1.1　工业机器人简介

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

工业机器人可以在多种生产现场工作：在制造领域，工业机器人经过诞生、成长及成熟期后，已成为不可或缺的核心自动化装备；在非制造领域，上至太空舱、宇宙飞船，下至极限环境作业，机器人已拓展到社会经济发展的诸多领域。

以下仅简要介绍几种常用的工业机器人。

1.1.1　制造类机器人

制造类机器人专门用来在受控环境中反复进行完全相同的工作。例如，某台机器人可能会负责给装配线上传送的食品罐拧上盖子。为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机械臂完成整套动作，机器人将动作序列准确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的食品罐传送过来时，它就会反复地做这套动作。制造类机器人在计算机产业中也发挥着十分重要的作用，它们无比精确的手可以将一块微型芯片组装起来。

最常见的制造类机器人是机械臂。典型的机械臂通常由七个部件构成，它们是用六个关节连接起来的，这里的关节即运动副，是指允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。机械臂可以用电、液或气等动力控制，例如，简单机械臂可以用步进式电机控制，步进式电机会以增量方式精确移动，这使计算机可以精确地移动机械臂不断重复完全相同的动作；某些大型或复杂机械臂一般使用液压或气动系统控制。机械臂也是制造汽车时使用的基本部件之一，大多数工业机器人在汽车装配线上负责组装工作，在进行大量的此类工作时机器人的效率比人类高得多，而且非常精确，理论上无论它们已经工作多少小时，在装配线上仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺钉等。

六自由度串联机器人也是现代制造领域最常用的一种自动化装置^[1，2]。该类工业机器人与人类的手臂极为相似，它具有相当于肩膀、肘部和腕部等的部位。通常，它的“肩膀”安装在一个固定的基座结构上，而不是移动的身体上。该类型的机器人具有六个自由度，即它能向六个不同的方向运动，与之相比，人的手臂有七个自由度。人类手臂的作用是将手移动到不同的位置，机械臂的作用则是移动末端执行器，末端执行器通常是指安装在机器人末端的工具或夹具。机械臂连接末端执行器时，工业机器人可以通过移动末端执行器至指定位置，或者驱动末端执行器沿指定轨迹运动来完成复杂作业，因此，可以在机械臂上安装适用于特定应用场景的各种末端执行器。常见的末端执行器能抓握并移动不同的物体，该类末端执行器一般有内置的压力传感器，该传感器将机器人抓握某一特定物体时的力度告诉计算机，使机器人手中的物体不会掉落或被挤破。当其他类型的末端执行器应用于喷灯、钻头和喷漆器时，六自由度机器人也就被广泛地应用于焊接、搬运及喷涂等方面。

制造类机器人形式多样，它们能够在一定范围内取代人力完成重复性强且劳动强度大的工作，甚至完成一些人工无法完成的任务和工作。

1.1.2　行走机器人

行走机器人是指机器人带有可行的运动系统。如果机器人只需在平地上移动，轮子或轨道是最好的选择，如果轮子和轨道足够宽，它们还可以适用于较为崎岖的地形。当机器人使用腿状结构时，机器人的适应性更强^[3]。制造有腿的机器人时需要充分利用运动学的知识，这在生物研究领域是有益的实践。机器人的腿通常在液压或气动活塞的驱动下前后移动，可以使各个活塞连接在不同的腿部部件上，就像不同骨骼上附着的肌肉。如何使所有这些活塞都能以正确的方式协同工作是需要解决的问题，设计时必须弄清与行走有关的问题，如进行正确的活塞运动组合，并将这一信息编入控制系统的计算机中。行走机器人的内置平衡系统应能告诉计算机何时需要校正机器人的动作。例如，两足行走的运动方式本身是不稳定的，因此在机器人的制造中实现难度很大，为了设计出行走更稳的机器人，人们常会将眼光投向动物界，尤其是昆虫。昆虫有六条腿，它们往往具有超凡的平衡能力，对许多不同的地形都能适应自如。

某些行走型机器人是远程控制的，可以通过遥控装置指挥机器人在特定的时间从事特定的工作。遥控装置可以使用连接线、无线电或红外信号与机器人通信。远程机器人在探索充满危险或人类无法进入的环境时非常有用，如深海或火山内部探索等。某些机器人只是一部分受到遥控，例如，操作人员可能会指示机器人到达某个特定的地点，但不会为它指引路线，而是任由它找到自己的路径。

近年来，在分析和借鉴人类行走特性的基础上，研究者已经研制开发出多款更趋合理的行走机器人原型机^[4]。随着原型机结构与运行环境复杂性的不断提高，对机器人提出了更高的要求，如系统控制结构与算法，特别是有关动态行走周期步态优化控制与环境适应性及鲁棒性等问题，给研究者提出了新的挑战。实际上，人们更希望机器人在行走过程中可以根据实际工况信息，通过调整控制输入实现动态行走的周期步态，使具有周期运动的行走机器人能够在人类生活和工作的环境中与人类协同工作，还可以代替人类在危险环境中高效地作业，以拓宽人类的活动空间。

1.1.3　移动型机器人

移动型机器人可以自主行动，无需依赖于任何控制人员，通过对机器人进行编程，使之能以某种方式对外界刺激做出反应。例如，碰撞反应机器人有一个用来检测障碍物的碰撞传感器，当启动碰撞反应机器人后，它大体上是沿一条直线曲折地行进，当它碰到障碍物时冲击力会作用在它的碰撞传感器上，每次发生碰撞时机器人的程序会指示它“后退-向右转-继续前进”，按照这种方法，机器人只要遇到障碍物就会改变它的方向。若是高级机器人，则会以更精巧的方式运用这样的原理。

移动性能是机器人在特定环境中高效运动并完成指定作业任务的关键，包括移动速率、能耗、稳定性、灵活性、导航、负载能力、连续作业时间及地形适应性等多个指标。

移动型机器人可以使用红外或超声波传感器来感知障碍物。这些传感器的工作方式类似于动物的回声定位系统，即机器人发出一个声音信号或一束红外光线，并检测信号的反射情况，此时机器人会根据信号反射所用的时间计算出它与障碍物之间的距离。某些移动型机器人只能在它们熟悉的有限环境中工作，例如，割草机器人依靠埋在地下的界标确定草场的范围，清洁办公室的机器人则需要建筑物的地图才能在不同的地点之间移动。较高级的移动型机器人可以利用立体视觉来观察周围的世界，摄像头可以为机器人提供深度感知，图像识别软件使机器人有能力确定物体的位置，并辨认各种物体。机器人还可以使用麦克风和气味传感器来分析和适应不熟悉的环境，甚至能适应崎岖的地形，这些机器人可以将特定的地形模式与特定的动作相关联。漫游车机器人会利用它的视觉传感器生成前方地区的地图，若地图上显示崎岖不平的地形，机器人会知道它该走另一条道。

许多移动型机器人都有内置平衡系统，该平衡系统会告诉计算机何时需要校正机器人的动作。这类系统对于在其他行星上工作的探索型机器人是非常有用的。

移动机器人的本体结构有轮式移动、履带式移动、腿式移动及混合式移动等类型。本体结构的复杂程度、移动效率的高低以及控制的难易程度等存在较大差别，环境适应能力上也各有所长。

（1）轮式移动机器人

轮式移动机器人采用轮子作为行走元件，结构简单，易于批量制作，控制也简单，在平坦地形中具有较快的移动速度，但轮式机器人对障碍地形的适应能力较弱^[5，6]。

例如，工业生产中的轮式移动型焊接机器人由移动基座和固定于基座上的焊接机械臂组成，比固定式焊接机器人适应性更强，更为灵活，在舰船制造、大型球罐焊接及军用特定环境焊接等方面具有广阔的应用前景。但是，移动型焊接机器人系统具有多变量、强耦合及非线性的特点，工作环境复杂，系统易受到外界干扰和参数摄动的影响，不确定性强，使用单一控制方法难以完成高精度的轨迹跟踪控制任务。因此，移动型焊接机器人跟踪控制精度研究对焊接自动化研究领域具有重要意义。

（2）履带式移动机器人

履带式移动机器人采用履带轮作为运动部件，移动速度较快，由于承压面积大，对地形的破坏性较小，能够适应简单障碍地形，但其运动部件质量大，所需驱动功率较大，运动所产生的惯性也大，而且恶劣环境下的振动、冲击等易造成机器人的倾覆。

（3）腿式移动机器人

腿式移动机器人是模拟哺乳动物的运动方式，采用腿式行走，其落足点是离散的，对地形要求很低，但机器人运动速度慢、动作刻板、控制复杂，而且腿式机器人一般采用直接驱动关节运动的方式使机器人行走，与轮式移动、履带式移动相比较，其能量利用效率是三者中最低的。

（4）混合式移动机器人

混合式移动机器人结合多种移动方式的优点，从功能上可以实现两种或三种运动模式的结合，能够适应复杂地形、水陆两栖环境等，可以最优的运动模式在作业环境中移动，移动性能良好。混合式移动机器人需要增加转换或调整机构，以实现两种移动方式之间的转换，随之而来的是驱动器增加和布线问题，从而导致控制系统更加复杂，控制算法难度增大及可靠性降低。此外，当其中一种移动机构不工作时，则其成为系统的负载，导致驱动功率增大以及负载能力减小，进而影响机器人的动态性能^[7-9]。

综上所述，高级移动型机器人均应有备选设计方案，方案采用较为松散的结构，并引入随机化因素。当机器人被卡住时，它会向各个方向移动附肢，直到它的动作产生效果为止。高级移动型机器人通过力传感器和传动装置的紧密协作来完成任务，而不是由计算机通过程序指导一切，当它需要通过障碍物时不会当机立断，而是不断地尝试各种做法，直到绕过障碍物为止。

1.1.4　自制机器人

自制机器人的型号及样式五花八门、种类繁多。例如，机器人爱好者们可以制造出非常精巧的行走机器人，也为自己设计家政机器人，也有一些爱好者热衷于制造竞技类机器人。

自制机器人是一种正在迅速发展的文化，在互联网上具有相当大的影响力，机器人爱好者利用各种商业机器人工具、邮购的零件、玩具甚至老式录像机组装出他们自己的作品。自制的竞技类机器人或许算不上真正的机器人，因为它们通常没有可重新编程的计算机大脑，它们更像是加强型遥控汽车。较高级的竞技类机器人是由计算机控制的，例如，足球机器人在进行足球比赛时完全不需要人类随时输入信息，标准的机器人足球队由几个单独的机器人组成，它们与一台中央计算机进行通信，该计算机通过一部摄像机“观察”整个球场，并根据颜色特征分辨足球、球门以及己方和对方的球员，计算机随时都在处理此类信息，并决定如何指挥它的球队。

自制机器人用于特定的用途，但是目前它们对完全不同的应用场景的适应能力并不是很好。

1.1.5　人工智能机器人

人工智能是研究和开发用于模拟、延伸及扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新科学，是计算机科学的一个分支^[10-12]。

人工智能机器人是指通过对人们意识、思维信息过程的模拟，完成一些任务规划等复杂而抽象的工作，辅助和代替人做出决策，减轻人类的负担。人工智能是机器人学中令人兴奋的领域，无疑也是最有争议的领域，许多人都认为，机器人可以在装配线上工作，但对于它是否可以具有智能则存在分歧，就像“机器人”术语本身一样，同样很难对“人工智能机器人”进行定义。终极的人工智能将是对人类思维过程的再现，即一部具有人类智能的人造机器。人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己的观点的能力。目前机器人无法完整实现这种水平的人工智能，但已经在有限的人工智能领域取得了很大进展，具有人工智能的机器已经可以模仿某些特定的智能要素。

用人工智能解决问题的执行过程很复杂，但基本原理却非常简单，因为计算机已经具备了在有限领域内解决问题的能力。首先，人工智能机器人或计算机会通过传感器或人工输入的方式来收集关于某个情景的事实。计算机将此信息与已存储的信息进行比较，并根据收集到的信息计算各种可能的动作，然后预测哪种动作的效果最好。当然，计算机只能解决其程序允许它解决的问题，不具备一般意义上的分析能力，例如，棋类计算机。

某些现代机器人还具备有限的学习能力。学习型机器人能够识别某种动作是否实现了所需的结果，机器人存储此类信息，当它下次遇到相同情景时，会尝试做出可以成功应对的动作^[13，14]。同样，现代计算机只能在非常有限的情景中做到这一点，因为它们无法像人类那样收集所有类型的信息。目前，某些机器人可以通过模仿人类的动作进行学习，例如，机器人学会了跳舞；有些机器人具有人际交流能力，例如，它能识别人类的肢体语言和说话的音调，并做出相应的反应。

人工智能的真正难题还在于理解自然智能的工作原理。例如，开发人工智能与制造人造心脏不同，科学家手中并没有一个简单而具体的模型可供参考。大脑中含有上百亿个神经元，人类的思考和学习是通过在不同的神经元之间建立电子连接来完成的。但是人类并不知道这些连接如何实现高级的推理能力，甚至对低层次操作的实现原理也并不知情，大脑神经网络似乎复杂得不可理解。因此，人工智能在很大程度上还只是理论。科学家们针对人类学习和思考的原理提出假说，然后利用机器人来验证他们的想法。许多机器人专家预言，机器人的进化最终将使人类彻底成为半机器人，即与机器融合的人类。

人工智能的研究还只是刚刚起步而已，要达到理想状态还需很长时间，随着人工智能技术的不断升级，智能机器人也将应用到各个领域，成为人们生活工作的好帮手。

1.1.6　其他

机器人种类较多，从作业要求上工业机器人应具有自适应性，能根据环境或者任务的不同而灵活地应用及改变构型或设计。从外形看，机器人还有轮-足复合移动机器人及球形机器人等。从机器人组织结构上可以分为固定构型机器人及模块化机器人等。

（1）轮-足复合移动机器人

轮-足复合移动机器人是腿式移动与轮式滚动的结合，为混合式移动机器人。

轮-足复合式移动机器人可分为两类：第一类是直接将轮子以串联的形式安装在腿的末端；第二类则是采用轮腿分离的形式，移动时可根据地形选择最佳的运动模式^[15-17]。

在轮-足复合移动机器人中，轮的应用最为广泛。轮式机器人的直立过程是一个典型的非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的复杂动态系统，具有极大的非线性、大滞后特征。在轮式机器人的直立过程中，经过模糊PID自整定后，抗扰动能力加强，平衡速度更快，控制精度明显提高，能满足更复杂的环境对直立的需求。在现代仓储物流中轮式机器人也扮演了重要的角色，是实现工业自动化生产的关键技术之一。但是，轮式机器人搭载货架工作时，由于货架和轮式机器人之间是直接接触关系，在不平路面的激励作用下产生振动，会导致货物的倾倒甚至倾翻。同时货架上货物的摆放有很大的随机性，使得货架的重心位置和整体重量不可预知，而货架和机器人的接触具有很强的非线性，给振动控制带来困难。

轮-足机器人在汽车工业大量应用，但轮-足机器人高速情况下转弯的稳定性和安全性问题不可忽视，转弯在轮-足机器人的行驶过程中是很重要的一个环节，在车辆稳定行驶中至关重要。轮式移动机器人在转向状态时，两侧车轮在相同时间内所走过的路程不同，内侧车轮所走过的路程要小于外侧车轮。理想情况下，两侧车轮会得到相同的转速，但如果两侧车轮所行驶的路程不等，则两侧车轮由于转速相同会导致外侧车轮产生滑移现象，这将加大车轮的磨损甚至发生翻车事故。

轮-足复合移动机器人具有自重轻、承载能力强、结构简单、行走速度快、行走机动灵活、驱动和控制相对方便、工作效率高等优点，因而被广泛应用于工业、农业、家庭、空间探测等领域。

（2）球形机器人

球形机器人是一种外壳为球形的机器人，其运动方式以滚动为主，一般由球壳和内部驱动机构组成，属于移动机器人分支。球形机器人是通过模仿生物翻滚运动而发展起来的移动机器人，该类机器人通常依靠球壳内部的驱动机构实现滚动行走，具有很强的姿态恢复能力。如果内部驱动机构设计合理，球形机器人能够很方便地实现原地转向，转弯半径为零，其行动灵活，无运动死角，并且可以搭载摄像头和机械执行装置等设备，完成各种任务。

球形机器人区别于常见的轮式、履带式和腿式移动机器人，其最大的特点就是它具有特殊的外形和运动方式。球形外壳使得其在失稳后能够经过短暂的调整迅速恢复稳定状态，因此不怕翻倒^[18-20]。由于球形机器人的所有驱动装置、传感器、动力源等都分布在球壳内，所以能获得密封外壳提供的最大保护，使内部设备免受外界环境的影响。其球形或椭球形的外壳具有很好的密封性能，可将能源、电子元器件等附件封装在壳体内，可以有效防止外部恶劣的工作环境对内部装置造成损伤和破坏；同时，球形外壳能够在多重结构特征地形中稳定运行，具有良好的动态和静态稳定性，不存在失稳状态，即使在运动过程中与障碍物发生碰撞，也不存在足式以及履带式机器人可能出现的倾覆现象，能够在短暂的自调整后恢复运行。滚动方式的特殊性使得球形机器人相对于其他运动形式的移动机器人具备更小的运动阻力，具有运动效率高、能量消耗小的特点。

此外，球形机器人还具有很好的水陆两栖功能和全地形运动特征。所以球形机器人可以在高温、辐射、毒气、沙尘等不适宜人类工作的环境下作业，应用范围广泛，可用于行星探测、环境监测、国防安保及娱乐等领域。

理论上，球形机器人与地面的接触为点接触，具有非完整约束特征，是典型的非线性非完整系统，其运动学方程为二阶微分方程，并不能通过积分的方法得到零阶运动轨迹，这给球形机器人的控制带来很大的困难。虽然现有的球形机器人方案各有千秋，但大多存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低等不足。特别是，有些驱动机构原理复杂，加大了运动控制难度，例如，球形机器人不能在球壳外搭载附件，限制了机械执行装置的有效使用，未能提供稳定平台用于搭载各种仪器设备，降低了球形机器人的实用性。此外，球形机器人对台阶、斜坡、沟壑、废墟等地形的适应性较弱，极大地限制了球形机器人的发展与应用。

从国内外研究现状可以看出，球形机器人目前仍停留在试验阶段，暂时还不能真正进入应用阶段。其中的影响因素有很多，首先，现有球形机器人的内部驱动结构设计大多比较复杂，很难真正实现球形机器人的直线运动和转弯运动，而且复杂的机械结构不利于运动控制和加工制作；其次，在驱动结构相对简单的可全向运动球形机器人中，也鲜有提供机械执行装置和足够面积的稳定平台的，然而这些对于推进球形机器人进入应用阶段均具有非常重要的作用。

（3）模块化机器人

模块化是指在对机器人的目标功能分析后，将整体结构分解并设计生产出一系列通用模块或标准模块^[21，22]。最早的模块化机械臂是美国的卡耐基梅隆大学于20世纪80年代研发的六自由度模块化机械臂RMMS（Reconfigurable Modular Manipulator System）。RMMS样机由一台用于实时控制的计算机、六个模块化关节以及关节连杆所组成。其中，关节模块分为摆动关节和旋转关节两种，每个关节都集成了直流伺服电机、谐波减速器、编码器、制动器、供电电路以及驱动电路等关键部件，同时实现了机械结构、电气结构以及控制硬件方面的模块化设计。RMMS的控制系统采用了分布式总线的控制方式，可以实现对关节的独立控制，使控制结构更加灵活、稳定可靠。

模块化机器人可以由一系列通用模块组装而成，能够根据所处环境或任务的变化依靠模块间的通信和自主运动重组为另一种适应新环境、新任务构型的机器人，数学建模时可以归为在其所能表达的构型空间中的两个构型之间找到一条满足某种条件的最优路径。

模块化机器人可以分为两种类型：第一种是由不同尺寸和功能的模块组装而成的模块化机器人；第二种是由相同模块组装而成的模块化机器人，其中每一个模块都是一个封装了特定功能的物理独立单元。第一种模块化机器人通常可分解为关节模块、连杆模块及末端执行器模块等类型模块，不同类型的模块完成的功能不同，不能相互替代。这种类型的机器人通过多种模块的不同组装形式构成不同的形态，可以完成诸如喷漆、焊接以及爬壁等不同任务，已经较为广泛地应用在不同工业领域。第二种模块化机器人由于每个模块完全相同，在重构过程中任意两个模块都能相互替换。

相比于固定构型机器人，模块化机器人通过增减某些模块或者对现有模块进行重新组合，可以由当前构型迅速变换为另一种适应新环境、新任务的构型。目前，固定构型机器人和模块化机器人都是常用的工业机器人。

在结构设计方面，总部位于丹麦欧登赛的优傲机器人（Universal Robots，UR）公司于2009年推出第一款轻型模块化协作机械臂UR5，该机身采用了铸铝的加工方式，UR5的重复定位精度达到了较高水准。机械臂关节采用了一体式模块化设计，内部集成了两个高精度绝对值编码器、直流伺服电机、伺服驱动器及制动器等零部件。在控制方面，UR5机械臂通过检测电流环的数值变化，控制关节的输出力矩，从而实现了机器人的拖动示教和紧急触停功能。UR5机械臂的拖动示教功能，使机械臂的编程更为简便、直观，在降低了操作人员的技术要求的同时，也提高了机械臂调试工作的效率。机械臂的紧急触停功能可以使机械臂在与周围物体发生碰撞时，自动停止运动，避免造成进一步的损伤。因此，与传统机械臂相比，UR5机械臂可以在没有围栏的工作环境中安全作业，实现了人与机器人的协同作业。

除此之外，还有一些比较有代表性的模块化机械臂，如美国宇航局研发的IDD（Instrument Deployment Device）机械臂^[23]、美国波士顿动力Barrett公司的WAM（Whole Arm Manipulation）机械臂^[24]等，在此不再一一赘述。

与传统机械臂相比，模块化机械臂具有如下优势：

1）生产成本低　模块的一致性在批量生产过程中可以降低机械零件加工成本以及系统关键零部件的采购成本，从而降低生产成本。

2）维护费用低　当机械臂出现故障时，可以通过快速更换损坏关节，短时间内完成维护工作，避免投入大量人力物力，而且对维护人员的专业技术要求相对较低。

3）应用成本低　当工作需求发生改变时，可以根据现有模块快速组装成能满足工作要求的机械臂，减少了研发时间和研发成本。

国内外模块化机器人的研究呈现以下几个趋势：

1）冗余自由度构型　机器人所具有的运动冗余性可以使机械臂具有更好的运动灵活性和操作性，并且可以利用冗余自由度机械臂的自运动特性进行避障操作等。此外，相对于非冗余自由度构型的机械臂，冗余自由度机械臂还具有关节备份、容错性高等优势。

2）多传感器配置　温度传感器、位移传感器、力传感器、力矩传感器等多种传感器被越来越多地应用于模块化机械臂的设计当中，构建了更加完善的信息反馈系统，有助于实现机械臂控制系统的多信息融合。

3）自主操作　随着任务级规划相关研究的深入，机器人的智能性和自主性受到了越来越多的关注，机器人的自主操作可以在实际运行过程中，减少人为参与，有利于提高设备的工作效率。

模块化机械臂凭借其多种突出特性，成为国内外学者研究的热点，并取得了令人瞩目的研究成果。