機器人

《隋書》裏曾記載了一個機器人的故事：“……帝猶恨不能夜召，於是命匠刻木偶人，施機關，能坐起拜伏，以像於抃。帝每在月下對酒，輒令宮人置之於座，與相酬酢，而為歡笑。”

——楊廣沒登基的時候和文士柳抃就結成了好友，登基之後，關係更鐵。只可惜大半夜把柳抃召進紫微城大內總不妥當，楊廣只好“望梅止渴”，命人照柳抃的模樣做了一個木偶，裝上機關，木偶能坐能站還會磕頭。楊廣興致來了，就和這個木偶月下對飲歡笑。 ^[1] 

1920年，捷克作家卡雷爾·凱佩克（Karel Capek）發表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。在劇本中，凱佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，“Robota”是奴隸的意思。該劇預告了機器人的發展對人類社會的悲劇性影響，引起了人們的廣泛關注，被當成了“機器人”一詞的起源。在該劇中，機器人按照其主人的命令默默地工作，沒有感覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動。後來，羅薩姆公司取得了成功，使機器人具有了感情，導致機器人的應用部門迅速增加。在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員。機器人發覺人類十分自私和不公正，終於造反了，機器人的體能和智能都非常優異，因此消滅了人類。但是機器人不知道如何製造它們自己，認為它們自己很快就會滅絕，所以它們開始尋找人類的倖存者，但沒有結果。最後，一對感知能力優於其他機器人的男女機器人相愛了。這時機器人進化為人類，世界又起死回生了。 ^[3] 

凱佩克提出的是機器人的安全、感知和自我繁殖問題。科學技術的進步很可能引發人類不希望出現的問題。雖然科幻世界只是一種想象，但人類社會將可能面臨這種現實。 ^[3] 

為了防止機器人傷害人類，1950年科幻作家阿西莫夫（Asimov）在《我是機器人》一書中提出了“機器人三原則”： ^[3] 

①機器人必須不傷害人類，也不允許它見人類將受到傷害而袖手旁觀； ^[3] 

②機器人必須服從人類的命令，除非人類的命令與第一條相違背； ^[3] 

③機器人必須保護自身不受傷害，除非這與上述兩條相違背。 ^[3] 

這三條原則，給機器人社會賦以新的倫理性，會為機器人研究人員、設計製造廠家和用户提供十分有意義的指導方針。 ^[3] 

1967年日本召開的第一屆機器人學術會議上，人們提出了兩個有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特徵的柔性機器”。從這一定義出發，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象；另一個是加藤一郎提出的，具有如下3個條件的機器可以稱為機器人： ^[3] 

①具有腦、手、腳等三要素的個體； ^[3] 

②具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器； ^[3] 

③具有平衡覺和固有覺的傳感器。 ^[3] 

該定義強調了機器人應當具有仿人的特點，即它靠手進行作業，靠腳實現移動，由腦來完成統一指揮的任務。非接觸傳感器和接觸傳感器相當於人的五官，使機器人能夠識別外界環境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態所不可缺少的傳感器。 ^[3] 

對機器人的定義:機器人是一種能夠通過編程和自動控制來執行諸如作業或移動等任務的機器。 ^[3] 

機器人工業協會

機器人是一種用於移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程動作來執行各種任務，並具有編程能力的多功能操作機。 ^[3] 

工業機器人協會

機器人是一種帶有記憶裝置和末端執行器的、能夠通過自動化的動作而代替人類勞動的通用機器。 ^[3] 

對機器人的定義

機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。 ^[3] 

隨着人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器人。

機器人是自動執行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物，在工業、醫學、農業、服務業、建築業甚至軍事等領域中均有重要用途。 ^[3] 

關於機器人的分類，國際上沒有制定統一的標準，從不同的角度可以有不同的分類。 ^[3] 

①第一代機器人：示教再現型機器人。1947年，為了搬運和處理核燃料，美國橡樹嶺國家實驗室研發了世界上第一台遙控的機器人。1962年美國又研製成功PUMA通用示教再現型機器人，這種機器人通過一個計算機，來控制一個多自由度的機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然後發出指令，這樣機器人可以重複地根據人當時示教的結果，再現出這種動作。比方説汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以後，它總是重複這樣一種工作。 ^[3] 

②第二代機器人：感覺型機器人。示教再現型機器人對於外界的環境沒有感知，這個操作力的大小，這個工件存在不存在，焊接的好與壞，它並不知道，因此，在20世紀70年代後期，人們開始研究第二代機器人，叫感覺型機器人，這種機器人擁有類似人在某種功能的感覺，如力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺等，它能夠通過感覺來感受和識別工件的形狀、大小、顏色。 ^[3] 

③第三代機器人：智能型機器人。20世紀90年代以來發明的機器人。這種機器人帶有多種傳感器，可以進行復雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內部狀態與外部環境中，自主決定自身的行為。 ^[3] 

①操作型機器人：能自動控制，可重複編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用於相關自動化系統中。 ^[3] 

②程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。 ^[3] 

③示教再現型機器人：通過引導或其他方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重複進行作業。 ^[3] 

④數控型機器人：不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教，機器人根據示教後的信息進行作業。 ^[3] 

⑤感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。 ^[3] 

⑥適應控制型機器人：機器人能適應環境的變化，控制其自身的行動。 ^[3] 

⑦學習控制型機器人：機器人能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，並將所“學”的經驗用於工作中。

⑧ 智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。 ^[3] 

國際上的機器人學者，從應用環境出發將機器人分為兩類：製造環境下的工業機器人和非製造環境下的服務與仿人型機器人。 ^[3] 

中國的機器人專家從應用環境出發，將機器人也分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。這和國際上的分類是一致的。工業機器人是指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。特種機器人則是除工業機器人之外的、用於非製造業並服務於人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人等。在特種機器人中，有些分支發展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。 ^[3] 

工業機器人按臂部的運動形式分為四種。直角座標型的臂部可沿三個直角座標移動；圓柱座標型的臂部可作升降、迴轉和伸縮動作；球座標型的臂部能迴轉、俯仰和伸縮；關節型的臂部有多個轉動關節。 ^[3] 

工業機器人按執行機構運動的控制機能，又可分點位型和連續軌跡型。點位型只控制執行機構由一點到另一點的準確定位，適用於機牀上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業；連續軌跡型可控制執行機構按給定軌跡運動，適用於連續焊接和塗裝等作業。 ^[3] 

工業機器人按程序輸入方式區分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業程序文件，通過RS-232串口或者以太網等通信方式傳送到機器人控制櫃。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器（示教操縱盒），將指令信號傳給驅動系統，使執行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領動執行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執行機構再現示教的各種動作。示教輸入程序的工業機器人稱為示教再現型工業機器人。 ^[3] 

可分為半移動式機器人（機器人整體固定在某個位置，只有部分可以運動，例如機械手）和移動機器人。 ^[3] 

隨着機器人的不斷髮展，人們發現固定於某一位置操作的機器人並不能完全滿足各方面的需要。因此，20世紀80年代後期，許多國家有計劃地開展了移動機器人技術的研究。所謂的移動機器人，就是一種具有高度自主規劃、自行組織、自適應能力，適合於在複雜的非結構化環境中工作的機器人，它融合了計算機技術、信息技術、通信技術、微電子技術和機器人技術等。移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣（如輻射、有毒等）環境下作業和人所不及的（如宇宙空間、水下等）環境作業方面，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。 ^[3] 

按照機器人的移動方式來分類 ^[3]  ,可分為輪式移動機器人、步行移動機器人（單腿式、雙腿式和多腿式）、履帶式移動機器人、爬行機器人、蠕動式機器人和遊動式機器人等類型。 ^[3] 

按照機器人的作業空間分類 ^[3]  ，可分為陸地室內移動機器人、陸地室外移動機器人、水下機器人、無人飛機和空間機器人等。 ^[3] 

按照機器人的功能和用途來分類，可分為醫療機器人、軍用機器人、海洋機器人、助殘機器人、清潔機器人和管道檢測機器人等。 ^[3] 

技術參數是機器人制造商在產品供貨時所提供的技術數據。不同的機器人其技術參數不一樣，而且各廠商所提供的技術參數項目和用户的要求也不完全一樣。但是，機器人的主要技術參數一般都應有：自由度、定位精度和重複定位精度、工作範圍、最大工作速度、承載能力等。 ^[3] 

自由度是指機器人所具有的獨立座標軸運動的數目，不包括手爪（末端操作器）的開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位姿需要6個自由度。但是，機器人的自由度是根據其用途而設計的，可能少於6個自由度，也可能多於6個自由度。例如，A4020型裝配機器人具有4個自由度，可以在印製電路板上接插電子器件；PUMA562型機器人具有6自由度，可以進行復雜空間曲面的弧焊作業。從運動學的觀點看，在完成某一特定作業時具有多餘自由度的機器人，就叫作冗餘自由度機器人，亦可簡稱冗餘度機器人。例如PUMA562機器人去執行印製電路板上接插電子器件的作業時，就成為冗餘度機器人。利用冗餘的自由度可以增加機器人的靈活性、躲避障礙物和改善動力性能。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有7個自由度，所以工作起來很靈巧，手部可迴避障礙物從不同方向到達同一個目的點。 ^[3] 

大多數機器人從總體上看是個開鏈機構，但其中可能包含有局部閉環機構。閉環機構可提高剛性，但限制了關節的活動範圍，因而會使工作空間減小。 ^[3] 

機器人精度包括定位精度和重複定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置的差異。重複定位精度是指機器人重複定位其手部於同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統計量來表示。它是衡量一系列誤差值的密集度，即重複度。 ^[3] 

機器人操作臂的定位精度是根據使用要求確定的，而機器人操作臂本身所能達到的定位精度，取決於定位方式、運動速度、控制方式、臂部剛度、驅動方式、緩衝方法等因素。 ^[3] 

工藝過程的不同，對機器人操作臂重複定位精度的要求也不同。不同工藝過程所要求的定位精度見表2-1。 ^[3] 

表2-1 不同工藝過程的定位精度要求 ^[3] 



當機器人操作臂達到所要求的定位精度有困難時，可採用輔助工夾具協助定位的辦法，即機器人操作臂把被抓取物體送到工、夾具進行粗定位，然後利用工、夾具的夾緊動作實現工件的最後定位。這種辦法既能保證工藝要求，又可降低機器人操作臂的定位要求。 ^[3] 

工作範圍是指機器人操作臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區域。因為末端執行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特徵參數，所以是指不安裝末端執行器時的工作區域。工作範圍的形狀和大小是十分重要的。機器人在執行某一作業時，可能會因為存在手部不能到達的作業死區（dead zone）而不能完成任務。 ^[3] 

機器人操作臂的工作範圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡往往是幾個動作合成的，在確定工作範圍時，可將運動軌跡分解成單個動作，由單個動作的行程確定機器人操作臂的最大行程。為便於調整，可適當加大行程數值。各個動作的最大行程確定之後，機器人操作臂的工作範圍也就定下來了。 ^[3] 

通常指機器人操作臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率，因此提高機器人的加速減速能力，保證機器人加速減速過程的平穩性是非常重要的。 ^[3] 

承載能力是指機器人在工作範圍內的任何位姿上所能承受的最大質量。機器人的載荷不僅取決於負載的質量，而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。為了安全起見，承載能力是指高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅要考慮負載，而且還要考慮機器人末端操作器的質量。 ^[3] 

機器人或機械手各動作的最大行程確定之後，可根據生產需要的工作節拍分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。如一個機器人操作臂要完成某一工件的上料過程，需完成夾緊工件，手臂升降、伸縮、迴轉等一系列動作，這些動作都應該在工作節拍所規定的時間內完成。至於各動作的時間究竟應如何分配，則取決於很多因素，不是一般的計算所能確定的。要根據各種因素反覆考慮，並試作各動作的分配方案，進行比較平衡後，才能確定。節拍較短時，更需仔細考慮。 ^[3] 

機器人操作臂的總動作時間應小於或等於工作節拍。如果兩個動作同時進行，要按時間較長的計算。一旦確定了最大行程和動作時間，其運動速度也就確定下來了。 ^[3] 

分配各動作時間應考慮以下要求。 ^[3] 

①給定的運動時間應大於電氣、液（氣）壓元件的執行時間。 ^[3] 

②伸縮運動的速度要大於迴轉運動的速度。因為迴轉運動的慣性一般大於伸縮運動的慣性。機器人或機械手升降、迴轉及伸縮運動的時間要根據實際情況進行分配。如果工作節拍短，上述運動所分配的時間就短，運動速度就一定要提高。但速度不能太高，否則會給設計、製造帶來困難。在滿足工作節拍要求的條件下，應儘量選取較低的運動速度。機器人或機械手的運動速度與臂力、行程、驅動方式、緩衝方式、定位方式都有很大關係，應根據具體情況加以確定。 ^[3] 

③在工作節拍短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此，驅動系統要採取相應的措施，以保證動作的同步。 ^[3] 

在醫療行業中，許多疾病都不能只靠口服外敷藥物治療，只有將藥物直接作用於病灶上或是切除病灶才能達到治療的效果，現代醫療手段最常使用的方法就是手術，然而人體生理組織有許多極為複雜精細而又特別脆弱的地方，人的手動操作精度不足以安全的處理這些部位的病變，但是這些部位的疾病都是非常危險的，如果不加以干預，後果是非常致命的。 ^[2] 

隨着科技的進展，這些問題逐漸得到解決，微型機器人的問世為這一問題提供瞭解決的方法，微型機器人由高密度納米集成電路芯片為主體，擁有不亞於大型機器人的運算能力和工作能力且可以遠程操控，其微小的體積可以進入人的血管，並在不對人體造成損傷的情況下進行治療和清理病灶。還可以實時的向外界反饋人體內部的情況，方便醫生及時做出判斷和制定醫療計劃。有些疾病的檢查和治療手段會給患者造成大量的痛苦，比如胃鏡，利用微型機器人就可以在避免增加患者痛苦的前提下完成身體內部的健康檢查。截止到2022年，制約微型機器人發展的關鍵因素在於成本非常昂貴，稀有金屬的替代品的尋找將成為未來發展的重要方向。 ^[2] 

2021年，美國1/3的手術是使用機器人系統進行的。機器人更常被應用於醫院的門診外科手術中。機器人助手正在被整合到醫療領域，以改善服務質量，提高治療和護理工作的效率。 ^[11] 

將機器人最早應用於軍事行業始於二戰時期的美國，為了減少人員的傷亡，作戰任務執行前都會先派出偵查無人機到前方打探敵情。在兩軍作戰的時候，能夠先一步瞭解敵人的動向要比單純增加兵力有用得多。隨着科技的進步，戰爭機器人在軍事領域的應用越來越廣泛，從最初的偵查探測逐漸拓展到戰鬥和拆除行動。利用無人機制敵於千里之外成為軍事戰略的首選，拆彈機器人可以精確的拆彈排彈，避免了拆彈兵在戰鬥中的傷亡。擁有完備的軍事機器人系統逐漸成為一個現代強國必不可少的發展部分。 ^[2] 

教育機器人是一個新興的概念，多年來，機器人領域的技術發展研究方向都是如何應用於生活中代替人們完成體力或是危險工作，而教育機器人則是以機器人為媒介，對人進行教育或是對機器人進行編程完成學習目標。教育機器人作為一個新興產業，發展非常迅速，其主要形式為一些機器人啓蒙教育工作室，對兒童到青年不同的人羣進行機器人組裝調試編程控制等方面的教學。大型的教育機器人公司也會承辦一些從小學到大學組的機器人競賽，通常包含窄足、交叉足場地競步，體操表演比賽。對於機器人的推廣有着極為重要的作用。 ^[2] 

2023年，一台擁有“超強大腦”的在列車檢修領域試點應用的列車智能巡檢機器人在京港地鐵17號線次渠南停車場工作。 ^[10] 

工廠製造業的發展歷程十分久遠，最初的工廠都是以手工業為主，後來逐漸發展成手工與機牀結合的生產方式。現代社會的供給需求對生產力的要求越來越高，工廠對於人力成本方面的問題也一直難以攻克，尤其對於工作人員的管理和安全保障是最為難辦的問題。對於一些會產生有毒有害氣體粉塵或是有些爆炸和觸電風險的工作場合，機械臂憑藉着良好的仿生學結構可以代替人手完成幾乎全部的動作。為了適應大規模的批量生產，零散的機械臂逐漸發展組合成完整的生產流水線，工人只需要進行簡單的操作和分揀包裝，其餘的工作全部都由生產流水線自動完成。 ^[2] 

隨着技術的成熟，機器人和人們的生活的關係越來越密切，智能家居成為當下非常熱門的話題，掃地機器人算是智能家居推廣的先行者，將機器人技術引入住宅可以使生活更加安全舒心，尤其家裏有老人和兒童，智能的家居和家政機器人可以起到自動操作調整模式並保障安全的作用。 ^[2] 

上海機器人產業規模已達60-70億人民幣，在全國名列第一。國際上機器人領域排名前四的ABB、FANUC、KUKA、安川等均在上海設有機構。ABB機器人事業總部已落户上海，機器人的年產量達6000台，KUKA上月在松江的新工廠已開工，預計到2015年產能可達5000台。上海將拓展機器人系統集成應用，使上海發展成為我國最大的機器人產業基地、機器人核心技術研發中心、高端製造中心、服務中心和應用中心。 ^[4] 

機器人學國家重點實驗室（State Key Laboratory of Robotics）依託於中國科學院瀋陽自動化研究所，前身是中國科學院機器人學開放實驗室。該實驗室是中國機器人學領域最早建立的部門重點實驗室，中國機器人學領域著名科學家蔣新松院士1989-1997年曾任實驗室主任。近二十年來，實驗室在機器人學基礎理論與方法研究方面與國際先進水平同步發展，並在機器人技術前沿探索和示範應用等方面取得一批有重要影響的科研成果，充分顯示出實驗室具有解決國家重大科技問題的能力。中國在瀋陽渾南技術開發區的“新松機器人”公司即是中國的該科研領域的基地。該實驗室機器人學研究總體水平在國內相關領域處於核心和帶頭地位，是國內外具有重要影響的機器人學研究基地。 ^[5] 

實驗室定位於為中國經濟和社會發展、國家安全和重大科學工程提供所需要的機器人技術與系統，研究機器人學基礎理論與方法、發展可行技術和平台樣機系統，培養和匯聚從事機器人學研究的高水平人才，推動中國先進機器人技術與系統的可持續發展。主要面向發展具有感知、思維和動作能力的先進機器人系統，研究機器人學基礎理論方法、關鍵技術、機器人系統集成技術和機器人應用技術。 ^[5] 

實驗室堅持對外開放，吸引國內外專家學者開展交流與合作研究。通過設立基金課題，實驗室與國內有關從事機器人學研究的近30所大學、研究所和企業建立了聯繫，幾乎涵蓋國內從事機器人學研究的所有單位。實驗室結合自身的發展方向，有針對性地與國內外知名科研團隊建立合作關係。這些合作，對於本實驗室加強學科建設、瞭解國家需求、建立有針對性的演示驗證系統，發揮了重要作用。 ^[5] 

2021年，據《科技日報》報道，美國的研究團隊創造了一種有史以來首次可以自我繁殖的異形機器人（Xenobots 3.0），《美國國家科學院院刊》發表了這一研究結果。 ^[6] 

2022年4月，中國科學院瀋陽自動化研究所基於幾何運動旋量重建出連續體機器人的空間三維形狀，獲得連續體機器人的曲率、撓率等信息。相關成果發表在IEEE Robotics and Automation Letters上。 ^[7] 

2022年9月，美國康奈爾大學的研究人員在100到250微米大小的太陽能機器人上安裝了比螞蟻頭還小的電子“大腦”，這樣它們就可以在不受外部控制的情況下自主行走。該論文發表在9月21日的《科學·機器人》雜誌 ^[9]  。

2023年，美國亞利桑那州立大學（ASU）科學家研製出了世界上第一個能像人類一樣出汗、顫抖和呼吸的户外行走機器人模型。這一測試機器人名為“ANDI” ^[12]  。

上海非夕機器人科技有限公司研發的“拂曉”機器人系全球首台自適應機器人。“拂曉”機器人像人手一樣擁有底層“元”能力，柔性程度甚至超越人手，拓展了機器人能力邊界。 ^[13] 

2022年6月27日，在第二十四屆中國科協年會閉幕式上，中國科協發佈10個對產業發展具有引領作用的產業技術問題，其中包括”如何通過標準化設計、自動化生產、機器人施工和裝配式建造系統性解決建築工業化和高能耗問題“。 ^[8]