软体机器人前沿技术及应用热点
图1超冗余度机器人
之后产生了一类能够沿其长度不断弯曲、产生平滑曲线的机器人。这类机器人没有刚性链接或明显的旋转接头，对更为多变的工作环境有着较强的适应能力，被称之为连续型机器人。美国克莱姆森大学的Walker和Gravagne等对连续型机器人深入研究，研制了仿象鼻子机器人，该机器人结构上分为4段，采用四线驱动的方式，通过各关节的协调控制，可在三维空间内灵活弯曲并具有一定的负载能力，能实现对一定质量与形状的柱体和球状物体的握取。
自然界中的生物利用自身软体结构能够有效地适应复杂多变的环境。这些软质部分同它们的身体结构与中枢神经系统形成一个完全集成的控制系统。这些柔性组织具有众多的优势，帮助动物克服和适应不断变化的外界条件环境：一方面，柔性组织可以形成柔软表面，在较大的面积上分布应力、增加接触时间，从而最大程度地降低冲击力；另一方面，具有高度灵活和可变形的结构为动物提供额外的功能优势，如使身体进入狭小的空间中寻求庇护或进行狩猎。研究人员通过模仿自然界中软体生物的生物力学特性，设计制造了由新型软体材料构成的软体机器人。软体机器人具备了无限自由度和连续变形能力，对于传统机器人无法到达或正常工作的特殊环境有着极强的适应能力，柔软的构型材料使机器人具备更强的人机交互能力。随着人们在医疗、野外勘探等领域对机器人的特殊应用需求日益增长，软体机器人技术逐渐成为学界研究的热点之一。
科学家从20世纪便开始了对软体机器人的探索。1989年，日本冈山大学软体机器人实验室完成了早期的软体机器人——小型柔性机械手（图2（a））该机械手采用白色硅胶材料浇筑而成，使用压缩气体驱动方式，具有7个自由度能够完成基本抓持动作。此后，冈山大学研究室又先后完成了仿蠕虫自主推进式内窥镜（图2（b））及气动蝠鲼（图2（c））两种采用硅胶材料和气动驱动模式的软体机器人。2007年，美国国防部高级研究计划局综合应用了材料化学以及机器人学，研制出能够通过改变自身形态来通过狭小空间的化学机器人Chembots（图2（d）），开辟了软体机器人在勘探领域的运用。
图2软体机器人
近年来，得益于材料科学、控制、机电等学科的发展进步，软体机器人技术飞速发展。为提升机器人在野外勘探中的灵活性和工作能力，无拖缆软体机器人成为新的研究热点并取得重大进展：2014年，哈佛大学自主研制了一款仿海星软体机器人（图3）。此机器人由高弹性硅胶材料构成，并使用电动空气压缩机提供动力，可以自主行进长达2h，能够承高强度冲击、碾压等作用，甚至具备在严寒气候、大风、水坑、火焰炙烤等恶劣条件下工作的能力。意大利BioRobotics研究所于2015年设计出一款防生章鱼则在成型材料及驱动方式上有所突破：该机器人利用硅胶包裹网状的SMA结构进行耦合变形，以此获得了触手抓取的动力，机器人触手的爬行、游动则由曲柄摇杆机构带动。
图3仿海星软体机器人
2016年，美国哈佛大学仿生机器人实验室自主研发的软体机器人Octobot（图2（e））发表于《Nature》，引发学术界广泛关注。Octobot是世界上首个全软体的机器人，其基体由3D打印技术制造而成，由化学反应提供所需动力，采用流体驱动的行进方式。在此之前，电池、电路板等刚性电子器件都在制约着机器人朝着全软体、无限自由度的方向发展，造成机器人在实践运用领域的局限性。而Octobot所需的燃料储存、电源及驱动模块均采用3D打印技术由软体材料打印完成。Octobot可以完成爬、游泳等基本活动并与外界环境进行互动，是一款自主性极高的软体机器人。更重要的是，全软体机器人的成功为软体机器人发展带来了跨时代的突破。
国内软体机器人近几年发展势态迅猛。2016年，中国科技大学计算机学院陈小平团队的气动蜂巢网络软体执行器（图2（f））在国际软体机器人研究领域引起极大反响。气动蜂巢网络是一种天然的刚柔合一型结构，具备大幅变性、高灵活度、高负重比和低成本4大特性，为消除刚性机器人的本质局限性开辟了一条具有巨大潜力的新途径。2017年，北京航空航天大学王田苗、文力团队与德国自动化技术商Festo合作完成了OctopusGripper（图4）的研制，这是中国软体机器人领域发展的又一次突破。OctopusGripper是一款防生章鱼软体触手，由气动的软硅胶结构构成，其具备的柔性抓取特性可以实现对多种不同形态、大小的物体稳定、无损地抓持。这种对不同形态大小物体抓取的普适性，在工业制造、医疗康复等领域有着广阔的运用空间。此外，上海交通大学谷国迎课题组研发的三爪纤维增强型气动软体抓手具有良好的气密性和抓取能力，能够实现对不同形状和尺寸物品的精确抓持；浙江大学李铁风、黄志龙课题组开发出的软体仿生机器鱼在水中的速度刷新了世界已出现的同类型软体机器鱼的极限。在我国，越来越多的大学开始了对软体机器人领域更为深入的研究。
图4防生章鱼软体触手
随着人们对自然更加深入了解、对软体动物及其特有结构的认识更加清晰，可以预见，软体机器人领域必将迎来新一轮快速发展。
02
智能材料前沿研究
为了达到更好的运动灵活性，软体机器人的基体大多采用硅胶等柔软的高弹性材料。随着材料科学的进步，一批新型合成材料进入了软体机器人领域，如multigait软体机器人使用弹性聚合物为材质实现了更大的灵活性。此外，由于传统电机不适合直接用于软体机器人的制动，形状记忆合金（shapememoryalloys，SMA）也被广泛选择为柔性致动器。以下详细介绍了硅胶、SMA、离子聚合物-金属复合材料（ion-exchangepolymermetalcomposite，IPMC）软体、水凝胶等常见软体材料及特性（表1）。
表1常见软体材料性能比较
橡胶。橡胶是软体机器人发展历程中使用最早且运用最广的材料。橡胶的化学成分和物质构造，令其具有了优于其他同类型材料的特点：吸附能力强、热稳定性好、化学性质稳定等。橡胶10~80HA邵氏硬度的宽广范围给予研究者充分的自由选择所需硬度，其优异的拉伸强度、撕裂强度以及伸长率为软体机器人的运用提供了条件。
形状记忆合金。形状记忆合金SMA是一种新型的功能性材料，加热后能够恢复原始形状，消除在低温状态下所发生的变形，具有形状记忆、超弹性和可变刚度等特性。由于具有这些显著特性，形状记忆合金已经成为结构振动控制研究中一种优越的传感和驱动材料，并大量运用于软体机器人的开发研究中，在软体机器人成型及驱动中发挥着重要作用。
IPMC。IPMC是一种电致变形的智能材料（离子型），具有驱动电压低（10Hz）、低功耗、密度小、柔韧性好等优点。而采用IPMC材料制作水下软体机器人的推进器具有扰动小、无污染、无噪音、无需润滑等特点。这些特点都是许多传统刚性机械装置所不具备的。
响应水凝胶。凝胶拥有独特的基于化学键或物理作用交联形成的三维网状结构。响应水凝胶在外界环境变化时通常展现出独特的响应性溶胀行为，如一些水凝胶能因外界pH值、温度、光电信号、特殊化学分子等微小变化，而产生相应结构的变化。由于智能水凝胶有着能够随外界环境变化而产生形变的特性，所以其常用作智能驱动材料应用于软体机器人外形塑造与驱动等领域。
03
驱动方式前沿研究
对研究者而言，为使软体机器人发挥作用并达到预期效果，选择合适的驱动方式便成为一项重要课题。软体机器人因其材质与结构的特殊性，对驱动方式的选择也有着更高的要求，如追求更大的自由度、灵活性、伸展性等。软体机器人的驱动方式大致可分成物理驱动、流体驱动和电活性聚合材料（electro-activepolymer，EAP）驱动等。
物理驱动。通过内置形状记忆合金驱动器使软体机器人运动是当前较为流行的物理驱动方法，如意大利仿生机器人研究所研制的仿生章鱼（图5）。机器人全身由硅胶薄膜包覆网状形状记忆合金浇筑而成，通过网状形状记忆合金耦合变形实现触手的抓取，曲柄摇杆机构带动触手做出相应的爬行、游动等动作。此机器人的灵感来自自然界中章鱼的全柔性触手，样机受控变形效果近似生物原型，具有运动可仿真预测、环境自适应游动等优点。但仿生章鱼机器人仅触手开发较成熟，整机完成度低，驱动控制仍需拖缆辅助，存在着较大的提升空间。
图5仿生章鱼
流体驱动。流体驱动方式利用气、液等流体，通过其变形结构使软体机器人内部腔体收缩、膨胀，以达到受控变形和运动的目标。气动人工肌肉（PAM）是一种早期的流体致动器，是由纤维套筒包裹可变形弹性管体构成的一种柔软的线性执行器。软体机器人使用PAM驱动的典型案例是哈佛软体机器人实验室研制的人工心脏（图6）。人工心脏外体为硅胶浇筑，内部螺旋状埋设人工肌肉。人工心脏通过气动人工肌肉（PAM）控制自身运动，选择性激活或关闭人工肌肉单元，进而模拟心脏肌肉收缩规律，并使用软件进行数值仿真。
图6人工心脏
逐渐地，软体机器人开始使用弹性更为强大的流体致动器FEA（fluidicelastomeractuator）。FEA是一种新型的具备高变形性和适应性的柔性致动器，它具有合成材料构成的弹性体层和具备较大变形能力的加压流体扩大嵌入式通道，这类独特的结构通常被称为气网（PN）。FEA中使用的压力可以是气动或液压。由于自然环境中的空气具备易获取、质量轻、无污染等性质，因此气动系统通常优于液压系统。波动蛇形运动软体机器人由4个双向FEA制动器串联构成，机器人从头部到尾部沿其身体曲率曲折前进，身体带有刚性被动轮，被动轮之间产生侧向摩擦提供前进运动的分力。通过躯体不断扭曲，蛇形机器人最快可以达到19mm/s的速度。iRobot公司的干扰皮肤机器人则采用另一种气动驱动方式。内部气囊膨胀引起未受干扰的部分变形为机器人提供动力，由此带动机器人整体滚动前进。
除了控制气体引起软体躯体形变获得动力外，研究者们还通过压缩气体产生冲量推动机器人前进。美国斯坦福大学DenilaRus等最新研制的尾鳍推进机器鱼（图7）利用硅胶浇筑机器鱼的头部与尾部，用3D打印技术打造连接架部分。尾鳍推进机器鱼采用压缩空气或二氧化碳等气体产生推理前进，整体式人工肌肉（尾部2组空腔）进行方向控制，无需拖缆、遥控，自备动力源自主游动，可快速机动躲避障碍物。然而，压缩空气驱动使得废气不断冒出，不利于机器鱼水底作业隐蔽。
图7尾鳍推进机器鱼
内燃爆炸驱动是气动驱动中的特例。哈佛大学Tolley等研制出自主跳跃软体机器人（图8）。该机器人外部躯体结构由硅胶树脂组成，依靠爆炸产生高压燃气进行推进。简单来说，就是一种“充气”再“放气”进而产生动力的跳跃方式。机器人底部设计了一个致动装置，装置内部加入了氧气和丁烷，通过火花点燃气体使气体爆炸后膨胀，而利用躯体膨胀的程度不同则可以控制机器人弹跳的方向。“放气”后的机器人弹跳高度可以达到0.6m，所有步骤的实行不需外界控制系统的辅助。机器人运用3D打印技术打印刚性材料与软体材料混合的骨架，并采用刚性部件拼装，所有刚性部件如PCB、气瓶、气阀、电池等内置处理，可以很好保护机器本身适应剧烈形变而不致损坏。
图8自主跳跃软体机器人
EAP驱动。电活性聚合材料EAP是一类在外加电场刺激下产生大幅度形变的新型柔性材料。与形状记忆合金等传统功能材料相比，EAP具有形变能力强、功耗低、响应迅速、柔韧性好等众多优点，因此常被用作软体机器人的驱动材料，并相应地衍生出一种新的驱动方式。根据换能机制的区别，EAP驱动可以分为离子型（IPMC）和电场型（DE）两种驱动模式。
离子型EAP驱动是在电化学的基础上，以化学能作为过渡实现电能到机械能的转化，而IPMC材料的运用是这种驱动方式的典型代表（图9）。当对IPMC材料的厚度方向施加电压时，IPMC会向阳极弯曲，产生较大的变形。反之，当IPMC受到弯曲变形时，IPMC也会在厚度方向产生电压。通过这种特殊性质，IPMC材料可以构成一个机电耦合系统。研究人员使用IPMC软体材料基于仿生学制造软体机器人，如蛇形游泳机器人或多自由度微型机械手。通过切割IPMC致动器表面电极，可单独控制每个躯体身段，以便实现蛇形或多自由度弯曲运动。
图9EAP驱动人工肌肉原理
电场型EAP驱动是由电场驱动产生电效应力，直接将电能转化为机械能，进而在宏观上表现出电致动特性。这种驱动方式可产生较大输出力，但激励电场电压较高。介电高弹体材料（dielectricelastomers，DE）常运用为此驱动方式的驱动器材料。Kofod等基于介电高弹体材料制作了软体三角状抓手，可抓起轻质的柱状物体。Jung等以蠕虫为仿生原型，设计出以DE材料为单元的驱动器，以6个基本单元为一组，形成一个二级的柱形单元，并将一组组合成后的二级单元连接成尺寸大小不同的蠕虫机器人，实现了1mm/s的爬行速度。
04
应用热点领域
软体机器人在生产生活中具有极其广泛的应用。根据其使用场景可分为以下3种主要运用领域。
人机交互康复机器人。相比于传统刚性机器人，软体机器人柔软的机体使其可以更高效、安全地与人类和自然界进行交互。如同人体灵活的躯干与肌肉，软体机器人柔软的机体、弯曲的形态和不规则的表面令其在不同环境中能够更为灵活的运动。因此，将软体机器人与可穿戴设备结合用以帮助特殊人群完成生理活动。哈佛大学的软体机器人手套（图10）利用软体致动器组成的模压弹性腔与纤维增强，诱导特定的弯曲，能够使肌肉或者神经受损的患者独立把握物体。研究者们对这些软致动器进行机械编程，以匹配和支持使用者个别手指的精确运动。与此相似的还有拇指柔性康复手套。除小型的穿戴设备外，还出现了步态协助软机器人exosuit这样覆盖全身的大型可穿戴设备。它可以像正常的衣服一样佩戴，最大限度减少与穿着者的相互干涉，对穿戴者起到辅助作用。目前，中国已经成为世界上老年人口最多的国家，也是人口老龄化发展速度最快的国家之一。中国正逐步进入老龄化社会，加之社会经济的稳步发展，大众对于服务机器人的需求日益增长，而软体机器人作为此类型机器人中的佼佼者，在人机交互和康复领域有着广泛运用，更应受到更加广泛的关注。因此，大力发展软体机器人应用技术，提高研发水平，早日实现其在人机交互及康复领域的运用和普及，满足社会发展及市场的需求。
图10软体机器人手套
勘探、野外运动。在地震、洪水等自然灾害发生时，抑或遇到悬崖、岩洞、海底等复杂未知环境，用机器人代替人类工作就显得十分必要。传统的刚体或超冗余度机器人对复杂环境的适应能力不足以承担日趋精密的勘探任务，而软体机器人则可以利用自身柔软、弯曲程度高、自由度大等优势很好地适应不同的复杂环境，承担起勘探、救援、侦查等工作。一种柔软可变形机器人（图11）可以通过爬行、跳跃等方式在崎岖的地形中轻松自如地移动。此外，利用内燃爆炸驱动的方式，机器人可以不受限制地跳跃通过各种障碍。在水下，柔软的尾鳍推进机器鱼可以像鱼一样潜水、摆尾、游动，进而完成水底勘探、搜寻等工作。而仿生章鱼机器人运用仿生学原理，可以通过狭小的通道并利用非结构化的触手在曲折的地面前进或作出抓取动作。此外，斯坦福大学研发了一款新的软体机器人Vine-linkrobot（图12）。此机器人全身由薄的软塑料包裹而成，形成类似于管状的躯体，且有部分向内折叠。科学家通过固定端往机器人的躯体内注入压缩空气，通过流体驱动的方式将内部折叠部分展开膨胀，致使躯体延伸并按照设定方向前进。在研究人员公布的资料中，Vine-linkrobot可以举起100kg的木箱，以各种蜿蜒曲折的姿态通过不同的障碍物，并可以抵御火焰的高温。在Vine-linkrobot顶端安装摄像头，可以通过实时的画面传输获取机器人所在环境信息，配合机器人柔软躯体带来的灵敏性，完成相应勘探或救援任务。在未来勘探救援领域，软体机器人可发挥重要作用。
图11软体可变形机器人
图12会生长的软体机器人
医疗和手术应用。软机器人天生具有与生物体的自然组织兼容的优势。微创外科手术（MIS）为软体机器人提供了一个巨大的舞台。软体机器人能够突破传统微创外科手术方法的局限，如低自由度的操作设备给手术带来的限制。伦敦大学研制的刚度可控的章鱼状微创外科手术机器人手臂（图13）运用了仿生学原理，根据手臂机械性能的需要通过控制机械手臂的刚度更好地配合手术进行，柔软的材质将手术的伤害降到最低。此外，哈佛大学实验室研发的气动人工心脏，冈山大学的仿蠕虫自主推进式内窥镜可用于检查病人身体内部情况，这种柔软的内窥镜对人体伤害几乎为零。在手术室中，机器人系统广泛运用于软、硬组织手术。而软体机器人依靠自身的优势特性，能够有效地辅助外科医生的实际操作，使得手术更加精确、伤口更小、流血更少，术后恢复所需时间更短。当下，在“互联网+”这一新的经济形态推动下，现代通信技术同医疗领域结合已成为推动医疗卫生改革发展的重要环节。而软体机器人同现代通信技术的结合与应用，将极大改善医生手术时的设备条件，使远程手术的现实与普及成为可能，更将推进国民医疗卫生保障体系的建设，为看病难、医疗资源分布不均等问题的解决提供了新的思路。
图13刚度可控的章鱼状微创外科手术机器人手臂
05
结论及展望
软体机器人这一全新的研究思路，开启了一个令人兴奋的机器人技术新方向，在近年来取得了长足的进步。但是，作为一门新兴技术，软体机器人技术的发展涉及材料科学、生物工程、机电、控制等多个学科，从材料选择、动力输出、模型构筑、实际运用等方面还有着许多问题等待着研究者深入探讨。
现有的软体材料如SMA、水凝胶、IPMC等已经趋近成熟，并推动软体机器人的发展，但这些材料在应力、应变、寿命、价格等方面仍然存在缺陷，不能满足软体机器人高速发展的现状。软体机器人通过仿生学实现其适应性、弹性与流变特性，可考虑将其与生物材料直接联系，通过合成材料与生物材料联合、材料科学与生物工程科学有机结合，开发出更具生物相容性和生命性的新型软体材料。可以预见，由天然肌肉组织和软体电子材料等组成的合成细胞将代替现有的软体材料进一步推动软体机器人的发展。
理论上，软体机器人可以实现无限自由度的运动，这也是相较于传统刚性机器人的优势所在。然而，受限于驱动方式和致动器数量，要精确控制机器人的运动需要大量传感器数据反馈与处理，在实际运用中难以保证控制实时性。因此，强化仿生智能控制算法研究成为软体机器人研究的新热点，通过有效计算控制机器人移动、机体刚度与形变程度，更好地适应多变的环境，构建更加智能的机器人。
在中国，软体机器人在勘探、医疗、养老等多个领域有着重要的用途与发展前景，但高昂的生产成本依旧制约着这项新技术的普及。为了实现商业上的可行性和在实际运用中的普及，软体机器人还应朝着廉价与大规模化生产的方向发展。随着激光微加工、计算机数字化控制（CNC）数控加工和3D打印等新技术新工艺的蓬勃发展，这些方法正逐步运用至软体机器人的制造加工中，将极大地降低机器人的生产成本。此外，人工肌肉、皮肤和支持机械运用的神经系统可以通过模板光刻、喷墨打印等技术运用在机械生产中，也为软体机器人的商业化发展带来了新的思路。
在世界经济整体低迷的时代背景下，中国经济面对着较大的下行压力，经济增速变缓，但是经过长时间发展的国内制造业水平已经获得明显提升，以软体机器人为代表的高端制造行业正准备迎来快速增长期，并极有可能成为引爆中国经济的又一个切入点。
随着软体机器人向着更深更远的方向发展以及智能化水平的提高，其应用将对医疗卫生、养老康复、勘探救援等领域产生颠覆式的影响。由此来看，中国软体机器人产业大有可为。
参考文献（略）
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机器人是单纯的机器人单机系统，一般就是本体电控柜和示教器，属于标准品。要让机器人发挥作用，就需要配合很多的外围设备，才能形成有效的工业自动化生产系统。
系统集成方案解决商处于机器人产业链的下游应用端，为终端客户提供应用解决方案，其负责工业机器人软件系统开发和集成，是工业机器人自动化应用的重要组成。
机器人系统集成包括如下5个方面：
・末端执行机构和工装夹具设计
・现场工业控制软件与信息交互
・离线编程仿真与产线虚拟设计
・现场传感/测控
・先进制造工艺集成应用
机器人系统集成特点
・智能装备项目特点：越来越趋向于个性化、定制化、绿色化；
・制造需求特点：多品种/变批量、混线生产，追求高质量低成本，节能减排；
・技术层面特点：体现智能化，以机代人，实现高柔性的生产加工作业。
系统集成行业现存问题
a、项目图纸“做完一个扔一个”。系统集成项目是非标准化的，项目之间的相似度很低，基本没有可复制性；项目一完成，图纸全作废。
b、做项目要有技术功底。由于机器人集成是二次开发产品，需要对下游行业十分了解，对于技术人员的要求高。
c、垫资是常态。系统集成的付款通常采用“361”或“3331”的方式，集成商在设计、生产、加工的过程中，采购物料的价格加上部分人员的投入费用占比一般是60%-70%，超过了预付款的金额，这时集成商垫资的情况就会发生。
d、同行多，规模难做大。10个机器人企业，9个集成商，现阶段国内集成商规模都不大，销售收入1个亿以下的企业占大部分，能做到5个亿的就是行业的佼佼者，10个亿以上的全国范围屈指可数。
智能机器人4大类关键技术和应用
2)能够靠自动控制实行作业；
3)能够重新编程作业内容
只具有第1项功能的装置是操作机，操作机再加上第2或第3项功能的为准机器人。
人们通常把机器人划分为三代
第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。
第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。
图：世界上第一台可编程的机器人
第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人。它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。
第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人。它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。
图：美国RethinkRobotics公司的自适应型低成本机器人
第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。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”。这个定义一直影响着智能机器人的研究方向。
第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。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”。这个定义一直影响着智能机器人的研究方向。
智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身,就是人类和动物所具有的低级智能。
因此机器的智能分为两个层次:
①具有感觉、识别、理解和判断功能;
②具有总结经验和学习的功能。
所以,人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人。
智能机器人是一个在感知-思维-效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。
二、智能机器人涉及的理论、技术
简单来说，智能机器人就是以人工智能决定其行动的机器人。目前研制中的智能机器人智能水平并不高，只能说是智能机器人的初级阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是，提高智能机器人的自主性，这是就智能机器人与人的关系而言，即希望智能机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能机器人的适应性，提高智能机器人适应环境变化的能力，这是就智能机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。
智能机器人涉及到许多关键技术，这些技术关系到智能机器人的智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面：
多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性；
导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；
路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；
智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。
多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性；
导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；
路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；
智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。
智能机器人的关键技术
(一)智能机器人的智能
在人工智能研究方面，人们一直沿着模拟脑方向做出努力，研究的内容主要包括：
①理解自然智能（特别是人类智能）的认知机理与决策机理；
②探索各种模拟和实现自然智能工作机理（包括认知的机理和决策的机理）的方法与途径；
③根据经济与社会发展的需要，研制具有一定智能水平的机器系统；
④把智能系统应用于国家经济建设与社会服务各领域，促进科学技术和经济社会发展的智能化。
(二)智能机器人的能源
机器人的能源问题是机器人能否得到广泛应用的基础。要让机器人走出工厂，走出房门，就必须考虑机器人的能源问题。现在的高能电池要么十分昂贵，要么体型巨大，而很多机器人都注定是一个高耗能的机器。因此，能源问题，几乎是机器人的一道门槛。迈不出门槛，机器人就只能是室内插电源线的“室内机器人”。
智能机器人的机动性要求动力源轻、小、出力大。而现有的移动机器人无一例外地拖着“辫子”。以动力源的重量/功率之比为例,目前电池约达到60g/W(连续使用小时),汽油机约为1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性。到目前为止,尚未见到改善动力源的有效办法。电机仍然是智能机器人的主要驱动器。要使智能机器人的作业能力与人相当,它的指、肘、肩、腕各关节大致需要3-300Nm的输出力矩和30-60r/min的输出转速。传统伺服电机的重量/功率之比约为30g/W,而人在百米跑和投掷垒球时腿、肩、臂的出力大约为1g/W,相差甚大。
总之,智能机器人性能指标的改进是无止境的,对驱动器的要求也越来越高。什么是客观的衡量标准呢?一个容易接受的办法就是把它与人的体能加以比较。从这个角度来看,智能机器人驱动技术目前差距还相当大。
(三)智能机器人的运算速度
在人们对智能机器人的期望中，都希望机器人能够在极端环境下完成复杂的工作。有的机器人可能需要很小，而且需要完成的工作又极其复杂。这就对现代芯片集成工艺提出了挑战。这种机器人需要集成度更高，运算速度更快，而且能够在极端环境下正常工作的芯片。由于运算器速度的限制，导致许多人类可以轻易完成的任务，而在机器人身上几乎是无法完成的。
解决运算速度的方法有二：
其一是芯片制造工艺上的发展。就像前面说的那样，提高芯片的集成化。但是在现在看来，芯片的集成技术似乎发展到了一个瓶颈的地步。微型的芯片似乎已经到了一个很高的地步。
第二种解决方法就是采用物联网的方式来管理机器人。用一个终端服务器来对机器人遇见的问题进行统一运算。这就是把机器人的“脑袋”统一管理，这样就不需要把用于运算的芯片做得很小了。只要网络传输的速度能符合要求就够了。随着物联网的推广，以后给每一个机器人分一个IP地址也不是问题。所以这种解决方法也是很有前景应用价值的。即运算速度的关键问题，就是远程控制通讯问题以及芯片制造工艺问题。
其一是芯片制造工艺上的发展。就像前面说的那样，提高芯片的集成化。但是在现在看来，芯片的集成技术似乎发展到了一个瓶颈的地步。微型的芯片似乎已经到了一个很高的地步。
第二种解决方法就是采用物联网的方式来管理机器人。用一个终端服务器来对机器人遇见的问题进行统一运算。这就是把机器人的“脑袋”统一管理，这样就不需要把用于运算的芯片做得很小了。只要网络传输的速度能符合要求就够了。随着物联网的推广，以后给每一个机器人分一个IP地址也不是问题。所以这种解决方法也是很有前景应用价值的。即运算速度的关键问题，就是远程控制通讯问题以及芯片制造工艺问题。
近年来，传感器技术发展迅速。一些普通的传感器的价格也越来越便宜。但即使这样，运行了先进传感器技术的现代机器人在一些问题上，任然无法达到人类感触外界的能力。
人类的“传感器”很小，一个神经细胞就是人类的传感器。人的身体外部皮肤，几乎处处都可以起到温觉传感器和压力传感器的作用。人类的耳朵结构也不是话筒就可以简单代替的。人类的眼球里，就有很多“光敏传感器”。这些“光敏传感器”协同工作能力，以及两个眼睛的协同工作能力，也不是简单的两个摄像头可以解决得了的。相对于智能生物---人类而言，现有的传感器技术还远远不够。
智能机器人身上的传感器，应该需要满足以下特点：
①体积小，能耗低或者不耗能。
②初步具有一些物理处理事件的能力。不能把所有的问题都传给“大脑”来处理。
③传感器与传感器之间需要能够互相通信。当一个范围内的传感器都接收到信号时，那个范围内的传感器可以经过通信处理后，决定发送一个统一的信号给计算机处理。
(五)智能机器人驱动方式
到目前为止，现有的大部分机器人和机器的驱动几乎都是依靠电机进行驱动的。我们知道电机可以提供扭矩，可以驱动旋转副。然而人类肢体运动的驱动方式是依靠肌肉的伸缩来完成的。这种驱动方式比电机耗能要低得多。现有的技术中，气压和液压似乎是可以代替人工肌肉来实现伸缩的功能。但是这两种方式都需要气压泵或者液压泵。如果真用气压和液压来驱动机器人，那么要么机器人背着一个气压泵或者液压泵走，要么让机器人脱着一根管子走。这两种方式都不大理想。除非解决了气压泵或者液压泵的重量，体积，以及能耗问题。
必须寻找能够替代气压和液压的东西来解决驱动方式的问题。伸缩的驱动方式在理论上磨损要比旋转的驱动方式要低。现有的智能机器人，比如说日本的一款用来模拟人类表情的机器人。这种机器人的脸上几乎就布满了微型电机。以这种发展趋势看，目前几乎没有完美的解决智能机器人驱动方式的方法。依靠电机的小型化来实现一连串合成且又复杂的动作，必定会增加控制上和能耗上的负担。好比是饮鸩止渴。
三、智能机器人的广泛应用
现代智能机器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作，如深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、服务等工作，模拟完成人类不能或不愿完成的任务，不仅能自主完成工作,而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务，在不同领域有着广泛的应用。
智能机器人在各种具体场合可以为人们提供智能化服务：可以在工业生产流水线上执行一定工作流程任务（比如车钳铣刨等操作、设备保养、产品装配、产品检验、材料供应与管理）的智能机器人，可以完成农业生产特定作业（比如选种、育种、播种、施肥、收割、运输）的智能机器人，可以提供特定社会服务（比如文化教育、景点导游、语言翻译、售票检票、宾馆服务、医疗监护、清洁卫生）的智能机器人，可以执行特定家政服务（比如家庭保安、家务劳作、看护老人、照看婴儿、菜肴烹调、餐具清洗）的智能机器人。
在国防领域中，军用智能机器人得到前所未有的重视和发展。近年来,美英等国研制出第二代军用智能机器人，其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅等能力,能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车,SSV自主地面战车等。在未来的军事智能机器人中，还会有智能战斗机器人、智能侦察机器人、智能警戒机器人、智能工兵机器人、智能运输机器人等等，成为国防装备中新的亮点。
在服务工作方面，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛应用服务智能机器人，以清洁机器人为例，随着科学技术的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来，这就使得清洁机器人进入家庭成为可能。
日本公司研制的地面清扫机器人，可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫入自带容器中；车站地面擦洗机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸入所带的容器中；工厂的自动清扫机器人可用于各种工厂的清扫工作。
美国的一款清洁机器人“Roomba”具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。
日本公司研制的地面清扫机器人，可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫入自带容器中；车站地面擦洗机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸入所带的容器中；工厂的自动清扫机器人可用于各种工厂的清扫工作。
美国的一款清洁机器人“Roomba”具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。
瑞典的一款机器人“三叶虫”，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。
瑞典的一款机器人“三叶虫”，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。
甚至在体育比赛方面，也得到了很大的发展，近年来在国际上迅速开展起来足球机器人与机器人足球高技术对抗活动，国际上已成立相关的联合会FIRA，许多地区也成立了地区协会，已达到比较正规的程度且有相当的规模和水平。
机器人足球赛目的是将足球(高尔夫球)撞入对方球门取胜。球场上空(2m)高悬挂的摄像机将比赛情况传入计算机内，由预装的软件做出恰当的决策与对策，通过无线通讯方式将指挥命令传给机器人。机器人协同作战，双方对抗，形成一场激烈的足球比赛。在比赛过程中,机器人可以随时更新它的位置每当它穿过地面线截面，双方的教练员与系统开发人员不得进行干预。机器人足球融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线数字通讯、自动控制与最优控制、智能体设计与电力传动等技术于一体，是一个典型的智能机器人系统。
现代智能机器人不仅在上述方面有广泛应用，而将渗透到生活的各个方面：像在煤炭工业在矿业方面，考虑到社会上对煤炭需求量日益增长的趋势和煤炭开采的恶劣环境，将智能机器人应用于矿业势在必行。在建筑方面，有高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、擦玻璃机器人、地面抛光机器人等。在核工业方面，主要研究机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻的机器人等等。智能机器人的应用领域的日益扩大，人们期望智能机器人能在更多的领域为人类服务，代替人类完成更多更复杂的工作。
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要对机器人实施良好的控制，了解被控的特性是很重要的，从我们了解到的机器人动力学来说，具有以下特性：
1、机器人本质是一个非线性系统。引起机器人非线性的因素很多，结构方面、传动件、驱动元件等都会引起系统的非线性。
2、各关节间具有耦合的作用，表现为某一个关节的运动。会对其他关节产生动力效应，使得每一个关节都要承受其他关节运动所产生的扰动。
3、是一个时变系统，动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。
从使用的角度来看，机器人是一种特殊的自动化设备，对它的控制有如下特点和要求：
1、多轴运动协调控制，以产生要求的工作轨迹。因为机器人的手部运动是所有关节运动的合成运动，要使手部按照设定的规律运动，就必须很好地控制各关节协调动作，包括运动轨迹，动作时序等多方面地协调。
2、较高的位置精度，很大的调速范围
3、系统的静差率要小
4、各关节的速度误差系数应尽量一致
5、位置无超调，动态响应尽量快
6、需采用加（减）速控制
7、从操作的角度来看，要求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求
8、从系统成本来看，要求尽可能地降低系统的硬件成本，更多地采用软件伺服的方法来完善控制系统的性能
机器人的控制方式
工业机器人控制方式的分类没有统一的标准：
A、机器人动作控制方式
a、机器人运动控制方式
（1.机器人位置控制方式：定位控制方式—固定位置方式、多点位置方式、伺服控制方式；路径控制方式：连续轨迹控制、点到点控制）
（2.机器人速度控制方式：速度控制方式—固定速度控制，可变速度控制；加速度控制方式—固定加速度控制方式，可变加速度控制）
（3.机器人力控制方式）
b、机器人动作顺序控制方式
B.机器人示教控制方式
（1.用实际机器人示教：直接示教法——功率级脱离示教，伺服级接通示教；遥控示教法——示教盒示教法、操纵杆示教法、主从方式示教）
（2.不用机器人示教：间接示教法——模型机器人示数、专用工具示数；离线示教法——数值输入示数、图形示数、软件语言示教）
机器人控制系统结构和工作原理
一个工业机器人系统通常分为机构本体和控制系统两大部分。构成机器人控制系统的要素主要有计算机硬件系统及操作控制软件、输入/输出设备及装置、驱动器系统、传感器系统。
工业机器人的控制系统是机器人的重要组成部分，以完成待定的工作任务，基本功能有：
1、记忆功能
2、示教功能
3、与外围设备联系功能
4、坐标设置功能
5、人机接口
6、传感器接口
7、位置伺服功能
8、故障诊断安全保护功能
当然，还有很多关于机器人控制的知识，比如：机器人单关节位置伺服控制、机器人力控制、机器人的智能控制等等。
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