第1章 工业机器人概述

1.1 机器人的产生与发展

1.1.1 机器人产生及定义

1.概念的出现

机器人（Robot）自从1959年问世以来，由于它能够协助和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，因此其发展较迅速。随着人们对机器人研究的不断深入，已逐步形成了 Robotics（机器人学）这一新兴的综合性学科，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持技术。

机器人（Robot）一词源自于捷克著名剧作家Karel Čapek（卡雷尔·恰佩克）1921年创作的剧本Rossumovi univerzální roboti（《罗萨姆的万能机器人》，简称R.U.R），由于R.U.R剧中的人造机器被取名为 Robota（捷克语，即奴隶、苦力），因此，英文 Robot 一词开始代表机器人。

机器人概念一经出现，首先引起了科幻小说家的广泛关注。自20世纪20年代起，机器人成为很多科幻小说、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：

0原则：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。

二战期间（1938—1945），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，在1947年，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，他在1954年申请了专利，并在1961年获得授权。1958年，美国著名的机器人专家Joseph F.Engelberger （约瑟夫·恩格尔伯格）建立了Unimation公司，并利用George Devol的专利，于1959年研制出了图1.1-1所示的世界上第一台真正意义上的工业机器人Unimate，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作出了杰出的贡献，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了快速发展。据有关方面的统计，目前世界上至少有48个国家在发展机器人，其中的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，无论在基础研究方面还是产品研发、制造方面都居世界领先水平。

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，对于机器人，世界各国标准化机构，甚至同一国家的不同标准化机构，至今尚未形成一个统一、准确、世所公认的严格定义。

例如，欧美国家一般认为，机器人是一种“由计算机控制、可通过编程改变动作的多功能、自动化机械”。而日本作为机器人生产的大国，则将机器人分为“能够执行人体上肢（手和臂）类似动作”的工业机器人和“具有感觉和识别能力、并能够控制自身行为”的智能机器人两大类。

客观地说，欧美国家的机器人定义侧重于其控制方式和功能，其定义和现行的工业机器人较接近；而日本的机器人定义，关注的是机器人的结构和行为特性，且已经考虑到了现代智能机器人的发展需要，其定义更为准确。

作为参考，目前在相关资料中使用较多的机器人定义主要有以下几种。

（1）International Organization for Standardization（ISO，国际标准化组织）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机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，执行各种任务”。

（2）Japan Robot Association（JRA，日本机器人协会）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”。

（3）NBS（美国国家标准局）定义：机器人是一种“能够进行编程，并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。

（4）Robotics Industries Association（RIA，美国机器人协会）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”。

（5）我国GB/T 12643标准定义：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”。

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，多偏重于工业机器人，但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，它所涵盖的内容越来越丰富，其应用领域和发展空间正在不断延伸和扩大，这也是机器人与其他自动化设备的重要区别。

1.1.2 机器人的发展

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，或在高温、粉尘、有毒、辐射、易燃、易爆等恶劣而危险环境下的作业。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，并在其中某些领域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，人们一般将机器人产品分为以下三代。

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，并进行再现运行。

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一定数量的传感器，它能获取作业环境、操作对象等的简单信息，并通过计算机的分析与处理，作出简单的推理，并适当调整自身的动作和行为。例如，在图1.1-3所示的探测机器人上，可通过所安装的摄像头及视觉传感系统，识别图像，判断和规划探测车的运动轨迹，它对外部环境具有了一定的适应能力。

第二代机器人已具备一定的感知和简单推理等能力，有一定程度上的智能，故又称感知机器人或低级智能机器人，当前使用的大多数服务机器人或多或少都已经具备第二代机器人的特征。

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，作出判断和决策，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，且还能进行踢球、倒饮料、打手语等简单智能动作。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。