机器人学译丛
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工业机器人系统及应用
Robots and Robotics: Principles, Systems, and Industrial Applications
［美］ 马克·R.米勒（Mark R. Miller） 雷克斯·米勒（Rex Miller） 著
张永德 路明月 代雪松 译
第1章
绪 论
1.1 本章目标
读完这一章，你可以掌握以下内容：
- 了解“机器人”这一名称的由来。
- 了解计算机程序在机器人运动控制中的重要性。
- 了解机器人使用的多种语言。
- 了解微处理器在机器人中的作用。
- 了解机器人的优势和弊端。
- 了解机器人在日常工作中如何减轻人类的劳动负担。
- 了解机器人的多种用途。
- 识别并论述本章使用的关键术语。
- 回答本章最后的思考题。
过去机器人仅存在于作家和电影制片人的想象中，直到近年来，机器人才被应用于产品的生产中。与此同时，人们在机器人的开发上投入了大量的时间和精力。为了保障消费者的利益，维持制造商的正常运营，最重要的是使机器人具备生产高质量产品的能力。
1.2 定义
什么是机器人？机器人有很多定义，但是下面这个简单的定义就能恰到好处地对机器人进行描述：机器人是一种用于搬运材料、零件、工具或专用装置，通过不同程序动作来执行各种任务并具有可重复编程能力的多功能操作机。也可以把机器人看成一个根据计算机指令来模拟人类活动的系统，以此进行分类定义（图1-1）。这些定义可以帮助我们更好地了解这个能够模拟人类在完成工作任务时所产生的动作行为的机器人系统。计算机是系统的核心，可以把它看成系统或设备的大脑。对任何机器人而言，计算机都是必不可少的一部分。当把机器人作为一个设备、一个系统或是一种减轻人类劳动负担的方式进行研究时，必须要将计算机考虑其中。
需要注意的是，一些非智能机器人是不使用电子设备来做大脑的。很多取放机器人都是由凸轮控制的（图1-2），它们只负责抓取物体并将其放置在其他位置，通常加载和卸载的任务就由这一类型的机器人完成。
1.3 机器人的历史
历史的发展使机器人的出现成为现实，并让我们知道机器人为什么如此受欢迎。机器人是一个近期发展起来的成果，在很长一段时间里科幻小说都以机器人为特色。1921年，卡雷尔·卡佩克在他的剧本《罗萨姆的万能机器人》中写到机器人（robot），此后机器人这个词才被普遍使用。卡佩克的书籍及剧本中描述了一个有机器人存在的世界。因为卡佩克是捷克人，所以他使用捷克语robota这个词来形容像人类一样的，但是没有人类感觉的机器。robota这个词的本意是“奴隶劳工”，后来被简化为英语中的robot。
什么是真正的机器人？在回答这个问题时，有几种思想必须要考虑到。其中的一种思想是机器人是一个由人类编程、执行类似人类行为的装置或系统。机器人可以感知各种情况并按预先编程的方式做出反应。机器人能够根据人类的“视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉”这五种感官对各种环境做出反应，传感器可以将这些感觉上传到系统中。另一种思想是，机器人是一个脱离人工监督也能独立运作的系统，它们通过对比从传感器接收的信息以及按照预先编程的方式来做出决策。
20世纪50年代中期，大型计算机的发明使机器人的出现成为现实。在20世纪70年代初期，随着个人电脑以及微型计算机的出现，机器人也更加普及。通过将计算机与机器人系统相融合，完全有可能创造出一个可以移动、说话、提升物体、有视觉、有感觉的机械装置。
1.4 计算机程序
只有编写特定的计算机程序才能控制机器人完成具体的任务。例如，对工业机器人而言，其程序设计也是用来完成特定操作的，而这种操作往往需要一次次地重复完成，但是与人类不同，机器人不会对此感到疲劳和厌倦。在编写程序时需要明确要执行的具体任务，在某些情况下，分析某一具体任务所需的一系列动作也可能耗费数年时间。在此之后将这些信息传入电脑中，电脑解读后就会把信号传送给机器人，这样机器人就能按照预期操作执行任务。图1-3给出了两个用于上下料的机器人。通过协调两个机器人的运动，机床的停机时间可以控制在1秒之内。在命令模块中构建的备用路径功能允许多个不同的传感器来检测不合格产品，并将它们放置在合适的位置。
语言
机器人使用多种计算机语言，这些语言是为特定的操作而设计的。机器人使用的语言包括AL（斯坦福的人工智能实验室语言）、VAL、AML（由IBM开发）、Pascal和ADA等。这些计算机语言及更多的语言和编程方面的内容将在本书后面做具体讨论。
1.5 微处理器
可以对微处理器做如下解释：微是“小”的意思，而处理器是“可以处理事物的设备”。在这种情况下，人们使用微处理器来处理从外源反馈回来的信息。目前我们使用“微处理器”来描述一种特殊用途的芯片或是芯片的一部分，它的指令来自键盘、操纵杆、鼠标或传感器（图1-4）。我们可以用这种芯片来做数学运算和逻辑判定，这种芯片的指令是文字和符号。
机器人通常配有为其特殊的工作要求而专门设计的微处理器。它可以是一个简单的芯片，也可以是一个大型计算机。
如果没有微处理器，机器人的应用就会受到限制。有了微处理器，除了电源线，机器人就能够不使用其他的连接线而独自操作。更多关于微处理器的内容详见本书的第6章。
1.6 机器人的优势
在很多情况下，机器人的工作效率要比人类更高。机器人可以每月工作4周，每周工作7天，每天工作24小时也不会感到无聊和疲倦。如果发现机器人的工作质量存在问题，可以立即进行检查并纠正。机器人的运行成本低，停机时间最少。未来会需要大量从事机器人设计、修理及安装的工作人员。为了提高机器人的使用率，未来将会创造出更多新的工作岗位，同时也会开发出许多新的培训项目。图1-5展示了机器人是如何从装配线上提取空调设备，并将其放入集装箱中的，这项工作如果让工人来做，他们很快就会感到厌倦和无聊。
1.7 机器人的弊端
机器人可以代替人类劳动力，但相对现有的大多数工作，它们往往需要更高水平的维护。因此，机器人需要重新培训才能替换现在从事这项工作的人。对于小公司而言，机器人的最初成本过于高昂，目前这项技术也还没有经过测试，而且在故障停机期间的花费也较高。
1.8 机器人、硬自动化、人类劳动
多年来，“?美国方式?”一直被人们视为最好的方式，并把它作为一种生活标准，这适用于制造商品，以及我们认为属于美国方式的任何事物。美国是一个庞大的制造业国家，于第二次世界大战期间奠定了其作业水平。二战后，被抑制的消费品需求得到解放，这对当时的制造系统提出了挑战。为了满足工业产品的需求，在此期间制造出了大量的机器，也雇用了大量的工人。之后，随着需求的减少，人们对产品的质量愈加重视。人们需求的不再是数量而是质量，这一点在1974年石油危机期间体现得尤为明显。美国人从日本进口小型车辆以满足人们对汽车更加节能的需求。随着越来越多的美国人开始购买日本汽车，美国政府逐渐意识到了产品质量问题，并对美国的制造业提出了同样的要求。
随着美国生活质量的提高，人们需要用更多的钱来支持开支。这意味着工人需要获得更多的收入来满足他们的需求。因此劳工组织代表工人提出要求：生产越来越多的产品，直到在美国某些产品的数量已经到达上限不能再继续生产为止。外国公司能够以较低的产品价格满足消费者的需求，因为他们的劳动力和制造成本也较为低廉。美国制造商开始寻找提高质量并降低每件产品成本的方法，这样他们就能与外国制造商进行有效的竞争。
由于与人类劳动力相比，机器人具有更多优势。因此为了满足劳动力需求，制造商自然萌生了使用机器人代替人工生产的想法。图1-6展示了机器人如何不知疲倦地重复进行常规操作。然而，机器人有时也会发生故障。
可以让机器人在环境恶劣的地点工作而不需要担心其健康受到危害。机器人在进行喷漆、焊接及处理危险化学品等任务时也不需要特殊的安全设备，所有这些都有效地降低了生产成本。随着工作时间的增加，工人往往会因感到疲劳而忽视某些产品的细节，这种疏忽会导致产品的质量下降。这种情况在汽车的生产中尤其明显，如喷漆过程中出现油漆流淌或垂落、焊接时焊缝出现缺陷、汽车上的面板没有对齐、生产出的汽车不能正常操控等，这些都使客户非常不满意。
此外，机器人不会厌倦或改变工作习惯，除非程序员更改程序。机器人一整天都会保持着相同的操作水平。由于机器人的使用，美国制造商就有可能与拥有较低劳动力成本的国外公司竞争。生产初期的投资是唯一的问题，在初期投资后，生产线的整体运行成本就会减少或保持不变。图1-7所示为工人操作及维护小型机器人所使用的示教盒。
人类劳动有如下优点：人类可以立即开展对某项工作的学习；当不再需要人工劳动时，就可以解雇工人。当然，此时也要计算一些成本，如失业补偿和离职金。如果一家公司没有足够的资金去投资新设备，那么最好的方法是使用人力劳动，因为用机器人进行生产的初始投资费用是很昂贵的。
自动化机械设备能够在保证一定级别的质量和可靠性的前提下执行多种生产操作。然而，如果生产过程发生变化，更换旧设备、购买新设备将需要投入大量的资金。如果需要长时间生产一种产品，选择自动化机械设备也许是有利的。在这种情况下，对硬自动化的投资是有保障的。然而，如果产品设计发生了快速的更改，那么最好的选择就是使用机器人来完成生产过程。机器人具有很强的柔性，只需要重新编程就可以让机器人去做其他的事情。
在决定是选用人工劳动、硬自动化还是机器人时，投资回报（ROI）是首要的考虑因素。机器人只是以机器人为核心构成的自动化系统的一部分。除了最便宜的机器人操作和编程人员，机器人系统还需要配备一个输入设备、一个输出设备（或是零件的输入和输出系统）、机械臂末端执行工具、机器人操作范围内的安全防护以及其他的附加组件。如果想知道五年内能否收回机器人的投资成本，上面这些因素都必须要考虑到计算公式中。若就这一问题进行讨论，也可以比较它们的平均成本。工业机器人的成本约为7万美元，而设计和安装自动化机器的成本约为22.5万美元。包括福利待遇在内的人力成本平均每年约为3万美元。就生产时间而言，自动化机器生产产品最快，机器人其次（需要时间来保证产品质量），人工所需时间最长。在决定选择机器人、自动化机器还是人工劳动时，必须要考虑投资回报。
如果投资的资金被占用的时间超过五年，这个时间已经足够长了，此时应该主要考虑并选择利用机器人的灵活性。如果产品设计发生改变，通过重新编程机器人很快就能适应设计的变化。而一般来说，如果重新培训工人完成操作，需要花费的时间可能会更长。制造和生产任何产品时，时间就是金钱。生产线调整得越快，赚钱就越多，投资回报率也就越高。
1.9 机器人和人类
使用机器人有优势也有弊端。在制造各种产品时人工也存在优势。人工劳动的一个主要优点是当生产需求发生变化或经济出现衰退时，可以将雇用的工人解雇。而机器人则无法被裁掉，不管机器人是否工作，只要机器人在，它每一天都会产生费用。和任何其他的投资一样，机器人也是一项投资。购买合同一经签订，就必须支付机器人的费用。
如果在某个特定的工作位置上用大量机器人取代人工，那么“机器人VS人类”的问题一定要作为一个主要的考虑因素，因为这可能会导致就业市场的混乱。相对于未来10到20年以后的预期情况而言，目前使用的机器人数量还是非常少的。如果某家公司雇用了2万人，那么使用几个机器人并不会引起太大的关注。如果建造一座新的工厂，并且在建设过程中安装了机器人，那么劳工问题可能也不是很大。
但是，预计美国在10年内被机器人取代的工人数量将高达25万到200万之间。这一数值有可能会视经济发展情况而有一定波动。这么多的工人被取代可能会给美国的劳动力市场带来问题。对机器人这么快速的使用将会如何影响美国工业社会的秩序，人们做出了很多猜测。许多工人将不得不重新接受培训以获得更高水平的工作，从而产生了一定量的再培训项目就业需求。这一过渡期可能会持续10到15年，在此期间，需要在项目培训或其他行业中安置好失业的工人。美国的服务业正在迅速发展，许多失业的工人也可能会从事这些服务类的工作。
机器人的主要缺点是有可能发生故障停机。当一个机器人出现故障时，整个工厂的生产进度都可能会受到影响，导致生产、销售和配送出现问题。生产线上的一台机器发生故障就可能会导致更多的生产线停产。因此为了保持设备的高效运行，必须要保证维修机器零件的库存，并雇用训练有素的技术人员。准备一个可以随时替换故障机器人的备用机器人（这种方式会产生较高的费用），也可以准备好机器人的主要零部件，以便及时更换。
雇用的员工也必须能够迅速有效地工作。总之，与其他设备一样，机器人有利也有弊。在决定购买机器人之前，必须全面考虑机器人的每一个优缺点。很多公司都曾调查过机器人使用情况，并且都发现使用机器人利大于弊，因此未来一定会使用更多的机器人去制造出更多的产品。
1.10 工业机器人的应用
毫无疑问，机器人的存在和应用是必然的。图1-8给出了一个机器人的使用实例。这是目前应用于喷漆的最基本的机器人系统，它由操作机、控制台和液压动力源组成。用电动机器人进行喷漆是非常危险的，因为在喷漆时产生的烟雾很容易被电火花点燃。
以下列举了应用工业机器人的其他例子：
- 机床上下料。将零件放置在需要加工或运输的位置。
- 物料处理。包装零件或移动托盘。
- 制造。用于熔模铸造、磨削操作、去毛刺；用于水射流切割、线束制造、涂胶、密封、腻子接合、捻缝；用于钻孔、铸件清理和布线。
- 喷漆。喷涂汽车、家具和其他物品。
- 焊接。焊接汽车、家具和钢结构。
- 装配。电子器件、汽车和小电器。
- 检验与测试。使用视觉传感器和探测器检查产品表面和内部的缺陷来实现产品质量控制。
1.11 本章总结
机器人是一种用于搬运材料、零件、工具或专用装置，通过不同程序动作来执行各种任务并具有可重复编程能力的多功能操作机。计算机是机器人的大脑。
机器人是一个近期发展起来的成果。1921年，卡雷尔·卡佩克在他的剧本《罗萨姆的万能机器人》中写到了捷克语robota，该词后来简化成为英语中的robot。
在回答“什么是真正的机器人”这一问题时，必须考虑许多因素。机器人是一个由人类编程、执行类似人类行为的装置或系统。这个装置或系统能够感知各种情况并按预先编程的方式做出反应，或根据人类的五种感官对各种环境做出反应。它也可以在没有任何人类监督的情况下独立运作。它可以通过比较从传感器接收的信息，根据预先编制的程序做出决策和反应动作。传感器分为磁敏传感器、光敏传感器、热敏传感器和力敏传感器等。机器人在20世纪50年代中期出现在了现实生活中，机器人的发展与计算机的发展密切相关。
控制机器人需要使用特定的程序。这些程序是为了特定的操作而设计的。程序的编写需要使用特殊的编程语言。这些语言都是为了控制机器人而开发的。微处理器是由硅芯片制作而成的电子设备，是机器人的大脑，它能够感知传感器信号并使机器人按照预先计划做出反应。
机器人可以一周七天不停歇地工作。比起工人，机器人能够更高效地完成任务。机器人价格昂贵，只有经过严格训练的技术人员才能使它们正常工作。机器人取代了人工，但却创造出了更多高技能工人的岗位需求，需要这些高技能的工人来保证机器人的持续运作。机器人能够提高产品的制造质量。使用机器人有利也有弊，在决定购买机器人以取代工人完成工作之前，必须权衡利弊。
机器人的优点是能快速接受新的任务。机器人很灵活，只需要重新改变部分程序或重新进行示教就可以完成一项新的任务。
机器人的主要缺点是有可能发生故障停机。如果一个机器人出现故障，整个工厂的生产进度都可能会因此受到影响。机器人有许多工业生产上的应用，这使它们适用于较大型的制造商，这些制造商必须能够承受机器人的初期投资及其安装和调试费用。
1.12 关键术语
硬自动化（hard automation） 使用专用设备生产制造产品的常规流水线方法。
语言（language） 一种与机器人沟通的方法（包括VAL、AL、AML、Pascal、ADA，这些语言是有限的、精确的、严格的）。
微处理器（microprocessor） 芯片或芯片的一部分，能够做数学运算，并且能够对传感器的多种输入做出反应，是机器人大脑的一部分。
程序（program） 指示机器人执行某项任务的指令序列。
可编程机器人（programmable robot） 一种可以被编程或可以通过示教盒、键盘等其他输入设备进行示教的机器人。
程序员（programmer） 对机器人示教的人；一个能用编程语言与机器人交流的人。
机器人（robot） 一个通过计算机指令模拟人类活动的系统。
传感器（sensor） 用来检测温度、光、压力、声音等被测信息的变化，使机器人能够感知各种环境的设备。
示教盒（teach pendant） 一个用来教机器人记忆新程序的装置。
1.13 思考题
1.什么是机器人？
2.机器人是什么时候出现在现实世界中的？
3.机器人这个词出自哪里？
4.列出能识别真正的机器人的五种方法。
5.列出至少五种机器人使用的语言。
6.微处理器是什么？
7.机器人的两个优势是什么？
8.机器人的两个弊端是什么？
9.硬自动化、机器人和人类劳动之间的区别是什么？
10.什么是投资回报？
11.你认为机器人对人类的最大好处是什么？
12.列出至少五种工业机器人可以执行的操作。
