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轮式移动机器人的结构设计
摘要：随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。
本文介绍了已有的机器人移动平台的发展现状和趋势，分析操作手臂常用的结构和工作原理，根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究提供可靠的参考和依据。
关键字：机器人移动平台 操作臂 简单 快速准确
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1 一 、 毕业设计（论文）依据及研究意义： 随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。 移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式 移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普 遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 二、 国内外研究概况及发展趋势 外全方位移动机器人的研究现状 国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期 ，美国在 支持下，卡内基 梅隆大学（ 、斯坦福（ 和麻省理工（ 等院校开展了自主移动车辆的研究， 属的 开展了这方面的研究。 器人研究所研制的 列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成 动机器人。其车体采用奔驰 500 轿车。传感器系统包括： 4 个小型彩色 像机，构成两 组主动式双目视觉系统； 3 个惯性线性加速度计和角度变化传感器。 司 1999 年推2 出的宠物机器狗 有喜、怒、哀、厌、惊和奇 6 种情感状态。它能爬行、坐立、伸展和打滚，而且摔倒后可以立即爬起来。本田公司 1997 年研制的 3 类人机器人代表双足步行机器人的最高水平。它重 130 公斤、高 、宽 ，工作时间为 25 分钟，最大步行速度为 里 /小时。 国外研究的一些典型的全方位轮有麦 克纳姆轮、正交轮、球轮、偏心方向轮等。下面就这些轮进行介绍。 麦克纳姆轮，如图 示，它由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成， 轮子和滚子之间的夹角为 Y，通常夹角 Y 为 45，每个轮子具有三个自由度，第一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕滚子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。由三个或三个以上的 可以构成全方位移动机器人。 图 麦克纳姆轮应用 正交轮，由两个形状相同的球形轮子 (削去球冠的球 )架，固定在一个共同 的壳体上构成，如图 示 个自由度，即绕轮子架的电机驱动转动和绕轮子轴心的自由转动。两个轮子架的转动轴方向相同，由一个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称为正交轮。中国科学院沈阳自动化研究所所研制的全方位移动机器人采用了这种结构，如图 图 交轮 图 交轮的应用 3 球轮由一个滚动球体、一组支撑滚子和一组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图 示。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。 图 球 轮 图 轮的应用 偏心万向轮，如图 示，它采用轮盘上不连续滚子切换的运动方式，轮子在滚动和换向过程中同地面的接触点不变，因而在运动过程中不会使机器人振动，同时明显减少了机器人打滑现象的发生 。 图 心万向轮 图 心万向轮的应用 内 全方位移动机器人的研究现状 我国在移动机器人方面的研究工作起步较 晚，上世纪八十年代末，国家 863 计划自动化领域自动机器人主题确立立项，开始了这方面的研究。在国防科工委和国家 863 计划的资助下，由国防科大、清华大学等多所高校联合研制军用户外移动机器人 于1995 年 12 月通过验收。 车体是由跃进客车改进而成 ,车上有二维彩色摄像机、三维激光雷达、超声传感器。其体系结构以水平式机构为主 ,采用传统的“感知 规划 法 ,其直线跟踪速度达到 20km/h。避障速度达到 5h。 上海大学研制了一种全方位越障爬壁机器人 ,针对清洗壁面作业对机器人提出 的特殊要求，研制了可越障轮式全方位移动机构 车轮组机构 ,该机构保证机器人可在保持姿态不变的前提下 ,沿壁面任意方向直线移动 ,或在原地任意角度旋转 ,同时能跨越存在于机4 器人运行中的障碍 ,不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动和越障运动之间转换。 哈尔滨工业大学的李瑞峰，孙笛生，刘广利等人研制的移动式作业型智能服务机器人，并对课题当中的一些关键技术，如新型全方位移动机构、七自由 度机器人作业手臂和多传感器信息融合等技术，最后给出了移动机器人的系统控制方案。 哈尔滨工业大学的闫国荣，张海兵研究一种新型全方 位轮式移动机构，这种全方位移动机构当中的轮子与麦克纳姆轮的区别在于：这种全方位轮使小滚子轴线与轮子轴线垂直，则轮子主动的滚动和从动的横向滑移之间将是真正相互独立的；轮子正常转动时，轮缘上的小滚子也将是纯滚动，如图 图 全方位移动机构仿真图 三、 研究内容及实验方案 本课题从普遍应用出发，设计一种全向运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活。本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路 。 本文研究内容主要有：了解和分析已 有的机器人移动平台的工作原理和结构，以及分析操作手臂常用的结构和工作原理，对比它们的优劣点。在这些基础上提出可行性方案，并选择最佳方案来设计。根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定地点；机5 械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究提供可靠的参考和依据。 四、 目标、主要特色及工作 进度 3 周 械手臂 设计 3 周 3 周 少于 6000 字） 1 周 2 周 五 参考文献 械原理（第六版）。高等教育出版社， 2011 业机器人的操作机设计。冶金工业出版社， 1996 张慧慧译。机器人设计与控制。科学出版社， 2004 X M】。机械工业出版社 ， 2004 传感器集成与信息融合机器人情报， 1994(1)： 1 9 001， 84 112 王全福 . 发展机器人技术 , 占领 21 世纪的经济技术制高点 . 中南工业大学学报 , 31 (中国2000 年机器人学大会论文专辑 ,长沙 , 2000- 10- 23 26)10- 14 机器人学的发展趋势和发展战略 . 中南工业大学学报 ,2000, 31 (中国 2000 年机器人学大会论文专辑 , 长沙 , 2000- 10 26) : 1- 9 存禧主编 一版，华南理工大学出版社， 2001， 9、 45复兴主编 一版，哈尔滨工业大学出版社， 1988 汉，刘恩沧主编，机器人学，第一版，机械工业出版社， 1993 机械设计基础，第一版，天津大学出版社， 2000， 221322412457工程力学，第一版，天津大学出版社， 1998， 48互换性 与测量技术基础，第三版， 2002， 11琪主编 一版，机械工业出版社， 2004， 43、 145274、 15107大学物理，第一版，天津大学出版社， 2000， 2机械设计手册，第一版，化学工业出版社， 2005， 7699157机械手图册，第一版，上海科学技术出版社， 1979， 50、 59、 7897、 160机器人的创 意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社， 2004， 25138中国机械设计大典 机械零部件设计，第一版，江西科技出版社， 2002 外文翻译 1 机器人 机器人是高级整合控制论、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义： “一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。 机器人能力的评价标准包括： 智能 ，指感觉和感 知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、 极坐 标 式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如 步进电机 、 伺服电机 等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。 外文翻译 2 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统 ，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种 “感觉 ”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息 构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 行插补运算和 伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。 1920 年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔 恰佩克在他的 科幻小说 罗萨姆的机器人万能公司中，根据 克文，原意为 “劳役、苦工 ”)和 兰文，原意为 “工人 ”)，创造出 “机器人 ”这个词。 1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人 由电缆控制，可以行走，会说 77 个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 外文翻译 3 1942 年 美国科幻巨匠 阿西莫夫 提出 “机器人三定律 ”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来 成为学术界默认的研发原则。 1948 年 诺伯特 维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。 1954 年 美国人乔治 德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1956 年 在达特茅斯会议上， 马文 明斯基 提出了他对智能机器的看法：智能机器 “能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法 ”。这个定义影响到以后 30 年 智能机器人 的研究方向。 1959 年 德沃尔与美国发明家约瑟夫 英格伯格联手制造出第一台 工业机器人 。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂 司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为 “工业机器人之父 ”。 1962 年 美国 司生产出 “意思是万能搬运 ),与 司生产的样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 1962 年 传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感 器，包括 1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼 1962 年在世界上最早的“灵巧手 ”上用到了压力传感器，而麦卡锡 1963 年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965 年，帮助 出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的 机器人系统 。 1965 年约翰 霍普金斯大学应用物理实验室研制出 器人。 经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。 20 世纪 60 年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、 “有感觉 ”的机器人，并向人工智能进发。 世界第一台智能机器人 文翻译 4 1968 年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人 带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木 ,不过控制它的计算机有一个房间那么大。 以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 1969 年 日本早稻田大学 加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究 仿人机器人 ，被誉为 “仿人机器人之父 ”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生 出本田公司的 索尼公司的 1973 年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国 3。 1978 年 美国 司推出通用工业机器人 标志着工业机器人技术已经完全成熟。 今仍然工作在工厂第一线。 1984 年 英格伯格再推机器人 种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言： “我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全 ”。 1998 年 丹麦 乐高 公司推出机器人 (件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。 1999 年 日本索尼公司推出犬型机器人 爱宝 (当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。 2002 年 美国 司推出了吸尘器机器人 能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。 目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。 司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司 。 2006 年 6 月，微软公司推出 器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔 盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球 诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。 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。 示教再现型机器人：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。 外文翻译 5 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：能适应环境的变化，控制其自身的行动。 学习控制型机器人：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。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两 大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、 军用机器人 、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 空中机 器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。 80 多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位 。 “别动队 ”无人机 纵观无人机发展的历史，可以说现代战争是推动无人机发展的动力。而无人机对现代战争的影响也越来越大。一次和二次世界大战期间，尽管出现并使用了无人机，但由于技术水平低下，无人机并未发挥重大作用。朝鲜战争中美国使用 了无人侦察机和攻击机，不过数量有限。在随后的越南战争、中东战争中无人机已成为必不可少的武器系统。而在海湾战争、波黑战争及科索沃战争中无人机更成了主要的侦察机种。 越南战争期间美国空军损失惨重，被击落飞机 2500 架，飞行员死亡 5000 多名，美国国内舆论哗然。为此美国空军较多地使用了无人机。如 “水牛猎手 ”无人机在北越上空执行任务 2500外文翻译 6 多次，超低空拍摄照片，损伤率仅 4。 147 火蜂无人机飞行 500 多次，进行电子窃听、电台干扰、抛撒金属箔条及为有人飞机开辟通道等。 高空无人侦察机 在 1982 年的 贝卡谷地之战中，以色列军队通过空中侦察发现。叙利亚在贝卡谷地集中了大量部队。 6 月 9 日，以军出动美制 眼 ”预警飞机对叙军进行监视，同时每天出动 “侦察兵 ”及 “猛犬 ”等无人机 70 多架次，对叙军的防空阵地、机场进行反复侦察，并将拍摄的图像传送给预警飞机和地面指挥部。这样，以军准确地查明了叙军雷达的位置，接着发射 “狼 ”式反雷达导弹，摧毁了叙军不少的雷达、导弹及自行高炮，迫使叙军的雷达不敢开机，为以军有人飞机攻击目标创造了条件。 在科索沃战争中，美国、德国、法国及英国总共出动了 6 种不同类型的无人机约 200 多架 ，它们有：美国空军的 “捕食者 ”（ 陆军的 “猎人 ”（ 海军的 “先锋 ”（ 德国的 国的 “红隼 ”（ “猎人 ”，以及英国的 “不死鸟 ”（ 无人机。 无人机在科索沃战争中主要完成了以下一些任务：中低空侦察及战场监视，电子干扰，战果评估，目标定位，气象资料搜集，散发传单以及营救飞行员等。 科索沃战争不仅大大提高了无人机在战争中的地位，而且引起了各国政府对无人机的重视。美国参议院武装部队委员会要求， 10 年内军方应准备足够 数量的无人系统，使低空攻击机中有三分之一是无人机； 15 年内，地面战车中应有三分之一是无人系统。这并不是要用无人系统代替飞行员及有人飞机，而是用它们补充有人飞机的能力，以便在高风险的任务中尽量少用飞行员。无人机的发展必将推动现代战争理论和无人战争体系的发展。 种功能的机器人 机器警察 所谓地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统，它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务，在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务，今天美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人 。 英国的 “手推车 ”机器人 在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。英国由于民族矛盾，饱受爆炸物的威胁，因而早在 60 年代就研制成功排爆机器人。英国研制的履带式 “手推车 ”及 “超级手推车 ”排爆机器人，已向 50 多个国家的军警机构售出了 800 台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化，研制出土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人，英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用外文翻译 7 它们探测及处理爆炸物。土拨鼠重 35 公斤，在桅杆上装有两台摄像机。野牛重 210 公斤，可携带 100 公斤负载。两者均采用无线电控制系统，遥控距离约 1 公里。 “土 拨鼠 ”和 “野牛 ”排爆机器人 除了恐怖分子安放的炸弹外，在世界上许多战乱国家中，到处都散布着未爆炸的各种弹药。例如，海湾战争后的科威特，就像一座随时可能爆炸的弹药库。在伊科边境一万多平方公里的地区内，有 16 个国家制造的 25 万颗地雷， 85 万发炮弹，以及多国部队投下的布雷弹及子母弹的 2500 万颗子弹，其中至少有 20没有爆炸。而且直到现在，在许多国家中甚至还残留有一次大战和二次大战中未爆炸的炸弹和地雷。因此，爆炸物处理机器人的需求量是很大的。 排除爆炸物机器人有轮式的及履带式的，它们一般体积不大，转向灵活，便于在 狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台彩色 像机用来对爆炸物进行观察；一个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。 德国的排爆机器人 在法国，空军、陆军和警察署都购买了 司研制的 M 公司研制的 器人也被巴黎机场管理局选中。德国驻波黑 的维和部队则装备了司的 列机器人。我国沈阳自动化所研制的 美国 司的 列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人。在南非总统选举之前，警方购买了四台 机器人，它们在选举过程中总共执行了 100 多次任务。 器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。美国空军还派出 5 台 器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮弹的清理。空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台 I。 我国研制的排爆机器人 排爆机器人不仅可以排除炸弹，利用它的侦察传感器还可监视犯罪分子的活动。监视人员可以在远处对犯罪分子昼夜进行观察，监听他们的谈话，不必暴露自己就可对情况了如指掌。 1993 年初，在美 国发生了韦科庄园教案，为了弄清教徒们的活动，联邦调查局使用了两种机器人。一种是 司的 和 机器人，另一种是 器人。 一辆 6 轮遥控车，采用无线电及光缆通信。车上有一个可升外文翻译 8 高到 的支架 ，上面装有彩色立体摄像机、昼用瞄准具、微光夜视瞄具、双耳音频探测器、化学探测器、卫星定位系统、目标跟踪用的前视红外传感器等。该车仅需一名操作人员，遥控距离达 10 公里。在这次行动中共出动了 3台 作人员遥控机器人行驶到距庄园 548米的 地方停下来，升起车上的支架，利用摄像机和红外探测器向窗内窥探，联邦调查局的官员们围着荧光屏观察传感器发回的图像，可以把屋里的活动看得一清二楚。 机器人指挥 其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和 信息时代 的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。 1886 年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为 “安德罗丁 ”（ 它由 4 部分组成： 1，生命系 统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）； 2，造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）； 3， 人造肌肉 （在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）； 4，人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。 1920 年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，卡佩克把捷克语 “成了 “ “奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中 ，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。 但是机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其它机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。 卡佩克提出的是机器人 的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。 为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫（ 1940 年提出了 “机器人三原则 ”： 外文翻译 9 1，机器人不应伤害人类； 2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。 在 1967 年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性 的定义。一是森政弘与合田周平提出的： “机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等 7 个特征的柔性机器 ”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等 10 个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下 3 个条件的机器称为机器人： 1，具有脑、手、脚等三要素的个体； 2，具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器； 3，具有平衡觉和固有觉的传感器。 礼仪机器人 该定义强调了机器人应当仿人的 含义，即它靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官，使机器人能够识别外界环境，而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。这里描述的不是工业机器人而是 自主机器人 。 机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。动物一般具有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。 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作业系统，并以此系统的使用方法作为 研究对象 ”。 1987 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义： “工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 ” 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，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 ”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断 地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区外文翻译 10 别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。 中国工程院院长宋健指出： “机器人学的进步和应 用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化 ”。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人 中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 古代机器人 机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有 3000 多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。 机器马车 西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的 机器人。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行 “三日不下 ”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。 公元前 2 世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人 自动机 。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 1800 年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了 “木牛流马 ”，并用其运送军粮，支援 前方战争。 1662 年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。 1738 年，法国天才技师 杰克 戴 瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。 写字机器人 外文翻译 11 在当时的自动玩偶中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克 道罗斯和他的儿子利 路易 道罗斯。 1773 年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构 巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。由于当时技术条件的限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具 。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。 19 世纪中叶自动玩偶分为 2 个流派，即 科学幻想 派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。 1831 年歌德发表了浮士德，塑造了 人造人 “荷蒙克鲁斯 ”；1870 年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品葛蓓莉娅； 1883 年科洛迪的 木偶奇遇记问世； 1886 年 未来的夏娃 问世。在机械实物制造方面， 1893 年摩尔制造了 “蒸汽人 ”， “蒸汽人 ”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。 进入 20 世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世， 1927 年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人 “电报箱 ”，并在纽约举行的世界博览会 上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。 1959 年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 现代机器人的 研究始于 20 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。 自 1946 年第一台数字 电子计算机 问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。 大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是 1952 年 数控机床 的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。 另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于 1947 年开发了遥控机械手， 1948 年又开发了机械式的主从 机械手。 铆接机器人 外文翻译 12 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。 作为机
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