1.3 现代机器人演义

“时光如水，岁月如歌”，我们刚刚结束了探寻古代机器人的旅程，现在又“嗖”的一声穿越回现代，一起来认识现代机器人吧！

1.3.1 现代机器人的起源

现代机器人的研究开始于20世纪中期，也就是1950年前后。这一时期，人类开始研究原子能、核能等的开发利用。但在研究过程中，许多类似于处理放射性物质的操作对人体伤害非常大，极度危险。人们就设想用一种机器来代替人类在有毒、有害、高温或危险的环境中工作。这一时期的计算机、自动化等技术也像坐了火箭一样飞速发展，为机器人的产生奠定了坚实的技术基础。

有了需求、有了技术，英格伯格先生研制的“尤尼梅特”（Unimate）就横空出世了。

什么？“一个胳膊”是谁？不对，是英格伯格，他可是大名鼎鼎的“机器人之父”。

约瑟夫·英格伯格（Joseph F.Engelberger，见图1-13）是世界上最著名的机器人专家之一，1925年7月26日出生于美国纽约。他建立了Unimation公司，利用德沃尔（George Devol）所授权的专利技术，于1959年研制了世界上第一台工业机器人“尤尼梅特”。由于他对创建机器人工业做出的杰出贡献，人们称他为现代“机器人之父”。

“尤尼梅特”的意思是“万能自动”，它是世界上最早的、至今仍在使用的现代工业机器人。

“尤尼梅特”的功能与人的手臂功能相似。它的外形如图1-14所示，在厚实的底座上有一个长长的机械臂，机械臂分为大臂和小臂两部分，大臂可以绕着底座转动，小臂可以相对大臂伸出或缩回。小臂顶端有一个类似手腕的关节，可绕小臂转动，手腕前面就是操作手，用于完成各种操作。

到了1962年，美国机械铸造公司（American Machine and Foundry Company，AMF公司）也制造了工业机器人，称为“沃尔萨特兰”（Verstran），意思是“万能搬动”。工业机器人率先在人类社会得到了广泛应用。

1.3.2 现代机器人的发展

机器人的发展大致经历了三代。第一代是示教再现型机器人，第二代是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，第三代是智能机器人^[5]。

1.示教再现型机器人

第一代机器人是示教再现型机器人。“示教”指演示和教授，通常是人手操纵机械手将需要完成的任务做一遍，或者通过人编写程序（这里是“可编程”的意思），让机器人一步步地完成它应当完成的动作。“再现”指重现。也就是说，机器人会自动将“示教”过程存入记忆装置，当机器人工作时，能按照“示教”的动作自动重复执行。

示教再现型机器人如图1-15所示，这种机器人能够按照事先教给它们的程序重复工作。这种机器人的缺点是不具有对外界信息的反应能力，很难适应变化的环境。前面介绍的“尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”都是典型的示教再现型机器人。

2.离线编程机器人

第二代机器人是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，简单地说，就是有感觉的机器人。所谓的“感觉”，即听觉、视觉、触觉等。

有感觉的机器人其实就是带传感器的机器人。20世纪七八十年代，传感器技术飞速发展，出现了各种各样的传感器，如可见光传感器、红外线传感器、超声波传感器、碰撞传感器、压力传感器、温度传感器等。这些传感器的出现推动了“有感觉的机器人”的诞生。

有感觉的机器人通过听觉传感器（如麦克风等）、视觉传感器（如摄像头等）、触觉传感器（如碰撞传感器、红外线传感器等）等感知外界环境。机器人工作时，可以根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作内容，保证在不同状况下完成不同的工作。例如，1989年美国研制出能为老人和病人服务的救生机器人uBOT-5，如图1-16所示，它具有一定的识别和判断能力。

3.智能机器人

智能机器人带有多种传感器，能够将各种传感器得到的信息自动融合，进行独立思维、识别、推理，并做出判断和决策，在没有人参与的情况下，也能完成一些复杂的工作。

智能机器人的研究是在计算机技术、机器人技术和人工智能理论的推动下发展起来的。

今天，智能机器人的应用范围已经大大扩展，涉及生产、生活的各个领域。如图1-17所示为英国的具有“自我意识”的女性仿真智能机器人索菲亚（Sophia）。

不过，目前的智能机器人研究刚刚起步，想要在未来创造出更智能的机器人为人类服务，还需要大家勤奋学习、深入钻研。

1.3.3 现代机器人的分类

前面说过，机器人的应用非常广泛，那么究竟有哪些机器人呢？接下来，让我们分门别类地见识一下各种机器人吧。

机器人的分类方法很多，这里只介绍3种，即按机器人的用途、机器人的工作环境、机器人的行走机构来分类。

机器人按用途，可以分为军用、工业、服务及教育机器人等；按工作环境，可以分为水中、陆地、空中机器人等；按行走机构，可以分为滚轮式、履带式和步行式机器人等。下面逐一介绍。

1.按机器人的用途分类

1）军用机器人

军用机器人是在战争、反恐中应用的一类机器人，根据具体功能又可以分为战斗机器人、运输机器人、排爆机器人等。这些机器人的出现减少了人员伤亡，提升了军队的战斗能力。

图1-18是俄罗斯军队使用的履带式战斗机器人“MRK-27-BT”。该机器人配备了两部“大黄蜂”火焰喷射器、两部榴弹发射器和一挺“佩彻涅格”（Pecheneg）机枪。在作战时，配备的武器可以拆卸下来单独使用。同时，士兵也可以将自己的武器配备到该机器人上，进行远距离遥控攻击。

图1-19是美国波士顿动力公司研发的运输机器人——大狗（BigDog）。它不但能够行走和奔跑，而且可跨越一定高度的障碍物。大狗机器人能够在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物资，在战场上能发挥重要作用。

图1-20是一种排爆机器人。它体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作。操作人员可以通过无线电或光缆在几百米甚至几千米以外遥控机器人活动。通常排爆机器人会安装多台彩色摄像机，用来对爆炸物进行观察；会有一个灵活的机械手，用来抓起或拆除爆炸物；还会装载猎枪，用来击毁爆炸物的定时装置或引爆装置；有的排爆机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。

2）工业机器人

现代机器人最早应用于工业制造领域，目前工业机器人的种类很多，如加工机器人、焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人、空气净化机器人、搬运机器人等^[6]。工业机器人的广泛使用，大大提高了工作效率和产品质量，降低了成本。

图1-21是加工机器人。这类机器人主要进行各类机械产品的加工工作。与传统手工操作相比，它们的特点是工作快速准确，避免了手工操作危险事故的发生。

图1-22是焊接机器人。焊接是指通过加高热、高压等方法，使两个原本独立的零件连成一体的加工工艺和连接方式。人工焊接非常危险，一不小心就会伤害人的身体，并且工人体力消耗相当大。而焊接机器人不怕这些，什么危险、疲劳全都不在乎。不仅如此，还有一种多点焊接机器人，一次可焊接几十个焊点，与人工逐点焊接相比，大大提高了劳动生产率。

图1-23是装配机器人。它们可是集体劳动的模范。装配车间里的机器人协同工作，按照装配工序，每个机器人完成一个固定的零件装配步骤，共同完成产品的安装，工作效率比人类高多了。装配机器人也会像人类一样偶尔犯些小错，不过，当装配工序出现错误时，机器人能自动检查，并做出反应。

图1-24是喷涂机器人。喷涂是通过喷枪等工具，将染料喷洒在物体表面的方法。通常，喷洒的染料气味难闻，挥发性强，易燃易爆，对人体有很大危害。而喷涂机器人不怕这些，它们结构简单，喷涂速度快，无论何种情况下都能保证喷涂质量，甚至有些喷涂机器人还自带防爆系统，可保证工作安全可靠。

图1-25是空气净化机器人。现在市场上的各种空气净化器都属于这个家族。它们可以在一定空间范围内，过滤空气中的微小污染物，保持室内的温度及洁净度，是人类工作、生活必不可少的好帮手。

图1-26是搬运机器人。搬运机器人分为移动式和固定式。固定式搬运机器人又称码垛机器人，可以完成沉重货物的摆放；移动式搬运机器人可以在无人驾驶状态下，装载着工件或其他物品自动移动，完成物品的搬运工作。目前的无人物流机器人就属于移动式搬运机器人。

3）服务机器人

伴随着机器人的发展，服务机器人家族也“人丁兴旺”，如农、林、水产及矿业机器人，医疗服务机器人，商业服务机器人等，种类繁多、琳琅满目。

图1-27是采摘机器人。它是农、林、水产及矿业机器人大家族的一员。这个家族主要用于完成收获果实、播种、插秧、环境保护、伐木、海洋捕鱼和资源开发及代替人工挖煤等工作。

图1-28是医疗康复机器人。它是医疗服务机器人大家族的一员。这个家族中有搬运机器人、自动护理系统、手术辅助机器人、医疗康复机器人等，它们专门为病人、老人、残疾人等服务。

图1-29是送餐机器人。它属于商业服务机器人家族。商业服务机器人种类繁多，在各大超市、商场、旅馆中出现的迎宾机器人、搬运机器人、切火腿的机器人、跳舞机器人、会写字的机器人等都属于这个家族。

4）教育机器人

教育机器人是指面向学生机器人竞赛和开展教育教学活动用的机器人产品，是知识与趣味、动脑与动手相结合的高科技创新教育产品。

教育机器人一般以套件或散件形式出现，硬件结构比较简单，便于安装和拆卸。教育机器人有人形的，也有非人形的，以非人形的居多（大部分为车形）。通常教育机器人除机械部件外，还配有微控制器、电机和传感器。微控制器用于处理机器人程序，电机用于驱动机器人运动，传感器用于向机器人传递外界环境信息。

国外的教育机器人产品有乐高机器人、RB5X等，国内的教育机器人产品有能力风暴机器人、广州中鸣机器人等。

如图1-30所示为乐高机器人。它是在积木玩具的基础上发展起来的，材质多为硬塑料，色彩鲜艳，深受低年龄段小朋友们的喜欢。

如图1-31所示为机械类教育机器人。它的零件多采用工业PCB板材、金属螺钉、金属连接件，颜色以黑白为主，整体机械感很强，很受中小学生的欢迎。

2.按机器人的工作环境分类

机器人如果按所处工作环境分类，可分为水中、陆地、空中三类。

1）水中机器人

水中机器人是指能在水中工作的机器人。水下无人潜艇及仿生机器鱼都属于水中机器人。

水中机器人主要用于狭窄空间内的检测、水下生物观察、水下考古及军事应用等，是我们观测水下世界的好帮手。

图1-32是中国科学院自主研发的水下机器人“海斗”号。2016年6月—8月，“海斗”号成功完成海底科学考察任务，最大下潜深度达到10767米。此前，只有美国和日本的水下机器人达到过这个深度。

图1-33是中国科学院自动化研究所自主研发的教育用仿生机器鱼，是学生了解水下机器人、研究鱼类游动机制的好帮手。

2）陆地机器人

陆地机器人是指工作在陆地上的机器人。前面提到过的军用机器人、工业机器人及服务机器人等都属于这种，这里就不多说了。

3）空中机器人

空中机器人是指能在空中完成工作任务的机器人，又称无人飞行器、无人机等。空中机器人的应用非常广泛，既可以用于军事领域，又可以用于民用和教育科研领域。

图1-34是美军RQ-4“全球鹰”无人机。它是目前世界上飞行时间最长、飞行距离最远、飞行高度最大的无人机，该机曾经创造且目前仍然保持着世界无人机领域的多项纪录。

图1-35是京东物流无人机。除物流领域外，空中机器人在其他民用领域的应用也非常广泛，如影视航拍、海上监视与救援、环境保护、电力巡线、渔业监管、气象探测、交通监管、地图测绘、国土监察等。

图1-36是教育科研用无人机。

3.按机器人的行走机构分类

机器人根据是否具有行走机构，分为固定机器人和移动机器人^[7]。

固定机器人没有行走机构，固定在底座上，机器人本身不移动，而各个关节可以移动，大多数工业机器人都属于固定机器人，如图1-37所示。

移动机器人具有行走机构，可以在指定或不指定范围内移动。根据行走机构的特点，主要分为滚轮式、履带式和步行式等，前两者与地面连续接触，后者与地面间断接触。此外，还有吸盘式或磁吸式爬壁机器人，如图1-38所示。

1）滚轮式机器人

图1-39是滚轮式机器人。滚轮的特点是非常适合平地行走，不能跨越障碍物，不能爬楼梯。滚轮式机器人通常有两轮、三轮、四轮、六轮、八轮等，它们通常由电机控制，可以前行，也可以转弯。

2）履带式机器人

图1-40是一种履带式机器人。履带式机器人的特点是可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。这种机器人依靠左右两个履带的速度差转弯，会产生滑动，转弯阻力大，不能很准确地确定回转半径。因为能够应付各种恶劣的路况，所以许多军用机器人都采用履带式的行走机构。

3）步行式机器人

步行式机器人即脚踏行走机器人，又称连杆式机器人。步行式机器人有两足、四足、六足、八足等。

图1-41是深圳市优必选科技有限公司研发的双足步行式机器人“Alpha2”。它的哥哥“Alpha1”可是个大明星，2016年还登上了中央电视台春节联欢晚会，表演了节目《冲向巅峰》。

图1-42是美国波士顿动力公司最新研制的四足步行式机器人，名为“Spot”。

步行式机器人的优点是不仅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地上行走，能跨越沟壑，上下台阶，具有广泛的适用性。

不过，步行式机器人的研发存在一个很大的难题，就是如何保证机器人在跨步时能够自动转移重心，从而保持平衡。由于这个技术难题，现在的许多人形机器人都采用滚轮结构。例如，图1-43所示的人形机器人“Pepper”就采用这种结构，它是由日本软银集团和法国一家公司共同研发的。