机器人（Robot）是一种高度集成化的自动化装置，它融合了机电一体化、机构学、材料学及仿生学等多个学科的知识，通过预设程序或智能控制，能够识别目标并完成特定任务。机器人不仅可接受人类指挥，还能运行预先编排的程序，甚至依据人工智能技术制定的原则行动，旨在协助或替代人类在生产、建筑、危险作业等领域的工作。

基本信息

发展历程

概念起源

机器人一词最早出现在1920年捷克作家Karel Capek创作的舞台剧《Rossum’s Universal Robots》中，剧名中的“Robot”一词根据捷克文“Robota”（意为“劳役、苦工”）和波兰文“Robotnik”（意为“工人”）创造而来，反映了人类希望制造出像人一样会思考、有劳动能力的机器代替自己工作的愿望。然而，在当时，机器人一词仅具有科幻意义，并不具备现实意义。

实际诞生

真正使机器人成为现实的是20世纪工业机器人的出现。1959年，美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人，标志着机器人正式诞生。此后，随着计算机技术、大规模集成电路、人工智能等技术的飞速发展，机器人逐渐走向智能化，成为人类生活中不可或缺的角色。

发展阶段

机器人的发展经历了萌芽期、产业孕育期、快速发展阶段和智能应用阶段四个阶段。

• 萌芽期：1954年，第一台可编程机器人在美国诞生。1959年，世界上第一台工业机器人研制成功，机器人进入实用阶段。
• 产业孕育期：上世纪60年代末，第一台移动机器人Shakey研制成功，但因运行速度缓慢、体积庞大未实际应用。同时，圆柱坐标型机器人和双脚走路的机器人相继出现，但功能有限。
• 快速发展阶段：随着传感技术和信息处理技术的发展，有感觉的机器人出现。医疗服务机器人、人形机器人、火星探测车等相继问世，机器人模块化、平台统一化趋势明显。
• 智能应用阶段：感知、计算、控制等技术的迭代升级和人工智能技术的深入应用，使机器人逐渐渗透到社会生产生活的每一个角落。智能机器人具有感知环境、思维能力、行为能力等特点，成为未来机器人发展的主流。

主要分类

按用途划分

• 工业机器人：主要应用在制造业相关领域，进行焊接、喷涂、装配、搬运、打磨、机械加工等作业，具有高精度、高速度、重复作业的特点。
• 探索机器人：用于太空和海洋探索，以及地面和地下探险。
• 服务机器人：半自主或全自主工作的机器人，从事服务工作使人类生存得更好，如家庭服务机器人、餐饮服务机器人等。
• 军事机器人：用于军事目的，分为空中军用机器人、海洋军用机器人和地面军用机器人。

按控制方式划分

• 伺服控制机器人：通过反馈传感器取得的反馈信号与给定装置的综合信号比较，得到误差信号后激发驱动装置，带动末端执行器运动。
• 非伺服机器人：按照预先编好的程序依顺序工作，使用终端限位开关、制动器等控制机械手的运动。

按运动方式划分

• 固定式机器人：固定在某个底座上，只能移动各个关节。
• 轮式机器人：具有易驱动、移动速度快的特性，传统轮式机器人至少有三个轮子以保证静态稳定性。
• 履带式机器人：承载力大、接地比压小，在平坦和非结构路面上均具有出色的移动速度和越障能力。
• 足式地面移动机器人：如Atlas机器人，具有多处活动关节，能够像人一样直立行走、爬楼梯、跳跃等。
• 扑翼式机器人：仿昆虫或鸟类的特殊飞行方式，具有易操控、可靠性高、隐蔽性强、噪声小等优点。

按智能程度划分

• 一般机器人：不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能。
• 智能机器人：具有不同程度的智能，可分为传感型机器人、交互型机器人、自主型机器人。

按链接方式划分

• 串联机器人：开放的运动链，末端执行器可以在大范围内运动，操作灵活，控制系统和结构设计较简单。
• 并联机器人：封闭的运动链，由上、下平台和两条或两条以上的运动支链构成，具有运动惯性小、精度高、机器刚性好等特点。
• 混联机器人：以并联机构为基础，嵌入串联机构构成的复杂系统，继承了并联和串联机器人的优点，多用于高运动精度场合。

应用领域

医疗行业

机器人为医疗领域带来了更高效、更准确、更安全的技术解决方案。手术机器人根据特殊手术环境和临床需求执行特定动作，提升诊疗效果、降低医疗成本、促进医疗资源均衡化。康复护理机器人则具有辅助肢体功能恢复或重建功能，通过运动训练、功能性电刺激等方法刺激损伤神经的再生或未损伤神经的代偿，达到神经康复的目的。

军事领域

在现代战争中，利用智能机器人代替士兵作战是降低伤亡率的必然趋势。军事智能机器人能够完成搜索、监视、排爆、破障、攻击目标、运送物资、救助伤员等一系列作战任务，相比人类士兵更加精密、轻便、灵巧、抗毁、抗摔、抗打、能力更强。未来战场将形成“人在回路上”的新模式，智能机器将成为未来军队的主要成员。

工业生产

工业机器人在零件制造、材料加工、产品检验和装配等方面发挥重要作用。焊接机器人、码垛机器人、装配机器人等工业机器人显著提升生产效能、节约生产成本、避免环境污染、确保生产安全，推动工业生产快速发展。

救援救灾

人形机器人在救援救灾领域扮演不可替代的角色，适合用于危险任务的无人化替代。消防机器人能够代替消防员进入高温、浓烟、缺氧、有毒有害等灾害事故现场完成侦检、排烟、灭火、洗消、破拆、搜救等急难险重任务，有效保护消防员安全并提升消防部队战斗力。

其他领域

• 教育领域：教育机器人以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力为目标，具有教学适用性、交互性、开放性、可扩展性等特点。
• 服务行业：机器人被逐步用于餐饮、酒店和旅游领域，为顾客送餐、引路、展示讲解或实现全面化的自动化服务环境。
• 航空航天领域：机器人多用在飞机复杂结构件表面制孔、焊接、喷涂、维修和自动化装配等制造环节。太空机器人已成为人类航天事业的一个发展趋势。
• 体育领域：机器人正逐步帮助人们进行体育运动，如辅助人类日常锻炼与训练竞赛、与人类同场竞技、评估与辅助治疗运动损伤等。
• 会计行业：财务机器人可操作费用报销、预算编制、财务分析、采购预算审核和管理会计报告等工作。
• 农业领域：农业机器人是一种可由不同程序软件控制的新一代无人自动操作机械，能感觉并适应作物种类或环境变化，具有检测和演算等人工智能。

结构原理

机械系统

机器人的机械系统是机器人赖以完成任务的执行结构，通常是多个关节连在一起的机械连杆的集合体。机械系统包括机身、移动机构、手臂、末端执行器、驱动和传动机构等。有些机器人不需要具备移动功能，主要通过机械臂完成操作功能。

控制系统

控制系统是机器人的大脑，根据接收的任务指令和感知系统反馈回来的信号，帮助机器人完成指定运动或决策。控制系统通常由控制器、控制软件和运动控制单元组成，对于不同类型的机器人，控制系统的结构、功能有较大差别。

驱动系统

驱动系统为机械系统提供动力，驱动方式分为电气驱动、液压驱动、气压驱动和新型驱动等。电气驱动是目前机器人使用最多的一种驱动方式，具有环境污染小、运动精度高、电源取用方便等优点。液压驱动机器人驱动能力强、抓取力大，但密封性能要求高。气压驱动机器人结构简单、动作迅速、价格低，但工作速度稳定性差、抓取力较小。

感知系统

感知系统相当于人的五官和神经系统，能够检测环境信息并调理与传递、估计与理解检测到的信息。感知系统由多种传感器组成，通过采集各种信息并综合处理，以便控制机器人进行智能作业。

性能指标

• 负荷能力：指在满足其他性能要求的情况下，机器人能承载的负荷质量。
• 运动范围：指机器人在其工作区域内可达到的最大距离，包括灵巧点和非灵巧点。
• 定位精度（准确性）：指机器人到达指定点的精确程度，与驱动器的分辨率、反馈装置以及传动装置的精度等有关。
• 重复精度（稳定性）：指动作重复多次后，机器人到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更为重要，因为它规定了随机误差的范围。

主要技术

环境感知

SLAM（Simultaneous Location and Mapping）算法是机器人实现环境感知与定位的标准系统方案。早期的SLAM算法以激光雷达为主导传感器，通过激光雷达获得环境的点云图并估计机器人自身的位置信息。现如今，基于多传感器融合的SLAM系统能够改善稳定性和精度问题，数据融合方式分为松耦合和紧耦合两种。

自主定位

移动机器人的导航定位技术是机器人研究的重要课题。常见的导航方式有电磁导航、激光导航、超声波导航和视觉导航等。电磁导航通过地下埋下的导线产生的磁场引导机器人行动；超声波导航通过超声波传感器实现距离测量；激光导航通过发射激光束并采集反射板反射的激光束确定位置；视觉导航通过摄像头拍摄的图片与存储图片进行对比实现导航。

运动控制

机器人运动控制技术根据控制目标的不同分为路径跟随、轨迹跟踪和点镇定三类。路径跟随跟随运动空间中给定的一条与时间无关的几何路径；轨迹跟踪跟随运动空间中给定的一条与时间相关的几何路径；点镇定则是指机器人从任意初始状态到达并稳定在目标点的过程。路径跟踪方法主要包括自适应法、智能控制法、最优控制法和模型预测控制等。