本节书摘来异步社区《机器人构建实战》一书中的第1章，第1.4节，作者：丘柳东 ,王牛 ,李瑞峰 ,陈阳，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

1.4　典型机器人

当今社会，机器人已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。工业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在机械制造行业也有普遍的应用，并逐渐向纤维加工、食品工业、家用产品制造等行业发展。

1.4.1　工业机器人

机器人首先应用于工业，使得工业生产成为机器人应用最成熟、最广泛的领域。随着工业机器人技术日趋成熟，形成了一批国际著名的工业机器人公司。并在工业领域的各个具体应用中各领风骚。各公司生产的典型工业机器人如图1.4所示。

（1）瑞典ABB Robotics公司

ABB公司是世界上著名的机器人制造公司。1974年，ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。至2002年，ABB公司销售的工业机器人已经突破10万台，是世界上第一个突破10万台的机器人厂家。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。

（2）日本安川公司

1977年，日本安川（Yaskawa）公司生产的MOTOMAN-L10成为日本国内首台全电动型工业机器人。1990年，MOTOMAN（机器人）中心成立，致力于带电作业机器人的开发与应用。发展至今，安川机器人的总销量超过30万台，使得安川成为全球出货量最大的工业机器人生产商。安川公司生产的机器人活跃在焊接、搬运、装配、喷涂等应用领域，除了工业应用，安川机器人在无尘室与半导体制造的自动操作、医疗康复与家庭服务等方面也有较为广泛的应用。

（3）日本FANUC公司

FANUC公司的前身致力于数控设备和伺服系统的研制和生产。1972年，从日本富士通公司的计算机控制部门独立出来，成立了FANUC公司。FANUC机器人产品系列多达240种，负重从0.5kg到1.35t，广泛应用在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛等不同生产环节，满足客户的不同需求。2008年6月，FANUC成为世界第一个突破20万台机器人的厂家；2011年，FANUC全球机器人装机量已超25万台，市场份额稳居第一。

（4）德国KUKA Roboter Gmbh公司

KUKA Roboter Gmbh公司位于德国奥格斯堡，是世界顶级工业机器人制造商之一，1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。该公司工业机器人年产量接近1万台，已在全球安装了6万台工业机器人。这些机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业上，主要应用于材料处理、机床装料、装配、包装、堆垛、焊接、表面修整等领域。

1.4.2　智能汽车

智能汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是典型的高新技术综合体。智能汽车通过车载传感系统和信息终端实现与人、车、路等的智能信息交换，使车辆具备环境感知能力，能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态，并使车辆按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的。智能汽车操控如图1.5所示。

IT巨头与汽车企业采用完全不同的技术路线：IT巨头凭借强大的后台数据、网络技术、智能软件的支持，能够很好地实现汽车与云端的互联；而汽车企业则更多地考虑到车辆的实用性和安全性，固守汽车本身的优势。

2012年8月，谷歌宣布其研发的无人驾驶汽车已经在计算机的控制下安全行驶了48万km。其装置价格昂贵，大约需30万美元，难以大规模推广应用，其本质符合军用智能车的技术特点。

宝马、福特等汽车巨头选择了更具实用性的民用智能车技术路线。在技术装置方面主要采用常规的雷达、摄像机等进行环境感知和识别，通过基于车联网的协同式辅助驾驶技术进行智能信息交互，结合GPS导航实现路径规划，并且更加注重机电一体化系统动力学及控制技术的研发，成本低廉，便于大规模推广应用。

现在的智能汽车还处于具有限制条件的无人驾驶层次，实现全工况无人驾驶层次还需要攻克许多技术难关，完善各种交通辅助系统，以及解决相关的法律道德问题。

1.4.3　仿人机器人

仿人机器人能够模仿人的形态和行为，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。在仿人机器人领域，日本和美国的研究最为深入。日本方面侧重于外形仿真，美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。

在2005年日本爱知世博会上，大阪大学展出了一台名叫ReplieeQ1expo的女性机器人。该机器人的外形复制自日本新闻女主播藤井雅子，动作细节与人极为相似，如图1.6所示。参观者很难在较短时间内发现这其实是一个机器人。

由日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO（Advanced Step Innovative Mobility，高级步行创新移动机器人），是目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.3m，体重48kg。可以像人类一样行走、奔跑、上楼梯，如图1.7所示。它的行走速度是0～9km/h，可以实现像人类一样地平稳直线慢跑。

此外，ASIMO的多手指机器手令其可以灵巧地展示其执行任务时的灵活性，比如捡起地上的玻璃瓶并可以通过手指将其瓶盖慢慢拧开，或者可以手持一个纸杯去接另一只手侧倾所倒出的液体，并可确保纸杯不发生挤压形变。此外，ASIMO还可以通过手指的复杂动作来进行手语的正常表达。

1.4.4　仿生机器人

仿生机器人是指模仿生物、从事具有生物特点工作的机器人。仿人机器人也属于仿生机器人的一种。

仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一。仿生机器鱼技术为研制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路。这种机器人的设计基于鱼仔水中游动的力学特性及其身体结构分析，其推进机理引起了越来越多研究者的兴趣。美国研制出一条名叫查理的机器金枪鱼，长1.32m，由2843个零件组成，如图1.8（a）所示。通过摆动躯体和尾巴，能像真的鱼一样游动，速度为7.2km/h。

在机器人向智能机器人发展的时程中，美国麻省理工学院的教授布鲁克斯提出“反对机器人必须先会思考才能做事”的观点，并认为，用许多简单的机器人也可以完成复杂的任务。在学生的帮助下，制造出一批蚊型机器人（见图1.8（b）），取名昆虫机器人。

此外，圣地亚哥市动物园的电子机器鸟，能模仿母兀鹰，准时给小兀鹰喂食；日本和俄罗斯制造了一种电子机器蟹，能进行深海控测，采集岩样，捕捉海底生物，进行海下电焊等作业。

1.4.5　军事机器人

军事机器人是指出于军事目的而研制的自动机器人，在未来战争中，机器人将成为军事行动的绝对主力。

（1）BigDog

大狗机器人BigDog是由波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）研究设计，由美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助研制的。BigDog是一种形似机械狗的四足机器人（见图1.9），其升级版名为Alpha Dog。

BigDog能够在战场上发挥重要作用：为士兵运送弹药、食物和其他物品。其原理是由汽油机驱动的液压系统能够带动其有关节的四肢运动，陀螺仪和其他传感器帮助机载计算机规划每一步的运动。机器人依靠感觉来保持身体的平衡，如果有一条腿比预期更早地碰到了地面，计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡，然后BigDog就会相应地调节自己的步伐。

（2）Petman

Petman（见图1.10）是美国波士顿动力公司研制出的一种像真人一样四处活动的机器人，能够保持自身平衡，移动自如，保持稳定的步伐行走，并能暴露在化学武器或者放射性环境下进行各种防护服承压测试运动。同时，这款机器人还能模拟人类生理学特征，在必要情况下穿着防护服实现控制体温、湿度和出汗，从而提供真实的测试状态。

此外，像日本福岛反应堆、消防救灾等危险区域可以让PetMan机器人代替人类进行操作，它们不会像人类一样担心遭受放射性物质的辐射。

（3）X-47B无人机

X-47B于2011年2月4日在美国加利福尼亚州爱德华兹空军基地首飞成功。并在2013年5月14日成功从乔治·布什号航空母舰上弹射起飞成功，是第一架能够从航空母舰上起飞并自行回落的隐形无人轰炸机。

X-47B无人机（见图1.11）是人类历史上第一架无需人工干预、完全由电脑操纵的无尾翼、喷气式无人驾驶飞机，可以利用计算机系统处理起飞、降落乃至空中加油等各项指令，也可在无人干预的情况下自动执行预编程任务，以超过500英里（约合800km）的时速在40000英尺（约合12000m）的高空飞行，在躲避雷达监测的同时向千里之外的目标发起攻击。因此，X-47B可大幅突破人类飞行员的身体承受极限，将美军飞行器的滞空时间从10h提升至30h左右。

1.4.6　空间探测器

空间探测器（Space Probe）又称深空探测器或宇宙探测器，是对月球和月球以外的天体和空间进行探测的无人航天器。空间探测器装载科学探测仪器，由运载火箭送入太空，飞近行星进行近距离观测，或着陆进行实地考察分析。

火星探测器是一种用来探测火星的人造卫星，主要用来研究火星的地质结构，探寻生命特征。最早发射火星探测器的是前苏联，比较出名的火星探测器有勇气号、机遇号和好奇号。

（1）勇气号火星探测器

2003年6月10日，勇气号火星登陆探测器从美国的卡纳维拉尔角空军基地发射升空，在206个昼夜中完成长达4.8亿km的星际旅行。于2004年1月3日在降落火星表面后将面临着巨大的挑战：寻找火星上可能存在的生命。

① 外形构造。勇气号长1.6m、宽2.3m、高1.5m，重174kg。探测器前部伸出一个桅杆式结构，装载双目视觉观测四周环境，如图1.12所示。以轮式运动为主，为了适应不同地形，6个轮子安装在可活动的关节机构上，能够改变其高度与朝向。使用一个多关节机械臂作为主要的探测机构，上面带有多种工具。例如，显微镜成像仪、穆斯鲍尔分光计和阿尔法粒子X射线分光计，可以用来分析岩石的构成，在机械臂上还有一个精致的钻探设备，能在火星岩石上打出直径45mm、深约5mm的洞，为研究岩石内部提供方便。

② 工作原理。勇气号依靠餐桌大小的太阳能电池板获得能源，理想情况下每天最多可在火星上漫步20m。由于火星上沙尘暴和尘卷风并没有预计的严重，使得探测器的除尘功能有效发挥，太阳能帆板寿命延长，最终的科学考察时间（预定为90天）大大延长。

③ 勇气号的探索历程。

2003年6月10日发射、2004年1月3日着陆火星表面。 根据原本的设计，工作寿命只有3个月。

因为太阳能电池板的蒙尘，勇气号的电力供应一直在持续下降，2005年3月12日和2009年2月6日两次大风吹散了尘埃，电力得到恢复。

2006年，6个车轮中的右前轮失灵。

2009年5月，在通过特洛伊沙地时，车轮陷入软土，其中一个故障又使勇气号无法动弹，之后的观测一直被限制在原地，此后有过几次解救行动但都失败。

2010年1月26日，NASA宣布放弃拯救，勇气号从此转为静止观测平台。

2011年3月22日，NASA最后一次联络上勇气号。

2011年5月25日，NASA在最后一次尝试联络后结束勇气号的任务。

（2）机遇号火星探测器

机遇号火星探测器（见图1.13）于美国东部时间2003年7月7日启程，追随先行一步的勇气号火星探测器，踏上了前往火星找寻水和生命存在的痕迹的旅程。

机遇号提供的证据表明，在过去的某个时间，火星表面曾流淌过水。并证实火星远古时期更温暖和潮湿，而非现今的遍布灰尘的寒冷沙漠状态。

机遇号打破了地外天体的运行距离纪录，达到42.195km，超越了前苏联的月球2号，行驶距离比阿波罗登月时使用的月球车还远。

（3）好奇号火星探测器

好奇号火星探测器（见图1.14）是美国第四个火星探测器，也是第一辆采用核动力驱动的火星车，总价值达到25亿美元。2011年11月，好奇号火星探测器发射成功，顺利进入飞往火星的轨道。2012年8月6日成功降落在火星表面，展开为期两年的火星探测任务。

2013年9月，好奇号火星车发现，火星表面土壤按质量算约2%是水分，这意味着每立方英尺（约0.03m3）的火星土壤能够获得约1L的水。今后如果有人登上火星，只需在火星表面铲起土壤，然后稍稍加热，就可获得水。

2014年12月9日，好奇号采集到的数据揭示了火星盖尔陨坑中心位置的夏普山的形成之谜：夏普山极有可能是数百万年前大型河床的沉积物累积、风化形成的，而这对证明火星上曾存在湖泊的假设给出了有力支持。

2015年6月18日，好奇号在火星陨石样本中发现大量甲烷，证明了火星上有微生物存在。

好奇号还将对火星的气候及地质情况进行评估，为美国实现将宇航员运送至火星进行探索做准备。

（4）嫦娥三号月球探测器

嫦娥三号月球探测器（见图1.15）是嫦娥工程二期中的一个探测器，是中国第一个月球软着陆的无人登月探测器。由月球软着陆探测器和月面巡视探测器（又称“玉兔号”月球车）组成。为了能够应付极端温度条件下的恶劣环境，嫦娥三号采用了全球首创的热控两相流体回路以及此前从未在星上用过的可变热导热管，攻克在月球表面生存的难题。

嫦娥三号于2013年12月2日在中国西昌卫星发射中心发射，12月14日成功软着陆于月球雨海西北部，15日完成着陆器巡视器分离。

嫦娥三号的科学任务有：调查月表形貌与地质构造；调查月表物质成分和可利用资源；探测地球等离子体层和进行月基光学天文观测。

1.4.7　深海探测器

深海探测器（见图1.16）可以完成多种科学研究及救生、修理、寻找、探查、摄影等工作。过去人们利用潜水器大多是探寻沉船宝物，这些潜水器都是没有动力的，它们须由管子和绳索与水面上的母船保持联系。20世纪50年代以后，出现了各种以科学考察为目的的自航深潜器。

1948年瑞士的皮卡德制造出弗恩斯三号深潜器并下潜到1370m。虽然载人舱严重进水，但开创了人类深潜的新纪元。

1951年，皮卡德和他的儿子造出了著名的“的里雅斯特”号深潜器。深潜器长15.1m，宽3.5m，可载3人，1953年9月在地中海成功下潜到3150m。

1955年“的里雅斯特”号卖给美国，同时皮卡德和他的儿子为美国建造新型的深潜器。新型“的里雅斯特”号于1958年建成，首次试潜就达到5600m，第二年达到7315m。

1960年，美国利用最新研制的的里雅斯特号首次潜入世界大洋最深处——马里亚纳海沟，下潜深度10916m。

1953年，第一艘无人遥控潜水器问世，1980年法国逆戟鲸号无人深潜器下潜6000m。

1997年3月24日，日本海沟号无人潜水探测器在太平洋关岛附近海区，从4439t级的“横须”号母船上放入水中，成功地潜到10911m深的马里亚纳海沟底部，这是无人探测器的潜水世界最高记录。

的里雅斯特号等深潜器属于探险型深潜器，其特点是一次性使用，空间狭小且不具备深海作业能力。具有实际作用的是载人作业型深潜器，主要任务是深海科研和作业。

美国的艾尔文号载人潜水器，最大下潜深度4500m，在1985年，它找到泰坦尼克号沉船的残骸，如今已经进行过近5000次下潜，是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。

俄罗斯是当前世界上拥有载人潜水器最多的国家，比较著名的是1987年建成的“和平一号”和“和平二号”两艘潜水器，最大下潜深度6000m级，可以在水下停留17～20h。

中国蛟龙号载人深潜器，最大下潜深度7000m级，2002年建造，已完成热液取样、生物采集、海底布放等多项深海科考项目。2012年6月24日，蛟龙号在西太平洋的马里亚纳海沟试验海域成功创造了载人深潜新的历史记录，首次突破7000m，最深达到7020m海底。这意味着蛟龙号已经成为世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器，可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域自由行动。