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机器人资料终极大全一
一、机器人概述
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，也能运行预先编排的程序，还可依据人工智能技术制定的原则纲领行动，核心任务是协助或取代人类完成生产、建筑、危险作业等各类工作。
它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物，目前在工业、医学、农业、军事等诸多领域都发挥着重要作用。
关于机器人的定义，不同国家曾有分歧：
- 欧美国家认为：机器人是由计算机控制、可编排程序且具备多功能的自动机械。
- 日本则认为：机器人是任何高级的自动机械，范围包含需人操纵的机械手。
如今国际上对机器人的概念已逐渐趋近一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会的定义：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
机器人能力的评价标准分为三类：
- 智能：涵盖感觉、感知，以及记忆、运算、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等能力；
- 机能：指变通性、通用性或空间占有性等；
- 物理能：包括力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。
综上，机器人可被视为具有生物功能的空间三维坐标机器。
二、机器人的组成
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统四部分组成：
1. 执行机构
即机器人本体，臂部多采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）称为关节，关节个数通常等于机器人的自由度数。根据关节配置和运动坐标形式，可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。
出于拟人化设计，机器人本体各部位常被称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（移动机器人专属）。
2. 检测装置
作用是实时检测机器人的运动及工作状态，将信息反馈给控制系统，与设定信息对比后调整执行机构，确保动作符合预定要求。传感器分为两类：
- 内部信息传感器：检测机器人各部分内部状况，如关节位置、速度、加速度等，形成闭环控制；
- 外部信息传感器：获取作业对象及外界环境信息，让机器人动作适应环境变化，向智能化发展，比如视觉、声觉传感器，可构建大反馈回路提升工作精度。
3. 控制系统
主要有两种控制方式：
- 集中式控制：由一台微型计算机完成全部控制任务；
- 分散（级）式控制：多台微机分担控制，比如上下级微机配合，主机负责系统管理、通讯、运动学及动力学计算并发送指令，下级各关节对应CPU负责插补运算和伺服控制，反馈信息给主机。
根据作业需求，控制方式还可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
三、机器人发展史
- 1920年：捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，结合捷克文“Robota”（劳役、苦工）和波兰文“Robotnik”（工人），创造出“机器人”一词。
- 1939年：美国纽约世博会展出西屋电气公司制造的家用机器人Elektro，它由电缆控制，能行走、说77个字甚至抽烟，让人们对家用机器人的憧憬更具体。
- 1942年：美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”，虽出自科幻小说，却成为学术界默认的研发原则。
- 1948年：诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述机器通信控制机能与人的神经感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。
- 1954年：美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程机器人并注册专利，该机械手能按不同程序完成不同工作，兼具通用性和灵活性。
- 1956年：达特茅斯会议上，马文·明斯基提出智能机器定义：“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”，影响了此后30年智能机器人的研究方向。
- 1959年：德沃尔与约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人，随后成立世界首家机器人制造工厂——Unimation公司，英格伯格也被称为“工业机器人之父”。
- 1962年：美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（万能搬运），与Unimation公司的Unimate成为真正商业化的工业机器人并出口全球，掀起机器人研究热潮。
- 1962-1963年：传感器应用提升机器人可操作性，先后出现触觉传感器、压力传感器，麦卡锡还在机器人中加入视觉传感系统，1965年助力MIT推出世界首个带视觉传感器、能识别定位积木的机器人系统。
- 1965年：约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人，能通过声纳、光电管等装置根据环境校正位置；同期美国麻省理工学院、斯坦福大学，英国爱丁堡大学等陆续成立机器人实验室，美国开始研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，向人工智能进发。
- 1968年：美国斯坦福研究所研发出智能机器人Shakey，带有视觉传感器，能按指令发现并抓取积木，控制它的计算机有一个房间大，拉开了第三代机器人研发序幕。
- 1969年：日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台双脚走路的机器人，加藤一郎被誉为“仿人机器人之父”，日本后来催生出本田ASIMO、索尼QRIO等知名仿人机器人。
- 1973年：美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3诞生，这是世界上首次机器人与小型计算机携手合作的产物。
- 1978年：美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，标志工业机器人技术完全成熟，至今仍活跃在工厂一线。
- 1984年：英格伯格推出医院服务机器人Helpmate，能为病人送饭、送药、送邮件，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。
- 1998年：丹麦乐高公司推出Mind-storms机器人套件，让机器人制造像搭积木一样简单灵活，推动机器人走入个人世界。
- 1999年：日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），一经发售便销售一空，娱乐机器人成为机器人进入普通家庭的途径之一。
- 2002年：美国iRobot公司推出吸尘器机器人Roomba，能避开障碍、自动规划行进路线，电量不足时可自动驶向充电座，是目前全球销量最大、最商业化的家用机器人。
- 2006年6月：微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化趋势愈发明显，比尔·盖茨预言家用机器人很快将席卷全球。
四、机器人分类
1. 通用功能分类
基于功能和控制方式，机器人可分为：
- 家务型机器人：帮助人们打理生活，完成简单家务活；
- 操作型机器人：自动控制、可重复编程、多功能、多自由度，可固定或移动，用于自动化系统；
- 程控型机器人：按预先设定的顺序和条件，依次控制机械动作；
- 示教再现型机器人：通过引导等方式教会机器人动作，输入程序后自动重复作业；
- 数控型机器人：无需机器人动作，通过数值、语言等示教，机器人按信息作业；
- 感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制动作；
- 适应控制型机器人：能适应环境变化，调整自身行动；
- 学习控制型机器人：可“体会”工作经验，具备学习功能并应用于工作；
- 智能机器人：以人工智能决定行动。
2. 中外专家应用环境分类
- 我国分类：分为工业机器人和特种机器人。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；特种机器人是除工业机器人外、服务于人类的非制造业机器人，包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等，部分分支如服务机器人、水下机器人已独立成体系。
- 国际分类：与我国一致，分为制造环境下的工业机器人，以及非制造环境下的服务与仿人型机器人。
3. 空中机器人（无人机）
无人机是军用机器人家族中科研最活跃、技术进步最大、经费投入最多、实战经验最丰富的领域，80多年来以美国发展为主线，美国在技术水平、种类和数量上均居世界首位。
五、机器人品种
1. 军用无人机系列
现代战争是无人机发展的核心动力，无人机也深刻影响着现代战争的形态：
- “别动队”无人机：二战期间技术有限未发挥重大作用；朝鲜战争中美国少量使用无人侦察机和攻击机；越南战争、中东战争中成为必备武器系统；海湾战争、波黑战争、科索沃战争中成为主力侦察机种。
- 法国“红隼”无人机：越南战争中，美国因飞行员伤亡惨重大量使用无人机，如“水牛猎手”无人机在北越执行任务2500多次，超低空拍摄损伤率仅4%；AQM－34Q型147火蜂无人机飞行500多次，完成电子窃听、电台干扰等任务。
- 高空无人侦察机：1982年贝卡谷地之战中，以色列每天出动“侦察兵”“猛犬”等无人机70多架次，反复侦察叙军防空阵地和机场，准确查明雷达位置，为后续攻击创造条件。
- 鬼怪式无人机：1991年海湾战争中，美军用“先锋”无人机作为空中侦察主力，部署6个无人机连，共出动522架次，飞行1640小时；密苏里号、威斯康星号战舰借助先锋无人机校射，摧毁伊军大量防御工事。
- Brevel无人机：海湾战争中，先锋无人机为美军陆军第7军侦察伊军坦克、指挥中心等目标，引导直升机和炮兵攻击，319架次飞行仅1架被击中，4-5架因电磁干扰失事。
- “捕食者”无人机：1995年波黑战争中，“捕食者”负责侦察、引导攻击、战果评估，还监控公路军车移动判断和平协议执行情况，被称为“战场上的低空卫星”，能提供连续实时战场图像，成本远低于卫星。
- 科索沃战争中的无人机：1999年科索沃战争中，北约因地形和气候限制，大量使用约200架6种类型无人机（美国“捕食者”“猎人”“先锋”、德国CL－289、法国“红隼”“猎人”、英国“不死鸟”），完成中低空侦察、电子干扰、战果评估、目标定位、气象搜集、散发传单、营救飞行员等任务，极大提升了无人机在战争中的地位。
2. 机器警察（地面军用机器人）
地面军用机器人和平时期可协助民警排爆、保安，战时可代替士兵扫雷、侦察、攻击，美、英、德、法、日等国均有多种型号：
- 英国“手推车”系列排爆机器人：60年代研制成功，已向50多个国家军警售出800多台；后续优化出土拨鼠（重35公斤，桅杆装两台摄像机）和野牛（重210公斤，可载100公斤负载）排爆机器人，采用无线电控制，遥控距离约1公里，曾在波黑、科索沃执行排爆任务。
- 多国排爆机器人应用：法国空军、陆军和警察署使用Cybernetics公司的TRS200中型排爆机器人，巴黎机场选用DM公司的RM35机器人；德国驻波黑维和部队装备Telerob公司的MV4系列机器人；我国沈阳自动化所研制的PXJ－2机器人加入公安部队。
- 美国Andros系列机器人：受到各国军警欢迎，白宫、国会大厦警察局均有配备；南非总统选举期间执行100多次任务；海湾战争后用于清理沙特、科威特空军基地的地雷和未爆炸弹药；科索沃战争中被美国空军用于排爆，每个现役排爆小队和航空救援中心都配备一台Andros VI。
- 机器人的侦察监视功能：排爆机器人还可监视犯罪分子，1993年美国韦科庄园教案中，联邦调查局使用Andros系列和STV机器人，STV机器人可升高至4.5米，搭载多种传感器，遥控距离达10公里，能清晰观察屋内活动。
六、机器人的定义与伦理准则
1. 早期科幻中的机器人定义
- 1886年：法国作家利尔亚当在《未来夏娃》中提出“安德罗丁”（android），包含生命系统、造型解质、人造肌肉、人造皮肤四部分。
- 1920年：卡雷尔·恰佩克在《罗萨姆的万能机器人》中，将捷克语“Robota”（奴隶）改为“Robot”，剧中机器人最初无感情，后来具备感情后造反消灭人类，最终一对机器人相爱进化为人类，引发人们对机器人安全、感知和自我繁殖的思考。
2. 机器人三原则
1940年科幻作家阿西莫夫提出“机器人三原则”，成为机器人研发的伦理纲领：
- 机器人不应伤害人类；
- 机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
- 机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
3. 学术领域的机器人定义
- 1967年日本第一届机器人学术会议：
- 森政弘与合田周平提出：机器人是具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器，后又扩展为10个特性；
- 加藤一郎提出：具备脑、手、脚三要素，有非接触和接触传感器，有平衡觉和固有觉传感器的机器称为机器人，强调仿人特性。
- 1988年法国埃斯皮奥：机器人学是设计能根据传感器信息实现预先规划作业的系统，并研究其使用方法。
- 1987年国际标准化组织：工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
- 我国科学家：机器人是具备感知、规划、动作、协同等与人或生物相似智能能力的高度灵活自动化机器，其本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。
七、古代机器人
人类对机器人的幻想与追求已有3000多年历史：
- 西周时期：能工巧匠偃师研制出能歌善舞的伶人，是我国最早记载的机器人。
- 春秋后期：木匠鲁班制造出能在空中飞行“三日不下”的木鸟，展现了古代劳动人民的智慧。
- 公元前2世纪：古希腊人发明以水、空气、蒸汽为动力的自动机，能自己开门、借助蒸汽唱歌。
- 汉代：科学家张衡发明计里鼓车，每行一里木人击鼓，每行十里击钟。
- 三国时期：诸葛亮创造“木牛流马”，用于运送军粮支援战争。
- 1662年：日本竹田近江利用钟表技术发明自动机器玩偶，在大阪道顿堀演出。
- 1738年：法国技师杰克·戴·瓦克逊发明机器鸭，会嘎嘎叫、游泳、喝水、进食和排泄，本意是将生物功能机械化用于医学分析。
- 1773年：瑞士钟表匠杰克·道罗斯父子推出自动书写、自动演奏玩偶，利用齿轮和发条原理制成，在欧洲风靡一时；现存最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆的少女玩偶，制作于二百年前，能按动风琴琴键演奏音乐。
- 19世纪中叶：自动玩偶分为科学幻想派和机械制作派，文学上有《浮士德》的人造人“荷蒙克鲁斯”、《葛蓓莉娅》、《木偶奇遇记》、《未来的夏娃》等作品；机械制造上，1893年摩尔制造了靠蒸汽驱动双腿走动的“蒸汽人”。
八、现代机器人
现代机器人研究始于20世纪中期，技术背景是计算机、自动化的发展及原子能的开发利用：
- 1946年：第一台数字电子计算机问世，向高速度、大容量、低价格方向发展，为机器人研发提供基础。
- 1952年：数控机床诞生，相关控制、机械零件研究为机器人开发奠定基础。
- 1947-1948年：美国原子能委员会阿尔贡研究所先后开发遥控机械手和机械式主从机械手，用于处理放射性物质。
- 1954年：美国戴沃尔提出工业机器人概念并申请专利，核心是借助伺服技术控制关节，通过示教实现动作记录和再现，这是目前主流的机器人控制方式。
- 1962年：美国AMF公司的“VERSTRAN”和UNIMATION公司的“UNIMATE”问世，成为最早的实用示教再现型工业机器人，外形类似人手和臂。
- 1965年：MIT的Roborts演示了首个带视觉传感器、能识别定位简单积木的机器人系统。