機器人的三代：（1）可編程機器人：一般根據操作人員所編程序,完成一些簡單的重復性操作。（2）感知機器人：又叫做自適應機器人，它在第一代機器人的基礎上發展起來,能夠具有不同程度的“感知”周圍環境的能力。（3）智能機器人：將具有識別、推理、規劃和學習等智能機制,它可以把感知和行動智能化結合起來,因此能在非特定的環境下作業智能機器人與工業機器人的根本區別在于,智能機器人具有感知功能與識別、判斷及規劃功能。而感知本身,就是人類和動物所具有的低級智能。因此機器的智能分為兩個層次:①具有感覺、識別、理解和判斷功能;②具有總結經驗和學習的功能。所以,人們通常所說的第二代機器人可以看作是第一代智能機器人。2.智能機器人的感官系統：(1)觸覺傳感器：陣列觸覺傳感方器。(2)視覺傳感：①隔開物體的二維視覺:雙態成像;②隔開物體的二維視覺:灰度標成像;③觸覺或疊加物體的二維視覺;④二維觀察;⑤二維線跟蹤;⑥使用透視、立體、結構圖示或范圍找尋技術從隔開物體中提取三維信息。(3)聽覺傳感：目前用的最多的是麥克風與機器人的自然語言理解系統。(4)運動性能：機器人通常是要在周圍移動物體的,例如:機器人臂到輪子或腳的運載器已有許多結構在使用,此外還有許多其他型號在研究之中。為在空間任意點以任意方式操作一個物體,機器人臂需要有6個自由度:左/右、前/后、上/下、投、卷和左右擺轉。在工業中使用的坐標已有6個：圓柱形、球形、笛卡爾坐標、旋轉坐標、Scaratype和并行坐標。3示教：所謂示教是指操作者在實際作業環境中，或用手工引導機器人末端執行器，或用手工引導一個機械模擬裝置，或用示教盒對機器人進行編程，來操作機器人完成規定作業的所需位姿，并記錄下示教點的位姿數據，其間一組連續的示教點就構成了機器人完成相關動作的工作點位，依此構建的程序能夠保證機器人在此后的運行中圓滿再現人們示教給機器人的作業動作。其實質是機器人將整個作業內容一步一步地記錄下來，每一步操作都表示為指令。示教結束后機器人按指令順序完成示教內容的動作（即再現。）若任務或環境有了改變，要重新進行示教。4示教學習分類：示教學習的主要目標是通過學習示教者的行為，達到由自主體自動學習最優策略的目的。直接示教學習：直接學習從狀態到動作的映射函數。直接示教學習的缺點：直接示教學習的學習目標是狀態到動作的映射，而不關注世界環境的建模。因此，學習結果難于解釋，也難于調整；第二、如果環境改變，算法需要重新對所有訓練樣本進行訓練，這將導致大量的重復工作；第三、在一些應用中，示教者與學習者擁有不同的傳感器與能動器。因此，示教者的動作無法直接應用于學習者上。間接示教學習：先通過觀察示教者行為來學習環境參數，再由最優化控制器根據環境參數得到最優策略的過程。間接示教學習被分為兩個階段：第一個階段中自主體先學習環境參數（估計環境參數）；第二個階段中自主體再推導當前環境中的最優策略（求解最優控制器）。其中在第一個階段的若干種環境參數表達方法中，回報函數以良好的泛化能力和對任務的描述能力被廣泛采用。直接示教學習5示教學習的國內外研究現狀隨著機器人技術的發展，現代機器人在工業生產、軍事發展、科學探索和社會生活等方面得到了廣泛應用。機器人學的主要研究目標之一是讓機器人可以按照人類預設的策略(狀態到動作的映射)去執行動作。在這樣的背景下，示教學習(Imitationglearning，Demonstrationlearning，Learningfromdemonstration，LearningbyobservationorApprenticeshiplearning)應運而生。其主要目標是通過學習示教者的行為，達到由自主體自動學習最優策略的目的。早在上個世紀80年代，國外研究者就開始對示教學習進行初步地探討。示教學習可以分為兩類：直接示教學習和間接示教學習。前者直接示教學習從狀態到動作的映射函數，后者分為兩個階段：第一個階段中自主體先學習環境參數；第二個階段中自主體再推導當前環境中的最優策略。直接示教學習曾在機器人學的發展過程中起到巨大的推動作用，其比較成功的例子諸如ALVINN系統。ALVINN的開發者通過訓練神經網絡來得到基于前方影像圖片對應車輛轉向角的預測值。這類方案雖然理論上可行，但在實際應用中往往效果不佳。原因是直接示教學習系統往往傾向于“短視”性規劃，即假設最優動作根據當前的單個狀態就能夠得到。但是，在當前的大多數機器人系統中，這種假設并不成立。事實上，要達到好的學習結果，往往需要考慮幾步甚至無窮步后的結果對自主體的影響。與直接示教學習不同，間接示教學習是指先通過觀察示教者行為來學習環境參數，再由最優化控制器根據環境參數得到最優策略的過程。這樣的學習問題也被稱為逆向優化控制(Inverseoptimalcontro1)問題。這種示教學習方法因其對規劃系統要求較低并能考慮長期回報而受到廣泛關注和應用。逆向優化控制的概念最早由Kalman提出。國內示教學習技術發展與國外還有一定的差距，到八十年代中期863計劃實施之前，全國還沒有一臺示教再現式關節型機器人產品問世，更談不上生產應用。但是經過“七五”攻關和“八五”、“九五”、國家“八六三”計劃支持的應用工程開發，我國機器人設計、制造和應用技術已經趨于成熟，機器人的開發基本上是按照用戶要求結合工程應用進行的。機器人的示教學習技術也取得令人矚目的快速發展，國內的少數研究所與大學，如中科院沈陽自動化所、哈爾濱工業大學、上海交通大學、北京機械工業自動化所、大連組合機床所等，開展了基于示教再現或遙控操作的工業機器人實驗樣機的研制。在路徑規劃技術方面，現在大部分機器人采用示教的方式。現在國外很多企業在滿足現有生產應用的同時，不斷開發新技術來提高機器人的應用水平，比如開發出離線編程系統、虛擬示教系統，對多機器人協調技術等進行研究，這些技術無疑是推廣機器人應用的有效手段，將機器人與其他生產資源相結合，進一步提高了生產效率，而國內企業多采用示教方式，還未見到采用離線編程的產品。整體來看，我國機器人行業快速地發展，但是與外國還有一定的差距，我們需要學習外國的先進技術，同時也需要注重自己的研究與開發，為中國機器人事業做進一步的努力。6示教學習的存在問題示教學習研究進展迅速，但同時也帶來新的問題。通常來說，在示教學習里的工作，為機器人的控制策略，我們需要假設一個固定的形式并學習適當的參數。到目前為止，在一般普通用法中，有幾種不同形式的策略，但沒有明確的正確的技術。此外，一個系統可以被提供多個可能的控制器，如何選擇哪個是最合適，其相關標準無法確定。強化學習和模仿學習的結合已經被證明可以有效地解決技能的獲得，但是這些技能需要機器人動力學的精細調整。同樣，通過轉換人類引導和機器人發起二者之間的學習，互動學習技術在允許學習策略的協作改進方面是很成功的。但是，決定各種學習模式之間進行切換的最佳時間的協議還沒有被權威部門規定下來。到目前為止的工作，教學通常是由一個教師所執行的，或者教師團隊所提出的教學任務的一個明確概念。為了解決在教師所采用不同的風格下的示范活動與其沖突的相關性問題，更多的工作需要進一步探討與研究。示教學習的實驗大多集中在單個任務(或一組密切相關的任務)，并且每個實驗開始于一個白板。隨著復雜任務的學習進展，這就意味著我們需要設計大規模存儲和重用的先驗知識的方式。這同時需要有形式體系來允許機器人選擇信息，減少冗余信息，選擇功能，并有效存儲新數據。7回報函數回報函數的估計，又稱為逆向增強學習(Inversereinforcementlearning，IRL)，是指給定智能體行為、狀態和環境動態模型，在馬爾可夫決策過程模型中求解回報函數的問題。逆向增強學習和增強學習(Reinforcementlearning，RL)互為逆過程，并且基于一致的理論模型一旦通過逆向增強學習獲得了回報函數，系統便可以通過增強學習求解最優控制器。因此，逆向增強學習解決了間接示教學習中的參數估計問題，為間接示教學習的第二階段中的增強學習提供了環境參數。8機器人示教系統分類（按照示教方式分類）：機器人在線示教（在線或再現編程）：機器人在線示教編程簡單方便，適用于大批量生產，完成簡單任務的場合。在線示教再現系統特點：利用了機器人具有較高的重復定位精度優點，降低了系統誤差對機器人運動絕對精度的影響，這也是目前機器人普遍采用這種示教方式的主要原因。在線示教缺點：編程質量取決于編程員的經驗，且編程員處于機器人工作空間的危險環境中；示教過程繁瑣、費時,需要根據作業任務反復調整機器人的動作軌跡姿態與位置，時效性較差，而且很難規劃復雜的運動軌跡以及準確的直線運動。（2）機器人離線示教（離線編程）：機器人離線示教是指操作者不對實際作業的機器人直接進行示教,而是脫離實際作業環境生成示教數據,間接地對機器人進行示教。機器人離線編程是機器人編程語言的拓廣，它利用計算機圖形學，建立機器人及其工作環境的幾何模型，然后對機器人所完成的任務進行離線規劃和編程，并對編程的結果進行動態圖形仿真，最后將滿足要求的編程結果傳給機器人控制柜，使機器人完成指定的任務。離線編程方式特點：可以離線進行復雜的運動軌跡規劃，能夠進行碰撞和干澀檢驗，改善了編程環境，使示教軌跡的修改變得更容易；由于使用圖形用戶界面和數據庫，編程員必須將以前只保存在紙上或操作員腦中的任務知識和技巧結合到系統中，因此編程員需要分析和建模任務并基于分析結果構建系統，需要機器人系統和工作環境的圖形模型；由于進行的規劃和計算是建立在系統理想模型基礎上的，實際應用時，帶來的困難是無法有效地校正實際的世界與理想模型間的偏差；編程不影響機器人的工作，可通過仿真試驗程序，可實現復雜運動軌跡的編程。離線編程方式的優缺點：離線編程需要建立機器人工作的環境空間模型，技術員通過建立工件的空間模型，由離線編程系統生成可執行代碼，這種方式有利于提高勞動生產率，避免了直接示教占用生產時間和需要現場參與的缺點。但是它與示教再現編程相比較，不僅開發周期長，同時離線編程系統對操作人員要求較高，需具備專門的機器人知識和程序設計的能力，使用也不太方便，尤其是在對機器人作業任務的描述上不能簡單直接。由于機器人系統的誤差模型無法預先確定，因而根據機器人運動學與動力學模型和作業環境所規劃出的作業軌跡和位姿往往與實際運動軌跡和位姿不一致（誤差的大小取決于機器人系統的機電性能），這在很大程度上限制了離線編程方式的實際應用。在實際操作過程中，這是因為模型和實際之間存在著差距，通過離線編程系統做出的程序在應用之前還需要進行誤差校正，因此離線編程系統比較適合于流水線生產，生產線上除了工業機器人外，還需要其他自動化設備（如變位機，工裝夾具等）輔助生產，才能構成一套完備高效的生產線。該種方式需要針對具體客戶設計特定的流水線，項目開發和實施周期都比較長。而針對我國中下型企業比較多的情況，采用離線編程的方式并不是一條可取的技術路線。圖1所示為機器人離線編程系統的結構圖，由圖可見，開發離線編程系統本身也是一件系統性、工程性很強的工作。圖1機器人離線編程系統的結構圖（3）虛擬示教：它是在離線編程基礎上發展起來的，吸取了離線編程和直接示教的優點。它是借助于虛擬現實系統中的人機交互裝置（例如：數據手套、游戲操縱桿、力覺筆桿等）操作計算機屏幕上的虛擬機器人操作，然后利用應用程序界面記錄示教點位置、動作指令并生成作業文件，最后下載到機器人控制器后，完成機器人的示教。實質就是虛擬現實作為高端的人機接口，允許用戶通過聲、像、力以及圖形等多種交互設備實時地于虛擬環境交互，根據用戶的指揮或動作提示示教或監控機器人進行復雜的作業。利用虛擬現實技術進行機器人示教是機器人學中新興的研究方向。目前，部分公司已經有比較成熟的離線編程和虛擬示教系統，如瑞典ABB公司，日本Panasonic公司。9在線示教的分類：從我國的現實情況考慮，采用在線示教的方式是一條快速而適用的路線，可以為分為以下幾種方式：人工牽引示教、人工模擬牽引示教、手把手示教，操縱桿示教、遙控示教、示教盒示教。（1）人工牽引示教出現在早期的示教再現系統中，一般是操作員直接牽引機器人沿作業路徑運動一遍，對于難以直接牽引的大、中型功率液壓機器人，這種方式并不適合。于是又有人工模擬牽引示教，在牽引的過程中，由計算機對機器人各關節運動數據采樣記錄，得到作業路徑數據。由于這些數據時各關節的數據，因此這種方法又稱為關節坐標示教法。這種示教方法的優點是控制簡單，缺點是勞動強度大，操作技巧性高，精度不易保證。如果示教失誤，修正路徑的唯一方法就是重新示教。（2）手把手示教：操作員通過操縱安裝在機器人末端的可控制手柄對機器人進行作業柜機演示，控制手柄上的力或力矩傳感器產生相應的輸出數據用于機器人控制器驅動機器人向期望的方向運動。其缺點是無法確定機器人的最優作業姿態與路徑，而且必須加入檢測和剎車作為人身保護措施。（2）操縱桿示教：利用開關感知操縱桿所在的位置，并記憶存儲相應的位置信息，在示教重現時調用這些位置信息。這種示教方式具有操作靈活、實現方便、直觀的優點，但是也具很多明顯的缺點比如：精度有限，重復精度不高，無法滿足高質量焊接要求，與目標位置的誤差依賴操作者經驗（目測），需要操作者現場直接參與，而且可控制的外不量有限，對于焊機電流等參數無法直接控制。因此，該示教方式適合于倉儲運輸、物料搬運等自動操作領域，不適用焊接機器人的示教。（3）示教盒示教：是各個機器人公司普遍采用的一種示教方式。該方式是在示教盒上預留一定功能按鍵用來輸入機器人語言程序。一般來說，這些語言都是比較簡單，容易理解。相對于其他在線示教方式來說，具有程序特征，具備流程控制功能。而且示教盒具有豐富的人機界面功能，示教盒通常具備液晶顯示屏和操作鍵盤有豐富的狀態提示，能夠切換不同的坐標系統，同時能夠與主控制器鏡像通訊，具有豐富的擴展功能。圖2和3是我國新松機器人公司的示教盒系統及屏幕顯示信息。圖2新松機器人公司的示教盒外觀圖3新松機器人示教程序示例這些形勢不同的機器人示教再現系統具有如下一些共同特點：（1）利用了機器人具有較高的重復定位精度優點，降低了系統誤差對機器人運動絕對精度的影響這也是目前機器人普遍采用這種示教方式的主要愿意；（2）要求操作員具有相當的專業知識和熟練的操作技能，并需要現場近距離視角操作，因而具有一定的危險性，安全性較差；（3）：示教過程繁瑣、費時，需要根據作業任務反復調整機器人的動作軌跡姿態與位置，時效性較差。10目前機器人示教的三種方式：（1）手把手示教又稱為全程示教，即由操作者握住機器人的機械手臂末端，帶動機器人按實際任務操作一遍。在此過程中，機器人控制器的計算機逐點記下各關節的位置和姿態值，而不作坐標轉換，再現時，再逐點取出，這種示教方式需要很大的計算機內存、而且由于機構的阻力，示教精度不可能很高。而且只用在噴漆、噴涂機器人上。（2）示教盒示教由操作者通過示教盒操縱機器人進行在線示教，這是最常用的機器人示教方式。該方法的實質是手工點動示教，操作者通過示教盒在直角坐標系和極坐中標系移動機器人各關節，使機器人末端執行器沿欲示教軌跡運動，在軌跡路徑上記錄示教的位置、姿態、運動參數和工藝參數，并生成一個連續執行全部操作的示教程序。該示教方法比較直觀，易于實現且智能程度較高；但它的缺點亦是顯而易見的，由于末端執行器的位置與姿態都是由操作者憑肉眼獲得，導致示教精度低，且費時費力。目前實際生產中運用的焊接機器人都采用這種方式，它需要生產人員現場參與，占用了生產時間，降低了勞動生產率，而且焊接精度依賴于操作工人的經驗，但是相對來說比較簡單直接。（3）離線編程示教離線編程是利用計算機圖形學的成果，建立起機器人機器工作環境的模型，利用一些規劃算法，通過對圖形的控制和操作在脫離生產線的情況下對機器人的軌跡進行軌跡規劃。實質就是無需人操作機器人進行現場示教而是根據圖樣，通過對工件現有CAD數據進行提取，建立起加工路徑或現場的數學模型，然后自動編程生成加工代碼，再對編程的結果進行加工仿真，以檢驗編程的正確性，最后生成數控代碼控制機器人運動，完成給定任務。大致有兩種離線示教編程的方法：a.在生產線另安裝一臺所謂主導機器人，用它模仿機器人作業的動作，然后將制成的示教程序傳給生產上的機器人；b.借助計算機圖形學技術，在計算機上按工件與機器人的裝配關系對作業動作進行仿真，然后將示教程序傳給生產線上的機器人。但后一種方法還遺留若干問題有待解決，如工件和周邊設備圖形輸入的簡化，機器人、末端執行器與工件干涉檢查的簡化等等。一個完整的機器人離線編程系統一般由三維幾何造型、運動學計算、軌跡規劃、圖形仿真、用戶接口、語言轉換以及誤差校正等幾個部分組成。由此可見，離線編程是一種相對高級的編程方式，包括了建模、算法、仿真等相關專業知識，開發難度大、周期長，需要考慮到工作過程的方方面面，對操作人員的要求也較高，但是可以遠程操作，示教過程不占用生產時間，實現復雜運動軌跡的編程，使用規劃技術可以實現最佳路徑規劃。離線示教編程使操作者遠離危險、惡劣的作業環境有著積極的意義，采用這樣的方案具有自動化程度高、更為安全、便于優化、編程可與加工并行進行等優點，無形之中增加了機器人加工作業時間而降低成本。但在作業路徑（軌跡）無法精確知道的情況下，離線示教編程是不實際的。另外，其加工精度較難評價，并且需要高級的CAD系統和計算機硬件系統提供支撐，因而成本高。機器人示教再現技術就是儲存實現交給機器人的示教信息，進一步仿效記憶內容，再現機器人的動作，也就是機器人的動作按照示教——記憶——再現的順序來進行。按照方式分，示教操作有倆種類型：直