在用途上，智能機(jī)器人與普通機(jī)器人在用途上有許多相似之處，但因其智能性使得它能做更復(fù)雜的工作，完成更高級的任務(wù)。

　　（1）工業(yè)智能機(jī)器人

　　工業(yè)智能機(jī)器依據(jù)具體應(yīng)用的不同，通常又可以分成焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等多種類型。作為具有智能的工業(yè)機(jī)器人，他們在很多方面超越了傳統(tǒng)機(jī)器人。焊接機(jī)器人，包括點(diǎn)焊（電阻焊）和電弧焊機(jī)器人，用途是實(shí)現(xiàn)自動的焊接作業(yè)。裝配機(jī)器人，比較多地用于電子部件電器的裝配。噴漆機(jī)器人，代替人進(jìn)行噴漆作業(yè)。碼垛、上下料、搬運(yùn)機(jī)器人的功能則是根據(jù)一定的速度和精度要求，將物品從一處運(yùn)到另一處。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)器人，可以方便迅速地改變作業(yè)內(nèi)容或方式，以滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。隨著對工業(yè)生產(chǎn)線柔性的要求越來越高，對各種機(jī)器人的需求也就越來越強(qiáng)烈。

??????? 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)

　　自20世紀(jì)60年代初第一代機(jī)器人在美國問世以來，工業(yè)機(jī)器人的研制和應(yīng)用有了飛速的發(fā)展，但工業(yè)機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)歸納有以下幾個(gè)。

　　1.可編程。生產(chǎn)自動化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動化。工業(yè)機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)（FMS）中的一個(gè)重要組成部分。

　　2.擬人化。工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機(jī)器人還有許多類似人類 的 “生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機(jī)器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。

　　3.通用性。除了專門設(shè)計(jì)的專用的工業(yè)機(jī)器人外，一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。

　　4.機(jī)電一體化。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機(jī)械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合——機(jī)電一體化技術(shù)。第三代智能機(jī)器人不僅具有獲取外部環(huán) 境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切 相關(guān)。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗(yàn)證一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。

　　工業(yè)機(jī)器人的組成

　　工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成。三大部分是：機(jī)械部分、傳感部分、控制部分。六個(gè)子系統(tǒng)是：驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)、人—機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。下面將分述六個(gè)子系統(tǒng)。

　　

　　工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

　　1.驅(qū)動系統(tǒng)

　　要使機(jī)器人運(yùn)行起來，就需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動自由度安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅(qū)動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。

　　2.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

　　工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人為完成各種運(yùn)動的機(jī)械部件。系統(tǒng)由骨骼（桿件）和連接它們的關(guān)節(jié)（運(yùn)動副）構(gòu)成，具有多個(gè)自由度，主要包括手部、腕部、臂部、機(jī)身等部件。

　?。?）手部：又稱為末端執(zhí)行器或夾持器，是工業(yè)機(jī)器人對目標(biāo)直接進(jìn)行操作的部分，在手部可安裝專用的工具，如焊槍、噴槍、電鉆、電動螺釘（母）擰緊器等。

　　（2）腕部：腕部是連接手部和臂部的部分，主要功能是調(diào)整手部的姿態(tài)和方位。

　?。?）臂部：用以連接機(jī)身和腕部，是支撐腕部和手部的部件，由動力關(guān)節(jié)和連桿組成。用以承受工件或工具的負(fù)荷，改變工件或工具的空間位置，并將它們送至預(yù)定位置。

　?。?）機(jī)身：是機(jī)器人的支撐部分，有固定式和移動式兩種。

全球工業(yè)機(jī)器人大佬級企業(yè)盤點(diǎn)

　　一、歐洲

　　歐洲是全球工業(yè)機(jī)器人市場的領(lǐng)頭羊，并且實(shí)現(xiàn)了傳感器、控制器、精密減速機(jī)等核心零部件完全自主化。歐洲模式的特點(diǎn)是：一攬子交鑰匙工程。即機(jī)器人的生產(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造，全部由機(jī)器人制造廠商自己完成。

　　1，瑞典ABB

　　公司簡介：ABB致力于研發(fā)、生產(chǎn)機(jī)器人已有30多年的歷史并且擁有全球160000多套機(jī)器人的安裝經(jīng)驗(yàn)。作為工業(yè)機(jī)器人的先行者以及世界領(lǐng)先的機(jī)器人制造廠商，在瑞典、挪威和中國等地設(shè)有機(jī)器人研發(fā)、制造和銷售基地。

　　主營產(chǎn)品：變壓器組件、低壓產(chǎn)品、中壓產(chǎn)品、分析儀器、半導(dǎo)體、發(fā)電機(jī)出口斷路器、電力保護(hù)繼電器及自動化產(chǎn)品、電力電子、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)等。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：戴姆勒?？巳R斯勒、法國標(biāo)致、本田、吉利、長城汽車、比亞迪、上海通用、上海大眾、富士康、娃哈哈、蒙牛等。

　　2，瑞士Staubli

　　公司簡介：史陶比爾集團(tuán)是紡織機(jī)械、工業(yè)連接器和工業(yè)機(jī)器人三大領(lǐng)域機(jī)電一體化專業(yè)供應(yīng)商。它的機(jī)械運(yùn)動和技能和技術(shù)投入到機(jī)器人當(dāng)中。

　　主營產(chǎn)品：史陶比爾（Staubli） 紡織工業(yè)開口機(jī)械、史陶比爾（Staubli） 工業(yè)快速連接器、史陶比爾（Staubli） 工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)接頭等。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：紡織機(jī)械，工業(yè)快速接頭和工業(yè)機(jī)器人三大領(lǐng)域。

　　3，德國KUKA

　　公司簡介：庫卡機(jī)器人于1995年建立，是世界領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人制造商之一。庫卡機(jī)器人公司在全球擁有20多個(gè)子公司，大部分是銷售和服務(wù)中心，其中包括：美國，墨西哥，巴西，日本，韓國，***，印度和絕大多數(shù)歐洲國家。

　　主營產(chǎn)品：幾乎涵蓋所有規(guī)格和負(fù)載范圍的六軸機(jī)器人、卸碼垛機(jī)器人、凈室類型、耐高溫防塵機(jī)器人、焊接機(jī)器人、沖壓連線機(jī)器人、架裝式機(jī)器人、高精度機(jī)器人等。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：通用汽車、克萊斯勒、福特、保時(shí)捷、寶馬、奧迪、奔馳、大眾、法拉利、哈雷戴維森、一汽-大眾、波音、西門子、宜家、施華洛世奇、沃爾瑪、百威啤酒、BSN Medical、可口可樂等。

　　4，德國CLOOS

　　公司簡介：成立于1919年，是一個(gè)在焊接和機(jī)器人技術(shù)電弧跟蹤領(lǐng)域的世界領(lǐng)先者。該家族公司有500名員工，專注于制造業(yè)，CLOOS產(chǎn)品包括氣體保護(hù)焊機(jī)、焊槍以及用于特定用途的自動機(jī)械和成套的ROMAT機(jī)器人系統(tǒng)。

　　主營產(chǎn)品：氣體保護(hù)焊機(jī)、焊槍以及用于特定用途的自動機(jī)械和成套的ROMAT機(jī)器人系統(tǒng)。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：焊接和機(jī)器人技術(shù)電弧跟蹤領(lǐng)域

　　5，德國百格拉

　　公司簡介：德國百格拉公司是世界上最著名的機(jī)器人供應(yīng)商之一。由于百格拉的導(dǎo)軌、驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)和控制系統(tǒng)等所有部件全部自己生產(chǎn)，使得機(jī)器人整體性能更加優(yōu)異。十多年來，出廠的機(jī)器人和生產(chǎn)線全部在正常工作。

　　主營產(chǎn)品：生產(chǎn)多種規(guī)格的直線運(yùn)動單元/導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)和多軸數(shù)控系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，在短時(shí)間內(nèi)可提供各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌、二維、三維標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人及用戶專用機(jī)器人和生產(chǎn)線。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、機(jī)械電子、汽車、食品、藥品和化妝品生產(chǎn)等。

　　6，德國徠斯機(jī)器人

　　公司簡介：是一家集機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)自動化集成于一體的跨國技術(shù)公司，是機(jī)器人和系統(tǒng)集成的行業(yè)引領(lǐng)者。集團(tuán)總部位于德國Obernburg，由4家德國公司和16家國際子公司組成，在歐洲、美洲及亞太地區(qū)的許多國家都有分支機(jī)構(gòu)和合作伙伴。

　　主營產(chǎn)品：主要的自動化應(yīng)用領(lǐng)域，提供全套機(jī)器人自動化生產(chǎn)系統(tǒng)（包括：焊接機(jī)器人、鑄造機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、激光機(jī)器人等）。試模壓力機(jī)、修邊壓力機(jī)、修邊模等產(chǎn)品。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：鑄造、焊接、切割、激光技術(shù)、注塑、搬運(yùn)、玻璃涂膠、模具制造、噴涂、等眾多領(lǐng)域和行業(yè)。

　　7，德國斯圖加機(jī)器人

　　公司簡介：德國斯圖加特航空航天自動化集團(tuán)（STUAA）提供了行業(yè)交鑰匙的自動化解決方案。公司擁有實(shí)力雄厚的焊接工藝和電氣設(shè)計(jì)能力，并配備焊接試驗(yàn)中心。歷經(jīng)多年的系統(tǒng)解決方案和設(shè)計(jì)實(shí)踐，擁有超過25年的行業(yè)積累，我們有實(shí)力滿足您的機(jī)器人及自動化需求。

　　主營產(chǎn)品：中厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)、點(diǎn)焊及弧焊生產(chǎn)線；火焰、等離子、激光機(jī)器人切割生產(chǎn)線

　　應(yīng)用領(lǐng)域：在煤炭機(jī)械、石油裝備、電力裝備、汽車零部件、海洋工程等。

　　8，意太利hanbs

　　公司簡介：HANBS機(jī)器人為意大利知名企業(yè)，專業(yè)研究開發(fā)智能機(jī)器人，多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，六軸機(jī)械手，工業(yè)控制系統(tǒng)。HANBS為客戶提供的優(yōu)勢遠(yuǎn)不限于機(jī)器人本身，同時(shí)為客戶整套柔性系統(tǒng)的簡便使用、生產(chǎn)效率的提高也投入了很多努力。

　　主營產(chǎn)品：并聯(lián)機(jī)器人、六關(guān)節(jié)機(jī)器人、拋光機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、雙臂機(jī)器人、七軸機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床，精工制造。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：柔性生產(chǎn)線，自動化產(chǎn)業(yè)以及汽車焊接生產(chǎn)線，全自動打磨，拋光，噴涂，裝配等領(lǐng)域。

　　9，意大利COMAU

　　公司簡介：柯馬（COMAU）是一家隸屬于菲亞特集團(tuán)的全球化企業(yè)，成立于1976年，總部位于意大利都靈?？埋R為眾多行業(yè)提供工業(yè)自動化系統(tǒng)和全面維護(hù)服務(wù)，從產(chǎn)品的研發(fā)到工業(yè)工藝自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　主營產(chǎn)品：車身焊裝，動力總成，工程設(shè)計(jì)，機(jī)器人和維修服務(wù)。工廠安裝和搬遷、備件管理、設(shè)備維修和預(yù)防性管理、工廠公用設(shè)施管理以及整體服務(wù)外包。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：車身焊裝、動力總成系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)服務(wù)、通用工業(yè)系統(tǒng)解決方案、航空制造系統(tǒng)。

　　10，英國AutoTechRobotics

　　公司簡介：1980年成立，目前已成為機(jī)器人和機(jī)器人制造系統(tǒng)領(lǐng)域的專家。AutotechRobotics的機(jī)器人能提供了廣泛的具有成本效益的自動化制造系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是模塊化的，允許公司設(shè)計(jì)，集成和委員會的包裝定制以滿足個(gè)別客戶的需求。

　　主營產(chǎn)品：機(jī)器人和機(jī)器人制造系統(tǒng)

　　應(yīng)用領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)，建筑，汽車，電腦，復(fù)印機(jī)，國防，家具，衛(wèi)生保健，園藝及休閑產(chǎn)業(yè)。

　　（2）農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人

　　隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，以定型物、無機(jī)物為作業(yè)對象的工業(yè)機(jī)器人正在向更高層次的以動、植物之類復(fù)雜作業(yè)對象為目標(biāo)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人或機(jī)器人化的農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用不僅能夠大大減輕以致代替的人們的生產(chǎn)勞動、解決勞動力不足的問題，而且可以提高勞動生產(chǎn)率，改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害，提高作業(yè)質(zhì)量。但由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人所面臨的是非結(jié)構(gòu)、不確定、不宜預(yù)估的復(fù)雜環(huán)境和工作對象，所以與工業(yè)機(jī)器人相比，其研究開發(fā)的難度更大。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)目前主要集中耕種、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收獲、灌溉、養(yǎng)殖和各種輔助操作等方面。日本是機(jī)器人普及最廣泛的國家，目前已經(jīng)有數(shù)千臺機(jī)器人應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

　　施肥機(jī)器人

　　

??????? 農(nóng)業(yè)機(jī)器人 美國明尼蘇迭州一家農(nóng)業(yè)機(jī)械公司的研究人員推出的機(jī)器人別具一格，它會從不同土壤的實(shí)際情況出發(fā)，適量施肥。它的準(zhǔn)確計(jì)算合理地減少了施肥的總量，降低了農(nóng)業(yè)成本。由于施肥科學(xué)，使地下水質(zhì)得以改善。

　　大田除草機(jī)器人

　　德國農(nóng)業(yè)專家采用計(jì)算機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS） 和靈巧的多用途拖拉機(jī)綜合技術(shù)，研制出可準(zhǔn)確施用除草劑除草的機(jī)器人。首先，由農(nóng)業(yè)工人領(lǐng)著機(jī)器人在田間行走。在到達(dá)雜草多的地塊時(shí)，它身上的GPS接收器便會顯示出確定雜草位置的坐標(biāo)定位圖。農(nóng)業(yè)工人先將這些信息當(dāng)場按順序輸入便攜式計(jì)算機(jī)，返回場部后再把上述信息數(shù)據(jù)資料輸?shù)酵侠瓩C(jī)上的一臺計(jì)算機(jī)里。當(dāng)他們?nèi)蘸篑{駛拖拉機(jī)進(jìn)入田問耕作時(shí)，除草機(jī)器人便會嚴(yán)密監(jiān)視行程位置。如果來到雜草區(qū)，它的機(jī)載桿式噴霧器相應(yīng)部分立即啟動，讓化學(xué)除草劑準(zhǔn)確地噴撒到所需地點(diǎn)。

　　菜田除草機(jī)器人

　　英國科技人員開發(fā)的菜田除草機(jī)器人所使用的是一部攝像機(jī)和一臺識別野草、蔬菜和土壤圖像的計(jì)算機(jī)組合裝置，利用攝像機(jī)掃描和計(jì)算機(jī)圖像分析，層層推進(jìn)除草作業(yè)。它可以全天候連續(xù)作業(yè)，除草時(shí)對土壤無侵蝕破壞?？茖W(xué)家還準(zhǔn)備在此基礎(chǔ)上，研究與之配套的除草機(jī)械來代替除草劑。收割機(jī)器人美國新荷蘭農(nóng)業(yè)機(jī)械公司投資250萬美元研制一種多用途的自動化聯(lián)合收割機(jī)器人，著名的機(jī)器人專家雷德·惠特克主持設(shè)計(jì)工作，他曾經(jīng)成功地制造出能夠用于監(jiān)測地面扭曲、預(yù)報(bào)地震和探測火山噴發(fā)活動征兆的航天飛機(jī)專用機(jī)器人。惠特克開發(fā)的全自動聯(lián)合收割機(jī)器人很適合在美國一些專屬農(nóng)墾區(qū)的大片規(guī)劃整齊的農(nóng)田里收割莊稼，其中的一些高產(chǎn)田的產(chǎn)量是一般農(nóng)田的十幾倍。

　　

??????? 采摘柑桔機(jī)器人

　　西班牙科技人員發(fā)明的這種機(jī)器人由一臺裝有計(jì)算機(jī)的拖拉機(jī)、一套光學(xué)視覺系統(tǒng)和一個(gè)機(jī)械手組成，能夠從桔子的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟，決定可不可以采摘。它工作的速度極快，每分鐘摘柑桔60個(gè)而靠手工只能摘8個(gè)左右。另外，采摘柑桔機(jī)器人通過裝有視頻器的機(jī)械手，能對摘下來的柑桔按大小馬上進(jìn)行分類。

　　采摘蘑菇機(jī)器人

　　英國是世界上盛產(chǎn)蘑菇的國家，蘑菇種植業(yè)已成為排名第二的園藝作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人工每年的蘑菇采摘量為11萬噸，盈利十分可觀。為了提高采摘速度，使人逐步擺脫這一繁重的農(nóng)活，英國西爾索農(nóng)機(jī)研究所研制出采摘蘑菇機(jī)器人。它裝有攝像機(jī)和視覺圖像分析軟件，用來鑒別所采摘蘑菇的數(shù)量及屬于哪個(gè)等級，從而決定運(yùn)作程序。采摘蘑菇機(jī)器人在機(jī)上的一架紅外線測距儀測定出田問蘑菇的高度之后，真空吸柄就會自動地伸向采摘部位，根據(jù)需要彎曲和扭轉(zhuǎn)，將采摘的蘑菇及時(shí)投入到緊跟其后的運(yùn)輸機(jī)中。它每分鐘可采摘40個(gè)蘑菇，速度是人工的兩倍。

　　分檢果實(shí)機(jī)器人

　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將各種果實(shí)分檢歸類是一項(xiàng)必不可少的農(nóng)活，往往需要投入大量的勞動力。英國西爾索農(nóng)機(jī)研究所的研究人員開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用、操作簡便的果實(shí)分檢機(jī)器人，從而使果實(shí)的分檢實(shí)現(xiàn)了自動化。它采用光電圖像辨別和提升分檢機(jī)械組合裝置，可以在潮濕和泥濘的環(huán)境里干活，它能把大個(gè)西紅柿和小粒櫻桃加以區(qū)別，然后分檢裝運(yùn)，也能將不同大小的土豆分類，并且不會擦傷果實(shí)的外皮。

　　番茄收獲機(jī)器人

　　日本番茄收獲機(jī)器人針對成熟番茄果實(shí)表現(xiàn)為紅色這一特點(diǎn)， 用彩色CCD攝像頭作為視覺傳感器， 基于RGB分量區(qū)分水果和莖葉。

　　采摘草莓機(jī)器人

　　

采摘草莓機(jī)器人 日本國家農(nóng)業(yè)和食品研究發(fā)明了一個(gè)能夠采摘草莓的機(jī)器人。該機(jī)器人裝有一組攝像頭，能夠精確捕捉草莓的位置，還有配套軟件能根據(jù)草莓的紅色程度來確保機(jī)器人采摘的是成熟的草莓。雖然此機(jī)器人目前只能采摘草莓，但可以通過修改程序來使機(jī)器人采摘其它水果，如葡萄、番茄等。機(jī)器人采一個(gè)草莓的時(shí)間是9秒，如果大范圍使用并能保持采摘效率，可以節(jié)省農(nóng)民40%的采摘時(shí)間。

　?。?）探索智能機(jī)器人

　　機(jī)器人除了在工農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用之外，還越來越多地用于極限探索，即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性（有毒或高溫等環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。人類借助潛水器具潛人到深海之中探秘，已有很長的歷史。然而，由于危險(xiǎn)很大、費(fèi)用極高，所以水下機(jī)器人就成了代替人在這一危險(xiǎn)的環(huán)境中工作的最佳工具。空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間飛行并進(jìn)行觀測、可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測作業(yè)的星球探測機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。

　　探險(xiǎn)機(jī)器人的國外發(fā)展現(xiàn)狀
???????? 國外較早地對探險(xiǎn)機(jī)器人這方面做了很多研究。特別是美國，日本，探險(xiǎn)機(jī)器人更是做的相當(dāng)高科技水平。比如美國在１９８９年就有一款名為”超人”號機(jī)器人服役于軍方做險(xiǎn)情區(qū)域探測。海灣戰(zhàn)爭后，美國海軍也曾用這種機(jī)器人在沙特阿拉伯和科威代替人的探測活動。２００４年０１月美國宇航局發(fā)射的＂勇氣號＂探測器將在北京時(shí)間４日登陸火星，把火星當(dāng)著最理想的實(shí)驗(yàn)室用于探險(xiǎn)目的。日本也是個(gè)機(jī)器人大國，機(jī)器人的研究也處于世界領(lǐng)先地位。１９６８年成功地試制出一臺深水作業(yè)機(jī)器人。東京工業(yè)大學(xué)廣瀨茂男研究室自８０年代開始研究這方面的機(jī)器人，可以說他們的研究成果代表著日本探險(xiǎn)機(jī)器人的研究進(jìn)展。１９６９年日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的探險(xiǎn)機(jī)器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。１９７１年研制出工廠用的萬能機(jī)器人。德國在這個(gè)領(lǐng)域也走在世界的先列如Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ公司研制的ＴＲＳ２００中型排爆機(jī)器人就是類似探險(xiǎn)機(jī)器人的實(shí)例。從上面可以例子可以看出國外的探險(xiǎn)機(jī)器人起步比較早并且有著下面幾個(gè)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢：

　　（１）性能可靠，功能全面，精確度高；
??????? （２）機(jī)器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；
??????? （３）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)應(yīng)用到探險(xiǎn)機(jī)器人的裝置中
??????? （４）高智能、高難度的軍用探險(xiǎn)機(jī)器人、太空探測機(jī)器人等發(fā)展迅速典型用于掃雷、偵察、太空探測方面。
? ????? （５）系統(tǒng)向基于ＰＣ機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，趨于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件高度集成化，提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
??????? （６）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 并且不斷地致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制。使遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名例證。

　　探險(xiǎn)機(jī)器人的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
??????? 中國起步較晚，大約在２０世紀(jì)七十年代。理論建立也相對緩慢一此，盡管如此短時(shí)間內(nèi)的發(fā)展，我國在這方面也做出了可喜的成就。特別是在水下探測機(jī)器人研究方面已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。例如２０００年中國科學(xué)院沈陽自動化所研制出六千米深水下探測機(jī)器人獲得了國家十大成果獎(jiǎng)。我國沈陽自動化所研制的ＰＸＪ２機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。２００７年八月份由中國極地研究中心和中科院沈陽自動化研究所、北京航空航天大學(xué)聯(lián)合研制的這兩位智能機(jī)器人，被列入國家８６３高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，“冰雪面移動機(jī)器人”和“低空飛行機(jī)器人”，這是我國在南極考察事業(yè)中首次運(yùn)用智能機(jī)器人技術(shù)。
??????? 我國目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件。“九五”期間我國工業(yè)機(jī)器人的需求量以每年３４％以上的速度增長。２０００年，我國各類探險(xiǎn)機(jī)器人的擁有量約為２５００多臺。
??????? 以上各個(gè)例子也可以看出大部分內(nèi)容為的是軍方或太空高或科技類探測手段應(yīng)用，其性能高但其價(jià)格也是常人所不能企及的，并不能應(yīng)用并服務(wù)于民間需要?？梢哉f這塊內(nèi)容是個(gè)空白

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　　（4）服務(wù)智能機(jī)器人

　　機(jī)器人技術(shù)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探索中得到了廣泛應(yīng)用，也逐漸滲透到人們的日常生活領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人就是這類機(jī)器人的一個(gè)總稱。盡管服務(wù)機(jī)器人的起步較晚，但應(yīng)用前景十分廣泛，目前主要應(yīng)用在清潔、護(hù)理、執(zhí)勤、救援、娛樂、和代替人對設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等場合。國際機(jī)器人聯(lián)合會給服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)初步定義是，一種以自主或半自主方式運(yùn)行，能為人類的生活、康復(fù)提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)的一類機(jī)器人。

　　一種基于服務(wù)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類型傳感器進(jìn)行采集圖像，DSP處理芯片TMS320VC5509A進(jìn)行圖像處理以及作為CPU 控制，在設(shè)計(jì)過程中，為了直觀顯現(xiàn)機(jī)器人視覺系統(tǒng)識別和跟蹤的效果，專門采用了一個(gè)TFT格式的液晶來直觀顯示。軟件上，采用了一部分足球機(jī)器人的視覺技 術(shù)來達(dá)到對目標(biāo)的快速識別，通過全局的特征矩構(gòu)建的雅可比矩陣達(dá)到對目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤。

　　1 硬件部分設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)硬件電路的功能模塊框圖。

　　

　　1.1 圖像采集

　　視覺鏡頭把外部的圖像信息成像在圖像傳感器的面陣單元上。目前流行的圖像傳感器有面陣CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）型和面陣CMOS兩種。相比較CCD型的圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的有源像素單元為每一個(gè)像素提供了放大器，只需一個(gè) 單供電低邏輯電平電壓，功耗只相當(dāng)于CCD的十分之一。CMOS圖像傳感器內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換部分，直接輸出數(shù)字信號。基于這些因素，本系統(tǒng)采用了 Omnivision公司推出的CMOS彩色圖像傳感器OV7635。

　　OV7635的分辨力為640X480，能輸出3種格式的8位數(shù)據(jù)：YCbCr4:2：2模式、RGB4:2：2模式和RGB原始數(shù)據(jù)模式。輸出 VGA格式最大可達(dá)到30fps（fps：每秒幀數(shù)）。能工作在逐行掃描下和隔行掃描下。OV7635有主模式和從模式兩種工作模式。在主模式下，同步信 號和時(shí)鐘不由外圍設(shè)備控制。在從模式下，OV7635的場同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及系統(tǒng)的晶振頻率XCLK均由外部設(shè)備控制。本系統(tǒng)采 用的是主模式。OV7635通過I2C總線配置片內(nèi)寄存器，使其輸出原始數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電復(fù)位后，由DSP芯片的I2C總線信號對CMOS寄存器初始化。然 后OV7635就按要求輸出圖像信號。包括行同步信號HREF，場同步信號VSYNC，像素時(shí)鐘信號PCLK，數(shù)字圖像信號。

　　1.2 液晶顯示

　　為了很直觀的看到視覺系統(tǒng)對人的識別和跟蹤效果，采用了一片INNOLUX公司的PT035TN01液晶顯示屏。為了不增加對DSP的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也為 了實(shí)時(shí)看到對外界目標(biāo)物體的跟蹤效果，液晶顯示的數(shù)據(jù)不經(jīng)由DSP，直接通過傳感器OV7635輸出的圖像數(shù)據(jù)信號和CPLD控制時(shí)序來進(jìn)行顯示。 PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力為320×3（RGB）×240，液晶IF1、IF2兩輸入控制腳對輸入的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行選擇：串 行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的掃描模式有4種。本視覺系統(tǒng)采用的輸入數(shù)據(jù)格式是CCIR601格式，掃描模式為由上到下 和左到右的掃描模式。

　　在CCIR601格式下，圖像傳感器輸出的像素時(shí)鐘PCLK通過CPLD二分頻作為液晶的工作時(shí)鐘，圖像傳感器輸出的行同步信號HREF經(jīng)過CPLD 的處理后作為液晶的行同步信號HIS，這樣，在CPLD控制下，圖像傳感器OV7635輸出的數(shù)據(jù)信號送入液晶中進(jìn)行顯示。

　　1.3 時(shí)序控制

　　OV7635輸出的場同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及像素時(shí)鐘信號PCLK接至CPLD芯片，產(chǎn)生控制信號把OV7635輸出的數(shù)據(jù)信號 存入FIFO幀存儲器AL422B中，以及產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘和行同步信號控制液晶的顯示。CPLD采用了ALTERA公司的EPM7064芯片。在CPLD 中完成了對FIFO的寫控制、通知DSP讀信號、液晶的時(shí)鐘信號的產(chǎn)生等功能。

　　CPLD接收場同步信號VSYNC，此信號的下降沿表示圖像傳感器輸出一幀的開始，此時(shí)CPLD產(chǎn)生WRST負(fù)脈沖復(fù)位FIFO的寫指針。場同步信號 VSYNC下降沿后，判斷行同步信號HREF的上升沿到來，接著利用像素時(shí)鐘信號PCLK作為寫時(shí)鐘WCK將圖像數(shù)據(jù)直接存儲到FIFO中，當(dāng)存到一定的 數(shù)后，就及時(shí)發(fā)信號給DSP，以便DSP讀取數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用的是一個(gè)中斷INT0來通知DSP。此時(shí)DSP可以讀數(shù)據(jù)也可以不讀，視處理的速度來定。讀 數(shù)據(jù)時(shí)，可利用RD和片選，產(chǎn)生RCK信號。DSP讀取的速度不能太快，以讀取速度小于寫速度為原則。

　　在對液晶的邏輯時(shí)序控制上，由于圖像輸出的信號是640×480的像素，而液晶的顯示為320×240的格式。所以利用CPLD把圖像傳感器輸入的像 素時(shí)鐘信號PCLK進(jìn)行二分頻產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘信號控制液晶的顯示，同時(shí)對行同步信號進(jìn)行隔行有效從而達(dá)到液晶對圖像的顯示。CPLD中的程序編寫用的采用 了硬件描述語言VHDL，在QUARTUSⅡ軟件平臺上進(jìn)行編寫的。由于在選用芯片時(shí)采用的是EPM7064S系列的44腳PLCC封裝的，只能工作在 5V電壓情況下，其輸出的高電平信號是5V，必須通過處理才能接入系統(tǒng)中工作在3。3V狀態(tài)下的芯片器件。

　　1.4 幀存儲器選擇

　　幀存儲器有需要外部提供地址線的RAM和不需要外部提供地址線的FIFO，為了簡化CPLD的設(shè)計(jì)。采用了FIFO的幀存儲器。FIFO又可以分為基 于動態(tài)存儲的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM?；陟o態(tài)SRAM的優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲一幀數(shù)據(jù);基于DRAM的優(yōu)點(diǎn)是容量 大，只需一片就能存儲一幀數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是必須有刷新電路。本設(shè)計(jì)中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO動態(tài)存儲芯片AL422B。其刷新電路比 較簡單，僅需WCK或RCK提供大于1M的不間斷脈沖即可。AL422B的存儲容量為3MB，由于系統(tǒng)一幀的信息通常包含640×480個(gè)彩色像素，每個(gè) 像素占用2個(gè)字節(jié)，可存儲1幀圖像的完整信息，其工作頻率可達(dá)50MHz。

　　1.5 視頻處理DSP

　　在選用DSP時(shí)，在兼顧處理速度，存儲容量，現(xiàn)有條件下的加工工藝水平，以及性價(jià)比方面，選用了TI公司的144腳封裝的TMS320VC5509A，此芯片的最高工作頻率可達(dá)到200MHz，具有很高的處理速度。

　　DSP收到來自CPLD的讀通知信號后開始讀取AL422B中的視頻數(shù)據(jù)。為了方便處理數(shù)據(jù)，在DSP外圍擴(kuò)展了一個(gè)的SDRAM。芯片采用的是HYNIX公司的HY57V161610E，此芯片的存儲容量為1M×16bits。

　　當(dāng)DSP上電復(fù)位后，通過采樣GPIO0～GPIO3的狀態(tài)，根據(jù)采樣的狀態(tài)來進(jìn)行什么樣方式的程序裝載。本系統(tǒng)的采用外接的flash存儲芯片的 SPI口對DSP進(jìn)行程序裝載，接著通過DSP的I2C口對圖像傳感器進(jìn)行寄存器初始化。圖像傳感器開始輸出信號。整個(gè)系統(tǒng)開始進(jìn)入工作。

　　DSP作為高速的處理器，主要用于圖像的處理。由于本視覺系統(tǒng)要完成識別和跟蹤功能，數(shù)據(jù)的處理量是很大的。在完成圖像處理的同時(shí)，DSP也作為控制器使用完成對控制器的控制，從而構(gòu)成視覺跟蹤系統(tǒng)。
　2 軟件部分設(shè)計(jì)

　　由于本系統(tǒng)采用的是顏色和形狀相結(jié)合的辦法對無遮擋目標(biāo)物體的識別。為了達(dá)到機(jī)器人實(shí)時(shí)快速的目的，在軟件方法上，主要采用了目前常用的足球機(jī)器人的顏色識別方法，目前比較常見是基于閾值向量的顏色判斷法。下面簡述顏色識別原理。

　　2.1 色彩空間選擇

　　對于采用基于彩色圖像分割的方法識別目標(biāo)時(shí)，首先要選擇合適的顏色空間，常用的顏色空間有RGB、YUV、HSV、CMY等。顏色空間的選擇直接影響到圖像分割和目標(biāo)識別的效果。

　　RGB：是最常用的顏色空間，其中亮度等于R、G、B3個(gè)分量之和。RGB顏色空間是不均勻的顏色空間，兩個(gè)顏色之間的知覺差異與空間中兩點(diǎn)間的歐氏 距離不成線性比例，而且R、G、B值之間的相關(guān)性很高，對同一顏色屬性，在不同條件（光源種類、強(qiáng)度和物體反射特性）下，RGB值很分散，對于識別某種特 定顏色，很難確定其閾值和其在顏色空間中的分布范圍。因此通常會選擇能從中分離出亮度分量的顏色空間，其中最常見的是YUV和HSV顏色空間。

　　HSV：接近人眼感知色彩的方式，H為色調(diào)（Hue），S為色飽和度（Saturation），V為亮度（Value）。色調(diào)H能準(zhǔn)確地反映顏色種 類，對外界光照條件變化敏感度低，但是H和S均為R、G、B的非線性變換，存在奇異點(diǎn)，在奇異點(diǎn)附近即使R、G、B的值有很小變化也引起變換值有很大的跳 動。

　　YUV:RGB顏色空間線性變化為的亮度-色彩空間。是為了解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題而提出的。Y表示亮度（Luminance），UV 用來表示色差（Chrominance）。YUV表示法的重要性是它的亮度信號（Y）和色度信號（U、V）是相互獨(dú)立的。所謂色差是指基色信號中的3個(gè)分 量信號（即R、G、B）與亮度信號之差。

　　因此，針對以上原因，本系統(tǒng)在采用的是YUV色彩空間。

　　YUV格式與RGB存在如下關(guān)系：

　　

　　2.2 閾值確定和色彩判斷

　　在確定閾值時(shí)，首先通過采集樣本進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到預(yù)定的幾種顏色在YUV空間的分量的上下閾值，如圖2所示。

　　

　　當(dāng)一個(gè)待判定的像素在色彩空間中的位置落在這個(gè)長方體中時(shí)，就認(rèn)為該像素屬于要找的顏色，從而完成對圖像顏色的識別。在Y空間中，Y值表示亮度，因它的變化很大，所以只考慮了U和V的值，在進(jìn)行顏色判斷時(shí)，首先分別建立U、V的閾值向量。

　　由于在系統(tǒng)中圖像傳感器的數(shù)字信號是8位，即1Byte，共255Byte，系統(tǒng)最多能判定8種顏色。在顏色識別后進(jìn)行圖像分割，在圖像分割中采用了 種子填充算法，其整個(gè)種子的填充是和像素點(diǎn)的顏色同時(shí)進(jìn)行的，一開始不是對所有的像素進(jìn)行處理，而是分塊進(jìn)行的，本系統(tǒng)采用的塊是32×24像素，這樣計(jì) 算量大大減小。當(dāng)中心點(diǎn)是所要識別的顏色時(shí)，就以這個(gè)點(diǎn)為種子向四周擴(kuò)散，并判定周圍像素點(diǎn)的顏色，直到填滿整個(gè)塊。在這過程中，同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行形狀識 別。本系統(tǒng)采用了基于全局的特征向量的識別算法來進(jìn)行識別。同時(shí)也為構(gòu)建雅可比矩陣得到需要的矩特征量。圖3為圖像識別分割流程圖。

　　

　　2.3 視覺跟蹤軟件原理

　　當(dāng)目標(biāo)物體被識別以后，視覺系統(tǒng)將調(diào)整鏡頭使目標(biāo)位于視野的中心。一旦物體運(yùn)動，視覺系統(tǒng)將進(jìn)行對目標(biāo)物體的跟蹤。

　　在機(jī)器人視覺跟蹤系統(tǒng)上，采用無定標(biāo)的視覺跟蹤系統(tǒng)。無定標(biāo)的視覺跟蹤不需要事先對攝像鏡頭進(jìn)行定標(biāo)，而是應(yīng)用自適應(yīng)控制方面的原理，在線的實(shí)時(shí)調(diào)整 圖像雅可比矩陣。通過二維的圖像特征信息反饋，這種方式對攝像機(jī)模型誤差和機(jī)器人模型誤差、圖像誤差、圖像噪聲不敏感。基于圖像跟蹤的視覺跟蹤控制系統(tǒng)， 如圖4。

　　

　　控制量c為機(jī)器人頭部的控制系統(tǒng)。首先把目標(biāo)放在機(jī)器人視野的前方采集到期望的圖像，從期望圖像中抽取期望的特征集，作為視野跟蹤控制系統(tǒng)的期望輸 入，從而完成任務(wù)需要的視野特征集定義。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，由機(jī)器人的圖像傳感器獲取實(shí)時(shí)采樣圖像，從中獲取實(shí)時(shí)特征集，這樣構(gòu)成一個(gè)視野反饋，引導(dǎo)機(jī)器 人完成跟蹤任務(wù)。區(qū)別于圖像的簡單幾何特征，本系統(tǒng)選用的視覺特征集為全局的圖像描述—圖像矩。

　　根據(jù)矩特征變化量與相對位姿變化量之間的關(guān)系矩陣，即圖像雅可比矩陣，然后利用推導(dǎo)的圖像雅可比矩陣，設(shè)計(jì)了視覺跟蹤控制器，完成系統(tǒng)對3D目標(biāo)物體的平動跟蹤。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖5為DSP為clkout腳輸出波形，表明DSP的內(nèi)部時(shí)鐘電路工作正常。圖6的圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)波形證明了圖像傳感器工作正常。圖7的DSP采集到的圖像數(shù)據(jù)，可以確定整個(gè)圖像采集硬件電路工作正常。

　　

　　4 結(jié)　論

　　針對服務(wù)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，本文通過構(gòu)建它的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在硬件系統(tǒng)上，采用了CMOS圖像傳感器，CPLD時(shí)序控制， 異步動態(tài)FIFO的數(shù)據(jù)緩存，以及高速DSP處理器構(gòu)成了一個(gè)典型的圖像采集系統(tǒng)，并調(diào)試輸出了圖像信號。在軟件設(shè)計(jì)上，采用了足球機(jī)器人的彩色識別和彩 色分割識別技術(shù)去完成視覺系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的識別，采用基于動態(tài)的工作方式以及采用基于圖

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