机器人学第一章 (概论).doc

第一章 概 论
1.1 机器人技术
一、 机器人的由来
1920年，捷克作家卡雷尔.查培克（Karel Capek）编写了一部幻想剧：《罗莎姆万能罗博特公司》（“Rossum’s Universal Robots”）。剧中描写一家公司发明并制造了一大批能听命于人，能劳动而且形状象人的机器，公司驱使这些人造劳动者进行各种日常劳动，甚至取代了世界各国工人的工作，而进一步的研究竟能使这些机器富有感情，于是导致了它们反抗主人的暴乱。剧中的人造劳动者取名为捷克语Robota，意为“苦力”、“劳役”，英语Robot系由此衍生而来。该剧轰动一时，很快译传国外。此后，种种“人形机器”见之于各类科学幻想作品。
机器人形象的产生充分说明了人类对于先进生产工具的创造性想象和勇敢追求。人们期待着诞生一种通用、柔软、灵活的自动机械，它与单能的传统机器不同，它能模仿人的器官的功能，从事那些只有人才能很好完成的工作。于是，人们这种美好的愿望给科学技术的研究提出了一个深入的课题——用工程的方法实现人体所特有的动作机能，以及完成这些动作所必要的智能。
二、 机器人技术的进程
机器人从幻想世界真正走向幻想世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。
遥控操作器（Teleoperator）和数控机床的出现为机器人的产生准备了技术条件。
二次世界大战期间，在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的遥控操纵器。操纵人员在一层很厚的混凝土防护墙外通过观察，用手操纵两个操纵杆（主动部分），操纵杆与墙内的一对机械抓手（从动部分）通过六个自由度的传动机构相连，于是机械抓手就能复现人手的动作位置和姿态，代替了操作人员的直接操作。1947年，人们对这种遥控操纵器进行改进，采用电动伺服方式，使从动部分能相对于主动部分作跟随运动。
1949年，由于生产先进飞机的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床，把复杂伺服系统的技术与最新发展的数字计算机技术结合起来，1953年研制成功。切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺服轴按照模型的轨迹作切削动作。
1954年，美国的George C. Devol设计并制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文，并获得了专利。Devol巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起，预定的机械手动作一经编程输入后，机械手就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而能完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器内，任务执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。
60年代，机器人产品正式问世，机器人技术开始形成。
1960年，美国的Consolidated Control公司根据Devol的专利研制出第一台机器人样机，并成立Unimation公司，定型生产了Unimate（意为“万能自动”）机器人。同时，美国“机床与铸造公司”（AMF）设计制造了另一种可编程的机器人Versatran（意为“多才多艺”）。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其它发达工业国家为之倾倒。于是Unimate和Versatran作为商品开始在世界市场上销售，日本、西欧也纷纷从美国引进机器人技术。
在机器人崭露头角于工业生产的同时，研究领域不断地把机器人技术引向深入发展。1961年，美国麻省理工学院Lincoln实验室把一个配有接触传感器的遥控操纵器的从动部分与一台计算机连结在一起，这样形成的机器人可以凭触觉决定物体的状态。随后，用电视摄像头作为输入机理的计算机图像处理、物体辩识的研究工作也陆续取得成果。1968年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J.McCarthy等人研究了新颖的课题：研制带有手、眼、耳的计算机系统。于是，智能机器人的研究形象逐渐丰满起来。
70年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为专门的学科。
1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行。工业机器人各种卓有成效的实用范例促成了机器人应用领域的进一步扩展，同时，又由于不同应用场合的特点，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。而随后的大规模集成电路技术的飞跃发展及微型计算机的普遍应用，则使机器人的控制性能大幅度地得到提高，成本不断降低。于是，导致了数百种类的不同结构、不同控制方法、不同用途的机器人终于在80年代以来真正进入了实用化的普及阶段。
经过几十年的发展过程，机器人技术终于形成了一门综合性学科——机器人学（Robotics）。一般地说，机器人学的研究目标是以智能计算机为基础的机器人的基本组织和操作，它包括基础研究和应用研究两方面内容，研究课题有：（1）机械手设计（2）机器人运动学、动力学和控制（3）轨迹设计与规划（4）传感器（5）机器人视觉（6）机器人控制语言（7）装置与系统结构（8）机械智能等。由于机器人学综合了力学、机械学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能、系统工程等多种学科领域的知识，因此，也有人认为机器人学实际上是一个可分为若干学科的学科类。
1.2 机器人的定义与分类
一、 机器人的定义
国际上，关于机器人的定义主要有如下几种：
（1） 英国牛津字典的定义：“机器人是貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。
（2） 美国机器人协会（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，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。
（3） 日本工业机器人协会（JIRA）的定义：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（end effector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。
（4） 美国国家标准局（NSB）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些操作和移动作业任务的机械装置”。
（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机械手，这种机械手有几个轴，能够借助于可编程序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”。
（6） 我国中科院沈阳自动化研究所的蒋新松院士将机器人定义为：“机器人是一种拟人功能的机械电子装置（a mechantronic device to imitate some human funtions）”。
上述各种定义有共同之处，即认为机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作（2）具有智力或感觉与识别能力（3）是人造的机器或机械电子装置。随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。
二、 机器人的分类
机器人的分类方法很多。主要有以下几种分类方法，即按机器人的几何结构、机器人的控制方式以及机器人的信息输入方式来分、按机器人的智能程度分、按机器人的用途分等。
1. 按机器人的几何结构来分
机器人机械手的机械配置形式多种多样。最常见的结构形式是用其坐标特征来描述的。这些坐标结构包括笛卡尔坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。
2. 按机器人的控制方式分
按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。
（1） 非伺服机器人（non-servo robots）。
非伺服机器人工作能力比较有限，它们往往涉及那些叫做“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是“有限顺序”机器人。这种机器人按照预先编制好的程序顺序进行工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人机械手的运动；其工作原理如图？？所示。图中，插销板用来预先规定机器人的工作顺序，而且往往是可调的。定序器是一种定序开关或步进装置，它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源。驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和抓手等装置运动。当它们运动到由终端限位开关所规定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器送去一个“工作任务业已完成”的信号，并使终端制动器动作，切断驱动能源，使机械手停止运动。
（2） 伺服控制机器人（servo-controlled robots）。
伺服控制机器人比非伺服控制机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，而且在某些情况下不如简单的机器人可靠。其工作原理如图？？所示。伺服系统的被控制量（即输出）可为机器人端部执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置（如给定电位器）的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用于激发机器人的驱动装置，进而带动末端执行装置以一定规律运动，达到规定的位置或速度等。显然，这就是一个反馈控制系统。
伺服控制机器人又可分为点位伺服控制和连续路径（轨迹）伺服控制两种。
l 点位伺服控制机器人
点位伺服控制机器人能够在其工作包迹内精确地编入程序的三维点之间的运动。一般只对其端点进行示教，而且机器人以最快的和最直接的路径从一个端点移到另一个端点。可把这些端点设置在已知移动轴的任何位置上。点与点之间的操作总是有点不平稳，即使同时控制两根轴，它们的运动轨迹也很难完全一样。因此，点位伺服控制机器人用于只有终端位置是重要的而对编程点之间的路径和速度不作主要考虑的场合。
点位伺服控制机器人的初始化程序比较容易设计，但不易在运行期间对编程点进行修正。由于没有行程控制，所以实际工作路径可能与示教路径不同。这种机器人很大的操作灵活性，因而其负载能力和工作范围均名列前茅。液压装置是这种机器人系统最常用的驱动装置。
l 连续路径（轨迹）伺服控制机器人
连续路径（轨迹）伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径，其轨迹往往是某条不在预编程端点停留的曲线路径。因此这种机器人特别适用于喷漆作业。
连续路径（轨迹）伺服控制机器人具有良好的控制和运行特性，其数据是依时间采样的，而不是依预先规定的空间点采样。这样，就能够把大量的空间信息存储在磁盘或光盘上。这种机器人的运行速度较快，功率较小，负载能力也较小。喷漆、弧焊、抛光和磨削等加工是这种机器人的典型应用场合。
3. 按机器人控制器的信息输入方式分
采用这种分类法进行分类时，对于不同国家，也略有不同，但它们能够有统一的标准。这里主要介绍日本工业机器人协会（JIRA）、美国机器人协会（RIA）和法国工业机器人协会（AFRI）所采用的分类法。
（1） JIRA分类法
日本工业机器人协会把机器人分为六类：
① 手动操作手，是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的加工装置。
② 定序机器人，是按照预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手，其预定信息（如工作步骤等）难以修改。
③ 变序机器人，它与第2类一样，但其工作次序等信息易于修改。
④ 复演式机器人，这种机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现原先由人示教的动作。这些动作能够被自动地重复执行。
⑤ 程序机器人，操作人员并不是对这种机器人进行手动示教，而是向机器人提供运动程序，使它执行给定的任务。其控制方式与数控机床一样。
⑥ 智能机器人，它能够采用传感信息来独立检测其工作环境或工作条件的变化，并借助其自我决策能力，成功地进行相应的工作，而不管其执行任务的环境条件发生了什么变化。
（2） RIA分类法
美国机器人协会把JIRA分类法中的后四种机器当作机器人。
（3） AFRI分类法
法国工业机器人协会把机器人分为四种型号：
① 第1类，手控或遥控加工设备
② 包括第2类和第3类，具有预工作周期的自动设备。
③ 包括第4类和第5类，程序可编和伺服机器人，具有点位或连续路径轨迹，称为第一代机器人
④ 第6类，能获取一定的环境数据，称为第二代机器人。
4. 按机器人的智能程度分
（1）一般机器人，不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能。
（2）智能机器人，具有不同程度的智能，又可分为：
① 传感型机器人
具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。
② 交互型机器人
机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话，实现对机器人的控制与操作。
③ 自主型机器人
在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。
5. 按机器人的用途分
（1） 工业机器人或产业机器人，应用在工农业生产中，主要应用在制造业部门，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品加工等作业。
（2） 探索机器人，用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探险和探索。
（3） 服务机器人，一种半自主或全自主工作的机器人其所从事的服务工作可使人类生存得更好，使制造业以外的设备工作得更好。
（4） 军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。它又可分为空中军用机器人、海洋军用机器人和地面军用机器人，或简称为空军机器人、海军机器人和陆军机器人。
6. 按机器人移动性分
（1） 固定式机器人
固定在某个底座上，整台机器人（或机械手）不能移动，只能移动各个关节。
（2） 移动机器人
整个机器人可沿某个方向或任意方向移动。这种机器人又可分为轮式机器人、履带式机器人和步行机器人，其中后者又有单足、双足、四足、六足和八足行走机器人之分。
1.3 工业机器人
工业机器人是一类根据预先编制在存储装置内的操作程序，自动地重复进行作业的机器人，因而也称为重复型机器人（Repeatable Robot）。
机械手
记忆、示教
装置

控制装置

驱动装置
传感器
图1-1 工业机器人的系统构成
一、系统构成
工业机器人的系统构成如图1-1所示。
工业机器人的本体主要是一只类似于人的上肢功能的机械手臂，或者是无关节结构，或者是关节式结构。如果要在三维空间对物体进行作业，一般需要六个自由度，即沿笛卡尔坐标三轴的直线移动及绕三个轴的转动。
工业机器人直接操作对象的是机械手末端的手爪（亦称End Effector），它随对象物的形状和材料不同而制成各种各样，例如用以夹持工件的无指手掌，用以抓取棒料的有指手爪（一般为二指，有关节或无关节），用以吸附平板的真空吸盘或电磁吸盘，用以吊挂重物的钩爪等。
早期的工业机器人的示教、记忆、控制装置利用凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机电元件构成，而80年代的工业机器人则主要使用微处理机系统综合实现上述装置的功能。驱动装置最为普遍的是伺服电机，大型作业的机器人往往使用液压传动。较为简单的或要求防爆的机器人可采用气动执行机构。
工业机器人的传感器包括外部信息传感器和内部信息传感器。外部信息传感器用以检测、判断工作对象的位置、形状、接触状态等，例如从各种原理的接触开关到完善的视觉、触觉处理系统。内部信息传感器是指机器人驱动系统中的反馈控制信号检测元件。
二、控制方式
使用机器人以前，操作人员通过示教装置把作业内容编成程序，输入到记忆装置。从外部发出启动命令后，机器人从记忆装置中读出信息，并送到控制装置，发出控制信号，由驱动机构控制机械手，（在一定的精度范围内）按照记忆装置中的内容完成给定的动作。如果再次启动，机器人将重复上述作业。
1．控制信息
机器人控制中必须有三种信息。
① 顺序信息，即机器人各种单元动作的先后次序，其中包括机器人对外围设备（如传送带、焊接机等）作业条件的检测、设定等步骤。
② 位置信息，即机器人应达到作业空间各点的坐标值，其中包括手爪在到达点的姿态。
③ 时间信息，即机器人各顺序步所用的时间，这也可表示为机器人完成各动作的速度。
控制过程中的示教、存储和再现都围绕这三种信息进行。
2．示教、存储和再现
① 示教是使机器人按照人的要求进行操作，由人把控制信息分离地或集中地输入到机器人中的过程。示教方法有两种，一种是直接示教方式，即操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹，这时，顺序、位置和时间三种信息可以做到综合示教。另一种是间接示教方式，即操作人员通过操作手动控制盒上的按键，编制机器人的动作顺序，确定位置、设定速度或限时。这种方式中三种信息的示教一般是分离进行的。在计算机控制的情况下，用特定的语言编制示教程序，实际上是一种间接示教方式，其中位置信息往往仍需通过手动控制盒设定。
② 存储是指在必要的期限内保存示教的信息。存储容量的大小决定机器人完成作业的复杂程度。存储方式也分为分离存储和集中存储两种。集中存储控制信息适于存储量大的复杂作业。分离存储方式可将三种控制信息单独存放在不同的装置里，它要求分离示教，这使示教复杂，但便于再现时灵活组合控制信息。
图1-2 PUMA 560 机器人
③ 再现是指根据需要读出存储信息，向执行机构发出具体指令。相应于集中存储方式，再现时只是“原样照搬”，而对于分离的存储方式，再现时就可根据外部传感器的输出信号或通过人工干预改变动作顺序，这使机器人对于工作环境的变化具有一定的适应性。
④ 操作是根据再现时所发出的一条条指令，驱使机器人的各个自由度产生相应的动作，最终使机器人手爪从空间一点移动到另一点。
三、PUMA机器人
机器人本体
main body
控制器
controller
终端
CRT
终端
TTY
输入/输出模块
I/O module
软盘
floppy disk
控制器
controller
图1-3 PUMA机器人系统构成
PUMA（Programmable Universal Manipulator for Assembly）系列机器人是一类先进的计算机控制工业机器人。它是美国Unimation公司的最新产品，后转产日本、德国等国家。适用于传送、焊接、装配、堆放等多种作业，畅销于世界。图1-2为PUMA 560 机器人。
以日本川崎重工业公司生产的PUMA 560型机器人为例，机器人的系统构成如图1-3所示。
机器人本体为一台六自由度关节型电动机械手臂。各关节旋转范围分别为：JT1（“腰”），320°；JT2（“肩”），250°；JT3（“肘”），270°；JT4（“腕”1），280°；JT5（“腕”2），200°；JT6（“腕”3），520°。作业空间达0.8m2。负重在动态时为2.5kg，静态时为6kg。最大速度0.5m/s。重复精度为±0.1mm。机械手腕部可配置两指（无关节）气动开闭手爪或其它选件。
PUMA系列机器人的控制器由以集成电路LSI-11为CPU的专用微处理机系统以及各关节的伺服控制电路组成，其中RAM容量为8Kw。PUMA机器人的最大特点是配有一个兼有控制运算与编程语言功能的VAL软件系统，可用以进行离线或联机编程，对机械手进行实时控制。
PUMA机器人的示教控制方式有直接与间接两种方法。使机械臂处于“free”状态后，各关节自由松弛，操作人员可一边带动机械手按需要的轨迹移动，一边按动示教盒上的“Record”按钮，VAL控制系统自动记录按动按钮时机器人手腕的坐标位置，同时，自动编辑运动过程的程序。操作人员也可运用VAL系统的编辑功能间接编制运行程序，经CRT终端键入计算机，随即运行，或存入软盘，需要时输入。但程序中的位置变量一般则是另外通过手动控制机械手实际地设定赋值的，示教盒上有相应的按钮能操纵机器人相对于“Joint”坐标系、“World”坐标系或“Tool”坐标系运动。
VAL系统对于位置控制采用两种轨迹插补方式。关节插补运动（Joint interpolation motion）：根据当前位置点与下一位置点间坐标差值，按照一定的算法，给每个关节分配应变化的角度。各关节同时转动，以不同的速度同时到达。机器人手爪端部轨迹为一复杂的曲线。直线插补运动（Straight line motion）：实际上是将两点间的直线轨迹分成很小的间隔，然后再对各个关节的角度变量进行复杂的变换运算。其中必须保证各插补点附近轨迹要平滑，即速度和加速度的连续性。对于复杂曲线的连续轨迹要求，可以设定足够多的关键点，再运用直线插补运动得到实现。对于焊接等作业，VAL系统也有专门的指令调用生成圆弧轨迹的子程序。
1.4 操纵型机器人
操纵型机器人是一类由人操纵进行工作的机器人。
操纵型机器人工作系统实际上是一种人机系统。操纵人员处于联机控制回路之中。一方面操纵人员在工作中不停地向机器人发送操作指令，在智能和适应能力方面辅助机器人完成复杂的作业；另一方面，机器人把操作对象和作业环境的状态直接地或间接地（通过监视装置）反馈给操纵人员，作为操纵人员控制机器人行为的根据。这样，人与机器人之间相互传递信息的问题就成为操纵型机器人的研究重点。
操纵型机器人的控制方式实际上是用“操纵”代替了工业机器人的“示教”方式。简单的操纵型机器人的动作可以看作是处于示教阶段的直接示教工业机器人的动作。复杂的操纵型机器人具有适应控制方式，即操纵人员只给予“宏指令”，并不指示机器人的动作细节，机器人能根据本身的认识、学习机能自动适应作业情况。这种操纵型机器人接近于智能机器人。
操纵型机器人既具备机器人的一般结构和性能特点，而又不能离开人的操纵，这完全是因为它具有特定的应用需要。
操纵型机器人大体分为以下两种类型。
1．能力扩大式机器人
这种机器人用于扩大人的体力和活动范围，或弥补人的肢体功能，例如装着式机器人和各种人工假肢等。
装着式机器人也称“体外骨骼（Exoskeleton）”。这种装置往往有几十个关节和相应的电动或液动机构。它们“披挂”或装定在人体身上，数倍或数十倍地“放大”各个部位的动作力量，代替人从事体力工作，执行机构同时配有力传感器，使操纵者感觉到操作对象的反作用力，调整控制作用。
为伤残者研制的各种动力假手是典型的操纵型机器人。假手结构是一种关节式机械手臂，自备驱动源，以便按照需要适当增加自由度。大脑皮质运动中枢产生的兴奋脉冲传到截肢端部的肌肉，假手的控制信号就来源于肌肉做机械伸缩的“应变”信号，或者肌肉在兴奋脉冲到达时产生的“肌电位”信号。假手装着者可以用眼睛监视调整假手的动作，而假手也可以配备人工触觉装置，向皮肤感觉系统反馈动作过程中受到的刺激。
机器人的手是为了代替人手的工作而研制的。因此，假手和机器人，两者的最终目标是一致的。而且，假手既然要“以假乱真”，它的运动轨迹、动作姿态就需要自然、美观、协调。因此，它不但要用到一般机器人的基本技术，而且控制性能方面还有着许多独特的研究课题。多年来，动力假肢在福利事业的促进下已形成了一个专门的研究方向。
2．遥控机器人
这种机器人一般用于特殊的作业环境，例如：放射性物质、真空、有毒气体等隔离工作情况；造船、铁塔、建筑等危险工作条件；特别是宇宙、海洋开发用的探查工作环境。
前苏联1970年向月球发送了“月球探测器1号”机器人，进行土壤分析、摄影、观测等任务，如果碰到石头，可自行拒绝地面人员的挖土命令。美国由“阿波罗12号”向月球发送了“探测者3号”机器人，它在空中实验室操作人员的控制下伸出约1.5米的机械手，采集月球岩土样品，在实验室中进行化验，把结果发回地球。
用于海洋开发的遥控机器人实际上是安上了机械手、足、眼等器官的深水作业机器。美国建造的“可控水下回收装置”Curv和“海洋机器人”Mobot，装有作为视觉用的声纳和摄象机，作为听觉的水听器，检测方向用的陀螺罗盘等。它的机械手通过电缆按照岸上观测站的指令进行动作，曾在西班牙海域回收了掉入海底的核弹头。这是一种“无人有缆”的机器人。另外，还有“有人无缆”的情况，操作人员在机器人——深海调查船内操纵多个机械手从事搬运物体和照相摄影等作业。
遥控机器人，特别是远距离操纵的机器人，由于作业环境的复杂，以及与人的通讯联系方面的困难，正在由简单遥控式、监控式，向智能式的方向发展。
1.5 智能机器人
智能机器人是这样一类机器人：机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立地决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。
智能机器人即所谓的“第三代机器人”，它与工业机器人是两种可以同时并存的自动机械，但它的研究目标在于从工程上模拟人（或其它生物体）的复杂动作及其相应的智能行为，并获得综合的机器实现。因此智能机器人是工业机器人从无智能发展到有智能、从低智能水平发展到高度智能化的产物。它更接近于人们事先对于“机器人”的理想要求。
智能机器人应该具备四种机能：
l 运动机能——施加于外部环境的相当于人的手、脚的动作机能。
l 感知机能——获取外部环境信息以便进行自我行动监视的机能。
l 思维机能——求解问题的认识、推理、判断机能。
l 人机通讯机能——理解指示命令、输出内部状态，与人进行信息交换的机能。
由此可见，智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界——对象、环境和人相互协调的工作机能。
从控制方式上看，智能机器人不同于工业机器人的“示教—再现”以及操纵机器人的“操纵”，而是一种“认知—适应”的方式。
一、机器人的硬件系统
根据研制目的的不同，智能机器人的系统构成不尽一致，比较完整的典型结构如图1-4文字、图形
声音信号
声音信号
触觉、接近觉信号
本体移动
触觉信号
关节动作
图像信号
摄像头运动

中央计算机
图像处理计算机
图1-4 智能机器人的硬件系统
运动控制计算机
运动控制计算机
声音识别计算机
声音合成计算机
显示控制计算机
电视摄像装置
机械手
移动机构
话筒
扬声器
显示终端
环境和对象

人
所示。
由图可见，智能机器人的系统综合运用了多种智能模拟技术，其目标是建立一个“人”的模型。
眼——电视摄像装置和图像处理机。“看”和“动”相互关连，是人使用最频繁的基本动作。机器人的视觉是它最主要的感知手段。视觉装置可获取目标物的明暗、距离和颜色三种信息，据以识别它们的形状、姿态、位置、色别等特征参数。
手——多关节机械手、多关节机械手指及其控制系统。与工业机器人相比，智能机器人的手一是需要增加自由度，二是需要配备接触觉、压觉、滑觉、力觉等感觉以便产生柔软、灵活、可靠的动作，完成复杂作业。而且触觉信息本身就可用来配合或代替视觉识别物体。
脚——车轮、连杆式、履带式或爬行式的机构及其控制系统。本体可以自由地“摸索”移动，这是智能机器人与传统的自动机械的一大区别，这可使它在人难以达到的地方完成作业，还可使它获得第一性的环境认识信息。
耳和口——话筒和扬声器以及语音识别和合成系统。两者用于人机之间的听觉通讯，能以自然语言与人会话，将使人机联系大为通畅，这是机器人的智能水平极高的表现。显示终端或者用于文字、图形的视觉通讯，或者用于机器人专用计算机语言的运行。智能机器人专用语言的高级形式接近于人的自然语言，要求具有沟通人与机器人的思维方式的功能，这是目前研究价值最实际的通讯手段。
脑——中央计算机。整个智能机器人的结构是一个多级计算机系统。中央计算机担负着运动、感知、思维、人机通讯这四种机能所涉及到的信息处理和管理控制任务。它必须：具有大容量内存，以便建立包括环境模型，对象数据、推理机制等内容的知识库；具有并行实时处理能力，以便改善下属各子系统之间存在的时间不平衡性，求得协调行为的高速实现。即使如此，理想的智能机器人对于用现有的顺序型冯.诺曼计算机作为“脑”仍感不足，而是寄希望于以非顺序型理论为基础的第五代计算机。其原因就在于智能计算机需要一套“第五代”计算机可配备的人工智能软件系统。
二、能机器人的软件系统
智能机器人的软件系统（如图1-5所示）实际上就是人工智能主要技术对于机器人的综合运用。
图1-5 智能机器人的软件系统
管理控制

知识库
语言处理
问题求解
感觉识别
运动控制
人
环境和对象
机器人问题求解称之为机器人规划，即要求机器人自动寻求控制动作的某种有序组合，把初始的作业状态转变成满足一定条件的目标状态，所求得的动作序列叫做规划的解。例如把分散放置的零件组装成某个部件，穿行障碍物到达某个目的地都属于规划问题。监督、调整已知规划的实际执行过程也是机器人规划系统应有的功能。
自然语音与书面文字都是自然语言处理的对象。语音的识别与合成固然要涉及到信息处理的各种方法，但语言处理的关键是对语句（声音或文字）的语义理解；这需要先对语句的结构进行分析，然后抽取其中的“意义”信息并加以表示，最后做到能对语句作出解释，回答有关的问题，或者把它们翻译成其它语言。
视觉与触觉的识别手段不同，但共同的问题也都在于“理解”，机器人的感觉装置只是获取、处理景物的各种特征信息，（例如，物体的边缘、形状等），而最终目标是要建立起景物的“模型”，即把感受数据压缩为一种容易处理的、明确而有意义的描述（例如，景物中的物体是什么，处于什么状态，相互关系如何等）。
知识库是智能机器人软件系统的核心。人工智能问题中所谓知识，通常是指描述各种客观环境、对象、条件的，组织成一定结构的“数据”，以及解释、运用这些“数据”的，反映有关领域客观规律或主观判断过程的推理机制。于是，机器人规划问题中对于状态和控制动作的表示，以及寻求规划的解的搜索与推理过程，自然语言理解问题中建立句法、语义“词典”及其检索、推理的过程，感觉识别问题中描述预期的景物模型及其与假设模型的匹配判断过程等等，都要依赖于知识库的功能，牵涉到知识获取、知识表示以及如何使用知识的方法。
机器人的运动控制问题的特点在于机器人具有复杂的机械结构。例如，多关节的机械手需要建立多个坐标系统，进行复杂的坐标变换运算，而处于动态过程中的各个关节还存在着非线性参数、相互耦合等问题，这需要采用近似而有效的轨迹控制方法。对于步行式的机器人移动机构，则需要解决运动稳定性问题，手、脚协调控制问题。
总之，软件系统是机器人的“生命”，体现了机器人的“智能”，上述问题求解、自然语言处理和感觉识别等技术，都是人工智能学科中的主要课题。随着研究的进步，智能机器人软件系统必将逐步完善、逐步实用。
1.6 我国机器人发展战略与思考
1.6.1 引言
随着知识经济时代的到来，高技术已经成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到各国政府的重视。一些发达国家不惜投入重金进行机器人研究。目前，日本正在实施人型机器人计划，该计划为期5年，分为两个阶段，第一阶段1998年-1999年，第二阶段2000年-2002年，总投资200亿日圆，这也是它的第三个机器人计划。日本的第一个机器人计划是1983年启动的“极限作业机器人”计划，为期8年，总投资155亿日圆，研究开发在核辐射、水下和灾害环境下工作的机器人。第二个机器人计划是1991年启动的为期10年的“微机械技术”开发计划，该计划总投资250亿日圆。美国相比较而言更重视军用机器人的研究，美国国防部最近公布的“无人地面车辆总计划”从2000财年-2003财年，4年投资1亿多美圆。在美国，地面军用机器人投资与水下机器人、空间机器人和空中机器人相比是最少的。空中机器人也叫无人机，美国国防部自1993年以来花在无人机上的费用已达25亿美圆，而且1999-2003财年的5年中还将投入20亿美圆用于无人机的研制与采购。美国市场调查表明，未来10年中无人机的销售将以12.2%的速度增长。1998年的无人机市场为20多亿美圆，到2008年将达到70亿美圆。我国政府也非常重视机器人的研究，早在七五期间就开始了工业机器人和水下机器人的攻关计划，并取得了一定的成绩。1986年，国家高技术发展计划（863计划）将智能机器人列入其中。经过十几年的艰苦奋斗，从跟踪世界先进水平到自主开发，取得了举世瞩目的成果，创造了一批机器人产品和机器人应用工程，为中国机器人技术的进步作出了应有的贡献。
1.6.2 发展机器人技术对国家会产生哪些影响
世界各国都非常重视机器人技术的开发与研究，主要有以下几个方面的原因。
1.6.2.1 发展机器人可以提高综合国力
机器人技术是集光机电信息自动化于一身的高新技术，从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低，代表了一个国家制造业的水平和综合实力。也就是说，一个落后的国家不可能研制出先进的机器人系统。
l 发展工业机器人可以增强一个国家的制造能力
制造业是一个国家国民经济的支柱产业，据有关资料报道，在一些工业发达的国家和新兴工业化的国家，制造业的生产总值占国内生产总值的20%~55%。当今，世界市场已生成了以制成品为主（占80%以上）的结构，这说明制造业不论是在发达国家，还是在发展中国家，在国民经济中均占有主要地位。世界上各个国家经济的竞争主要是制造技术的竞争，在各个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。由此可见，制造技术水平的高低已经成为衡量一个国家国民经济实力和科技发展水平的重要标志之一。工业发达国家普遍认为，现代科学研究的重点应转移到制造技术上来，在未来竞争中，谁掌握了先进制造技术，谁就掌握了市场。从某种意义上讲，制造技术，特别是先进制造技术已成为一个国家命运的主宰。工业机器人是柔性制造的核心，是现代制造不可缺少的设备之一。为了提高产品的生产率提高产品的质量和产品质量的一致性，很多企业都是通过使用工业机器人来实现这一目的。我国的制造加工能力相对较差，一些传统的制造企业受到市场的巨大冲击。这些企业大都是使用刚性设备，要想改产就必须重新购买新的设备，而企业又没有足够的资金购买新的生产线，老产品失去市场，新产品又造不出来，致使有些企业举步维艰。
国外一些大的汽车、电子、机械制造商无不采用了工业机器人作为关键生产设备。他们可以根据市场需求，及时调整生产策略，以小批量、多品种，占领更多的市场份额。我国的一些企业也已经尝到了使用机器人的甜头，工业机器人正在得到更多的认可。国家863计划智能机器人主题正是看到了这一趋势，及时调整了发展重点，对工业机器人及其应用示范工程给予了大力支持，并取得了明显的效果，在摩托车、汽车、电子、家电等行业推广了一批示范工程，并形成了拥有自主知识产权的产品系列。
l 发展特种机器人可以增强国家的可持续发展能力
所谓的特种机器人是指除工业机器人之外的各种机器人。在国家863计划实施的初期，我们研究的重点就是各种用途的特种机器人，并先后研制出了300米、1000米、6000米水下机器人、混凝土喷射机器人、排险机器人、核工业机器人、机器人压路机、机器人推土机、凿岩机、农林业机器人、微操作机器人、爬壁机器人、管内作业机器人、双足步行机器人、灵巧手等，大大缩短了我国机器人水平与发达国家之间的差距，有力地推动了我国机器人技术的发展，加强了机器人与社会、经济的联系。
智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多多种学科和技术的综合成果。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有更广泛、更重要的位置，这对人类开辟新的产业，提高生产和生活水平具有十分现实的意义。
海洋中有丰富的矿产资源，早在60年代一些国家就将目光投向了公海。“联大”通过决议：国家管辖以外的海域为人类共同拥有。为了使我国在国际海底区域占有一席之地，1991年中国矿产资源研究开发协会在联合国登记注册，就此中国成为国际海底开发先驱投资者。联合国海底公约规定给先驱投资者一定面积的海域，让他们进行勘探，将他们认为贫瘠或难以开采的部分放弃，对留下的一部分拥有优先开采权。
联合国给了我国30万平方公里的海域，通过多次探测，最后我国将对其中7.5万平方公里较为富饶和易于开采的海域拥有优先开采权。在海洋勘探过程中，