第1章 工業機器人概述

1.1 機器人的產生與發展

1.1.1 機器人的產生及定義

1．概念的出現

機器人（Robot）自1959年問世以來，由于能夠協助、代替人類完成那些重復、頻繁、單調、長時間的工作，或進行危險、惡劣環境下的作業，因此發展較迅速。隨著人們對機器人研究的不斷深入，已逐步形成了Robotics（機器人學）這一新興的綜合性學科，有人將機器人技術與數控技術、PLC技術并稱為工業自動化的三大支持技術。

機器人（Robot）一詞源自于捷克著名劇作家Karel ?apek（卡雷爾·恰佩克）1921年創作的劇本《Rossumovi Univerzální Roboti》（羅薩姆的萬能機器人，簡稱R.U.R），由于R.U.R劇中的人造機器被取名為Robota（捷克語，即奴隸、苦力），因此，英文Robot一詞開始代表機器人。

機器人概念一經出現，首先引起了科幻小說家的廣泛關注。自20世紀20年代起，機器人成為了很多科幻小說、電影的主人公，如星球大戰中的C3P等。科幻小說家的想象力是無限的。為了預防機器人可能引發的人類災難，1942年，美國科幻小說家Isaac Asimov（艾薩克·阿西莫夫）在《I, Robot》的第4個短篇《Runaround》中，首次提出了“機器人學三原則”，它被稱為“現代機器人學的基石”，這也是“機器人學（Robotics）”這個名詞在人類歷史上的首度亮相。

機器人學三原則的主要內容如下。

原則1：機器人不能傷害人類，或因其不作為而使人類受到傷害。

原則2：機器人必須執行人類的命令，除非這些命令與原則1相抵觸。

原則3：在不違背原則1、原則2的前提下，機器人應保護自身不受傷害。

到了1985年，Isaac Asimov在機器人系列最后作品《Robots and Empire》中又補充了凌駕于“機器人學三原則”之上的“0原則”。

原則0：機器人必須保護人類的整體利益不受傷害，其他3條原則都必須在這一前提下才能成立。

繼Isaac Asimov之后，其他科幻作家還不斷提出了對“機器人學三原則”的補充、修正意見，但是，這些大都是科幻小說家對想象中機器人所施加的限制；實際上，“人類整體利益”等概念本身就是模糊的，甚至連人類自己都搞不明白，更不要說機器人了。因此，目前人類的認識和科學技術，實際上還遠未達到制造科幻片中的機器人的水平，制造出具有類似人類智慧、感情、思維的機器人，仍屬于科學家的夢想和追求。

2．機器人的產生

現代機器人的研究起源于20世紀中葉的美國，它從工業機器人的研究開始。

二戰期間（1938—1945年），由于軍事、核工業的發展需要，在原子能實驗室的惡劣環境下，需要有操作機械來代替人類進行放射性物質的處理。為此，美國的Argonne National Laboratory（阿爾貢國家實驗室）開發了一種遙控機械手（Teleoperator）。接著，在1947年，又開發出了一種伺服控制的主—從機械手（Master-Slave Manipulator），這些都是工業機器人的雛形。

工業機器人的概念由美國發明家George Devol（喬治·德沃爾）最早提出，他在1954年申請了專利，并在1961年獲得授權。1958年，美國著名的機器人專家Joseph F·Engelberger（約瑟夫·恩蓋爾柏格）建立了Unimation公司，并利用George Devol的專利，于1959年研制出如圖1.1-1所示的世界上第一臺真正意義上的工業機器人Unimate，開創了機器人發展的新紀元。

Joseph F·Engelberger對世界機器人工業的發展作出了杰出的貢獻，被人們稱為“機器人之父”。1983年，就在工業機器人銷售日漸增長的情況下，他又毅然地將Unimation公司出讓給了美國Westinghouse Electric Corporation公司（西屋電氣，又譯威斯汀豪斯），并創建了TRC公司，前瞻性地開始了服務機器人的研發工作。

從1968年起，Unimation公司先后將機器人的制造技術轉讓給了日本KAWASAKI（川崎）和英國GKN公司，機器人開始在日本和歐洲得到了快速發展。據有關方面的統計，目前世界上至少有48個國家在發展機器人，其中的25個國家已在進行智能機器人開發，美國、日本、德國、法國等都是機器人的研發和制造大國，無論在基礎研究或是產品研發、制造方面都居世界領先水平。

3．國際標準化組織

隨著機器人技術的快速發展，在發達國家，機器人及其零部件的生產已逐步形成產業，為了能夠宣傳、規范和引導機器人產業的發展，世界各國相繼成立了相應的行業協會。目前，世界主要機器人生產與使用國的機器人行業協會如下。

（1）International Federation of Robotics（IFR，國際機器人聯合會）：該聯合會成立于1987年，目前已有25個成員國，它是世界公認的機器人行業代表性組織，已被聯合國列為非政府正式組織。

（2）Japan Robot Association（JRA，日本機器人協會）：該協會原名Japan Industrial Robot Association（JIRA，日本工業機器人協會），也是全世界最早的機器人行業協會。JIRA成立于1971年3月，最初稱“工業機器人懇談會”;1972年10月更名為JIRA;1973年10月成為正式法人團體；1994年更名為Japan Robot Association（JRA）。

（3）Robotics Industries Association（RIA，美國機器人協會）：該協會成立于1974年，是美國機器人行業的專門協會。

（4）Verband Deutscher Maschinen Und Anlagebau（VDMA，德國機械設備制造業聯合會）:VDMA是擁有3100多家會員企業、400余名專家的大型行業協會，它下設37個專業協會和一系列跨專業的技術論壇、委員會及工作組，是歐洲目前最大的工業聯合會，以及工業投資品領域中最大、最重要的組織機構。自2000年起，VDMA設立了專業協會Deutschen Gesellschaft Association für Robotik（DGR，德國機器人協會），專門進行機器人產業的規劃和發展等相關工作。

（5）French Research Group in Robotics（FRGR，法國機器人協會）：該協會原名Association Frencaise de Robotique Industrielle（AFR，法國工業機器人協會），后來隨著服務機器人的發展，在2007年更為現名。

（6）Korea Association of Robotics（KAR，韓國機器人協會）：是亞洲較早的機器人協會之一，成立于1999年。

4．機器人的定義

由于機器人的應用領域眾多、發展速度快，加上它又涉及人類的有關概念，因此，對于機器人，世界各國標準化機構，甚至同一國家的不同標準化機構，至今尚未形成一個統一、準確、世所公認的嚴格定義。

例如，歐美國家一般認為，機器人是一種“由計算機控制、可通過編程改變動作的多功能、自動化機械”。而日本作為機器人生產的大國，則將機器人分為“能夠執行人體上肢（手和臂）類似動作”的工業機器人和“具有感覺和識別能力、并能夠控制自身行為”的智能機器人兩大類。

客觀地說，歐美國家的機器人定義側重其控制方式和功能，其定義和現行的工業機器人較接近；而日本的機器人定義，關注的是機器人的結構和行為特性，且已經考慮到了現代智能機器人的發展需要，其定義更為準確。

作為參考，目前在相關資料中使用較多的機器人定義主要有以下幾種。

（1）International Organization for Standardization（ISO，國際標準化組織）定義：機器人是一種“自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，執行各種任務”。

（2）Japan Robot Association（JRA，日本機器人協會）將機器人分為工業機器人和智能機器人兩大類，工業機器人是一種“能夠執行人體上肢（手和臂）類似動作的多功能機器”，智能機器人是一種“具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器”。

（3）NBS（美國國家標準局）定義：機器人是一種“能夠進行編程，并在自動控制下執行某些操作和移動作業任務的機械裝置”。

（4）Robotics Industries Association（RIA，美國機器人協會）定義：機器人是一種“用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程的動作來執行各種任務的，具有編程能力的多功能機械手”。

（5）我國GB/T 12643—2013標準定義：工業機器人是一種“能夠自動定位控制，可重復編程的，多功能的、多自由度的操作機，能搬運材料、零件或操持工具，用于完成各種作業”。

由于以上標準化機構及專門組織對機器人的定義都是在特定時間得出的結論，多偏重于工業機器人，但科學技術對未來是無限開放的，當代智能機器人無論在外觀，還是功能、智能化程度等方面，都已超出了傳統工業機器人的范疇。機器人正源源不斷地向人類活動的各個領域滲透，它所涵蓋的內容越來越豐富，其應用領域和發展空間正在不斷延伸和擴大，這也是機器人與其他自動化設備的重要區別。

可以想象，未來的機器人不但可接受人類指揮、運行預先編制的程序；而且可根據人工智能技術所制定的原則綱領，選擇自身的行動；甚至可能像科幻片所描述的那樣，脫離人們的意志而自行其是。

1.1.2 機器人的發展

1．技術發展水平

機器人最早用于工業領域，它主要用來協助人類完成重復、頻繁、單調、長時間的工作，或進行高溫、粉塵、有毒、輻射、易燃、易爆等惡劣、危險環境下的作業。但是，隨著社會進步、科學技術發展和智能化技術研究的深入，各式各樣具有感知、決策、行動和交互能力，可適應不同領域特殊要求的智能機器人相繼被研發，機器人已開始進入人們生產、生活的各個領域，并在某些領域逐步取代人類獨立從事相關作業。

根據機器人現有的技術水平，一般將機器人產品分為3代。

（1）第一代機器人

第一代機器人一般是指能通過離線編程或示教操作生成程序，并再現動作的機器人。第一代機器人所使用的技術和數控機床十分相似，它既可通過離線編制的程序控制機器人的運動；也可通過手動示教操作（數控機床稱為Teach in操作），記錄運動過程并生成程序，并進行再現運行。

第一代機器人的全部行為完全由人控制，它沒有分析和推理能力，不能改變程序動作，無智能性，其控制以示教、再現為主，故又稱示教再現機器人。第一代機器人現已實用和普及，圖1.1-2所示的大多數工業機器人都屬于第一代機器人。

（2）第二代機器人

第二代機器人裝備有一定數量的傳感器，它能獲取作業環境、操作對象等的簡單信息，并通過計算機的分析與處理，作出簡單的推理，并適當調整自身的動作和行為。例如，在圖1.1-3所示的探測機器人上，可通過所安裝的攝像頭及視覺傳感系統，識別圖像，判斷和規劃探測車的運動軌跡，它對外部環境具有了一定的適應能力。

第二代機器人已具備一定的感知和簡單推理等能力，有一定程度上的智能，故又稱感知機器人或低級智能機器人，當前使用的大多數服務機器人或多或少都已經具備第二代機器人的特征。

（3）第三代機器人

第三代機器人應具有高度的自適應能力，它有多種感知機能，可通過復雜的推理，做出判斷和決策，自主決定機器人的行為，具有相當程度的智能，故稱為智能機器人。第三代機器人目前主要用于家庭、個人服務及軍事、航天等行業，總體尚處于實驗和研究階段，目前只有美國、日本、德國等少數發達國家能掌握和應用。

例如，日本HONDA（本田）公司最新研發的圖1.1-4（a）所示的Asimo機器人，不僅能實現跑步、爬樓梯、跳舞等動作，且還能進行踢球、倒飲料、打手語等簡單智能動作。日本Riken Institute（理化學研究所）最新研發的圖1.1-4（b）所示的Robear護理機器人，其肩部、關節等部位都安裝有測力感應系統，可模擬人的懷抱感，它能夠像人一樣，柔和地能將臥床者從床上扶起，或將坐著的人抱起，其樣子親切可愛、充滿活力。

2．主要生產國及產品水平

機器人問世以來，得到了世界各國的廣泛重視，美國、日本和德國為機器人研究、制造和應用大國，英國、法國、意大利、瑞士等國的機器人研發水平也居世界前列。目前，世界主要機器人生產制造國的研發、應用情況如下。

（1）美國

美國是機器人的發源地，其機器人研究領域廣泛、產品技術先進，機器人的研究實力和產品水平均領先于世界，Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics、iRobot、Remotec等都是美國著名的機器人生產企業。

美國的機器人研究從最初的工業機器人開始，但現在已更多地轉向軍用、醫療、家用服務及軍事、場地等高層次智能機器人的研發。據統計，美國的智能機器人占據了全球約60%的市場，iRobot、Remotec等都是全球著名的服務機器人生產企業。

美國的軍事機器人（Military Robot）更是遙遙領先于其他國家，無論是在基礎技術研究、系統開發、生產配套方面，或是在技術轉化、實戰應用方面等都具有強大的優勢，其產品研發與應用已涵蓋陸、海、空、天等諸多兵種，它是目前全世界唯一具有綜合開發、試驗和實戰應用能力的國家。Boston Dynamic（s波士頓動力，現已被Google并購）、Lockheed Martin（洛克希德馬丁）等公司均為世界聞名的軍事機器人研發制造企業。

美國現有的軍事機器人產品包括無人駕駛飛行器、無人地面車、機器人武裝戰車及多功能后勤保障機器人、機器人戰士等多種。

圖1.1-5（a）為Boston Dynamics（波士頓動力）研制的多功能后勤保障機器人。其中，BigDog（大狗）系列機器人的軍用產品LS3（Legged Squad Support Systems，又名阿爾法狗），重達1250磅（約570kg），它可在搭載400磅（約181kg）重物的情況下，連續行走20英里（約32km），并能穿過復雜地形、應答士官指令；圖1.1-5（b）為WildCat（野貓）機器人，它能在各種地形上，以超過25km/h的速度奔跑和跳躍。

此外，為了避免戰爭中的犧牲，Boston Dynamics還研制出了類似科幻片中的“機器人戰士”。如“哨兵”機器人已經能夠自動識別聲音、煙霧、風速、火等環境數據，而且還可以說300多個單詞，向可疑目標發出口令，一旦目標不能正確回答，便可迅速、準確地瞄準和加以射擊。該公司最新研發的如圖1.1-5（c）所示的Atlas（阿特拉斯）機器人，高1.88m、重150kg，其四肢共擁有28個自由度，能夠直立行走、攀爬、自動調整重心，其靈活性已接近于人類，堪稱當今世界上最先進的機器人戰士等。

美國的場地機器人（Field Robots）研究水平同樣令其他各國望塵莫及，其研究遍及空間、陸地、水下，并已經用于月球、火星等天體的探測。

早在1967年，National Aeronautics and Space Administration（NASA，美國宇航局）所發射的“海盜”號火星探測器已著落火星，并對土壤等進行了采集和分析，以尋找生命跡象；同年，還發射了“觀察者”3號月球探測器，對月球土壤進行了分析和處理。到了2003年，NASA又接連發射了Spirit以及MER-A（勇氣號）和Opportunity（機遇號）兩個火星探測器，并于2004年1月先后著落火星表面，它可在地面的遙控下，在火星上自由行走，通過它們對火星巖石和土壤的分析，收集到了表明火星上曾經有水流動的強有力證據，發現了形成于酸性湖泊的巖石、隕石等。2011年11月，又成功發射了圖1.1-6（a）所示的Curiosity（好奇號）核動力驅動的火星探測器，并于2012年8月6日安全著落火星，開啟了人類探尋火星生命元素的歷程；圖1.1-6（b）是Google公司最新研發的Andy（安迪號）月球車。

（2）日本

日本是目前全球產量最大的機器人研發、生產和使用國，在工業機器人及家用服務、護理機、醫療等智能機器人的研發上具有世界領先水平。

日本在工業機器人的生產和應用方面居世界領先地位。20世紀90年代，日本就開始普及第一代和第二代工業機器人，截至目前，它仍保持工業機器人產量、安裝數量世界第一的地位。據統計，日本的工業機器人產量約占全球的50%；安裝數量約占全球的23%。

日本在工業機器人的主要零部件供給、研究等方面同樣居世界領先地位，其主要零部件（精密減速機、伺服電動機、傳感器等）占全球市場的90%以上。日本的Harmonic Drive System（哈默納科）是全球最早生產諧波減速器企業和目前全球最大、最著名的諧波減速器生產企業，其產品規格齊全、產量占全世界總量的15%左右。日本的Nabtesco Corporation（納博特斯克公司）是全球最大、技術最領先的RV減速器生產企業，其產品占據了全球60%以上的工業機器人RV減速器市場及日本80%以上的數控機床自動換刀（ATC）裝置RV減速器市場。世界著名的工業機器人幾乎都使用Harmonic Drive System生產的諧波減速器和Nabtesco Corporation生產的RV減速器。

日本在發展第三代智能機器人上，同樣取得了舉世矚目的成就。為了攻克智能機器人的關鍵技術，自2006年起，政府每年都投入巨資用于服務機器人的研發，如前述的HONDA公司Asimo機器人、Riken Institute的Robear護理機器人等家用服務機器人的技術水平均居世界前列。

（3）德國

德國的機器人研發稍晚于日本，但其發展十分迅速。20世紀70年代中后期，德國政府在“改善勞動條件計劃”中，強制規定了部分有危險、有毒、有害的工作崗位必須用機器人來代替人工的要求，它為機器人的應用開辟了廣大的市場。據VDMA（德國機械設備制造業聯合會）統計，目前德國的工業機器人密度已在法國的2倍和英國的4倍以上，它是目前歐洲最大的工業機器人生產和使用國。

德國的工業機器人以及軍事機器人中的地面無人作戰平臺、水下無人航行體的研究和應用水平，居世界領先地位。德國的KUKA（庫卡）、REIS（徠斯，現為KUKA成員）、Carl-Cloos（卡爾—克魯斯）等都是全球著名的工業機器人生產企業；德國宇航中心、德國機器人技術商業集團、Karcher公司、Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automatic（弗勞恩霍夫制造技術和自動化研究所）及STN公司、HDW公司等是有名的服務機器人及軍事機器人研發企業。

德國在智能服務機器人的研究和應用上，同樣具有世界公認的領先水平。例如，弗勞恩霍夫制造技術和自動化研究所最新研發的服務機器人Care-O-Bot4，不但能夠識別日常的生活用品，而且還能聽懂語音命令和看懂手勢命令、按聲控或手勢的要求進行自我學習。

（4）中國

中國是目前全世界工業機器人銷售增長速度最快的市場，總銷量已經連續3年位居全球第一。2013年，工業機器人銷量接近3.7萬臺，占全球總銷量的1/5;2014年的銷量為5.7萬臺，達到全球總銷量的1/4;2015年的銷量更是高達7.5萬臺，占全球總銷量的1/3。

我國的機器人研發起始于20世紀70年代初期，90年代又先后研制出點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等工業機器人，在工業機器人及零部件研發等方面取得了一定的成績。上海交大、哈工大、天津大學、南開、北航等高校都設立了機器人研究所或實驗室，進行工業機器人和服務機器人的基礎研究；廣州數控、南京埃斯頓、沈陽新松等企業也開發了部分機器人產品。但是，總體而言，我國的機器人研發目前還處于初級階段，和先進國家的差距依舊十分明顯，產品以低檔工業機器人為主，核心技術尚未掌握，關鍵部件幾乎完全依賴進口，國產機器人的市場占有率十分有限，目前還沒有真正意義上的完全自主機器人生產商。

高端裝備制造業是國家重點支持的戰略新興產業，工業機器人作為高端裝備制造業的重要組成部分，有望在今后一段時期得到快速發展。