽为动力实现了沿圆周方向的双足行走运动。1927年，美国工程师温兹利发明了机器人“电报箱”，可以实现无线电报的发送、接收以及回答问题等功能。1928年，英国发明家理查兹设计了基于内置马达驱动的人形机器人——“埃里克 罗伯特”(Eric Robot)，该机器人可以完成手部和头部的运动，并且可以通过声频进行远程控制。
1.3.2 现代机器人的发展
1. 国外机器人的发展
20世纪中叶，随着电子计算机技术和自动控制理论等科学技术的发展，现代机器人的研究得到了越来越多的关注。1948年，美国阿贡国家实验室发明了第一代遥操作机械手，可以辅助原子能工作者对放射性材料进行远程操作，避免放射线对人体的辐射伤害。1954年，美国发明家乔治 德沃尔研制出了世界上第一台可编程机器人，并申请了专利保护。该机器人采用伺服技术控制关节运动，并且能实现示教和再现的控制模式。1959年，乔治 德沃尔和被誉为“工业机器人之父”的约瑟夫 恩格尔伯格联合研制了第一台真正意义上的四自由度工业机器人，并创办了世界上第一家机器人公司——Unimation，开创了机器人发展的新纪元。1965年，麻省理工学院的罗伯特斯教授研制出了能通过视觉传感器实现简单物体识别与定位的机器人系统。
20世纪70年代，工业机器人开始进入工业生产的实用化阶段，并在汽车、电子等行业中得到应用，进一步推动了机器人产业的发展与普及。1972年，意大利菲亚特汽车公司(FIAT)和日本日产汽车公司(NISSAN)装备了基于点焊机器人的汽车生产线，提高了生产质量与效率。1973年，德国库卡公司(KUKA)研发出了世界上第一台采用电机驱动的六轴工业机器人。1979年，美国Unimation公司推出了通用六轴工业机器人——PUMA，采用多CPU协同控制，可配置位置传感器、视觉传感器和力觉传感器，并成功应用于汽车装配生产线，这标志着工业机器人技术已经趋于成熟。
进入20世纪80年代以后，随着传感技术、信息处理技术以及人工智能的发展，具有感觉、思考、决策和作业能力的智能机器人开始得到发展，并赋予了机器人技术在工业制造、医疗康复、航空航天、水下探测、社会服务、极限作业、军事国防等诸多领域更宽广的应用空间。1984年，美国艾德普科技公司(Adept Technology)开发出第一台直驱式选择顺应性装配机械臂——SCARA，其采用电力马达直接连接机械臂的方式，省去了齿轮、链条等传动机构，提高了响应速度和控制精度。1989年，麻省理工学院人工智能实验室研制出六足爬行机器人——“成吉思汗”(Genghis)，如图1-1所示，其集成了12个伺服驱动电机和22个传感器，主要用于在地外行星表面的复杂地形上执行探测任务。1996年，美国国家航空航天局(NASA)将火星漫游机器人Sojourner送入太空，如图1-2所示。Sojourner成功在火星表面着陆，搜索了2691平方英尺 的土地，并拍摄了550张照片。1998年，美国直觉外科手术公司(Intuitive Surgical)推出了微创手术机器人——“达 芬奇”(Da Vinci)，如图 1-3所示，通过使用微创的方法实施复杂的外科手术，并获得了美国食品药品监督管理局的使用批准。2000年，日本本田公司研发出了全球*早具备人类双足行走能力的类人形机器人—“阿西莫”(ASIMO)，如图 1-4 所示，可以完成各种人类肢体动作，并可以识别物体、解释手势、辨别声音。2005年，波士顿动力公司(Boston Dynamics)在美国国防部高级研究计划局的资助下研制出了具有强大机动能力的四足仿生机器人——“大狗”(BigDog)，可以用于为部队搬运物资，如图1-5所示。2013 年，波士顿动力公司研发出了人形机器人——“阿特拉斯”(Atlas)，并随后推出了若干升级版本，如图1-6所示。Atlas采用锂电池供电和液压驱动，可以完成跑步、跳跃、后空翻、搬运物品等任务。美国哈佛大学Wyss研究所研发出了可穿戴的软质外骨骼服——Exosuit，能降低穿戴者在行走和跑步过程中的代谢消耗，研究成果登上了著名学术期刊Science 2019年的封面。
图1-1 “成吉思汗”爬行机器人
图1-2 Sojourner火星漫游机器人
图1-3 “达 芬奇”手术机器人
图1-4 “阿西莫”类人形机器人
图1-5 “大狗”四足仿生机器人
图1-6 “阿特拉斯”人形机器人
2. 我国机器人的发展
我国现代机器人学的研究起步较晚，开始于20世纪70年代，大致可以分为四个阶段：70年代的萌芽期、80年代的开发期、90年代的实用化期，以及21世纪以来的产业化期。
1972年，在被誉为“中国机器人之父”的蒋新松院士的领导下，中国科学院沈阳自动化研究所率先开始了我国的机器人研究。随后，北京、哈尔滨、广州、上海、南京等地方的十几所高校和科研院所开始围绕机器人学、控制理论以及机器人关键部件等方向开展研究，并取得了可喜的成果。1982年，我国第一台微机控制示教再现型工业机器人JSS35在广州机床研究所研制成功，并应用于汽车焊接生产线，如图1-7所示。1985年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出我国第一台有缆水下机器人——“海人一号”，并在辽宁旅顺港成功首航，完成了海上实验，如图1-8所示。
图1-7 JSS35工业机器人
图1-8 “海人一号”有缆水下机器人
1986年，工业机器人被列入了国家“七五”科技攻关计划研究重点，目标锁定在工业机器人基础技术研究、基础器件开发以及搬运、喷涂和焊接机器人的开发研究方面。1995年，上海交通大学研制出高性能精密装配智能型机器人——“精密一号”，标志着我国已经具备开发第二代工业机器人的技术水平。2000年，隶属于中国科学院的新松机器人自动化股份有限公司成立，标志着我国机器人开始实现产业化。2005年，中国科学院沈阳自动化研究所在可重构星球探测机器人研究方面取得重大成果，如图1-9所示。2007年，“十一五”863计划将机器人模块化体系结构设计列入先进制造技术领域的重点项目。
2012年底，由于人工成本的快速增高，位于长三角和珠三角等地区的传统制造企业逐渐兴起了“机器人换人”的浪潮，利用机器人对传统生产线进行现代化、自动化、智能化改造，推动科技红利替代人口红利，推动传统制造业实现产业转型升级(
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