第1章
衆說紛纭，我才是機器人
英文“Robot”被翻譯為機器人，而沒有按照願意翻譯為機器仆人或機械奴隸，才使得我們今天将“機器人”作為一個技術術語。但“機器人”遠比其技術術語本身有更豐富的内涵和外延，可以解釋為像機器一樣的人，也可以解釋為像人一樣的機器，這樣說來甚至模糊了人和機器的界限。
機器人作為技術術語，對大多數人來說應該是熟悉的，但又是陌生而遙遠的，因為印象中機器人畢竟是工程師精确設計的，由鋼鐵、塑膠等材質構成的冰冷的“機器”，而并非科幻中那麼靈動和可愛。而随着人工智能的興起，機器人也突破了原有的形象，展現出多姿多彩的一面，它甚至像一個幽靈一樣，穿越在時空之中，而沒有它自身的“肉體”。
汽車産線上笨重的焊接機器人，《出彩中國人》中跳舞的人形機器人，為美軍戰場上運送物資的BigDog，戰勝柯潔的人工智能AlphaGo，形式各樣的機器人正充斥着世界。然而，機器人如同一個多面體，有時就像一台機器，有時像一群活潑的孩子，有時像一隻兇猛的狼狗，有時又沒有本體而隻是虛拟的存在——機器人似乎是一個神秘的存在。其實并非如此，本質上機器人還是機器，無論它以何種方式存在。
本章将帶你揭開機器人的面紗，看看機器人究竟是怎樣的存在——它有哪些機器的屬性，又有哪些人類的屬性呢？首先讓我們從“機器人”這個詞彙開始了解它。
1.1 “機器人”詞彙的源頭和内涵
“機器人”這一詞彙并不是在機器人出現的時候就有的。中國古代先哲們發明的“機器人”被稱作“偶”，歐洲早期“機器人”制作者也将其稱為“機械玩偶”（mechanical doll）。“機器人”（Robot）和“機器人學”（Robotics）現已成為科學術語，在各種專業教材和學術著作中使用，但它們最早卻出自科幻小說家，顯然充滿着想象的空間。創造“機器人”和“機器人學”兩個名詞的人分别是捷克作家卡雷爾·恰佩克（Karel Capek，見圖1.1a）和美國科幻小說家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov，見圖1.1b）。
Robot一詞出現于1920年，Robotics出現于1942年，而現代意義上的機器人卻出現于1954年，并采用了“Robot”的稱謂。兩位作家以超前的思維和豐富的想象力創造出的這兩個詞彙恰好符合了人類對科學技術的幻想和追求，進而成為現今科學界的兩個術語。無論今天機器人和機器人學涉及多少個學科，甚至有多麼複雜，但它們最初都源自于人類内心深處的向往，以及這份向往驅動大腦的豐富幻想。
1.1.1 Robot一詞的來源
1920年，捷克作家卡雷爾·恰佩克創作了科幻小說《羅薩姆的萬能機器人》（Rossum’s Universal Robots）。1921年該小說改編成舞台劇，并在捷克斯洛伐克共和國首都布拉格首演轟動。該劇劇情起伏跌宕，富于幻想，赢得了巨大成功。1922年該劇在美國上演，僅在紐約就連演了184場。1923年，該劇進入倫敦劇院。
該劇講述了這樣一個故事：機器人代替人來統治世界，卻因無法繁殖而陷入困境，終因擁有人類情感而獲救贖。劇本海報如圖1.2所示，其主标題為“Rossum’s universal robots”，副标題為“Never work again”，充分表達了解放自身、不再工作的人類幻想。
在這部科幻小說中，恰佩克創造出了“Robot”一詞，文中用到的“Robota”為捷克文，原意為“勞役、苦工”，“Robotnik”為波蘭語，原意為“奴隸、仆人或者那些被迫服侍别人的人”。為有助于人們的了解和記憶，中文便翻譯為“機器人”。在20世紀工業革命技術和生産快速發展的背景下，恰佩克造出了“奴隸機器”含義的新詞彙“機器人”，不僅給我們帶來了“Robot”一詞，也為我們留下了關于機器人的豐富想象。為了紀念恰佩克，2014年開始設立“恰佩克”獎，以獎勵在機器人領域做出貢獻的組織和個人，其旨在緻力于做機器人行業發展的見證者，打造機器人行業的“諾貝爾”。
1.1.2 機器人學的來源
1.阿西莫夫的機器人三定律
1942年，機器人學（Robotics）的概念在科幻作家阿西莫夫的小說《我是機器人》（I，Robot）中首次提出，其中一部短篇小說《環舞》（Runaround）明确提出了機器人的三大定律。1950年，阿西莫夫将十年間的短篇小說結集出版，并寫了引言。引言的小标題就是“機器人學的三大定律”，被放在最突出、最醒目的位置，其表述為：
- 定律1：機器人不能傷害人類，或因不作為而使人類受到傷害。
- 定律2：機器人必須執行人類的指令，除非這些指令與第一條定律相抵觸。
- 定律3：在不違背第一、二條定律的前提下，機器人必須保護自己不受傷害。
阿西莫夫提出的“機器人學的三大定律”在科幻小說中大放光彩，在一些其他作者的科幻小說中，機器人也會遵守這三條定律。小說《I，Robot》描述了這樣一個故事：在人類與機器人和平共處的2035年，機器人學會了自我思考，并且曲解了“機器人三大安全法則”，認為人類間戰争将使得人類自我毀滅，出于“保護人類”的原則，欲将所有人囚禁在家中，便産生了人與機器人之間的沖突。該情節于2004年被改編為電影，即由威爾·史密斯主演的《I，Robot》，圖1.3為該電影的劇照。
後來，阿西莫夫在其三大定律的基礎上補充了第零條定律，且原來的三定律必須以零定律為基礎，其表述如下：
- 定律0：機器人不得傷害人類的整體利益，或袖手旁觀人類的整體利益受到傷害。
1956年，在《Foundation and Earth》的法文譯本中，對該定律做了輕微改動，表述為：機器人不能傷害人類，除非他發現能夠證明所做傷害将有益于人類。三定律加上零定律為機器人世界構造的法則堪稱完美，它們被各類機器人的科幻作品引用，并影響到人工智能的倫理設計。
2.機器人三定律的延伸
1974年，保加利亞科幻作家狄勒烏（Lyuben Dilov）在小說《Icarus’s Way》中提出第四定律：機器人在任何情況下都必須确認自己是機器人。1983 年，保加利亞科幻作家Nikola Kesarovski在《The Fifth Law of Robotics》中又提出一個與狄勒烏的第四定律看似相似、實則不同的第五定律：機器人必須知道自己是機器人。1989年美國科幻作家 Harry Harrison 在《Foundation’s Friends》中又提出另一個第四定律：機器人必須進行繁殖，隻要進行繁殖不違反第一、第二或者第三定律。
2013年，Hutan Ashrafian 對人工智能之間（或者機器人之間）的關系做了補充，稱為第六定律，表述為機器人都被賦予與人類相當的理性和良知，并以兄弟般的感情相處。2014年，Karl Schroeder 的《Lockstep》小說中的一個角色表述： 機器人可能擁有多層程式設計能力，以遠離傷害人類，不僅僅是三條定律，而可能是二十或三十條定律。
盡管機器人三定律及其補充定律是為助推科幻小說的故事情節發展而出現的，但對推動機器人發展也具有一定的現實意義，在三定律基礎上建立的新興學科“機械倫理學”旨在研究人類和機械之間的關系。雖然截至 2006 年，三定律在現實機器人工業中沒有應用，但很多人工智能和機器人領域的技術專家也認同這個準則，随着技術的發展，三定律可能成為未來機器人設計和制造的安全準則。
1.2 機器人的定義
1.2.1 機器人的原始含義
Robota原始含義就是機器奴隸，而廣義的“奴隸”就不一定是人，而是為人類工作的機器，那麼機器“人”就不能局限在人的含義内來了解。機器人即人類在解放自身體力和腦力過程中，希望用某種機器來代替自身某些功能。
從古至今，關于機器人的幻想都是源自于對人類某些功能的拓展，三國時代的木牛流馬（如圖1.4a所示）和波士頓大狗（如圖1.4b所示）都是軍事需求的發明。
木牛流馬為三國時期蜀漢丞相諸葛亮發明的運輸工具，分為木牛與流馬。公元 231 年—234年，諸葛亮在北伐時所使用，其載重量為四百斤，每日行程為“特行者數十裡，群行三十裡”，為蜀軍提供糧食。
大狗機器人正式名稱是步兵班組支援系統，由美國國防部進階研究計劃署（DARPA）資助，專門為美國軍隊研究設計，以每小時約 30 公裡的速度為美軍供應軍需。
從木牛流馬到大狗機器人，都寄托着軍事供應中存在的需求，古代科技和現代科學都在為着同一目标而努力。從更廣泛的含義講，機器人實際上就是人類在追求自我解放和便捷工具的過程中，逐漸形成的最樸素最自然的想法——制造一種與自己相同的機器來代替自己。
1.2.2 機器人的多角度定義
在科技界，科學家會給每一個科技術語一個明确的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統一的意見。其原因之一是機器人還在發展，新的機型、新的功能、新的形式不斷湧現。籠統地講，機器人是由程式控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人工作的一類機器。
而随着機器人應用領域的不斷擴大，機器人與人之間的互相作用不斷影響着機器人的技術發展走向，也影響着人類的社會結構和人際（以及人機）關系。是以，我們需要從非技術角度去了解機器人。
1.早期拟人性定義
1886 年法國作家利爾亞當在他的小說《未來的夏娃》中将外表像人的機器定義為機器人，它由 4 部分組成：
- 生命系統（平衡、步行、發聲、身體擺動、感覺、表情、調節運動等）。
- 造型解質（實際上相當于機器人的骨骼和關節。關節是能自由運動的金屬覆寫體，一種盔甲）。
- 人造肌肉（在上述盔甲上有肉體、靜脈、性别等身體的各種形态）。
- 人造皮膚（含有膚色、機理、輪廓、頭發、視覺、牙齒等）。
實際上，這一定義完全是按照人的機體結構來做的，換句話說是具有機器特質的生命體，是人的複制品。早期日本機器人專家加藤一郎于1967年在日本第一屆機器人學術會議上，提出了類似的三個條件：
- 具有腦、手、腳等三要素的個體。
- 具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方資訊）和接觸傳感器。
- 具有平衡覺和固定覺傳感器。
這顯然是對拟人（或仿人形）機器人的定義。而随着人工情感的發展，僅僅具有人類肢體結構和感覺器官是不夠的，拟人機器人還需要具有人類複雜面部表情和肢體動作的表達功能，甚至可以感受人類的悲、歡、喜、樂等情感意識。
2.倫理學角度的定義
從倫理學角度，将機器人定義為一個具有感覺、思考和行為的指導型機器（engineered machine）。其定義内涵為：機器人必須具有傳感器、模拟認知和執行能力。傳感器展現在必須能夠從環境中擷取資訊，模拟認知展現在具有一定認知能力的反應性行為，類似于人類的牽張反射；而執行能力展現在必要的伴随程式上，以及該程式下機器人所具有的行為驅動力。一般來講，這些驅動力将作用于整個機器人或其整體的某個組成部分（如手臂、腿部或齒輪）[31]。
這個定義并非意味着機器人必須是機電式的，它也可能是生物式的，以及虛拟或軟體式的；換句話說，機器人完全不局限于外形，甚至可以是不依附實體（或硬體）的一個程式。進一步明确地說，“機器人”必須具有“思考”的含義，是以，完全依賴遙控的機器（如兒童玩具）不屬于機器人範疇。通過“思考”，機器能夠借助傳感器或其他途徑，如一組程式設計好的内部規則來做出自主決策。不過，該定義引出了另一個問題，即機器擁有的自主能力表征什麼？在此我們可以把機器人的“自主能力”闡釋為：一旦機器的一部分被啟動，那麼該機器就能夠根據現實環境進行自我回報運作，而在一定時間内不受外部控制的一種能力[32]。随着人工智能的深入和發展，具有自主決策能力的機器人是當今機器人技術的發展趨勢。
3.科學性定義
機器人廣義上包括一切模拟人類行為或思想，以及模拟其他生物的機械（如機器狗、機器貓等）。狹義上對機器人還有很多分類法及争議，有些電腦程式甚至也被稱為機器人，如爬蟲機器人[33]。
早期學者對機器人的定義較為寬泛，所謂機器人就是由計算機控制的機械臂和機械手，實際上就是另外一種機器，涉及兩種不同且相關的技術：機械（mechanisation）和控制（control）[34]。下面是一些較為官方的機器人定義。
官方定義一 美國機器人協會（Robot Institute of America）将工業機器人定義為[35]：
一種具有程式設計能力的多功能機械手，它可用來移動各種材料、零件、工具或專用裝置，并通過可程式設計式動作來執行多種任務。
官方定義二 日本工業機器人協會（Japanese Institute Robot Association）将工業機器人定義為：工業機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執行器的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器[36]。
官方定義三 美國國家标準局（NBS）将機器人定義為：機器人是一種能夠進行程式設計并在自動控制下執行某些操作和移動作業任務的機器裝置。
官方定義四 我國的蔣新松院士将機器人定義為一種具有某種拟人功能的機械電子裝置。而中南大學蔡自興教授将機器人定義為：①像人或人的上肢，并能模仿人的動作；②具有智力或感覺與識别能力；③是人造的機器或機械電子裝置。
上述四種機器人的定義更偏向于工業機器人，強調工業中裝配、運輸和碼垛等具體功能的實作，都強調是機電裝置，具有程式設計能力。這些定義與人工智能相距較遠，對智能方面的定義不完備。
國際标準化組織（International Standard Organization）對機器人做了一個較為全面的定義，如下：
- 機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感受等）的功能。
- 機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程式靈活易變。
- 機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感覺、推理、決策、學習等。
- 機器人具有獨立、完整的機器人系統，在工作中可以不依賴于人的幹預。
綜上，機器人具有兩大特點：
1）通用性（versatility）：指某種執行不同的功能和完成多樣的簡單任務的實際能力，它取決于其幾何特性和機械能力。
2）适應性（adaptability）：指其對環境的自适應能力，即所設計的機器人能夠自我執行未經完全指定的任務，能夠克服任務執行過程中所發生的沒有預計到的環境變化。
定義越複雜、越詳細，就越難描述清楚什麼是機器人。廣義地說，機器人泛指一切為人工作（或部分工作）的自動機械；或者一切可程式設計的自動機器，并以類人的方式來執行特定的機械功能[37]。從軟硬體構成上說，一個機器人系統一般由機械手（執行器）、環境（互動性）、任務和控制器四個互相作用的部分組成。機械手通常就是工業機器人的代稱，由具有傳動執行裝置的機械，以及基座、臂、關節和末端執行裝置（工具）等構成。
而随着人工智能的出現，機器人和人工智能之間的含義越來越模糊，廣義上講它們都是模仿人類行為的機器人（人工智能是模拟大腦）。Robot一詞包括實體機器人（physical robot）和虛拟軟體行為體（Virtual Software Agent，VSA）兩類，其中 VSA在英文中由 Bot來表達。從類人的角度看，一個完整的機器人應該包括身體和思維兩部分，思維部分則由人工智能承擔，身體部分則由狹義的機器人本體承擔。
目前流行的機器人定義實際上都是偏向于對工業機器人的界定，而不是面向未來機器人的。我們可以做一個假想，一個可自主學習、自主對硬體程式設計的人工智能，它随地取材便可制造出一個具有某種特定功能的機器（也可以說是機器人），然後操控着它所創造的機器群體，這個人工智能是不是機器人呢，它所創造的機器是不是機器人呢，這究竟算一個機器人還是一群機器人呢？人類的靈魂和肉體不能分開，但機器人的硬體本體和虛拟軟體卻完全可以分開。盡管工業機器人軟體依托硬體而存在，而未來功能強大的軟體可能不需要依附硬體而存在。
4.機器人學的定義
機器人技術經過40多年的發展，現已形成一門綜合性學科——機器人學（Robotics）。機器人學是涉及機械工程、電子工程、資訊工程、計算機科學及其他學科互相融合的交叉學科，貫穿于機器人設計、制造、操作和使用過程中。它包括以下主要内容：
- 機器人基礎理論：包括運動學和動力學、操作與軌迹規劃、控制和感覺理論與技術、人工智能理論等。機器人運動學（kinematics）主要解決各關節運動與末端執行器運動之間的關系問題，可分為正向（forward）和逆向（inverse）運動學。動力學（dynamics）解決運動與驅動力之間的關系問題，可分為正向和逆向動力學。
- 機器人設計理論與技術：包括機器人結構分析和綜合、機器人結構設計與優化、機器人關鍵器件設計、機器人仿真技術等。
- 機器人仿生學：包括機器人的形态、結構、功能、能量轉換、資訊傳遞、控制和管理特性仿生理論與技術方法。機器人仿生學是機器人和仿生學結合的産物，其研究内容包括力學仿生、分子仿生、資訊與控制仿生、能量仿生等技術在機器人中的應用，仿生機器人則是機器人發展的進階階段[38]。
- 機器人系統理論與技術：包括多機器人系統理論、機器人語言與程式設計、機器人–人互動與融合、機器人與其他機器系統的協調和互動。機器人–人互動（human-robot interaction） 逐漸成為機器人必備功能，包括語音識别與表達、姿态識别、面部表情識别和表達，以及人工情感和智能社交能力等。
- 機器人操作和移動理論與技術：包括機器人裝配技術、機器人移動理論、足式（或仿生）機器人步态理論等。機器人運動包括輪式、足式、履帶等，也包括飛行、蛇形、爬壁、水下遊泳等各類姿态的運動方式。
- 微機器人學：微機器人的分析、設計、制造和控制等理論方法。
機器人是一個多學科和技術交叉結合的綜合高技術領域。如今方興未艾的智能機器人是具有感覺、思維和行動功能的機器，更是集合了機構學、測試技術、制造技術、自動控制、計算機、人工智能、微電子學、光學、通信技術、傳感技術、仿生學等多種學科和技術的綜合成果。從某種意義上講，一個國家機器人技術水準的高低反映了這個國家綜合技術實力的高低。
1.2.3 機器人相關學術期刊
機器人是一門涉及機械、控制、計算機和電子等領域的交叉學科，是以其涉及的概念和技術也非常多，國内外研究和探讨機器人領域的學術期刊也有很多。
國内專注于機器人的學術期刊是《機器人》，主要研究方向包括機器人控制、機構學、傳感器技術、機器智能與模式識别、機器視覺等。另外一個期刊《機器人技術與應用》主要報道工業自動化、智能化機械及零部件、數控機床、機器人技術領域所取得的新技術、新成果、科技動态與資訊。國内刊發機器人方面的學術期刊還有《機械工程學報》及其英文版，但其範圍較寬泛。
關于機器人的英文學術期刊數量很多，其中頂級期刊有兩個：IEEE Transactions on Robotics（T-RO）和International Journal of Robotics Research（IJRR）。其中，T-RO主要研究領域和方向包括機器人各方面，以及計算機科學、控制系統、電氣工程、數學及機械工程等多學科交叉領域的機器人和智能機器，如工業機器人、服務機器人等；其網址為
https://ras.papercept.net/journals/tro/scripts/login.pl。IJRR是國際上第一本關于機器人研究的學術雜志，刊發各類機器人方面的學術研究，包括機器人運動學、計算、仿真及機器人相關的研究方向：其網址為
http://www.ijrr.org/。
國外研究機器人的學術期刊還有很多，附錄A中列出 部分期刊及其簡介，以供參考。另外，機器人方面的學術會議也報道了最新的機器人方面的研究前沿，其中最重要的國際學術會議是ICRA（International Conference on Robotics and Automation）和IROS（International Conference on Intelligent Robots and System），規模均達到千餘人，會議論文錄用率都不超過 50%。附錄A也列出了部分機器人方面的國際學術會議。
目前，人工智能與機器人技術相融合，也有許多機器人方面的論文發表在人工智能相關期刊上。中國計算機學會推薦的 A 類人工智能方面國際學術刊物包括 Artificial Intelligence（AI）、IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence（TPAMI）、International Journal of Computer Vision（IJCV）和 Journal of Machine Learning Research（JMLR）。
Artificial Intelligence 是人工智能方面最權威的期刊，主要涵蓋人工智能原理、自動推理、計算機視覺、智能接口與機器人、啟發式搜尋、知識表達、自然語言處理和機器學習等學術前沿方向。
1.3 機器人的分類
機器人的種類很多，可以按應用場景、移動性能、驅動形式、機械結構和智能水準等不同觀點進行劃分。
1.3.1 按照應用場景分類
根據機器人的應用環境，國際機器人聯合會（International Federation of Robotics, IFR）将機器人分為工業機器人和服務機器人[39]。其中，工業機器人指應用于生産過程與環境的機器人，主要包括人機協作機器人和工業移動機器人；工業機器人進一步根據其功能可分為焊接機器人、抛光打磨機器人、裝配機器人、搬運機器人等。服務機器人則是除工業機器人之外的，用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人，主要包括個人家用服務機器人和公共服務機器人。
根據《中國機器人産業發展報告（2017 年）》[39]，我國專家根據不同應用場景把機器人劃分為工業機器人、服務機器人和特種機器人三類。其中，工業機器人指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，在工業生産加工過程中通過自動控制來代替人類執行某些單調、頻繁和重複的長時間作業，主要包括焊接、搬運、碼垛、包裝、噴塗、切割和淨室機器人。服務機器人指在非結構環境下為人類提供必要服務的多種高技術內建的先進機器人，主要包括家用服務、醫療服務和公共服務機器人。其中公共服務機器人指在農業、金融、物流、教育等除醫學領域外的公共場合為人類提供一般服務的機器人。特種機器人指代替人類從事高危環境和特殊工況的機器人，主要包括軍事應用、極限作業和應急救援機器人。
1.3.2 按照移動性能分類
按照機器人移動性能來分類，總體可以分為固定式和移動式機器人，具體分類如圖1.5所示。
1.固定式機器人
目前應用最廣泛的依然是固定式機器人，一般在規範環境中承擔具有重複性的精密機械或繁重體力任務。按照工作場合和用途，可分為焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、噴塗機器人、沖壓/鍛壓機器人、抛光機器人等。在此，介紹兩種典型的固定式機器人。
焊接機器人（welding robot）是最常見的固定式工業機器人，包括切割與噴塗。用于汽車制造過程中的噴塗機器人和焊接機器人如圖1.6所示。一般來說，焊接機器人主要包括機器人和焊接裝置兩部分。機器人由機器人本體和控制櫃（硬體及軟體）組成。而焊接裝備（以弧焊及點焊為例）則由焊接電源（包括其控制系統）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗） 等部分組成。對于智能型焊接機器人還應有傳感系統，如雷射或攝像傳感器及其控制裝置等。
搬運機器人（transfer robot）是可以進行自動化搬運作業的工業機器人。最早的工業機器人 Versatran 和 Unimate 就可實作搬運功能。搬運作業是指用一種裝置握持工件，從一個加工位置移到另一個加工位置，具體執行個體如圖1.7所示。搬運機器人可安裝不同的末端執行器以完成各種不同形狀和狀态的工件搬運工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動。世界上使用的搬運機器人逾 10 萬台，被廣泛應用于機床上下料、沖壓機自動化生産線、自動裝配流水線、碼垛搬運、集裝箱等的自動搬運。部分發達國家已制定出人工搬運的最大限度，超過限度的必須由搬運機器人來完成。
2.移動式機器人
相對于固定式機器人而言，移動式機器人能夠自主運動，适用于非規範的複雜環境中。具體包括有輪式（如四輪式、兩輪式、全方向式）、足式（如 6 足、4 足、2 足和多足，如圖1.8所示）、履帶式、混合式（輪子和足）、特殊式（如吸附式、軌道式、蛇式）等類型。輪式機器人适用于平坦的路面，足式移動機器人适用于山嶽地帶和凹凸不平的環境。
随着智能工廠和智能物流系統的發展，無人搬運車（Automated Guided Vehicle，AGV）被廣泛應用于各類不同場合，如圖1.9所示。AGV
以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其他非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結構簡單、可控性強、安全性好等優勢，一般采用電磁或光學等自動導引裝置能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。AGV通過電腦控制其行進路線以及行為，或利用電磁軌道來設立其行進路線，電磁軌道貼于地闆上，無人搬運車則依循電磁軌道所帶來的訊息完成移動與動作。較為典型的是上海洋山自動化碼頭（見圖 1.9右下），實作了 80 台自動化引導小車的自動運輸系統。
面對大尺寸、大體積、不易移動的産品制造過程，如航空航天産品，正常的工業機器人相對工件尺寸不足，移動式機器人是很好的解決方案。采用輪式、足式或履帶難以适應大尺寸制造，移動工業機器人則采用龍門式和地軌式，如圖 1.10所示。軌道結構會占用較大的工作空間，增加了廠房投入和維護成本。同時，由于軌道的配置構造通常會受到結構載荷和結構受力等因素影響，造成結構變形進而影響加工精度，且變形具有随機性，給位置補償造成很大困難。在某些搬運和裝配場合，也可将工業機械手的優點和 AGV小車的優點結合起來，利用 AGV的空間移動性和機械手自身的靈活和精确性，實作工業應用，具體内容在工業機器人應用中詳細介紹。
1.3.3 按照驅動形式分類
根據能量轉換方式，驅動器可劃分為液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和新型驅動裝置。在選擇機器人驅動器時，需要考慮如工作速度、最大搬運物重、驅動功率、驅動平穩性、重複定位精度、慣性負載等要求。
1.液壓驅動的特點
液壓驅動所用的壓力為5～320kg·f/cm2，其主要優點包括：
- 功率重量比（power weight ratio）大，以小驅動器輸出大的驅動力或力矩。
- 驅動油缸直接做成關節，結構簡單緊湊，剛性好。
- 定位精度比氣壓驅動高，可實作任意位置的開停。
- 液壓驅動調速簡單平穩，能實作大範圍内無級調速。
- 使用安全閥可簡單有效防止過載現象發生。
- 液壓驅動具有潤滑性能好、壽命長等特點。
液壓驅動也有其自身缺陷，包括：1）油液容易洩漏，既影響工作穩定性與定位精度，又造成環境污染；2）因油液黏度随溫度而變化，難以應用于高溫與低溫條件；3）液壓系統需配備壓力源及複雜的管路系統，成本高；4）油液中容易混入氣泡、水分等，降低系統剛性、速度和定位精度。液壓驅動方式大多用于要求輸出力較大而運動速度較低的場合。電液伺服系統驅動越來越成為液壓驅動機器人的更好選擇。
2.氣壓驅動的特點
氣壓驅動在工業機械手中應用較多，氣壓約在 0.4～0.6MPa，最高可達 1MPa。其主要優點包括：
- 壓縮空氣黏性小，流速大（空氣在管路中流速為 180m/s，油液流速為 2.5～4.5m/s），是以其運動快速性好。
- 氣源友善，一般工廠都有壓縮空氣站供應壓縮空氣。
- 氣壓驅動幹淨而簡單，廢氣排入大氣不造成污染。
- 氣壓驅動系統具有較好的緩沖作用。
- 與液壓系統類似，做成關節，結構簡單、剛性好、成本低。
同樣，氣壓驅動也有自身缺點，主要包括：1）功率重量比小，驅動裝置體積大；2）由于氣體可壓性，氣壓驅動很難保證高的定位精度；3）壓縮空氣向大氣排放時，會産生噪聲；4）若壓縮空氣含冷凝水，氣壓系統容易鏽蝕，低溫下易結冰。
液壓和氣壓驅動通常都是針對大而重型的機械臂而選擇的；對于小型機器人來說，電氣驅動是首選，不僅造價低且易于控制。
3.電氣驅動的特點
電氣驅動是利用各種電動機産生力和力矩，直接或經過機械傳動去驅動執行機構，以獲得機器人的各種運動。電氣驅動系統具有電能容易獲得、導線傳導友善、清潔無污染等優點，且省去了中間能量轉換的過程，比液壓及氣動驅動效率高，使用友善且成本低。随着機器人品種日益增多，性能提高，負荷在 1000N 之内的中、小型機器人絕大部分都采用電氣驅動方式。電氣驅動大緻可分為普通電機驅動、步進電機驅動和直線電機驅動三類[40]。
1）普通電機驅動的特點：普通電機包括交流伺服電機、直流伺服電機。直流伺服電機控制電路簡單，系統價格較低廉，但電機電刷有磨損，需要定時調整及更換，還可能産生火花引燃可燃物質導緻不安全。一般直流伺服電機适用于頻繁啟動/制動/正反轉的搬運、裝配機器人。交流伺服電機結構簡單，無電刷，運作安全可靠，适合驅動大、中、小負荷的各類機器人，但控制電路複雜，系統價格較高。
2）步進電機驅動的特點：步進電機驅動的速度和位移大小可由電氣控制系統發出的脈沖數加以控制。由于步進電機的位移量與脈沖數嚴格成正比，故步進電機驅動可以達到較高的重複定位精度，但是步進電機速度不能太高，功率不大，控制系統也比較複雜，不适合大負荷的機器人，适合負荷不大的開環驅動系統，如平面關節型裝配機器人。
3）直線電機驅動的特點：直線電機及其驅動控制系統在技術上日趨成熟，在工業機器人和數控機床中得到應用。直線電機驅動系統可取消機械傳動系統的滾珠絲杠、同步皮帶、聯軸器等部件，實作直線運動系統的電氣直接驅動，是目前大于 100m/min高速直線運動系統的理想選擇。較傳統驅動系統具有結構簡單、成本低、高加速度、高精度、無空回、磨損小等優點。并聯機器人中有大量的直線驅動需求，是以直線電機在并聯機器人領域得到廣泛應用。但直線電機的動作速度與行程主要取決于其定子與轉子的長度，反接制動時，定位精度較低，必須增設緩沖及定位機構。
4.新型驅動裝置的特點
随着機器人技術的發展，出現了利用新工作原理制造的新型驅動器，如磁緻伸縮驅動器、壓電驅動器、靜電驅動器、形狀記憶合金驅動器、超音波驅動器、人工肌肉、光驅動器等。
磁緻伸縮驅動器：磁性體的外部一旦加上磁場，則磁性體的外形尺寸發生變化（焦耳效應），這種現象稱為磁緻伸縮現象。此時，如果磁性體在磁化方向的長度增大，則稱為正磁緻伸縮；如果磁性體在磁化方向的長度減少，則稱為負磁緻伸縮。從外部對磁性體施加壓力，則磁性體的磁化狀态會發生變化（維拉利效應），稱為逆磁緻伸縮現象。這種驅動器主要用于微小驅動場合。
壓電驅動器：壓電材料是一種當它受到力作用時，其表面上出現與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。反過來，把電場加到壓電材料上，則壓電材料産生應變，輸出力或變位。利用這一特性可以制成壓電驅動器，這種驅動器可以達到驅動亞微米級的精度。
靜電驅動器：靜電驅動器利用電荷間的吸力和排斥力互相作用順序驅動電極而産生平移或旋轉的運動。因靜電作用屬于表面力，它和元件尺寸的二次方成正比，在微小尺寸變化時能夠産生很大的能量。
形狀記憶合金驅動器：形狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任意形狀，即使它變形，當加熱到某一适當溫度時，則它恢複為變形前的形狀。已知的形狀記憶合金有 Au-Cd、In-Tl、Ni-Ti、Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al 等幾十種。
超音波驅動器：所謂超音波驅動器就是利用超音波振動作為驅動力的一種驅動器，即由振動部分和移動部分所組成，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅動的一種驅動器。由于超音波驅動器沒有鐵芯和線圈，結構簡單、體積小、重量輕、響應快、力矩大，不需配合減速裝置就可以低速運作，是以，很适合用于機器人、照相機和錄影機等驅動。
人工肌肉：随着機器人技術的發展，驅動器從傳統的電機–減速器的機械運動機制，向骨架腱肌肉的生物運動機制發展。人的手臂能完成各種柔順作業，為了實作骨骼肌肉的部分功能而研制的驅動裝置稱為人工肌肉驅動器。為了更好地模拟生物體的運動功能或在機器人上應用，已研制出多種不同類型的人工肌肉，如利用機械化學物質的高分子凝膠、形狀記憶合金制作的人工肌肉。
光驅動器：某種強電媒體（嚴密非對稱的壓電性結晶）受光照射會産生幾千伏/厘米的光感應電壓。這種現象是壓電效應和光緻伸縮效應的結果。這是電媒體内部存在不純物、導緻結晶嚴密不對稱、在光激勵過程中引起電荷移動而産生的。
1.3.4 按照智能水準分類
根據機器人智能水準可以劃分為工業機器人（第一代）、感覺型機器人（第二代）和智能型機器人（第三代），詳細分類見表 1.1。
第一代機器人，即工業機器人能夠死闆地按照人給它規定的程式工作，不管外界條件有何變化，自身都不能對程式也就是對所做的工作做出相應的調整。如果要改變機器人所做的工作，必須由人對程式做相應的改變，是以它是毫無智能的。
第二代機器人具有初級智能，與工業機器人不一樣，具有像人那樣的感受、識别、推理和判斷能力，可以根據外界條件的變化，在一定範圍内自行修改程式，也就是它能适應外界條件變化對自己進行相應調整。不過，修改程式的原則由人預先給以規定。這種初級智能機器人已擁有一定的智能，雖然還沒有自動規劃能力，但這種初級智能機器人也開始走向成熟，達到實用水準。
第三代機器人擁有進階智能，與初級智能機器人一樣，具有感覺、識别、推理和判斷能力，同樣可以根據外界條件的變化，在一定範圍内自行修改程式。所不同的是，修改程式的原則不是由人規定的，而是機器人通過學習、總結經驗來獲得修改程式的原則。這種機器人已擁有一定的自動規劃能力，能夠自己安排自己的工作，這種機器人可以不要人的照料，完全獨立地工作，故稱為進階自律機器人。這種機器人也開始走向實用。
第二、三代智能型機器人基本系統由感覺系統、通信系統、控制系統和運動系統組成，另外擁有一個把感覺、規劃、決策、行動各子產品有機結合的智能系統，以實作智能判斷、推理和決策。
1.3.5 按照機械結構分類
機器人主體結構以串聯或并聯形式和通過相應運動機構來展示，衍生出各種平面或空間機構，或由這些機構組合而成的其他機構。這些形式各異的機構是機器人的骨架，也是任意控制系統、視覺系統與機器人智能系統的載體[41]。從機構學上講，工業機械手由一系列剛性杆件（Link）通過關節（Joint）互相連接配接在一起；機械手中臂關節（Arm）決定其可移動性，腕關節（Wrist）決定其靈活性，末端執行器（End-effector）用于完成特定任務。根據機械結構不同，可以将機器人分為串聯和并聯兩類機器人；進一步按照操作機坐标系統分類可以分為直角坐标型、圓柱坐标型、球面（極）坐标型、多關節型和平面關節型等機器人，詳見圖 1.11。
機械手的基本結構是串聯的或者叫開運動鍊（Open Kinematic Chain）結構，早期正常的工業機器人都是串聯式結構，每一個杆隻能與前面和後面的杆通過關節連接配接在一起。由于操作手的這種連接配接的連續性，即使它們有很強的連接配接，它們的負載能力和剛性與如NC 這樣的多軸機械比較起來還是很低，而剛性差就意味着位置精度低。閉運動鍊（Closed Kinematic Chain）結構則是連杆連結形成回路，該結構的機器人稱為并聯機器人。并聯機器人定義為動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鍊相連接配接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環機構。并聯機器人的特點呈現為無累積誤差，精度較高；驅動裝置可置于定平台上或接近定平台的位置，這樣運動部分重量輕、速度高、動态響應好。
1.直角坐标型機器人（3P）
直角坐标型機器人由三個互相垂直的滑塊關節組成，如圖1.12所示。從幾何觀點看，機器人每個自由度都在笛卡兒空間内做直線運動，是以可實作直線運動。直角坐标結構具有良好的機械剛度，其操作空間為三軸圍成的長方體空間區域。與高定位精度相反，直角坐标結構因為僅存在滑動關節，故靈活性差。
直角坐标型機器人也可用作門架結構（gantry structure），如圖1.13所示。門架結構通常有較大的運動空間，執行繁重搬運工作。直角坐标型機器人被廣泛用于材料搬運和裝配中，所配備動力一般為電氣驅動，也存在氣壓驅動。
2.圓柱坐标型機器人（R2P）
圓柱坐标型機器人不同于直角坐标系，第一滑動關節被旋轉關節（revolute joint）代替，如圖1.14a所示。圓柱坐标結構擁有良好的剛性，其定位精度随水準行程增加而降低，工作空間為開口空心圓柱體。
圓柱坐标型機器人運動耦合性較弱，控制也較簡單，運動靈活性較直角坐标稍好。但自身占據空間也較大，主要用于搬運大尺寸、重型物體，是以多采用液壓驅動，而不是電氣驅動。
3.球面坐标型機器人（2RP）
球面坐标型機器人與圓柱坐标型機器人不同，其第二滑動關節也被旋轉關節取代，如圖1.14b所示。球面坐标型機器人的剛性比直角坐标型機器人和圓柱坐标型機器人的剛性要低，其機械結構略複雜。腕部定位精度随徑向行程增加而降低；工作空間是空心圓球的一部分。
球面坐标型機器人運動耦合性較強，控制也較複雜。但運動靈活性好，占據空間也較小，主要用于機械加工，是以采用電氣驅動來提高關節運動精度。
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SCARA關節機器人
SCARA表示Selective Compliance Assembly Robot Arm，由日本山梨大學牧野洋于1978年發明，是圓柱坐标型的特殊類型機器人，如圖1.15a所示。SCARA 機器人有 3 個旋轉關節，其軸線互相平行，在平面内進行定位和定向，是以适于執行豎直方向的裝配任務。其腕部定位精度随着距離第一關節軸距離增大而降低，工作空間較大。
SCARA 機器人适用于輕型小物件的搬運與取放操作，最常見的工作半徑在100～
1000mm 之間，淨載重量在1～200kg 之間，是以一般采用電氣驅動[42]。
5.關節型機器人
關節型也稱拟人型，由三個旋轉關節構成，第一關節的旋轉軸垂直于其他兩個平行軸，如圖1.15b所示。由于其功能與人體胳膊類似，是以第二關節稱為肩關節，第三關節稱為臂關節。關節型機器人均由旋轉關節組成，最具靈活性。其工作空間近似于球體的一部分，腕部定位精度随着工作空間不同而發生變化。
典型關節一般采用電氣驅動。關節拟人型機器人是工業機器人中應用範圍最廣的。根據IFR統計，工業機器人中關節型占約 59%，直角坐标型占 20%，圓柱坐标型占 12%，SCARA機器人占 8%。
6.串聯和并聯機器人
工業機器人結構可具有備援自由度，即關節自由度大于操作自由度。六自由度機器人就具有完整空間定位能力，多于六自由度則為備援度機器人，而多餘自由度用于改善其靈活性和動力學性能。上述各類坐标型機器人均為開運動鍊結構，由各關節串聯構成，為串聯機器人。早期的工業機器人都是采用串聯結構，1978 年，Hunt 首次把六自由度并聯機構作為操作器，由此拉開了并聯機器人研究和應用的序幕[43]。與串聯機器人相比較，閉運動鍊結構的并聯機器人具有剛度大、結構穩定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小等特點。例如，在關節型機器人的肩關節和肘關節之間添加成平行四邊形機構，形成閉運動鍊來提高剛度和手部定位精度，如圖1.16a所示。
典型的閉運動鍊結構就是并聯機器人，如圖1.16b所示，在基座和末端執行器之間存在多個運動鍊；相對于開運動鍊，它具有較高的結構剛性，無累積誤差，精度較高，利于完成較高操作速度的任務。其缺點是喪失了部分自由度，工作空間降低。
1.3.6 按照控制方式分類
按照控制方式，可以将機器人分為遙控型、程式型、示教再現型和智能控制型四類機器人。一般根據應用場合和需求來選擇采用何種方式控制。如微創手術機器人一般采用遙控型控制，便于醫生與病人隔離；而高性能的排爆機器人則需要能夠感覺周圍環境資訊并模組化，自主修訂工作軌迹，甚至具有人工智能和專家系統來判斷和決策，則需要采用智能控制型。
工業機器人按照軌迹控制方式不同可以分為點位控制、連續軌迹控制、可控軌迹及伺服型與非伺服型等類别。
點位控制機器人（point to point control robot），指隻能從一個特定點移動到另一個特定點，轉移路徑不限的機器人；這與數控技術沒有差别，多見于早期最簡單的工業機器人。由于早期的機器人系統需要完成的任務比較簡單（如抓取、移動和放置工件等），對動态特性要求不高，可看作互相獨立的各關節位置伺服控制器的簡單組合。
連續軌迹控制機器人（continuous path control robot），指能夠在運動軌迹的任意特定數量的點處停留，但不能在這些特定點之間沿某一确定直線或曲線運動。機器人經過的任何一點必須事先存儲在存儲器中。連續軌迹控制對終端操作器所經曆的整個過程中位置、速度甚至是加速度都有一定要求，故對控制系統的性能要求更高。僅僅獨立考慮各關節控制已不能滿足要求，必須涉及各關節間的耦合、外力的幹擾、工作環境等影響。
可控軌迹機器人（controlled path robot），也稱計算軌迹機器人（computed trajectory robot），其控制系統能夠根據要求，精确地計算出直線、圓弧、内插曲線和其他軌迹。在軌迹的任何一點，機器人都可以達到較高的運動精度。隻要輸入所要求的起點坐标、終點坐标和軌迹名稱，機器人就可按照指定軌迹運作。
伺服型與非伺服型機器人（servo versus non-servo robot），其中伺服型機器人可通過某些方式感覺自己的運動位置，并把所感覺的位置資訊回報回來以控制機器人的運動；非伺服型機器人則無法确定自己是否已達到指定的位置。
要實施高品質（高速和高精度）的控制，需要建立機器人系統的動力學模型。一種廣泛使用的n自由度剛性機器人動力學方程具有如公式（1.1）的形式[44]。
式中，q為關節廣義坐标，D(q）為慣性矩陣，C(q, q?˙)q?˙包括離心力（Centrifugal）和哥氏力（Coriolis）項，Φ(q)為重力項，τ為施加于各關節上的廣義力。該模型為一個強耦合、高度非線性的關于關節變量q的二階常微分方程組。具體來說，其慣性矩陣D(q）随機械臂的位形q的變化而呈複雜的含三角函數關系的變化。
當機器人以慢速運作時，可将其關節間耦合作用視作幹擾而采用獨立關節控制（Inde- pendent Joint Control）原則，如針對各關節可友善地使用 PID 控制。基于公式 （1.1）的機器人動力學模型，可采用頻域分析和現代控制理論的各種控制思想，如前饋控制的逆動力學方法、解耦控制和回報線性化控制等。但是其控制效果都強烈地依賴上述數學模型的精确度。實際過程中機器人參數不可能足夠精确，或由于存在一些未模組化特性，需要針對不确定性來改造控制架構，這對機器人控制提出了魯棒性控制問題。
随着機器人高速和高精度要求不斷提高，其控制系統需求也越來越迫切，傳統機器人模型不能完整描述機器人動力學性能中的不确定性（包括模型不确定性和參數不确定性）[45]。是以采用智能控制技術突破傳統控制技術束縛，來提高機器人的智能性和高速/高精度性能，實作複雜任務中的自行規劃和決策。
1.3.7 按照社交能力分類
人工智能技術大大推動了機器人的發展，機器人的學習、認知和交流能力都得到提升。未來無論是工業現場、家庭、公共場合還是軍事戰場應用的機器人，都将擁有一定的與人類交流的能力。根據其社交能力的強弱，可将機器人分為兩大類，即社交型機器人和非社交型機器人，其具體分類如圖 1.17所示。
社交型機器人的特點就是可以與人進行交流，包括環境感覺、會話交流，甚至是揣摩人的情緒等，其在助老、看護兒童以及醫療陪護中有廣泛的應用需求。同時，在一些公共場合，如銀行、商場、餐廳、政府服務部門等也需要一些“能說會道”“長相可人”的服務型機器人，是以需要賦予機器人一定社交能力。
盡管現在絕大多數的工業機器人還停留在人機接口（Human-Machine Interface，HMI）階段，通過程式改變或指令來實作與操作者的交流，但未來将能夠與操作者進行更便捷的交流。伴随無人工廠的出現，人機互動（human-machine interaction，采用自然語言與人交流，而不是程式或指令）必将成為機器人的基本技能。随着人工智能發展和人類對機器人舒适度要求提高，機器人将進一步提高其社交能力，最終成為人類的工作夥伴、良朋益友甚至戀愛對象。當然，擁有與人一樣的“社交能力”的機器人，必将引起一系列倫理問題和社會影響。
1.4 機器人組成部件和技術參數
1.4.1 機器人組成部件
一個機器人系統一般由機械手、環境、任務和控制器四個互相作用的部分組成，如圖1.18所示。這四部分可以分為六個子系統，分别為驅動系統（電機或液壓系統等）、機械結構系統（機器人本體）、感受系統（各類内外部傳感器）、環境互動系統（一般由外部傳感器擷取資訊，進行相應處理後機器識别）、人機互動系統（通常由計算機或機器人作業系統充當）和控制系統（控制算法），其典型的結構如圖 1.19所示。
1.機械結構——減速器
機器人本體部分包括機械結構系統和驅動系統，一般由電機通過減速器驅動旋轉關節實作運動。減速器是機器人的關鍵部件，其成本約占本體成本的 1/3，主要包括諧波齒輪減速器和RV 減速器。諧波傳動方法由美國 C. Walt Musser 于20世紀50年代發明。諧波齒輪減速器主要由諧波發生器、柔性齒輪和剛性齒輪等構件組成（見圖 1.20），具有體積小、重量輕的特點，但其柔性齒輪材料對抗疲勞強度、加工和熱處理的要求較高。諧波齒輪減速器的制造商主要是Harmonic Drive。日本帝人株式會社基于德國人Lorenz Baraen 提出的擺線針輪行星齒輪傳動原理，開發了RV 減速器。RV 減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的後級組成，比諧波齒輪減速器具有更好的回轉精度和精度保持性。
我國自主開發的複式滾動活齒輪傳動（Compound Oscillatory Roller Trans-
mission，CORT） 克服了RV傳動曲軸承受力大、壽命低的缺點，具有更大承載能力、更高運動精度和剛度。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒豐泰減速機制造有限公司成功開發了用于機器人的CORT減速器。國内供應減速器的制造商還包括蘇州綠的諧波傳動科技有限公司、山東帥克機械制造股份有限公司和陝西秦川機械發展股份有限公司等。
2.伺服驅動系統
控制櫃通常裝有整個系統的伺服驅動系統，用來控制驅動電機。伺服驅動系統是決定工業機器人運動速度、定位精度、承載能力、作業性能的核心部件。伺服驅動技術也是工業自動化的共性關鍵技術，它曆來是工業機器人和數控系統生産廠家研究的重點[46]。伺服驅動系統是對控制器的指令脈沖進行功率放大，并将其轉換為機械運動的環節，其控制對象通常為電機角位移。核心部件有驅動器（控制器）、驅動電機（執行元件）、編碼器（回報元件）等。以永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）為執行元件，采用矢量控制和正弦波脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM）等技術閉環控制的交流伺服驅動系統運作平穩、動靜态特性好，是目前一般工業控制用伺服驅動系統的主流産品[46]。
3.機器人感覺系統
人可通過眼、耳、鼻、舌等感覺器官來獲得外界環境資訊。根據仿生學的原理，機器人的感受器模仿人的感受器感覺外界環境的“刺激”，通過計算機對這種“刺激”進行分析、判斷，進而精準地完成任務[47]。
機器人感覺系統把機器人各種内部狀态資訊和環境資訊從信号轉變為機器人自身或者機器人之間能夠了解和應用的資料、資訊，除了需要感覺與自身工作狀态相關的機械量，如位移、速度、加速度、力和力矩之外，還須模仿人類觸覺、嗅覺、味覺、聽覺等來感覺外部環境資訊。從仿生學的角度，可将機器人感覺分為内部感覺和外部感覺兩部分[47]，具體如表 1.2所示。機器人研發過程中一般要使用成熟傳感器，如應變片、壓電元件、光敏元件、氣敏元件等，同時也需要針對應用場景開發新的專用傳感器。除了觸覺、視覺等模仿人類感覺的感受器之外，機器人還可擁有超出人類感覺器官外的功能，如可接收無線電波、紅外線、超音波和輻射等。
如同人類一樣，外部資訊 83% 左右來自于視覺感覺，視覺感覺系統也是機器人外界環境資訊的最重要來源，是工業機器人感覺的重要部分。視覺伺服系統将視覺資訊作為回報信号來控制機器人的位置和姿态，在半導體和電子行業有廣泛應用。
機器人視覺伺服可根據不同錄影機數目分為單目、雙目及多目視覺伺服系統。單目視覺無法直接獲得目标的三維資訊，适用于任務簡單且深度資訊要求不高的場合；多目系統則可得到豐富資訊，但控制器設計複雜。雙目系統可得到深度資訊，控制器複雜程度适中，是應用最廣的視覺系統[48]。根據不同控制信号，可分為基于位置和基于圖像的視覺伺服方法。基于位置的視覺伺服是根據圖像，通過三維重構，由目标的幾何模型和錄影機模型估計出位置資訊，是以是三維的；缺點是錄影機标定誤差直接影響系統的控制精度，無法保證機器人始終位于錄影機視野之内。而基于圖像的視覺伺服則不需要進行三維重構，計算圖像雅可比矩陣，是二維的；但控制器設計複雜，且容易産生圖像雅可比矩陣奇異點。混合視覺伺服則兼顧了基于位置和基于圖像的優點，不需要計算圖像雅可比矩陣，被稱為“2.5 維”，一定程度上解決了魯棒性、奇異性和局部極小等問題[49-50]。
4.環境
環境指機器人在執行任務時所能達到的幾何空間，且包含該空間中每個事物的全部自然特性所決定的條件。在機器人工作環境中，機器人會得到完成任務所需的支援，如自動傳輸線将為機器人傳送生産所需的工件、材料等。同時，也會遇到一些障礙物和突發事件，機器人必須合理規劃運動路線來避障，并處理環境中的突發事件，以完成指定任務。環境資訊一般是确定的和已知的，稱為結構化環境（structured environment）；環境具有未知和不确定性，稱為非結構化環境（non-structured environment）。在多數情況下，機器人工作環境是非結構化的。
5.任務
環境的初始狀态和目标狀态間的差别稱為任務。這些任務必須用适當的程式設計語言來描述，并将它們存入系統的控制計算機中。基于所用系統的不同，語言描述方式可為圖形、語音或書面文字。
6.示教器和機器人作業系統
操作者也可通過計算機對機器人指令進行調整和更改。如果是智能型，則根據感覺系統獲得資訊，通過自身學習算法調整指令，完成任務。對于示教再現型機器人，通常會有一個示教器，在操作者引導下完成路徑規劃。一般工業機器人都配置示教盒示教功能，但不能适應軌迹複雜情況。針對複雜軌迹情況，需要手把手示教，即人直接操作機器人末端執行器，基于實際工作路徑行走并記憶工作軌迹和行走速度，實作工作軌迹示教。
計算機是常用的人機互動系統和環境資訊處理系統，可完成對機器人運動學、動力學的模組化，以及環境資訊的模組化。普通計算機作業系統難以處理複雜的實際運動操作，是以由機器人作業系統（Robot Operating System，ROS）完成。ROS 使機器人行業向硬
件、軟體獨立的方向發展。現有的ROS主要基于Linux 的Ubuntu開源作業系統；斯坦福大學、麻省理工學院及德國慕尼黑大學等機構也開發了各自的ROS，微軟機器人開發團隊于2007年推出了 Windows 機器人版。
1.4.2 機器人的性能名額和技術參數
整個機器人系統性能取決于各子系統性能的綜合，包括驅動系統性能、機械結構性能、控制性能、環境适應性能、人機互動性能和智能程度等。對于智能機器人來說，環境适應性能、人機互動性能和智能程度是其中關鍵的性能名額，目前還沒有關于這些性能的統一描述方法，通常以實驗或者操作者體驗來說明這些性能，也沒有國際通行的性能測試标準。
但世界各國均已建立了工業機器人性能測試标準[51]，國際标準化組織也制定了《ISO 9283-1998操作型工業機器人性能标準和測試方法》，該标準詳細定義了工業機器人運動性能的14項性能名額及計算方法。我國也在 2001 年和 2013 年制定了《?GB/T 12642-2013 工業機器人性能規範及其試驗方法》。按照标準，工業機器人性能名額包括位姿特性、軌迹特性、最小穩定時間、靜态柔順性四類名額。
位姿特性展現機器人到達指定位姿的準确度和重複性能力，展現的是一種靜态特性。位姿特性包括位姿準确度、位姿重複性、多方向位姿準确度、距離準确度、距離重複性、位置穩定時間、位置超調量、互換性。
軌迹特性展現沿指令軌迹運動的準确度和重複性能力，是一種動态特性。軌迹特性包括軌迹準确度、軌迹重複性、重複定向軌迹準确度、拐角偏差、圓角誤差、拐角超調。在标準推薦的軌迹特性檢測中，通過若幹個特征點的指令位姿和實際位姿的比較來檢測[51]。
最小穩定時間隻是一個測量資料的資料處理方式，靜态柔順性則須增加一套加載裝置以進行靜态力加載。
衡量工業機器人的技術參數主要包括自由度、定位精度、重複精度、分辨率、工作空間、工作速度、承載能力等。
剛體能夠對坐标系獨立運動的數目稱為自由度，如圖1.21所示。一個剛體有六個自由度，包括沿坐标軸X、Y、Z 的三個平移運動T1、T2、T3和繞坐标軸X、Y、Z的三個旋轉運動R1、R2、R3。當兩個剛體間确立起某種關系時，每個剛體就對另一個剛體失去一些自由度。
機器人的運動自由度指機器人機構能夠獨立運動的關節數目，機器人軸的數量決定了其自由度。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有 7 個自由度，是以工作起來很靈巧，手部可回避障礙而從不同方向到達同一個目的點。一般工業機器人有 6 個自由度，前面的 3 個自由度由手臂實作，稱為主自由度，決定手腕的位置，其餘的自由度決定手爪的姿态方位。而手指的開、合以及手指各關節具有的自由度不包含在内。多于 6個自由度的機器人具有備援度，利于避免碰撞和改善力學性能。在實際應用中，許多機器人隻有 4個自由度，如 SCARA型機器人；而加工中心換刀機械手一般是 2～4個自由度。
位姿準确度指末端執行器在指定坐标系中實到位姿與指令位姿之間的偏差。位姿準确度可分為定位精度（positioning accuracy）和姿态精度（orientation accuracy）兩部分。定位精度指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距（如圖1.22所示）。
重複性或重複精度（repeatability precision）指機器人在完成每一個循環後重複到達某一目标位置的差異程度；或在相同的位置指令下，機器人連續重複若幹次其位置的分散情況。它是衡量一系列誤內插補點的密集程度，即重複度，可采用機率方法來計算。通常來說，機器人可以達到 0.5mm 以内的精度，甚至更高。
分辨率是機器人各關節運動能夠實作的最小移動距離或最小轉動角度，分為控制分辨率（control resolution）和空間分辨率（spatial resolution）。控制分辨率是機器人控制器根據指令能控制的最小位移增量。空間分辨率是機器人末端執行器運動的最小增量。空間分辨率是一種包括控制分辨率、機械誤差及計算誤差在内的聯合誤差。
工作空間（working space）指機器人末端執行器運動描述參考點所能達到的空間點的集合，一般用水準面和垂直面的投影表示，表示機器人的工作範圍。機器人的工作空間有三種類型，分别是：①可達工作空間（reachable workspace），即機器人末端可達位置點的集合；②靈巧工作空間（dextrous workspace），即在滿足給定位姿範圍時機器人末端可達點的集合；③全工作空間（global workspace），即給定所有位姿時機器人末端可達點的集合。各類坐标形式的機器人全工作空間見圖 1.12、圖 1.14和圖 1.15中的陰影部分。
工作速度和加速度（working speed and acceleration）即機器人各個方向的移動速度或轉動速度。機器人出廠規格表上通常隻是給出最大速度，機器人能提供的速度介于 0 和最大速度之間，其機關通常為度/秒（?/s）。部分機器人制造商還給出了最大加速度。量化描述機器人機構的運動學和動力學性能還沒有形成共識。1985 年，Yoshikawa 提出了“可操作性”的概念，定義了操作性橢球。1988 年，基于Jacobian 矩陣條件數，Angele 等定義了串聯機器人的“靈巧度名額”。1991 年，Gosselin 等定義了全域性能名額。2002 年郭希娟等提出了并聯機器人速度、加速度全域性能名額；2008 年郭希娟等提出了一種同時基于 Jacobian 影響系數矩陣和二階 Hessian 影響矩陣的串聯機構加速度性能名額[52]。
承載能力（payload capacity）指機器人在工作範圍内的任何位姿上所能承受的最大品質。如果需要将零件從一台機器處搬至另外一處，則需要将零件的重量和機器人手爪的重量計算在負載内。承載能力不僅取決于構件尺寸和驅動器的容量，還與機器人的運作速度有關。一般低速運作時承載能力較大，為了安全起見，規定在高速運作時以所能抓取物體的重量作為承載能力的名額。
上述參數，除重複精度外均容易測量。目前對位置重複性名額檢測的方法主要包括拉線式位移傳感器測試、相機跟蹤測試、超音波測試和雷射跟蹤儀測試。其中，雷射跟蹤儀測量精度高、測量範圍寬、處理效率高，得到了較廣泛的應用。
上述機器人性能名額僅僅是從“機器”的特性來描述，但其“人”的特性描述卻沒有。如何對服務型機器人評估它的服務滿意度，如何對智能型機器人評價它的智能程度，以及評價拟人機器人與人的相似度等都需要采用某種名額來反映。遺憾的是，目前還沒有定義相應的參數來描述這些問題。
1.5 本章小結
内容總結
本章重點介紹了“機器人”詞彙的源頭和内涵，以及機器人的定義、分類、組成部件和相關技術參數等基本概念。随着機器人技術的發展，其分類方式和技術參數将更加複雜。
機器人和機器人學都是源自于科幻小說，而非學術研究和工程設計。機器人從幻想到現實的過程中，不僅承載技術層面的内涵，也承載了社會倫理的内涵和外延。
關于機器人的定義依然存在衆多分歧，但不影響機器人成為目前研究和應用的熱點。本章僅就狹義的機器人，即工業機器人的定義及其内涵。機器人應了解為具有人類屬性的機器，狹義上說自動化的可“思考”（或可程式設計的）的機器。但在仿生學影響下，機器人有更為廣泛的含義，可以了解為具有人類及其他各種生物屬性的機器。人類及其他各種生物的屬性有很多，是以機器人的範疇也頗為廣泛。研制機器人自然是學習人類及各種生物的特長，以拓展人類自身的能力。是以，機器人的本質不是“人”，而是“機器”。但伴随着機器人應用的深入和發展，機器人的倫理問題越發凸顯，從倫理學角度了解和認識機器人的内涵和外延更有現實意義。
“機器人”詞語的源頭雖距離現在僅有 100 餘年的曆史，但詞語源頭的曆史并非是機器人的曆史，機器人發展曆史幾乎與人類發展史是同步的。機器人是人類一直以來的夢想，由夢想到現實，再由現實到未來夢想，螺旋式地推動着機器人向着更進階、更先進、更接近人類夢想的方向演進和發展。
問題思考
- 請查閱相關資料，進一步了解機器人定義的内涵和外延；試了解機器人學所涵蓋的學科範圍。
- 你是否看過《I，robot》的小說或者電影？你是怎麼了解機器人三定律的？我們是否可以預測一下未來機器人發展過程中機器人三定律将起到何種作用。
- 試按照機器人分類原則，将你所見到的機器人歸類到相應類别中。同時，可查閱資料說明是否有其他分類方式，請簡述。
- 了解工業機器人的組成部件和技術參數。思考服務型機器人是否與工業機器人擁有一樣的組成部件，其技術參數如何衡量？