预备篇

第1章 绪论

1.1 机器人的概念及特点

1.1.1 机器人的由来

机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。机器人（Robot）一词最早由一位名叫卡雷尔·查培克（Karal Capak）的捷克剧作家使用。在捷克语中，Robot 一词是指服劳役的奴隶。1921 年，Capak 写了一出戏剧，名叫《洛桑万能机器人公司》（ Rossnm’s Universal Robots），在这出剧中，机器人是洛桑和他儿子研制的类人生物，用来作为人类的奴仆。随后，一名名叫艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的科幻小说家使用了机器人学（Robotics）这个词来描述与机器人有关的科学。他还提出了“机器人”的3个原则，值得今天的机器人设计者和使用者关注。这3个原则如下：

（1）机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观；

（2）机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾；

（3）机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。

实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术，以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋，以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。

1.1.2 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）英国简明牛津字典的定义。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”。这一定义并不完全正确，因为还不存在与人类相似的机器人在运行。这是一种理想的机器人。

（2）美国机器人协会的定义。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”。尽管这一定义较实用些，但并不全面。这里指的是工业机器人。

（3）日本工业机器人协会的定义。机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器的，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（NBS）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”。这也是一种比较广义的工业机器人定义。

（5）国际标准化组织的定义。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，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。显然，这一定义与美国机器人协会的定义相似。

我国关于机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”。我国可以参考各国的定义，结合我国情况，对机器人做统一的定义。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。

1.1.3 机器人的主要特点

1.通用性

机器人的通用性（Versatility）取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。通用性也意味着机器人具有可变的集合结构，即根据生产需要进行变更的集合结构；或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。必须指出，通用性不是自由度单独决定的。增加自由度一般能提高通用性。不过，还必须考虑其他因素，特别是末端装置的结构能力，如它们能否适应不同的工具等。

2.适应性

机器人的适应性（Adaptivity）是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人认识其环境，即具有人工知觉。在这方面，机器人使用它的下述能力：

（1）运用传感器检测环境的能力；

（2）分析任务空间和执行操作规划的能力；

（3）自动指令模式能力。

迄今为止，所开发的机器人知觉与人类对环境的解释能力相比，仍然是十分有限的。这个领域内的某些重要研究工作正在进行中。