[科普中国]-机器人系统

机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的整体，其中包括机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分。机器人是一种自动化的机器，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。1

机器人的定义至今还没有机器人的统一定义。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。专家们采用不同的方法来定义这个术语。它的定义还因公众对机器人的想象以及科学幻想小说、电影和电视中对机器人形状的描绘而变得更为困难。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，各国有自己的定义。这些定义之间差别较大。这种差别的部分原因是很难区别简单的机器人与其密切相关的运送材料的“刚性自动化”技术装置。1

美国机器人协会(RIA)把机器人定义为“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”。显然，这里指的是工业机器人。

日本工业机器人协会(JIRA)定义工业机器人为“一种装备有记忆装置和末端执行器的，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”。1

系统组成机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的，其中包括机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分。

机械系统工业机器人的机械系统包括机身、臂部、手腕、末端操作器和行走机构等部分，每一部分都有若干自由度，从而构成一个多自由度的机械系统。此外，有的机器人还具备行走机构。若机器人具备行走机构，则构成行走机器人；若机器人不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。工业机器人机械系统的作用相当于人的身体(如骨髓、手、臂和腿等)。2

驱动系统驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电气、液压和气压三种以及把它们结合起来应用的综合系统。该部分的作用相当于人的肌肉。

电气驱动系统在工业机器人中应用得较普遍，可分为步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机三种驱动形式。早期多采用步进电动机驱动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机驱动也逐渐得到应用。上述驱动单元有的用于直接驱动机构运动：有的通过谐波减速器减速后驱动机构运动，其结构简单紧凑。

液压驱动系统运动平稳，且负载能力大，对于重载搬运和零件加工的机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动存在管道复杂、清洁困难等缺点，因此限制了它在装配作业中的应用。

无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。气压驱动机器人结构简单、动作迅速、价格低廉，但由于空气具有可压缩性，其工作速度的稳定性较差。但是，空气的可压缩性可使手爪在抓取或卡紧物体时的顺应性提高，防止受力过大而造成被抓物体或手爪本身的破坏。气压系统的压力一般为0.7 MPa，因而抓取力小，只有几十牛到几百牛大小。2

控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。

如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则该控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要由人与机器人进行联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。2

感知系统感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其识别物体并做出相应处理。外部传感器可使机器人以灵活的方式对它所处的环境做出反应，赋予机器人一定的智能。该部分的作用相当于人的五官。2

工作原理机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实际位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。2

机器人的分类机器人的分类方法很多。这里首先介绍i种分类法，即按机械手的几何结构、机器人的控制方式以及机器人的信息输入方式。

(1)按机械手的几何结构分类

机器人机械手的机械配置形式多种多样。最常见的结构形式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。这里简单介绍柱面、球面和关节式球面坐标结构三种最常见的机器人。

(2)按机器人的控制方式分类

按照控制方式可将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。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。

2)伺服控制机器人。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。伺服控制机器人又可分为点位伺服控制和连续路径(轨迹)伺服控制两种。

(3)按机器人控制器的信息输人方式分类

在采用这种分类法进行分类时，对于不同国家也略有不同，但它们能够有统一的标准。这里主要介绍日本工业机器人协会(JIRA)、美国机器人协会(RIA)和法国工业机器人协会(AFRI)所采用的分类法。

1)JIRA分类法。日本工业机器人协会将机器人分为六类：手动操作手、定序机器人、变序机器人、复演式机器人、程控机器人和智能机器人。其中，智能机器人能够采用传感信息来独立检测其工作环境或工作条件的变化，并借助其自我决策能力，成功地进行相应的工作，而不管其执行任务的环境条件发生了什么变化。

2)RIA分类法。美国机器人协会将JIRA分类法中的后四种机器当做机器人。

(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。

2)智能机器人。具有不同程度的智能，又可分为：

a.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。

b.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。

c.自立型机器人。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。应用在工农业生产中，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。

2)探索机器人。用于进行太空和海洋探索，以及地面和地下的探险与探索。

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

4)军事机器人。用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。它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)固定式机器人。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。1

应用与发展趋势工业环境下，简单化与低成本是设计执行器的准则，因此，诸如开闭夹持器之类的简单设备应用非常普遍。这种情况使得多年来一些专用设备已经发展为只能执行单一的特定操作而不适用于其他任务。此时，灵巧型多指机器人手由于其可靠性、复杂性和成本等问题尚未被应用与任何主要的生产领域。

另一方面，如今越来越多的操作被设计成由人类操控的机器人在特定的工作环境下工作，娱乐、维修、空间探测、帮助残疾人都是机器人系统应用的典型例子，这些例子中，机器人需要操作为人设计的工具或物体(或者人类自身)。这种情况下，机器人必须能抓取并熟练操作尺寸、形状、质量等不同的物体，因此，具有合适数目手指及高度拟人化外表的机器人手是最佳的选择。

此时，一系列致力于研发高度拟人化机器人的工程已经相继启动。其中较为著名的有NASA/JPLE的Robonaut(见图2)，DLR的设备以及许多正在开发的拟人机器人。3

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学