機器學習技術(shù)與應(yīng)用 課件全套 姚云 第1-14課 機器人概述 - 機器人安全與法律

智能機器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第1課機器人概述231知識目標（1）熟悉機器人發(fā)展歷史。（2）熟悉機器人定義，理解和掌握機器人三原則。（3）熟悉現(xiàn)代機器人的手、眼睛與物體識別等基本結(jié)構(gòu)。能力目標（1）掌握專業(yè)知識學習方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）具備“團隊精神”，提高學習的組織和活動能力。

素質(zhì)目標（1）熱愛學習，勤于思考，掌握學習方法，提高學習能力。（2）善于分析，培養(yǎng)關(guān)心技術(shù)發(fā)展進步的優(yōu)良品質(zhì)。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質(zhì)。

學習目標

愿景

體驗

創(chuàng)意

實踐重點難點（1）熟悉機器人發(fā)展和定義。（2）理解和遵循機器人三原則。目錄Robot名字的由來01機器人的發(fā)展02機器人概述03現(xiàn)代機器人04第1課機器人概述20世紀，人類取得了輝煌的成就，從量子理論、相對論的創(chuàng)立，原子能的應(yīng)用，脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，到信息技術(shù)的騰飛，人類基因組工作草圖的繪就，世界科技發(fā)生了深刻的變革。信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、先進制造技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)等都取得了重大突破，極大地提高了社會生產(chǎn)力。Robot名字的由來0101Robot名字的由來1886年法國作家利爾亞當在他的小說《未來夏娃》中將外表像人的機器起名為“安德羅丁”（android），它由4部分組成：（1）生命系統(tǒng)（平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調(diào)節(jié)運動等）；（2）造型解質(zhì)（關(guān)節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體，一種盔甲）；（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)）；（4）人造皮膚（含有膚色、機理、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等）。 1920年捷克作家卡雷爾·恰佩克發(fā)表了科幻劇本《羅梭的萬能工人》。在劇本

中，恰佩克把捷克語“Robota”（奴隸）寫成“Robot”。該劇預(yù)告了機

器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關(guān)注，并被當成“

機器人”一詞的起源。01Robot名字的由來在該劇中，機器人按照主人的命令默默地工作，沒有感覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動。后來，羅梭公司取得了成功，機器人也具有了感情，導致機器人的應(yīng)用部門迅速增加。在工廠和家務(wù)勞動中，機器人成了必不可少的成員。機器人發(fā)覺人類十分自私和不公正，終于造反了，機器人的體能和智能都非常優(yōu)異，因此消滅了人類。但是機器人不知道如何制造自己，認為它們自己很快就會滅絕，所以開始尋找人類的幸存者，

但沒有結(jié)果。最后，一對感知能力優(yōu)于其他機器人的男女

機器人相愛了。這時機器人進化為人類，世

界又起死回生了。羅梭的萬能工人01Robot名字的由來在該劇中，恰佩克提出了機器人的安全、感知和自我繁殖問題。科學技術(shù)的進步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問題。雖然科幻世界只是一種想象，但人類社會將可能面臨這種現(xiàn)實。機器人的發(fā)展0202

機器人的發(fā)展“機器人”一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的事，然而，人們對機器人的幻想與追求已有數(shù)千年的歷史。人類早在公元前4世紀就開始致力于想象和創(chuàng)建自動機器，而機器人最早甚至可以追溯到古希臘，中國在周穆王時期就有跳舞機器人的傳說。幾個世紀以來，人類設(shè)計的機器人一直迷戀人類的思想，從古代石人的故事到現(xiàn)代科幻小說，無一不是。人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。02

機器人的發(fā)展01020304050607古代機器人棋類機器人和早期的語言實驗圖靈測試寫字機器人機器馬車人形機器人和達芬奇騎士飛行機器人和音樂機器人02

機器人的發(fā)展1.2.1古代機器人亞里士多德是最早考慮自動化工具以及這些工具如何影響整個社會的偉大思想家之一。公元前400年，人類第一臺自動機器是由阿奇塔斯設(shè)計的，他今天被認為是數(shù)學力學之父。阿奇塔斯設(shè)計的機械鴿子是一款蒸汽動力自動飛行器（見圖1-6），它的木質(zhì)結(jié)構(gòu)是根據(jù)鴿子的解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計的，里面裝有一個密封的鍋爐，用于生產(chǎn)蒸汽，蒸汽的壓力最終會超過結(jié)構(gòu)的阻力，使得機器鴿可以飛行。圖1-6阿奇塔斯的機器鴿02

機器人的發(fā)展公元前250年，泰斯比烏斯創(chuàng)造了一個漏壺（滴漏）或叫水鐘，它有許多精密的自動裝置。盡管世界各地的水鐘已經(jīng)使用了幾個世紀，但正是在這段時間里，希臘和羅馬的發(fā)明家開始更新鐘表的基本設(shè)計，如鐘、鑼和移動的小雕像等。泰斯比烏斯的設(shè)計允許將指針觸碰到響亮的鑼上，這就誕生了第一個鬧鐘，成為早期自動機設(shè)計的

一個例子。圖1-7泰斯比烏斯的滴漏02

機器人的發(fā)展公元前2世紀，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人，它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。有關(guān)中國古代自動機的記載也很多。據(jù)公元前3世紀《列子》

的記載，西周時期我國的能工巧匠偃師就用木材和皮革制造

出了一個為周穆王表演唱歌和歌舞的機器人（伶人），這是

我國最早記載的機器人。據(jù)《墨經(jīng)》記載，春秋后期，我國

著名的木匠魯班在機械方面也是一位發(fā)明家，他曾制造過一

只木鳥，能在空中飛行“三日不下”。

圖1-8為周穆王跳舞的機器人02

機器人的發(fā)展1.2.2機器馬車1800年前的漢代，大科學家張衡不僅發(fā)明了地動儀，還發(fā)明了“記里鼓車”。記里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。圖1-9張衡發(fā)明的記里鼓車02

機器人的發(fā)展后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。

圖1-10木牛流馬復(fù)原圖02

機器人的發(fā)展1.2.3人形機器人和達·芬奇騎士自主技術(shù)的發(fā)展一直持續(xù)到11世紀以及世界各地。這一時期最重要的發(fā)明家之一是伊斯梅爾·賈扎里，他是伊斯蘭教黃金時代的工程師和數(shù)學家，他創(chuàng)造了分段齒輪，被許多人認為是機器人之父。他的許多機器人作品都是由水驅(qū)動的，包括從自動

門到可以續(xù)杯的人形自主女服務(wù)員。在達·芬奇的后期工作中，受伊斯梅爾·賈扎里的影響尤其明顯。

1495年，這位意大利著名藝術(shù)家和畫家設(shè)計了一個

自主騎士，其中設(shè)有一系列滑輪和齒輪，使其能夠

移動其胳膊和下巴，還能坐起來。

圖1-11達·芬奇的自主騎士02

機器人的發(fā)展達·芬奇將自己對人體解剖學的研究應(yīng)用到人形機器人上，達·芬奇的金主米蘭公爵盧多維科·斯福爾扎將其用作聚會的娛樂對象。02

機器人的發(fā)展1.2.4飛行機器人和音樂機器人主要為娛樂目的而設(shè)計的機器人在16世紀和18世紀之間變得更加流行。盡管這些機器人是為娛樂而設(shè)計的，但這些設(shè)備中使用的許多技術(shù)為后來更復(fù)雜的機器人鋪平了道路。其中一種是由德國數(shù)學家約翰內(nèi)斯·米勒馮·柯尼斯堡制造的鷹。人們知道它是在1530年代的某個時候，由木頭和鐵制成的。1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。1708年，作家約翰·威爾金斯寫了一篇關(guān)于“機器鷹”的文章，聲稱它飛向普魯士

皇帝，并返回雷吉奧·蒙塔努斯。雷吉奧·蒙塔努斯也被認為創(chuàng)造了一種能夠飛行的

機器人。02

機器人的發(fā)展這一時期另一個關(guān)鍵人物是雅克·德·沃坎松。1737年沃坎松創(chuàng)作了長笛演奏者，這是一個真人大小的類人機器人，可以在長笛上演奏12首不同的歌曲。該機器人使用一系列波紋管“呼吸”，并有一個移動的嘴和舌，可以改變氣流，使其能夠演奏樂器。圖1-12沃坎松創(chuàng)作的長笛演奏者、覓食鴨子和錘鼓者02

機器人的發(fā)展然而，沃坎松最令人難忘的成就是他的覓食鴨。這只鴨子會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進食和排泄（下蛋）。它也常常被認為是利用橡皮管的第一個裝置，其本意是想把生物的功能加以機械化而進行醫(yī)學上的分析。02

機器人的發(fā)展1.2.5棋類機器人和早期的語言實驗19世紀，自動機器人成為旅游景點和某種怪異的東西，它讓全世界的觀眾著迷和鼓舞。當時流行的一種機器人是棋類機器人，其中最有名的是“土耳其人”，由沃爾夫?qū)ゑT·肯佩倫在十七世紀七十年代建造，并且在1854年巡回展出。雖然它看起來好像是可以下棋的機器人，但這臺設(shè)備被曝光是一個由藏在盒子里的棋手操縱的騙

局。盡管這是個騙局，但它的核心思想為真正的

國際象棋機器人提供了靈感。

圖1-13刊載于報紙上的土耳其人插圖（1845）02

機器人的發(fā)展19世紀的另一臺非凡的機器“悅耳”是由奧地利數(shù)學家和發(fā)明家約瑟夫·費伯創(chuàng)造的一種會說話的機器人，是通過一種早期的文本到語音技術(shù)進行操作的。這臺機器的特點是，有一個與鍵盤相連的人形女性臉，面部的嘴唇、下巴和舌頭可以被控制。一根風箱和一根象牙白的蘆葦提供了機器的聲音，音調(diào)和口音可以通過鼻子上的螺絲來改變。這臺機器是費伯25年工作的巔峰，并于1846年首次向觀眾展示。可悲的是，維

多利亞時代的觀眾對這部機器茫然的眼神和毛骨

悚然的聲音感到不安，隨后這臺機器

就被遺忘。圖1-14悅耳02

機器人的發(fā)展20世紀初，第一個真正的國際象棋機器人誕生了，1912年由萊昂納多·托雷斯和克韋多建造的“棋手”被一些人認為是視頻游戲的先驅(qū)。該裝置能夠和人對弈，通過電路和一個磁鐵系統(tǒng)來移動棋子。它在1914年的巴黎世界博覽會上首次

亮相，引起了極大的轟動和贊譽。

圖1-15棋手02

機器人的發(fā)展1.2.6寫字機器人在自動玩偶的設(shè)計者中，最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯父子。1773年，他們連續(xù)推出了自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理制成的。它們有的拿著畫筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風靡一時。由于當時技術(shù)條件的限制，這些玩偶其實是身高一米的巨型玩具。在瑞士努薩蒂爾歷史博物館里保留下來了其中最早的機器人少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十個手指可以按

動風琴的琴鍵而彈奏音樂，現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣

賞，展示了古代人的智慧。02

機器人的發(fā)展19世紀中葉自動玩偶分為2個流派，即科學幻想派和機械制作派，并各自在文學藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克魯斯”；1870年霍夫曼出版了以自動玩偶為主角的作品《葛蓓莉婭》；1883年科洛迪的《木偶奇遇記》問世；1886年《未來的夏娃》問世。在機械實物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。02

機器人的發(fā)展1928年，英國第一個機器人埃里克問世。埃里克是由工程師和一位一戰(zhàn)老兵共同創(chuàng)造的，它由兩個人操作，可以移動頭部和手臂，并通過無線電信號進行通話。它的動作由一系列齒輪、繩索和滑輪控制，據(jù)報道，機器人能從嘴里噴出火花。

作為向卡雷爾·恰佩克在1920年創(chuàng)作的劇作《羅梭的

萬能工人》致敬，機器人埃里克的胸部被刻上了字母

R.U.R.。圖1-16埃里克02

機器人的發(fā)展1929年，日本第一個機器人“學天食”首次亮相?！皩W天食”由生物學家學天食建造，身高超過2.1米，可以通過齒輪和彈簧的運動來改變面部表情。“學天食”最偉大的成就是它書寫漢字的能力。不幸的是，這個機器人在德國巡演時失蹤了。進入20世紀后，機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些實用化的機器人相繼問世，1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人

“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電

動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問

題，但該機器人不能走動。

圖1-17學天食02

機器人的發(fā)展1.2.7圖靈測試20世紀40年代出現(xiàn)了第一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。1943年，沃倫·麥卡洛克和沃爾特·皮茨創(chuàng)建了一個使用電路的基本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以更好地理解神經(jīng)元是如何在大腦中運作的。由于使用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，他們的實驗為第一個能夠顯示復(fù)雜行為的自主機器人鋪平了道路。1948年和1949年，威廉·格雷·沃爾特創(chuàng)造了兩個這樣的昵稱為“烏龜”的機器人埃爾默和埃爾西，這兩個機器人可以對光線做出反應(yīng)，并在電池電量不足的情況下引導自己到充電站。02

機器人的發(fā)展機器人歷史上的另一個里程碑發(fā)生在1950年，當時，阿蘭·圖靈概述了他對機器人工智能的測試。圖靈測試是現(xiàn)在人工智能的基準，因為它被用來測量機器的智能與人類的智能相同還是無法區(qū)分的程度。以最簡單的形式，測試的目的是確定機器是否可以思考。圖靈的工作為1956年達特茅斯學院建立人工智能定義提供了必要的框架。圖1-18阿蘭·圖靈機器人概述0303

機器人概述機器人的出現(xiàn)并高速發(fā)展是社會和經(jīng)濟發(fā)展的必然，是為了提高社會的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量，讓機器人替人類那些人們干不了、干不好的工作。01機器人的定義02機器人三原則03機器人的分類03

機器人概述03

機器人概述1.3.1機器人的定義通常情況下科學家會給每一個科技術(shù)語下一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)，而根本原因是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許，正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。03

機器人概述1967年在日本召開的第一屆機器人學術(shù)會議上，就提出了兩個有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象。03

機器人概述另一個是加藤一郎提出的，具有如下3個條件的機器稱為機器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器；（3）具有平衡覺（因身體移動而引起的感覺）和固有覺（例如思維定勢）的傳感器。該定義強調(diào)了自主機器人應(yīng)當仿人的含義，即它靠手進行作業(yè)，靠腳實現(xiàn)移動，由腦來完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而

平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的

傳感器。03

機器人概述機器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。動物一般具有這樣一些要素，所以在把機器人理解為仿人機器的同時，也可以廣義地把機器人理解為仿動物的機器。1988年法國的埃斯皮奧的定義是：“機器人學是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。1987年，際標準化組織的定義是“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。”我國科學家做出的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器

具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同

能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。03

機器人概述在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對其智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了

最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊

要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空

間。03

機器人概述時任中國工程院院長宋健指出：“機器人學的進步和應(yīng)用是20世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化”。機器人技術(shù)綜合了多學科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術(shù)的作用和影響。03

機器人概述1.3.2機器人三原則科幻作家艾薩克·阿西莫夫于1942年在其發(fā)表的短篇小說《跑來跑去》中創(chuàng)造了“robotics（機器人技術(shù)）”這個詞。在該小說中，為了防止機器人傷害人類，阿西莫夫列出了他的著名的機器人三原則。（1）機器人不應(yīng)傷害人類；（2）機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；（3）機器人應(yīng)能保護自己，與第一條相抵觸者除外。盡管這些定律是虛構(gòu)的，但這些定律為許多圍繞機器人和自主技術(shù)的倫理問題提供

了基礎(chǔ)。如今，機器人學術(shù)界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則。03

機器人概述1.3.3機器人的分類關(guān)于機器人有各種分類方法，有的按控制方式分，有的按負載重量分，有的按自由度數(shù)量分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。（1）操作型機器人：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。（2）程控型機器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。（3）示教再現(xiàn)型機器人：通過引導或其他方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。（4）數(shù)控型機器人：通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。03

機器人概述（5）感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。（6）適應(yīng)控制型機器人：機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。（7）學習控制型機器人：機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中。（8）智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。03

機器人概述我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人；而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。03

機器人概述國際上的機器人學者也從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人。圖1-20汽車加工現(xiàn)場：激光焊接機器人現(xiàn)代機器人0404

現(xiàn)代機器人概述現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，機器人技術(shù)自60年代初問世以來，經(jīng)歷40年的發(fā)展，取得了長足的進步。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生—成長—成熟期后，已成為制造業(yè)中不可或缺的核心裝備。當今世界上有約75萬臺工業(yè)機器人正與工人并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。機器人的手機器人的眼睛機器識別物體04

現(xiàn)代機器人04

現(xiàn)代機器人概述1.4.1機器人的手機器人要模仿動物的一部分行為特征，自然應(yīng)該具有動物腦子的一部分功能。光有電腦發(fā)號施令還不行，最基本的還需要給機器人裝上各種感覺器官。機器人必須有“手”和“腳”，這樣它才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”動作?！笆帧焙汀澳_”不僅是執(zhí)行命令的機構(gòu)，還應(yīng)該具有識別的功能，這就是通常所說的“觸覺”。動物對物體的軟、硬、冷、熱等的感覺就是靠觸覺器官。大腦要控制手、腳去完成指定的任務(wù)，也需要有觸覺所獲得的信息反饋到大腦里，以調(diào)節(jié)

動作，使動作適當。因此，給機器人裝上的應(yīng)該是一雙會“摸”、有識別能力的靈

巧的“手”。機器人的手一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成（見圖1-21）。為了使它具有觸覺，

在手掌和手指上都裝有帶彈性觸點的觸敏元件（如靈敏的彈簧測力計）。04

現(xiàn)代機器人概述

圖1-21機器人的“手”04

現(xiàn)代機器人概述為了使它具有觸覺，在手掌和手指上都裝有帶彈性觸點的觸敏元件（如靈敏的彈簧測力計）。如果要感知冷暖，還可以裝上熱敏元件，當觸及物體時觸敏元件發(fā)出接觸信號。在各指節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器（一種利用轉(zhuǎn)動來改變電路的電阻而輸出電流信號的元件），它能把手指的彎曲角度轉(zhuǎn)換成“外形彎曲信息”。把外形彎曲信息和各指節(jié)產(chǎn)生的“接觸信息”一起送入電腦，通過計算就能迅速判斷機械手所抓的物體的形狀和大小。現(xiàn)在，機器人的手已經(jīng)具有了靈巧的指、腕、肘和肩胛關(guān)節(jié)，能靈活自如的伸縮擺動，手腕也

會轉(zhuǎn)動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東

西的重量，可以說已經(jīng)具備了人手的許多功能。04

現(xiàn)代機器人概述在實際情況中，有許多時候并不一定需要這樣復(fù)雜的多節(jié)人工指，而只需要能從各種不同的角度觸及并搬動物體的鉗形指。1966年，美國海軍用裝有鉗形人工指的機器人“科沃”把因飛機失事掉入西班牙近海的一顆氫彈從七百五十米深的海底撈上來。1967年，美國飛船“探測者三號”把一臺遙控操作的機器人送上月球，它在地球上人的控制下，可以在兩平方米左右的范圍里挖掘月球表面四十厘米深處的土壤樣品，并且放

到規(guī)定的位置，還能對樣品進行初步分析，如確定

土壤的硬度，重量等，它為“阿波羅”

載人飛船登月當了開路先鋒。圖1-22俄羅斯宇航員亞歷山大·斯科沃佐夫在國際空間站教人形機器人費奧多爾用毛巾擦汗04

現(xiàn)代機器人概述1.4.2機器人的眼睛人的眼睛是感覺之窗，人有80%以上的信息是靠視覺獲取的，能否造出“人工眼”讓機器也能象人那樣識文斷字，看東西，這是智能自動化的重要課題。關(guān)于機器識別的理論、方法和技術(shù)稱為模式識別。所謂模式是指被判別的事件或過程，它可以是物理實體，如文字，圖片等，也可以是抽象的虛體，如氣候等。機器識別系統(tǒng)與人

的視覺系統(tǒng)類似，由信息獲取、信息處理與特征抽

取、判決分類等部分組成。

圖1-23機器人“眼”“手”并用04

現(xiàn)代機器人概述采用機器進行郵政信件分揀可以提高效率十多倍。機器認字的原理與人認字的過程大體相似。先對輸入的郵政編碼進行分析，并抽取特征，若輸入的是個6字，其特征是底下有個圈，左上部有一直道或帶拐彎。其次是對比，即把這些特征與機器里原先規(guī)定的0到9這十個符號的特征進行比較，與哪個數(shù)字的特征最相似，就是哪個數(shù)字。這一類型的識別，實質(zhì)上叫分類，在模式識別理論中，這種方法叫做統(tǒng)計識別法。此研究成果還可用于手寫程序直接輸入，政府辦公自動化、自動排版等方面。04

現(xiàn)代機器人概述現(xiàn)有的機床加工零件完全靠操作者看圖紙來完成。能否讓機器人來識別圖紙呢？這就是機器識圖問題。機器識圖的方法除了上述的統(tǒng)計方法外，還有語言法，它是基于人認識過程中視覺和語言的聯(lián)系而建立的。把圖像分解成一些直線、斜線、折線、點、弧等基本元素，研究它們是按照怎樣的規(guī)則構(gòu)成圖像的，即從結(jié)構(gòu)入手，檢查待識別圖像是屬于哪一類“句型”，是否符合事先規(guī)定的句法。按這個原則，若句法正確就能識別出來。機器識圖具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防科學實驗和醫(yī)療中，涉及到大量的圖象處理與識別問題。04

現(xiàn)代機器人概述1.4.3機器識別物體機器識別物體即三維識別系統(tǒng)。一般是以電視攝像機作為信息輸入系統(tǒng)。根據(jù)人識別景物主要靠明暗信息、顏色信息、距離信息等原理，機器識別物體的系統(tǒng)也是輸入這三種信息，只是其方法有所不同了。由于電視攝像機拍攝的方向不同，可以得到各種圖形，如抽取出棱數(shù)、頂點數(shù)、平行線組數(shù)等立方體的共同特征，參照事先存儲的物體特征表，便可以識別立方體了。

目前機器可以識別簡單形狀的物體，對于曲面物體，電子部件等復(fù)雜形狀的物

體識別及室外景物識別等研究工作也有所進展。物體

識別主要用于工業(yè)產(chǎn)品外觀檢查，工件的分選和裝配

等方面。智能機器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材謝謝！智能機器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第2課工業(yè)機器人231知識目標（1）熟悉工業(yè)機器人的發(fā)展歷史。（2）把握工業(yè)機器人的發(fā)展方向。（3）熟悉工業(yè)機器人的組成、類型及其應(yīng)用場景。能力目標（1）掌握專業(yè)知識的學習方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）具備團隊精神，提高參與學術(shù)活動的組織和能力。素質(zhì)目標（1）熱愛學習，掌握學習方法，提高學習能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，關(guān)心技術(shù)進步。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學習目標

愿景

體驗

創(chuàng)意

實踐重點難點（1）工業(yè)機器人的發(fā)展歷史。（2）工業(yè)機器人的組成與類型。目錄工業(yè)機器人歷史01國產(chǎn)機器人發(fā)展02工業(yè)機器人應(yīng)用03第2課工業(yè)機器人工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。工業(yè)機器人歷史0101

工業(yè)機器人歷史1954年，美國的喬治·德沃爾申請了第一個工業(yè)機器人技術(shù)專利，該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。工業(yè)機器人誕生工業(yè)創(chuàng)新和太空機器人01

工業(yè)機器人歷史家庭機器人和旅居者火星車射波刀和愛寶機器狗今天的機器人01

工業(yè)機器人歷史2.1.1工業(yè)機器人誕生喬治·德沃爾和約瑟夫·恩格爾伯格1956年成立了第一家生產(chǎn)機器人的公司尤尼梅遜。1959年第一臺工業(yè)機器人——尤尼梅遜機器人Unimate（可編程、圓坐標，見圖2-5）在美國誕生，這種革命性的裝置永遠改變了制造業(yè)的面貌。

圖2-5第一臺工業(yè)機器人Unimate01

工業(yè)機器人歷史當時Unimate被稱為通用轉(zhuǎn)移設(shè)備，它最初的主要用途是將物體從一個點轉(zhuǎn)移到不遠處的另一個點。它們使用液壓驅(qū)動器，并在關(guān)節(jié)中進行坐標編程，即各關(guān)節(jié)的角度在示教階段存儲進去，并在操作中重復(fù)使用，它們精確到1/10000英寸以內(nèi)。1968年，麻省理工學院人工智能實驗室的聯(lián)合創(chuàng)始人馬文·明斯基發(fā)明了一種“觸手臂”——一個由液壓裝置驅(qū)動的12節(jié)機械手臂，可以通過操縱桿進行控制。明斯基的機器人觸手臂很容易就能繞過障礙物。他的研究為今天出現(xiàn)的許多軟機器人技術(shù)創(chuàng)新鋪平了道路。01

工業(yè)機器人歷史1969年，維克多·沙因曼在斯坦福大學發(fā)明了斯坦福機械臂，這是一個巨大的突破，就像當時用磁鼓操作Unimate一樣。這臺完全由斯坦福大學人工智能實驗室完成的全電動六軸關(guān)節(jié)機器人手臂，被認為是最早由電腦控制的機器人之一，雖然主要用于教育目的，但斯坦福手臂標志著可通過計算機控制的工業(yè)機器的重大突破。圖2-6斯坦福機械臂01

工業(yè)機器人歷史斯坦福手臂可以像人的手臂一樣運動，這使得它能夠精確地在空間中遵循任意路徑，并將機器人的潛在用途擴展到更復(fù)雜的領(lǐng)域，如組裝和焊接。然后，維克多·沙因曼在麻省理工學院人工智能實驗室設(shè)計了第二個手臂。維克多·沙因曼獲得尤尼梅遜公司的研究資助，并將這些設(shè)計出售給尤尼梅遜公司。尤尼梅遜公司在通用汽車的支持下進一步開發(fā)這些設(shè)計，后來將其生產(chǎn)為可編程通用裝配機（PUMA）并銷售。01

工業(yè)機器人歷史2.1.2工業(yè)創(chuàng)新和太空機器人20世紀70年代初，世界上第一個全面擬人化機器人——WABOT-1

問世，這是1967年WABOT的后續(xù)行動，由東京早稻田大學的加藤

一郎創(chuàng)立。WABOT-1有一個視覺和肢體控制系統(tǒng)，可以自行導航

和自由移動，它甚至可以測量物體之間的距離。它的手具有觸覺傳

感器，這意味著它能抓住和運輸物體。它的智力與18個月大的人類

相當，標志著人形機器人技術(shù)的重大突破。圖2-7第一個擬人化機器人WABOT-101

工業(yè)機器人歷史工業(yè)機器人在歐洲迅速發(fā)展。1973年，ABB機器人和庫卡機器人都向市場推出了機器人。ABB機器人（前瑞典通用電機公司）推出了IRB6，是世界上第一個市場上可買到的全電動微處理器控制機器人。首批兩個IRB6機器人被出售給瑞典的馬格努松，用于打磨和拋光彎管。同樣1973年，德國庫卡（KUKA）機器人公司制造了第一個機器人，被

稱為FAMULUS，第一個擁有6個機電驅(qū)動軸的關(guān)節(jié)機器人。第二年，理

查德·霍恩開發(fā)了第一臺由小型計算機提供動力的工業(yè)計算機——“明天

的工具”（T3）。1978年，由日本山梨大學牧野博教授開發(fā)了SCARA（選擇

性順從組裝機械臂，又稱斯卡拉）機器人，它的手臂可以沿

4軸移動，并在80年代早期成為裝配線上的常見設(shè)備。

圖2-8SCARA工業(yè)機器人01

工業(yè)機器人歷史于1976年第一批登陸火星的機器人是維京1號和維京2號，這兩個機器人都是由放射性同位素熱電供電，發(fā)電機通過衰變钚釋放的熱量產(chǎn)生能量。盡管這兩個登陸器收集的數(shù)據(jù)很模糊，但它們是今天火星探測器的官方先行者。圖2-9第一批登陸火星的機器人維京1號和維京2號01

工業(yè)機器人歷史20世紀70年代末，人們對機器人技術(shù)的興趣增加。許多美國公司進入了這個領(lǐng)域，包括像通用電氣和通用汽車這樣的大公司（它們和FANUC日本有限公司組成了合資企業(yè)FANUC機器人公司），還有美國的初創(chuàng)公司Automatix（自動機）和AdeptTechnology（熟練技術(shù)）。在1984年，機器人產(chǎn)業(yè)的鼎盛時期，尤尼梅遜公司被西屋公司以1.07億美元收購。1988年西屋公司把尤尼梅遜公司出售給了法國的StaubiFavergesSCA公司，該公司仍在為一般工業(yè)和潔凈室應(yīng)用生產(chǎn)機器人，2004年末，甚至還買下了博世的機器人部門。只有少數(shù)非日本公司最終設(shè)法在這個市場上生存下來，主要是AdeptTechnology

（熟練的技術(shù)）、史努比、瑞典-瑞士公司ABB、德國庫卡機器人公司和意大利公司

柯馬。01

工業(yè)機器人歷史2.1.3家庭機器人和旅居者火星車20世紀80年代，機器人正式進入主流消費市場，盡管大多是簡單玩具。其中最受歡迎的機器人玩具是“萬能機器人2000”，這是遙控的，配有一個托盤用來供應(yīng)飲料和零食。這一時期另一個備受追捧的機器人玩具是任天堂娛樂系統(tǒng)的R.O.B機器人播放器，它可以對6個不同的命令做出響應(yīng)，這些指令通過CRT屏幕上的閃光燈進行通信。

圖2-10挖能機器人2000（遙控）01

工業(yè)機器人歷史20世紀80年代工業(yè)機器人領(lǐng)域出現(xiàn)了進一步的發(fā)展，福特在世界各地的生產(chǎn)線上增加了數(shù)百個機器人。福特嘉年華因其由機器人注入防腐密封劑而備受矚目。1981年隨哥倫比亞號航天飛機發(fā)射，由加拿大制造的機械臂長15.2米，有6個連接點，它可以由控制站的一名機組成員控制，在服役期間成功執(zhí)行了90次任務(wù)。01

工業(yè)機器人歷史1989年麻省理工學院研究人員制造的六足機器人“成吉思汗”（見圖2-11）被認為是現(xiàn)代歷史上最重要的機器人之一。上世紀80年代末至90年代初期，美國國家航空航天局（NASA）曾一度陷入太空探索機器人普遍龐大、昂貴及行動緩慢的困境。隨后，NASA從六足機器人“成吉思汗”中取得靈感，由于其體積小，材料便宜，“成吉思汗”被認為縮短了未來空間機器人設(shè)計的生產(chǎn)時間和成本，使之可以由12個伺服電機和22個傳感器組成，穿越巖石地形，于是研制出更為小巧和敏捷的“探路者號”火星車（見圖2-12），打破了當時的研發(fā)僵局。1997年7

月，旅居者這個輕型機器人由探路者號帶到火星，成功著

陸于火星表面，首次實現(xiàn)了人類對于火星的探索。01

工業(yè)機器人歷史圖2-11成吉思汗六足機器人圖2-12旅居者號火星車01

工業(yè)機器人歷史在火星期間，旅居者探索了250平方米的土地，并拍攝了550張圖片?；诼镁诱呤占男畔?，科學家們確定火星曾經(jīng)有一個溫暖潮濕的氣候。這次任務(wù)標志著美國宇航局更多的火星探測器的開始。01

工業(yè)機器人歷史2.1.4射波刀和愛寶機器狗20世紀90年代初，射波刀機器人進入手術(shù)室。由斯坦福大學神經(jīng)學教授約翰·R·阿德勒開發(fā)的射波刀是一種非侵入性的手術(shù)工具，又稱“立體定位射波手術(shù)平臺”，是一種全身立體定位放射外科治療設(shè)備，可以跟蹤和瞄準腫瘤，聚焦輻射

束較窄，用于手術(shù)治療全身各部位的腫瘤，是唯一

綜合“無傷口、無痛苦、無流血、無麻醉、恢復(fù)期

短”等優(yōu)勢的全身放射手術(shù)形式，患者

術(shù)后即可回家。

圖2-13射波刀01

工業(yè)機器人歷史1999年出現(xiàn)了20世紀最具標志性的機器人之一——索尼的愛寶（AIBO）寵物機器狗，它可以對語音指令做出回應(yīng)。新款全新改裝后，配有兩個攝像頭和空間

映射功能。

圖2-14愛寶機器狗01

工業(yè)機器人歷史2.1.5今天的機器人隨著機器人技術(shù)的普及，許多家庭都有了自己的自動清潔地板機器人吸塵器，我們也看到了從軍隊到物流運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域的無人機應(yīng)用，其中，尤其要注意的是兩個機器人——索菲亞和波士頓動力狗。2017年，由漢森機器人公司開發(fā)的Android機器人索菲婭于2017年10月獲得沙特阿拉伯公民身份。在接下來的一個月里，她成為第一位非人類女性擔任的

聯(lián)合國開發(fā)計劃署創(chuàng)新大使。索菲婭的人工智能是基于云的，

能夠深度學習，可以識別和復(fù)制各種各樣的人類面部表情。

圖2-15機器人索菲亞01

工業(yè)機器人歷史不斷創(chuàng)新現(xiàn)代機器人技術(shù)，波士頓動力公司一直被媒體視為在引領(lǐng)潮流。其中最著名的是“波士頓動力狗”，它在2005年推出時吸引了全世界的關(guān)注。它最初是設(shè)計成一個軍用機器人，身上安裝了50個傳感器，能夠承載150公斤的重量，能以6.4千米/小時的速度奔跑。圖2-16波士頓動力狗01

工業(yè)機器人歷史此后，波士頓動力公司又公布了另外兩款吸引人們眼球的機器人——自主機器人狗SpotMini和能夠跑動和跳過障礙的復(fù)雜的類人機器人Atlas。機器人技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了一段漫長而又傳奇的歷史，人們對此充滿著期待。根據(jù)國際機器人聯(lián)合會（國際財務(wù)報告準則）2018年世界機器人報告，到2017年底，大約有2097500個可操作的工業(yè)機器人在工作。到2021年底，這一數(shù)字估計達到3788000個。其中，中國是國際最大的工業(yè)機器人市場。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)機器人的最大行業(yè)客戶是汽車工業(yè)，占33%的市場份額，然后是電氣/電子工業(yè)，占32%，金屬和機械工業(yè)，占12%，橡膠和塑料工業(yè)，占5%，食品工

業(yè)占3%。國產(chǎn)機器人發(fā)展0202

國產(chǎn)機器人發(fā)展作為“制造業(yè)皇冠上的明珠”的工業(yè)機器人以更高的生產(chǎn)效率、流水線生產(chǎn)而應(yīng)用日益廣泛。而且，工業(yè)機器人能有效解決勞動力短缺、用人成本上升等問題，擁有巨大的發(fā)展前景，如今已經(jīng)成為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型的強大推動力。但需要警醒的是，我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)并不樂觀，尚待進一步發(fā)展。2013年以來，中國一直是全球最大的工業(yè)機器人消

費市場，背靠如此龐大的市場，不少中國機器人企

業(yè)展現(xiàn)出了不錯的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖2-17節(jié)卡工業(yè)機器人02

國產(chǎn)機器人發(fā)展譬如，專攻工業(yè)機器人、柔性協(xié)作機器人及智能裝備的珞石機器人（ROKAE）成立于2014年，經(jīng)過多年不斷探索，已經(jīng)是當前我國為數(shù)不多能實現(xiàn)同水平進口替代的機器人巨頭，具備研發(fā)、生產(chǎn)與銷售一體化能力。圖2-18珞石工業(yè)機器人02

國產(chǎn)機器人發(fā)展據(jù)悉，珞石機器人已經(jīng)累計申請100余項技術(shù)專利。同時，珞石機器人還同舍弗勒、小米、張小泉等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，建立起了密切的合作。針對不同場景、不同客戶，珞石機器人做了深度的適配，推出多種行業(yè)解決方案。譬如，針對“磨剪刀”這一場景，珞石機器人便花費了許多力氣。為了獲取老師傅腦中的磨刀經(jīng)驗與技術(shù)，珞石機器人讓程序員首先做的并不是編程，而是學磨刀技術(shù)。同時，針對不同剪刀規(guī)格、不同品牌、不同型號的產(chǎn)品，珞石機器人進行了深度調(diào)整。為此，珞石機器人磨了數(shù)百萬把刀，費

了大量的時間、精力。珞石機器人的努力并沒有白費，為公司贏得了張小泉、十八

子、美瓏美利等刀具領(lǐng)先企業(yè)的青睞。在縫紉、傳統(tǒng)制造業(yè)、3C電子等場景中，珞石機器人也進行了深度適配，推動了珞

石機器人技術(shù)的提升。隨著智能制造腳步的不斷加快，珞石機器人將會有更大的發(fā)

展空間。工業(yè)機器人應(yīng)用0303

工業(yè)機器人應(yīng)用機器人自動化是一項快速進步的技術(shù)，在短短幾十年時間里，工業(yè)機器人已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)成為工廠里的普通裝置。工業(yè)機器人不僅可以克服惡劣環(huán)境對生產(chǎn)的影響，減少人工的使用，保障工人的安全，還能夠幫助工廠節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，從而穩(wěn)定地保證產(chǎn)品質(zhì)量。圖2-19工業(yè)機器人可完全替代整個產(chǎn)業(yè)線的生產(chǎn)加工03

工業(yè)機器人應(yīng)用工業(yè)機器人主要用于制造生產(chǎn)領(lǐng)域，通常是自動化的、可編程的，有三個及以上運動軸的多自由度的自動化機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，按照自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能。

（a）鑄造作業(yè)鉸接式工業(yè)機器人（b）焊接六軸機器人圖2-20工業(yè)機器人工業(yè)機器人組成工業(yè)機器人類型工業(yè)機器人發(fā)展趨勢04

現(xiàn)代機器人03

工業(yè)機器人應(yīng)用2.3.1工業(yè)機器人組成工業(yè)機器人一般由機械、傳感和控制等三大部分組成，這三大部分又分成六個子系統(tǒng)。（1）驅(qū)動系統(tǒng)：給每個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，使機器人運動起來。（2）機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（見圖2-21）：由機身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等。03

工業(yè)機器人應(yīng)用

圖2-21工業(yè)機器人的一般結(jié)構(gòu)03

工業(yè)機器人應(yīng)用（3）傳感系統(tǒng)：獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，提高機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化水準。圖2-22庫卡的KMRCYBERTECHnano運用激光傳感器去感知環(huán)境03

工業(yè)機器人應(yīng)用（4）機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)：實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。（5）人機交互系統(tǒng)：人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置。（6）控制系統(tǒng)：根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。機器人的典型應(yīng)用包括焊接、繪畫、組裝、挑選和移動，用于印制電路板、包裝、打標簽、夾板裝載、產(chǎn)品檢驗和測試等工序。所有這些應(yīng)用都是以高耐用性、高速度和高精度完成的。它

們還可以協(xié)助物料輸送（見圖2-23）。03

工業(yè)機器人應(yīng)用

圖2-23一家面包店用機器人將面包和烤面包等食品碼垛03

工業(yè)機器人應(yīng)用2.3.2工業(yè)機器人類型最常用的機器人構(gòu)型是關(guān)節(jié)型機器人、SCARA（選擇性順從組裝機械臂）機器人、Delta機器人（主要用于食品包裝行業(yè)的抓取、包裝、碼垛和機床上下料的高精度、高效率、高壽命的并聯(lián)機器人）和直角坐標型機器人（又稱龍門機器人或x-y-z機器人）。一般情況下，按照機器人學的定義，大多數(shù)類型的機器人都屬于機械臂的范疇。機器人表現(xiàn)出不同程度的自主性。03

工業(yè)機器人應(yīng)用（1）一些機器人被編程為忠實地一遍又一遍地執(zhí)行特定的動作（重復(fù)動作），沒有其他變化并且具有高精度。這些動作由指定一系列協(xié)調(diào)運動的方向、加速度、速度、減速度和距離的程序設(shè)定決定。（2）還有一些機器人在操作對象的方向上或者在對象本身上執(zhí)行的任務(wù)上更加靈活，機器人甚至可能需要識別這些任務(wù)。例如，為了獲得更精確的導航，機器人通常包含機器視覺子系統(tǒng)，作為它們的視覺傳感器，連接到強大的計算機或控制器上。03

工業(yè)機器人應(yīng)用2.3.3工業(yè)機器人發(fā)展趨勢美國機器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會（RIA）曾經(jīng)預(yù)測工業(yè)機器人的六大發(fā)展趨勢。（1）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)的應(yīng)用。機器人會在生產(chǎn)的最前沿應(yīng)用智能傳感器，采集制造商以前無法獲得的數(shù)據(jù)。（2）優(yōu)先考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全。機器人與內(nèi)部系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)越來越多，網(wǎng)絡(luò)安全的風險不斷增加。制造商必須解決生產(chǎn)工藝中的缺陷，并在網(wǎng)絡(luò)安全方面加大投資，確保安全、可靠的生產(chǎn)。03

工業(yè)機器人應(yīng)用（3）大數(shù)據(jù)分析成為競爭優(yōu)勢。機器人成為工廠車間主要信息來源之一。制造商必須實施系統(tǒng)來組織和分析采集到的所有數(shù)據(jù)，以便采取有效的行動，提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢。圖2-24大數(shù)據(jù)成就大時代03

工業(yè)機器人應(yīng)用（4）實施開放式的自動化架構(gòu)。隨著機器人自動化應(yīng)用越來越廣泛，對開放式自動化架構(gòu)的需求相應(yīng)增加。大型的行業(yè)參與者將與行業(yè)機構(gòu)一起制定標準和開放式文檔，機器人集成更加容易，兼容性會變得更好。（5）虛擬解決方案增加。虛擬解決方案會成為工業(yè)機器人的一個主要部分。（6）協(xié)作機器人將更受歡迎。協(xié)作機器人可以在人類身邊安全地工作，而且通常比工業(yè)機器人便宜得多。隨著協(xié)作機器人在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中變得更有能力，對投資回報率有嚴格要求的制造商會更多地采用協(xié)作機器人。智能機器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材謝謝！智能機器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第3課協(xié)作機器人231知識目標（1）人與機器的協(xié)作知識。（2）協(xié)作機器人的定義與安全設(shè)計。（3）協(xié)作式專家系統(tǒng)與計算機集成制造系統(tǒng)。能力目標（1）掌握專業(yè)知識的學習方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）參與團隊學習，提高組織活動、參與活動的能力。素質(zhì)目標（1）熱愛學習，掌握學習方法，提高學習能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，培養(yǎng)關(guān)心技術(shù)進步的優(yōu)良品質(zhì)。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學習目標

愿景

體驗

創(chuàng)意

實踐重點難點（1）人與機器的協(xié)作。（2）協(xié)作機器人的定義。目錄人與機器的協(xié)作01協(xié)作機器人的定義02協(xié)作機器人與工業(yè)機器人03協(xié)作機器人安全設(shè)計04協(xié)作式專家系統(tǒng)05計算機集成制造系統(tǒng)06第3課協(xié)作機器人工業(yè)4.0有一個重要原則，就是在人機協(xié)作模式下，由人員控制并監(jiān)控生產(chǎn)，而機器人則負責辛苦的體力工作。兩者發(fā)揮各自的專長。因此，人機協(xié)作給未來工廠中的工業(yè)生產(chǎn)和制造帶來了根本性的變革。人與機器的協(xié)作0101

人與機器的協(xié)作近年來，伴隨著市場需求日益加大和政策、資本的大力扶持，工業(yè)機器人已步入高速發(fā)展階段，各種機器人可以勝任越來越多的工作崗位，“機器換人”已在包括制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等多行業(yè)展開。人類與機器人可以是一種互助共存的關(guān)系。機器人可以輔助人類去做一些繁復(fù)、深重的工作，人類可根據(jù)現(xiàn)實需求調(diào)整機器人生產(chǎn)。協(xié)作

工業(yè)機器人是發(fā)展的新形態(tài)，人機協(xié)作是機器人

進化的必然選擇，其特點是安全、易用、成本低，

普通工人可以像使用電器一樣操作它。

圖3-3各種機器人勝任越來越多的工作崗位工業(yè)機器人誕生工業(yè)創(chuàng)新和太空機器人01

工業(yè)機器人歷史家庭機器人和旅居者火星車射波刀和愛寶機器狗今天的機器人01

人與機器的協(xié)作3.1.1智能制造不同于自動化隨著美國、德國、英國、日本等先進國家制造業(yè)不斷加快向數(shù)字化、智能化時代發(fā)展，人工智能對制造業(yè)競爭力的影響也越來越大，智能制造已成為世界各國技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展競爭的焦點。我國將智能制造作為《中國制造2025》的主攻方向，其規(guī)劃指出，智能制造是未來制造業(yè)發(fā)展的重大趨勢和核心內(nèi)容，也是解決我國制造業(yè)由大變強的根本路徑。但是，傳統(tǒng)的自動化并不等于智能制造。01

人與機器的協(xié)作自動化是指機器設(shè)備、系統(tǒng)或生產(chǎn)、管理過程，在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)重復(fù)性的復(fù)現(xiàn)和執(zhí)行預(yù)期目標的過程。而智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計過程、制造過程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)的深度融合與集成；智能制造把制造自動化的概念更新，并擴展到柔性化、智能化和高度集成化（見圖3-5）。01

人與機器的協(xié)作圖3-5自動化與智能制造01

人與機器的協(xié)作從制造業(yè)角度出發(fā)，過去的自動化主要是針對批量生產(chǎn)，而在智能制造時代，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快、批量小、個性化定制等，與大批量生產(chǎn)相比，生產(chǎn)組織高度復(fù)雜、質(zhì)量控制難度大增，人工物料成本顯著升高，這些相關(guān)的新問題必須被迅速感知、及時處理。這時，智能制造的相關(guān)技術(shù)，如傳感技術(shù)、測試技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、生產(chǎn)管理等與產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期相關(guān)的先進技術(shù)就成為了制造業(yè)變革創(chuàng)新的新希望。01

人與機器的協(xié)作另外，從技術(shù)上看，過去的自動化產(chǎn)線上，人們一般試圖把生產(chǎn)的“邊界”盡量固定下來，通過抑制干擾來保證質(zhì)量、成本和效率；而在現(xiàn)在的智能制造生產(chǎn)線上，更強調(diào)出現(xiàn)問題及時應(yīng)對這些干擾，因為無論如何，制造業(yè)都希望在生產(chǎn)制造上不必要的干擾盡量少、時間和資源的浪費盡量少，只有這樣，制造商在生產(chǎn)管理上才能盡可能簡單、盡可能高效。智能制造可以推動創(chuàng)新主體的高效互動、產(chǎn)品的快速迭代、模式的深

刻變革、用戶的組織參與，并激發(fā)全社會的活力、提

高創(chuàng)新資源、縮短技術(shù)商業(yè)化周期；同時智能制造也

是自動化的延伸和發(fā)展。

圖3-6智能制造的生產(chǎn)線01

人與機器的協(xié)作智能制造與自動化相對比，其中一個重要差別就是，信息的來源和協(xié)同的范圍擴大了。在傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)中，對象往往是機器級別的，但是對于智能制造的理解，現(xiàn)在則是車間、工廠、企業(yè)、供應(yīng)鏈、乃至全球。目前的智能制造將重點放在智能制造技術(shù)及智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方面，而智能制造應(yīng)該將技術(shù)貫穿于產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的制造活動全過程，不僅包括智能制造裝備，還應(yīng)該包括智能制造服務(wù)；制造業(yè)實現(xiàn)制造生產(chǎn)的智能化，不僅加快企業(yè)升級改革的互聯(lián)網(wǎng)道路，實現(xiàn)數(shù)字化工廠，同時還能結(jié)合現(xiàn)有的科技，不斷的應(yīng)用到企業(yè)

的生產(chǎn)制造中，實現(xiàn)智能生產(chǎn)制造，加強企業(yè)的市場競爭力。01

人與機器的協(xié)作3.1.2人機協(xié)作：工藝技術(shù)在人機協(xié)作模式中，機器人就是人的助手，輔助人去做勞累艱苦的工作，比如搬運、上下料等大量重復(fù)性工作，而人機協(xié)同的一個很大的特點就是不隔開、無護欄。例如：庫卡（KUKA）LBRiiwa人機協(xié)作機器人使用智能控制技術(shù)、高性能傳感器和先進的軟件技術(shù)，它可以協(xié)作生產(chǎn)，使以往困難的、手動完成的作

業(yè)轉(zhuǎn)換成自動化生產(chǎn)。在庫卡flexFellow等移動式平臺的

幫助下，此款機器人可不受位置和任務(wù)的限制，

有其自發(fā)自動化的特點，具有最大的靈活性，

可以作為生產(chǎn)負荷高峰和資源瓶頸時的助手，提

供最佳支持。圖3-7庫卡LBRiiwa人機協(xié)作機器人01

人與機器的協(xié)作協(xié)同機器人在3C行業(yè)（指結(jié)合電腦、通訊和消費性電子三大科技產(chǎn)品整合應(yīng)用的資訊家電產(chǎn)業(yè)）中應(yīng)用非常廣泛。電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中涉及到焊接、裝配、打磨、檢測等復(fù)雜的工序過程，為了跟上產(chǎn)品更新的速度，又要保證產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)，人機協(xié)作就成為當前最理想的解決方案。在服務(wù)領(lǐng)域，協(xié)作機器人也講究人機協(xié)作，共同發(fā)展。例如在當年九寨溝地震發(fā)生當晚，第一篇關(guān)于九寨溝地震的新聞就出自中國地震臺網(wǎng)的一個寫稿機器人之手，僅耗時22秒就完成了500多字的稿件并發(fā)布。機器人撰寫的稿件是以廣泛數(shù)據(jù)作為支撐，而稿件的格式、語序等，都源自固定模版。目前騰訊、新華社、美聯(lián)社等國內(nèi)外媒體廣泛“聘用”寫稿機器人，仔細觀察它們平時發(fā)布的新聞，不難發(fā)現(xiàn)雖然產(chǎn)出數(shù)量較高，但是所發(fā)稿件多半是集中在財經(jīng)、體育、氣象、自然災(zāi)害等領(lǐng)域，而內(nèi)容多為對事件的簡單描述，以及對事件涉及到的數(shù)據(jù)進行直觀呈現(xiàn)，起到傳遞信息并作簡要分析的作用（見圖3-8）。01

人與機器的協(xié)作

圖3-8機器人撰寫稿件01

人與機器的協(xié)作隨著人工智能發(fā)展的日益成熟，機器人會越來越智能，會在多個領(lǐng)域中承擔更多的工作職責。人類與機器人將是一種相互依存關(guān)系，長期的漸進式過程。盡管在發(fā)展中還有許多挑戰(zhàn)，但人們相信人機協(xié)作會是大勢所趨。01

人與機器的協(xié)作3.1.3人類和機器協(xié)同工作通常我們認為“智能”是個體的一種內(nèi)在特質(zhì)。人工智能的典型定義是一種對構(gòu)建擁有不同形式智能機器個體的追求，即使是那種已經(jīng)在人類身上測量了一個世紀以上的廣義智能。然而，就像麻省理工學院托馬斯·馬龍教授所說的一樣，“幾乎人類做過的每件事，都不是由個人獨立完成的，而是由一群人，通過跨越時間和空間相互協(xié)作完成的”。馬龍教授是群體智能領(lǐng)域的前沿研究者，同時也對人工智能技術(shù)改造工人、工作地和社會的潛力有獨到的理解。智能制造的發(fā)展離不開機器人，發(fā)展智能機器人是打造智能制造裝備平臺、提升制

造過程自動化和智能化水平的必經(jīng)之路。隨著科技的不斷進步，特別是工業(yè)4.0時代

的到來，廣泛采用工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線已成為世界制造業(yè)的核心裝備。01

人與機器的協(xié)作在智能制造時代，為了應(yīng)對消費者日益增長的定制化產(chǎn)品的需求，智能工廠需要在有限空間內(nèi)，充分利用現(xiàn)有資源，建設(shè)靈活、安全、可快速變化的智能生產(chǎn)線，為適應(yīng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)，更換生產(chǎn)線，縮短產(chǎn)品制造時間，需要靈活快速的生產(chǎn)單元來滿足這些需求，并提高制造企業(yè)產(chǎn)能和效率，降低成本。因此，智能機器人會成為智能制造系統(tǒng)中最重要的硬件設(shè)備。某種意義上說，智能機器人的全面升級，是新一輪工業(yè)革命的重要內(nèi)容。但在某些產(chǎn)品領(lǐng)域與生產(chǎn)線上，人力操作仍不可或缺，比如裝配高精度的零部件、對靈活性要求較高的密集勞動等。在這些場

合人機協(xié)作機器人將發(fā)揮越來越大的作用。01

人與機器的協(xié)作所謂的人機協(xié)作，就是由機器人從事精度與重復(fù)性高的作業(yè)流程，而工人在其輔助下進行創(chuàng)意性工作。人機協(xié)作機器人的使用，使企業(yè)的生產(chǎn)布線和配置獲得了更大的彈性空間，也提高了產(chǎn)品良品率。人機協(xié)作的方式可以是人與機器分工，也可以是人與機器一起工作。不僅如此，智能制造的發(fā)展要求人和機器的關(guān)系發(fā)生更大的改變。人和機器必須能夠相互理解、相互感知、相互幫助，才能夠在一個空間里緊密地協(xié)調(diào)，自然地交互并保障彼此安全（見圖3-9）。01

人與機器的協(xié)作

圖3-9人機協(xié)同的業(yè)務(wù)邏輯01

人與機器的協(xié)作3.1.4人機合作的四種方式人機合作有四種方式，比如作為人類所

使用的工具、作為人類的助手、搭檔或

者管理者等角色（見圖3-10）。圖3-10歐姆龍人機協(xié)作智能產(chǎn)線01

人與機器的協(xié)作（1）工具。最容易想到、也是人們談?wù)撟疃嗟?，是機器作為人類所使用的工具而存在。比如，當你在寫Word文檔或Excel表格時，電腦只是在執(zhí)行你下達的指令，你也必須時刻關(guān)注它。作為工具存在時，機器同樣也只做你想讓它做的事。01

人與機器的協(xié)作（2）助手。機器作為人類的助手而存在。當然，除了機器，我們也可以請人來作為自己的助手，但是機器正逐步取代這個角色。作為助手而存在時，機器有更高的自主性和能動性來幫助你實現(xiàn)目標，而且可能知道一些你不知道的知識，從而讓你的目標達成更高效。我們很多人都在做數(shù)據(jù)科學方面的事，預(yù)測未來20年可能發(fā)生什么。例如設(shè)計一個軟件構(gòu)建預(yù)測算法，來幫助保險承保人更好地選擇和評估風險，或者幫助索賠理算員更好地處理保險索賠。對于簡單情況，只需要計算機就能完成任務(wù)；而對于復(fù)雜一點的案件，可能需要人類來消除一些歧義；這樣一來，人類就更加專注于需要背景、常識和判斷力的復(fù)雜案例。這就是一個很好的機器作為助手的例子。計算機實際上可以比人更好、更快地完成一些任務(wù)，同時成本也比人工成本更低。作為助手，機器在處理簡單案件的時候可以更主動，例如短信中的自動更正功能。01

人與機器的協(xié)作（3）搭檔。機器作為人類的搭檔，我們在很多場景中可以看到這方面的例子。例如訓練機器學習的預(yù)測算法來預(yù)測足球聯(lián)賽的輸贏，然后讓計算機和人一起參與到預(yù)測過程中。（4）管理者。機器作為人類的管理者，這是最后一種可能性，人們可能會對此感到恐慌。但是如果你仔細想想就會發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)有了機器作為管理者的例子，而且在很多情況下，這似乎非常正常。例如過去是警察在繁忙的十字路口指揮交通。今天，紅綠燈就是這么做的，而我們對此并不感冒。將來很有可能我們會看到越來越多的機器來做這方面的事，比如使用算法來完成任務(wù)的排序，預(yù)測哪個人最適合做哪項任務(wù)等。01

人與機器的協(xié)作3.1.5人機協(xié)作群體智能廣義地說，智能就是實現(xiàn)目標的能力。于是可以定義，專業(yè)智能是指“在特定情況下實現(xiàn)特定目標的能力”，而通用智能是指“在多種情況下實現(xiàn)不同目標的能力”。這兩者之間的區(qū)別對于理解人工智能系統(tǒng)的能力至關(guān)重要。當前，即使是最先進的人工智能系統(tǒng)也只具有專業(yè)智能。比如IBM“沃森”程序雖然在游戲中戰(zhàn)勝了人類最好的玩家，但是卻連簡單地三連棋都不會下，更不用說象棋了。類似地，一輛自

動駕駛汽車在交通擁擠的道路中可以表現(xiàn)良好，但是卻不會

把倉庫中的一個東西拿下來放到盒子里。這就是專業(yè)智能，

其智能只表現(xiàn)在做某一方面的事情上。01

人與機器的協(xié)作當然，在有些方面智能計算機的表現(xiàn)要比人類好。最近這些年來，通過機器學習，計算機在一些方面的模式識別表現(xiàn)得比人類更好，但這并不意味著計算機在任何方面都比人聰明。這只是說，對于這種特殊的思維，電腦比人好得多。但還是有很多方面人比機器要好。群體智能是一種共享智能，是集結(jié)眾人的意見進而轉(zhuǎn)化為決策的一種過程，用來對單一個體做出隨機性決策。對群體智能的研究實際上可以被認為是一個屬于社會學、商業(yè)、計算機科學、大眾傳媒和大眾行為的分支學科，研究從夸克（一種參與強相互作用的基本粒子，也是構(gòu)成物

質(zhì)的基本單元）層次到細菌、植物、動物以及人類社會層次的群體行為的一個領(lǐng)

域。群體智能的四項原則是：開放、對等、共享和全體行動。01

人與機器的協(xié)作群體智能的概念源于對自然界中一些社會性昆蟲，如螞蟻、蜜蜂等的群體行為的研究。單只螞蟻的智能并不高。不過幾只螞蟻湊到一起，就可以一起往蟻穴搬運路上遇到的食物。如果是一群螞蟻，它們就能協(xié)同工作，建起堅固、漂亮的巢穴，一起抵御危險，撫養(yǎng)后代。在某群體中，若存在眾多無智能的個體，它們通過相互之間的簡單合作所表現(xiàn)出來的群居性生物的智能行為是分布式控制的，具有自組織性，就被稱為群體智能。實現(xiàn)群體智能也可以是由人或機器組成的一個群體所顯現(xiàn)出來的某種能力，可以是一群機器、蜜蜂、螞蟻或者甚至是一

群細菌?？梢园讶后w智能定義為大量個體以一種看起來智能的方式、協(xié)作性地運作。協(xié)作機器人的定義0202

協(xié)作機器人的定義未來的智能工廠是人與機器和諧共處所締造的，這就要求機器人能夠與人一同協(xié)作，并與人類共同完成不同的任務(wù)。這既包括完成傳統(tǒng)的“人干不了的、人不想干的、人干不好的”任務(wù)，又包括能夠減輕人類勞動強度、提高人類生存質(zhì)量的復(fù)雜任務(wù)。正因如此，人機協(xié)作可被看作新型工業(yè)機器人的必有屬性。02

協(xié)作機器人的定義協(xié)作機器人，顧名思義，就是機