任务2 熟悉机器人的定义与分类

一、任务导入

通过任务1的学习，我们了解了许多机器人，从跳舞的艺妓机器人到张衡的指南车，从齿轮和弹簧驱动的简单机器人到投入生产的工业机械手臂等。

机器人（见图1-9）多种多样，不仅仅是用途多样、驱动方式多样，还有智能化程度不同、控制方式不同等。那么，如何定义机器人？如何定义工业机器人？机器人如何分类？工业机器人到底是在什么情况下帮助人们工作呢？

二、机器人的定义

至今为止，国际上还没有机器人的统一定义。如果要给机器人下一个合适的并为人们普遍接受的定义是困难的。专家们会采用不同的方法来定义这个术语。为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果，就需要对机器人这一术语有某些共同的理解。现在，世界上对机器人还没有统一的定义，但是各国有自己的定义。

关于机器人的定义，国际上主要有如下几种。

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（RIA）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（manipulator）”。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（JIRA）的定义。工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（endeffecter）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”。或者分为两种情况来定义：

a.工业机器人是“一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器”。

b.智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。

前一定义是工业机器人的一个较为广义的定义。后一种则分别对工业机器人和智能机器人进行定义。

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国际标准组织（ISO）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，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、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。

⑥关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制订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。我们可以参考各国的定义，结合我国情况，对机器人作出统一的定义。

《中国大百科全书》对机器人的定义为：能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器。而对机械手的定义为：一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。

我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”

但是，机器人的应用广泛、结构多样、功能多样，所以我们并不能给出一个完全的定义。如图1-10中的救援机器人和图1-6中的工业机器人有非常大的区别，我们暂时无法给出完整的机器人定义。

上述各种定义有共同之处，国内外的专家都认为机器人具有以下的特征：

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。

机器人的范畴不但要包括“由人类制造的像人一样的机器”，还应包括“由人类制造的生物”，甚至包括“人造人”，尽管我们不赞成制造这种“人”。随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。

三、机器人的分类

机器人的分类方法很多。这里首先介绍几种分类法，即按机械手的几何结构、机器人的控制方式、驱动方式、机器人的智能程度、机器人的用途、机器人移动性分类。

1.按机械手的几何结构分类

机械手的机械配置形式多种多样，最常见的是用其坐标特性来描述的。这些坐标结构包括笛卡儿坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。

（1）柱面坐标机器人 柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成，如图1-11所示。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）能在底座上移动。因此，这种机器人的工作包迹（区间）就形成一段圆柱面，并被称为柱面坐标机器人，如图1-12所示。

（2）球面坐标机器人 它像坦克炮塔一样。机械手能够作里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球面坐标机器人。如图1-13、图1-14所示。

（3）关节式球面坐标机器人 这种机器人主要由底座（或躯干）、上臂和前臂构成。上臂和前臂可在通过底座的垂直平面上运动，如图1-15所示。在前臂和上臂间，机械手有个肘关节；而在上臂和底座间，有个肩关节。在水平平面上的旋转运动，既可由肩关节进行也可以由底座旋转来实现。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面坐标机器人。如图1-16所示。

2.按机器人的控制方式分类

按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。

（1）非伺服机器人（non-servorobots） 非伺服机器人工作能力比较有限，它们往往涉及那些叫做“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是“有限顺序”机器人。

这种机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人机械手的运动，如图1-17所示。

（2）伺服控制机器人（servocontrolledrobots） 伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，而且在某些情况下不如简单的机器人可靠，伺服系统的被控制量（即输出）可为机器人端部执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等，通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置（如给定电位器）的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动末端执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等。如图1-18所示。

3.按驱动方式分类

根据能量转换方式的不同，工业机器人驱动类型可以分为气压驱动、液压驱动、电力驱动和新型驱动四种类型。

气压驱动：气压驱动机器人是以压缩空气来驱动执行机构的。

液压驱动：液压驱动是使用液体油液来驱动执行机构的。

电力驱动：电力驱动是利用电动机产生的力矩驱动执行机构的。

新型驱动：伴随着机器人技术大发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器，如电驱动器、压电驱动器、形状记忆核心驱动器、人工肌肉及光驱动器等。

4.按机器人的智能程度分类

（1）一般机器人 不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能。如图1-19所示。

（2）智能机器人（图1-20、图1-21） 具有不同程度的智能，又可分为以下三种。

①传感型机器人 具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理，实现控制与操作。

②交互型机器人 机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话，实现对机器人的控制与操作。

③自主型机器人 在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。

5.按机器人的用途分类

（1）工业机器人或产业机器人 主要应用在制造业，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品加工等作业。如图1-22所示。

（2）探索机器人 用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下的探险与探索。如图1-23所示。

（3）服务机器人 一种半自主或全自主工作的机器人，其所从事的服务工作可使人类生存得更好，使制造业以外的设备工作得更好。如图1-24所示。

（4）军事机器人 用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。这类机器人又可分为空中军用机器人、海洋军用机器人和地面军用机器人，或简称为空军机器人、海军机器人和陆军机器人。

6.按机器人移动性分类

（1）固定机器人 固定在某个底座上，整台机器人（或机械手）不能移动，只能移动各个关节。

（2）移动机器人 整个机器人可沿某个方向或任意方向移动。这种机器人又可分为轮式机器人、履带式机器人和步行机器人，其中后者又有单足、双足、四足、六足和八足行走机器人之分。

除此以外，按照机器人的移动性也可以将机器人分为以下几种。

机械手或操作机：模仿人的上肢。

轮式移动机器人（见图1-25）：模仿车辆移动。

步行机器人（见图1-26）：模仿人的下肢。

水下机器人（见图1-27）：工作在水下。

飞行机器人（见图1-28）：飞行在空中。