机器人综述

1、机器人定义 机器人，20世纪人类最伟大的发明之一，它的研究对人类有很

大的实用价值且其应用领域十分广泛。自机器人提出以来，由于机器

人的不断发展、新的机型不断涌现且人们对机器人的认识不断深入，

机器人没有统一的定义。1967年日本提了代表性的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、作业性、信息性、有限

性、半机械性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。1988年法

国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。”

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化机器，所不同

的是这种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。”我们可以理解为机器人是用机械传动、现代微电子技术、传感

器技术、自动控制技术、人工智能等高科技制造的一种能模仿人类或

动物的某种技能的机械电子设备；它是在电子、机械及信息技术的基

础上发展而来的，是高级整合哦、控制论、机械电子、计算机、材料

和仿生学的产物。机器人学研究领域主要有：感知系统、机构设计及

驱动、运动控制与规划、多机器人协作与控制、应用研究等。 2、机器人的分类

以环境角度分类，有两大类：  工业机器人:面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。

 特种机器人:用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。包

括：水下机器人、空间机器人、极限作业机器人、微机器人、建

筑机器人、医疗机器人、采掘机器人、服务机器人、农业机器人、

个人机器人、军用机器人、娱乐机器人等。

以机器人结构形式分类： 分类名称 简要解释

操作型机器人 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个 自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 示教型机器人 通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。 智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人。

以性能指标分类有：  超大型机器人：负载能力在107 N以上。  大型机器人：负载能力：106--107 N，作业范围：102m2以上。  中型机器人：负载能力：105--106N， 作业范围：1--102m2。  小型机器人：负载能力：1--105N，作业范围：0.1--1m2。  超小型机器人：负载能力：1N以下， 作业范围：0.1m2以下。

3、机器人系统结构 3.1 硬件结构

一般而言，机器人硬件由三大部分组成：信息获取与指令输出部分（各种传感器、限位开关、按钮、通信接口等把环境、机器人自

身状态以及来自操作人员的命令等传入信息处理部分；信息处理部分

处理的结果又通过该部分传送给驱动控制装置，使其产生相应的动

作，故也称输入输出电路）、信息处理部分和驱动（把输入部分传来

的信息进行处理，通过输出电路控制驱动执行部分，一般由计算机担

任）、传动及执行机构部分（即就是机器人本体，体现机器人的功能，

执行机构多由机械或声光器件来担任；机器人上的电动机、液压缸或

液压马达、气压缸或气压马达等作为驱动部分，传动部分可以是机械

传动、液压传动、气压传动或电气传动等）。

对于工业机器人，其组成主要有：执行机构（也叫操作机，由

一系列连杆和关节或其他形式的运动副组成，可以实现各个方向的运

动，包括基座、腰、臂、腕、手等部件）、驱动系统（主要驱动执行

机构的传动装置，根据动力源的不同有电动、液压和气动三种，如电

动机、汽缸、油缸可与操作机直接相连，也可通过齿轮、链条、谐波

传动装置与执行机构相连）、控制系统（支配执行机构按所需的顺序，

沿规定的位置或轨迹运动）及 传感系统（利用各种传感器将机器人

本体的信息传递给控制器）。

对于特种机器人，其主要组成有：执行机构（机器人本体，如

智能轮椅由电机分别驱动四个轮子完成模仿人类走路的功能；先锋机

器人由电机分别驱动两个后轮完成预定轨迹的运动及避障）、控制部分（大多使用单片机，用于处理各种信息后发出指令给执行机构，完

成各种作业）、传感部分（各种传感器，包括信息的采集和传输）、通信部分（完成人机通信及机器人各个机构之间的通信）、功能模块（如

清洁机器人的清扫机构、先锋机器人的载物机构等）、人机交互部分

（机器人状态信息的显示及人通过遥控器、语音、手势、肌电及脑波

信号对机器人的实时控制）等。

实验室先锋机器人硬件结构：Pioneer3机器人主要由以下几个

主要部分组成：顶板、用户控制面板、车身附件面板、声纳环、电机，

车轮及编码器、电源和车载计算机。

3.2 软件结构

机器人的软件结构即机器人的程序设计及仿真。机器人控制器

中都有控制芯片，一般就是单片机，CPU（有的带有操作系统）等，

我们通过各种编程语言及编程平台的使用，根据机器人的任务和要实

现的功能，写出基于相应硬件结构及各种功能算法的机器人程序，可

以处理机器人的所有信息并有效的控制机器人。如室内清洁机器人的

路劲规划，先锋机器人的避障及轨迹规划等。总的来说，机器人软件

就是完成机器人各个硬件机构间传输信号的处理，完成信号的转变，

处理为硬件能够接收并正确使用的信号，使各个硬件很好地完成相应

的功能，进而整个机器人完成相应作业！这里，最重要的是算法！

实验室先锋机器人软件结构：机器人控制器软件是ARCOS

（ActivMedia Robotics Control and Operating System ），机器人

客户端软件主要包括：MobileSim（移动机器人仿真软件）、MobileEyes

（界面显示功能）、Mapper3（地图绘制软件）、AriaDemo.exe （控制

台程序）、GuiSever.exe（控制程序之一）、SavClient（客户端软件） 、

ACTS（Advanced Color Tracking System-摄像头操作的软件）以及VNC

viewer/pcAnywhere（远程桌面控制软件）。 所有软件的配置与用户

所选择的附件有关，因此用户所得到能应用到的客户端软件也是不同

的。

3.3 总体结构

一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工

智能（artificial intelligence，AI）系统。很多不同的身体部分

都可以叫做机器人。关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系

统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。一般说

来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。

机器人最简单的行为是移动。典型 地，轮子被作为让机器人从一点

移动到下一点的基本机械装置。还需要某种力（如电力）让轮子在命

令时转动。

4、机器人的传感器种类 机器人根据瞬间测量作出反应，这需要不同种类的传感器。多

数系统中对时间的感知是通过电路和编程中内建的。要想在实际中让

这个具有生产性，机器人必须有感知硬件和软件，还要能快速地更新。

不管传感器硬件或软件如何，感知和传感器可以被当作与外部事件交

互（换句话说就是外部世界），传感器测量世界的某个属性。变换器

（transducer）一词经常与传感器一词交替使用。交换器是传感器的

机制或元素，它将测量到的能源转换成另一种形式的能源。传感器接

收能源并传送一个信号到显示器或计算机。传感器使用变换器将输入

的信号（声音、光线、压力、温度等）改变成机器人可以使用的模拟

或数字形式。 根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。

多为检测位置和角度的传感器。

外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距

离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物

体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉

传感器，听觉传感器等。

具体有：

（1）明暗觉 检测内容：是否有光，亮度多少

应用目的：判断有无对象，并得到定量结果

传感器件：光敏管、光电断续器。

（2）色觉 检测内容：对象的色彩及浓度

应用目的：利用颜色识别对象的场合

传感器件：彩色摄像机、滤波器、彩色CCD。 （3）位置觉 检测内容：物体的位置、角度、距离

应用目的：物体空间位置、判断物体移动

传感器件：变位器、旋转变压器、光电编码器、光敏阵列、CCD等。

（4）形状觉 检测内容：物体的外形

应用目的：提取物体轮廓及固有特征，识别物体

传感器件：光敏阵列、CCD等。

（5）接触觉 检测内容：与对象是否接触，接触的位置

应用目的：确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异

常停止，寻径

传感器件：光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料。

（6）压觉 检测内容：对物体的压力、握力、压力分布

应用目的：控制握力，识别握持物，测量物体弹性

传感器件：压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料。

（7）力觉 检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩

应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业

传感器件：应变片、导电橡胶。

（8）接近觉 检测内容：对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜 应用目的：控制位置，寻径，安全保障，异常停止

传感器件：光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、

霍尔传感器。

（9）滑觉 检测内容：垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形

应用目的：修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态

传感器件：球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器。

5、机器人的控制器

微控制器（Microcontrollers，MCU）是机器人内部使用的智能

电子设备。它提供的功能类似于个人电脑内部的微处理器（中央处理

单元或 CPU）所执行的功能。MCU 速度较慢，使用的内存比 CPU 少，

设计目的是现实世界的控制问题。

明确机器人控制器的定义,可以清楚的界定机器人控制器所涉及

的范围,研究的对象以及最终的目标。机器人控制器的设计通常分为

两个阶段:功能设计和结构设计；功能设计阶段主要完成控制功能和

算法的定义,而结构设计阶段是实现功能在硬件和软件上的分布。这

一思想随着机器人控制器的发展,而越来越受到重视。同时,也为机器

人控制器体系结构的研究确立了一个总体框架。因此,机器人控制器

可以定义为:完成机器人控制功能的结构实现。机器人的控制器值主

要是单片机、PC机及其外接电路组成！主要有三种形式：专用/封闭