第1篇 基础知识

第1章 绪论

1.1 机器人的产生与发展

在20世纪工业革命后技术和生产快速发展的背景下，捷克斯洛伐克作家卡雷尔·卡佩克（Karel Capek）根据原意为“劳役、苦工”的古代斯拉夫单词“robota”和原意为“工人”的波兰单词“Robotnik”，造出具有“奴隶机器”含义的新词robot。其含义是一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。1920年在其剧本《罗萨姆的万能机器人》（Rossum's Universal Robots, R.U.R）中第一次公开使用。

机器人技术的产生和发展，主要源于以下3个方面。

首先，是人类自身发展的必然结果。随着人们探讨、认识、改造自然过程的不断深入，需要一种工具代替人类去从事复杂和繁重的体力劳动，实现人类对不可达世界的认识和改造。

其次，是二战后世界各国经济恢复与发展需求的必然结果。在第二次世界大战之后，由于人力资源缺乏，迫切需要一种工具代替工人进行大批量的生产制造活动，在提高生产效率的同时，降低人的劳动强度，恢复和促进本国经济的发展。

另外，是科学技术综合发展的必然结果。机械、制造、材料、电子，计算机、自动控制以及人工智能等相关理论与技术的发展，促使多学科交叉领域不断被发掘，这些多学科交叉领域需要一个综合载体进行检验与促进。一方面这些相关理论与技术为现代机器人技术的产生和发展提供了强大的保证，另一方面其综合发展水平决定了机器人技术的发展水平。

因此，机器人技术的产生和发展是人类与社会、科技发展的共同需要，对社会经济发展产生了重大影响。机器人技术汇集了众多主流学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。学习机器人技术，有利于了解与掌握当今科学技术的研究成果及其应用，适应当代科技与社会发展的需要。

1.1.1 古代机器人技术的萌芽

制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类塑造自身、了解自身的一种强烈愿望。机器人技术虽然出现得比较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类或动物特征的机器人雏形。

西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早具有文字记载的自动机械。

春秋后期，据《墨经》记载，我国著名木匠鲁班制造了一只能在空中飞行三日而不下的木鸟，这也是最早进行仿生研究的文字记载。

东汉时期，著名科学家张衡发明了地动仪、计里鼓车（见图1.1）和指南车（见图1.2）。记里鼓车每行进500m，车上的木人击鼓一下；每行进5km，击钟一下；具有复杂轮系装置的指南车，若车上木人运动起始指向南方，则该车无论左转右转、上坡下坡，指向始终不变，可谓精巧绝伦。

1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿崛演出。

1738年，为了实现把生物的功能机械化以进行医学上的分析，法国天才技师瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。

1768～1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子3人合作制造出3个像真人一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是靠弹簧驱动、由凸轮控制的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切尔市艺术和历史博物馆内。

由于技术水平的限制，古代的自动机械或装置大多只能依靠机械能（如利用弹性元件进行储存），甚至外部自然能源，无法主动获取外部信息进行自主控制，因此不能算是真正的机器人。

但是古代科学家制造的玩偶至今还有其价值。它为现代玩具制造业和近代机器人提供设计思想，激励科研人员不断提出新理论和新技术。

1.1.2 近代机器人技术的发展

能源是实现自动控制的基础，第二次工业革命后，由于电能的广泛使用，越来越多的自动化/半自动化设备应用到工业生产中。

20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）开始研究能搬运核原料的主从型遥控操纵机械手。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作进行有效的监督。

在此前后，美国的戴沃尔（Ceorge G. Devol）设想了一种可控制的机械手。将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构连接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人的主要技术功能被称为可编程和示教-再现功能，一直在工业机器人领域沿用至今。

在此期间，一些实用化的机器人相继问世，1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

1.1.3 现代机器人技术的发展

由于工业生产的需求，机器人技术首先在亟需劳动力的工业生产中应用并高速发展。此时的工业机器人以示教-再现方式工作。由人对机器人运动的轨迹、停留位置等进行设置。然后机器人依照设定的行为、顺序和速度重复运动。

随着自动控制技术和传感检测技术的发展，机器人开始安装传感器进行外部环境信息的获取，并通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应变化的环境，使机器人具备了智能性。

将人工智能与智能控制理论应用到机器人后，使得机器人具有了和一般自动化设备进行区分的主要标志。现在的机器人普遍具有多种感知功能，能够进行复杂的逻辑推理、判断及决策，具有发现问题且能自主地解决问题的能力。

机器人技术的发展水平也成为一个国家科技能力的重要评价指标。许多国家成立了机器人协会，相关的国际学术交流活动也日渐增多。不少知名大学也相继开设了机器人课程，开展机器人学的研究工作，并设立了机器人学学位。

1.2 机器人的定义

虽然机器人技术已经问世和发展了几十年，越来越受到人们的重视，并被广泛应用于各个行业。但是由于机器人技术还未完善，机器人这一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义。不同国家、不同研究领域的学者给出的定义不尽相同。

结合不同领域科学家和组织给出的机器人定义，本书认为机器人应具有以下两个特性。

① 自主性：机器人可以不依赖人类的帮助，独立完成工作。

② 智能性：机器人能够根据外部环境信息的改变而输出不同的执行动作。

此外，对于以后机器人的发展，学习能力（能够进行自学习自修正）也是其区分于一般智能机器的重要特征。

1.3 机器人系统的组成

不同学科由于研究的侧重点不一样，对机器人的组成也有不同的理解与层次划分。不同的定义也会造成机器人的组成划分不一致。实际上，大部分的机器人系统组成部分或多或少都会存在重叠，并非没有共性。

本书认为一个较为完整的机器人系统由3部分、6个子系统组成，如图1.3所示。这3部分是感知部分、执行部分和控制部分；6个子系统分别是信息检测系统、信息融合系统、驱动系统、机械系统、人机交互系统、决策系统。

1.3.1 控制部分

控制部分的重要性如同人的大脑，人类如果丧失了脑的思考能力，则变得如木偶一般。控制部分包括人机交互系统与决策系统两部分。

（1）人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系交流的子系统，人机交互系统涉及如何获取外部控制命令，以及如何表达自身的状态等。简单的人机交互可能只是一个报警信号，复杂的人机系统则可能涉及许多学科，例如通信技术（如何获取远程甚至是超远程的命令信息）、自然语言处理（如何分析操作人员的语言命令）等。

人机交互系统也有可能会借助感知部分获取必要的信息，例如在接收语音命令时，需要感知部分进行语音的检测与信号的转换，以及语音命令的分析等。

（2）决策系统

控制系统的任务是根据感知部分提供的感知信息以及执行任务要求，进行合理的分析与决策，提供执行指令给执行部分完成指定的运动和功能。感知部分如果对执行部分不进行监测，如一般工业机器人末端的移动，这样的控制方式称为开环控制；如果进行信息的反馈，如具有跟踪功能的机器人，这样的控制方式称为闭环控制。

控制系统可以很简单，如温度报警，只需要温度超过警戒温度立刻报警；也可以很复杂，美国IBM公司生产的深蓝超级国际象棋电脑，有32个大脑（微处理器），每秒可以计算2亿步。1997年的深蓝超级国际象棋电脑可搜寻及估计随后的12步棋，而一名人类象棋高手大约可估计随后的10步棋。

1.3.2 感知部分

机器人的感知部分类似于人体中的各种感觉或者它们的综合，例如视觉、听觉等都属于感知部分。感知部分的主要任务是获取外部信息并进行信息处理与融合，对外界环境进行描述和理解，提供给决策部分，作为决策的参考或依据。

（1）信息检测系统

信息检测系统主要由传感器及其数据转换处理模块组成，获取环境状态中有意义的信息。信息检测系统可以分为内部传感器模块和外部传感器模块，内部传感器模块主要检测机器人的状态，例如速度、加速度、能量等，外部传感器模块主要检测机器人工作环境的状态，例如温度、场景分布等。检测到的信息可以直接被控制部分利用，并由控制系统直接做出判断（类似于人的条件或无条件反射），更多的是经过信息融合系统综合处理后再传送至控制部分（类似于人们综合客观环境影响后再做出判断和行动的过程）。

（2）信息融合系统

机器人身上一般会安装多个传感器，以便检测各种有用的环境状态。有些环境状态信息只需要单一的传感器进行检测，例如温度、湿度等状态，而有些环境状态则需要多个传感器进行配合，共同作用才能成功得到该环境状态的信息，这样就需要将多个检测信息进行融合处理，例如轮式机器人的速度，需要将各个轮子的速度检测后，再按照相应速度合成算法进行计算，才能得到最终机器人的速度。信息融合系统将相互独立的检测信息，融合成更高级的感知信息，能够帮助机器人更好地认知自身与外部环境。

1.3.3 执行部分

执行部分相当于人的躯干与血液系统。反映的是机器人最终的执行结果。缺少了执行部分的机器人，事实上只相当于一个信息处理器。执行部分的执行效果直接体现了机器人的控制智能，也在一定程度上影响机器人的总体智能。

（1）驱动系统

驱动系统主要指驱动机械系统的驱动设置，是机器人的动力来源。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动3种，以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过传动装置与机械系统间接相连。驱动系统影响到机器人反应的快速性与准确性。

（2）机械系统

除了安装感知、控制部分与其他必要结构的机械机构外，机械系统主要是指机器人的运动结构，常见的运动结构有关节式、轮式、复合式等。关节式结构的机器人常见的有工业机器人（典型关节式）、类人型机器人（足式）；轮式机器人常见的有服务机器人、巡逻机器人等，轮式机器人的运动控制相对于足式机器人来说，控制简单，所以在服务领域应用广泛；复合式运动结构主要应用在复杂地形中，利于救援机器人，既要能在平底与低坡度表面运动，又能够做上下楼梯等升降运动。

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。

1.5 机器人组织及竞赛

1.5.1 RoboCup

机器人足球世界杯（Robot World Cup, RoboCup）是一个国际性的研究和教育组织，通过提供一个标准问题来促进人工智能和智能机器人的研究。1992年10月，在日本东京举行的“关于人工智能领域重大挑战的研讨会”上，研究人员对制造和训练机器人进行足球比赛以促进相关领域研究进行了探讨。1996年，RoboCup国际联合会成立，并在日本举行了表演赛，以后每年举办一届。

RoboCup选择足球比赛作为基本的领域，所以RoboCup通常也指该组织下的机器人世界杯足球锦标赛，以多智能体系统MAS（Multi-Agent System）和分布式人工智能DAI（Distributed Artificial Intelligence）为主要研究背景。通过提供一个标准的易于评价的比赛平台，促进DAI与MAS的研究与发展。

RoboCup机器人足球（见图1.17）是在动态不确定环境下对人工智能的考验，是以体育竞赛为载体的高科技对抗，是培养信息、自动化领域科技人才的重要手段，同时也是展示高科技水平的生动窗口和促进科技成果实用化和产业化的有效途径。机器人足球的研究融入了机器人学、机电一体化技术、通信与计算机技术、视觉与传感器技术、智能控制与决策等多学科的研究成果，反映出一个国家信息与自动化技术的综合实力。

目前RoboCup机器人足球世界杯的比赛类型包括以下几种：

① 足球比赛（RoboCup Soccer）。仿真组（Simulation League）、小型组（Small Size League）、中型组（Middle Size League）、标准组（Standard Platform League）、类人组（Humanoid League），如图1.18所示。

② 救援比赛（RoboCup Rescue）。仿真组（Rescue Simulation League）、机器组（Rescue Robot League）。

③ 家庭（组）比赛。

④ 青少年比赛（RoboCup Junior）。足球机器人（Soccer Challenge）、救援机器人（Rescue Challenge）、舞蹈机器人（Dance Challenge）。

中国机器人大赛暨RoboCup公开赛作为RoboCup的中国选拨赛，由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会、RoboCup中国委员会、科技部高技术研究发展中心主办，是中国最具影响力且最权威的机器人技术大赛、学术大会和展览，基本覆盖了中国现有最顶级的机器人专家和众多日本、美国、德国知名机器人学者，为当今中国乃至亚洲机器人尖端技术产业竞赛和国际顶尖人才汇集的活动之一。大赛从1999年开始已成功举办了十多届，北京、上海、广州、合肥、苏州、济南、中山、鄂尔多斯、兰州、徐州等地成功举办了历届大赛，其宗旨是通过组织机器人比赛和技术研讨，让更多的群众尤其是青少年学生了解机器人，喜爱机器人，向他们普及现代科学知识，为我国的机器人事业培养更多的优秀人才。同时通过机器人比赛和技术研讨，也为推动和促进机器人与自动化技术的发展与创新，为我国的快速持续发展贡献力量。机器人研究涉及多个学科，如力学、机械学、电子学、控制论、计算机科学等，学生在参加机器人比赛过程中不仅可以扩展知识面，还能促进学科交叉，迅速提高学生动手能力，培养学生的创新能力。

1.5.2 FIRA组织及其竞赛

FIRA（见图1.18）是国际机器人足球联合会（Federation of International Robot-Soccer Association）的缩写。1997年6月，第二届微机器人足球比赛（MiroSot97）在KAIST举行，期间国际机器人足球联合会宣告成立。此后FIRA在全球范围内每年举行一次机器人世界杯比赛（FIRA Robot-Soccer World Cup），同时举办学术会议，供参赛者交流他们在机器人足球研究方面的经验和技术。

FIRA至今已举行了十多届世界杯比赛，足迹遍布亚洲、欧洲、美洲和大洋洲，成为各类国际机器人竞赛中最具水平和影响力的赛事之一。除了一年一度的世界杯比赛以外，每年还有许多地区性的FIRA机器人足球比赛。蓬勃发展的机器人足球比赛对机器人足球的研究起到了巨大的推动作用。

FIRA机器人足球主要比赛种类如下。

① HuroCup：类人机器人世界杯，由篮球、举重、足球等多个子项目组成，如图1.18（a）所示。

② Amiresot：全自主（微型）机器人足球。

③ MiroSot：半自主（微型）机器人足球，如图1.18（b）所示。

④ RoboSot：全自主（小型）机器人足球，如图1.18（c）所示。

⑤ AndroSot：安卓类人机器人足球，如图1.18（d）所示。

⑥ NaroSot：半自主（微小型）机器人足球。

⑦ SimuroSot：仿真机器人足球。

1.5.3 亚太大学生机器人大赛

亚太大学生机器人大赛（见图1.19）的前身是日本广播协会的机器人比赛。该项赛事从1988年开始，于1989年成为日本NHK每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛”。1990年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛。2002年由亚洲太平洋地区广播电视联盟（ABU）倡导，每年举办一届，以选拔国内制作机器人的冠军队参加亚太区桂冠的争夺，自此成为一项国际性比赛。该赛事的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。涉及机械制图、电子技术、单片机、传感检测、自动控制、图像处理、计算机编程、电机拖动等多门学科的知识，通过赛事使学生对机器人有完整的系统认识，增强理论联系实践的能力，培养创新思维能力。

全国大学生机器人大赛（ROBOCON），也称全国大学生机器人电视大赛，之前为“CCTV全国大学生机器人电视大赛”（2002-2012年由中央电视台主办），是由团中央主办的全国性大学生科技活动，为亚太大学生机器人大赛中国地区的选拨赛。

亚太大学生机器人电视大赛每届都有一个不同的主题。在已举办的14届大赛中，中国代表队参加了13届，并取得了5次冠军、3次季军的好成绩。

1.5.4 飞思卡尔杯智能车竞赛

飞思卡尔杯智能车竞赛（见图1.20）起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以飞思卡尔单片机为核心的大学生课外科技竞赛。现在已发展成为一个国际性赛事。

大赛组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高为获胜者。竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。

全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛为飞思卡尔杯国际赛选拔参赛队伍，由于参赛成本低、实验环境搭建比一般竞赛简易，使得全国30个省市自治区近300所高校积极响应，已发展成全国广泛参与的大学生课外科技竞赛。

竞赛分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个组别，常见组别的智能车如图1.21所示。全国竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。