□文/董靜

你應(yīng)該知道的機器人發(fā)展史

□文/董靜

機器人已有3000多年的歷史。20世紀，機器人技術(shù)得到迅速的發(fā)展并在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。機器人學已發(fā)展為綜合了機械學、電子學、計算機科學、自動控制工程、人工智能、仿生學等多個學科的綜合性科學，代表了機電一體化的最高成就，是當今世界科學技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

機器人形象和機器人一詞，最早出現(xiàn)在科幻和文學作品中。1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了一部名為《羅薩姆的萬能機器人》的劇本，劇中敘述了一個叫羅薩姆的公司把機器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)品推向市場，讓它充當勞動力代替人類勞動的故事。作者根據(jù)小說中Robota（捷克文，原意為“勞役、苦工”）和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”），創(chuàng)造出“機器人”這個詞。

機器人的定義到底是什么呢？機器人是在科研或工業(yè)生產(chǎn)中用來代替人工作的機械裝置，雖然現(xiàn)在機器人得到了廣泛的應(yīng)用，但機器人的定義卻沒有統(tǒng)一的標準。不同國家、不同領(lǐng)域的學者給出的定義都不盡相同。雖然定義的基本原則大體一致，但仍有較大的區(qū)別。在科技界，科學家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，機器人問世已有幾十年，機器人還在不斷發(fā)展，新的機型，新的功能不斷出現(xiàn)。根本原因是機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人模糊的定義，才給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間。

在1967年日本召開的第一屆機器人學術(shù)會議上，人們提出了兩個有代表性的定義。一個是森政弘、合田周平共同提出的“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性10個特性來表示機器人的形象。另一個定義則由加藤一郎提出，他把具有如下3個條件的機器稱為機器人：

1．具有腦、手、腳等三要素的個體；

2．具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器；

3．具有平衡覺和固有覺的傳感器。

該定義強調(diào)了機器人應(yīng)當仿人的含義，即它靠手進行作業(yè)，靠腳實現(xiàn)移動，由腦來完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機器人而是自主機器人。

1988年法國的埃斯皮奧將機器人定義為：“機器人是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。

1987年國際標準化組織（ISO）對工業(yè)機器人進行了定義——工業(yè)機器人是一種具有自動控制操作和移動功能、能完成各種作業(yè)的可編程操作機。

目前關(guān)于對機器人行為規(guī)則的描述中，以科幻小說家艾薩克·阿西莫夫在小說《我，機器人》中所訂立的“機器人三定律”最為著名。 阿西莫夫為機器人提出的三條“定律”，規(guī)定所有機器人必須遵守：

1. 機器人不得傷害人類，且確保人類不受傷害；

2. 在不違背第一法則的前提下，機器人必須服從人類的命令；

3. 在不違背第一及第二法則的前提下，機器人必須保護自己。

“機器人三定律”的目的是為了保護人類不受傷害，但阿西莫夫在小說中也探討了機器人在不違反三定律的前提下傷害人類的可能性，甚至在小說中不斷地挑戰(zhàn)這三定律，在看起來完美的定律中找到許多漏洞。在現(xiàn)實中，“三定律”成為機械倫理學的基礎(chǔ)，目前的機械制造業(yè)都遵循這三條定律。

阿西莫夫

原始機器人的發(fā)展

雖然直到20世紀中葉，“機器人”才作為專業(yè)術(shù)語被加以引用，但是機器人的雛形卻早在3000年前就已經(jīng)存在于人類的想象中。我國西周時代就流傳著有關(guān)巧匠偃師獻給周穆王一個藝妓（歌舞機器人）的故事。

春秋時代（公元前770～公元前467年）后期，被尊稱為木匠祖師爺?shù)聂敯?，利用竹子和木料制造出一個木鳥，它能在空中飛行，“三日不下”。這件事在古書《墨經(jīng)》中有所記載，這可稱得上是世界上第一個空中飛行機器人。

魯班設(shè)計的“飛行機器人”

東漢時期（公元25～220年），我國大科學家張衡，不僅發(fā)明了震驚世界的“候風地動儀”，還發(fā)明了測量路程用的“計里鼓車”。該車上裝有木人、鼓和鐘，每走1里，擊鼓1次，每走10里擊鐘一次，奇妙無比。

三國蜀漢時期的（公元221～263年），丞相諸葛亮既是一位軍事家，又是一位發(fā)明家。他成功地創(chuàng)造出“木牛流馬”，可以運送軍用物資，可稱為最早的陸地軍用機器人。

國外也有一些科學家很早就開始了在機器人方面的探索，甚至有一些國家已經(jīng)研制出了機器人的雛形。公元前3世紀，古希臘發(fā)明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁諾斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。

在公元前2世紀出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個包含有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。

公元前2世紀，古希臘人發(fā)明了一種機器人，它用水、空氣和蒸汽壓力作為動力，能夠做動作，會自己開門，可以借助蒸汽唱歌。

1662年，日本人竹田近江，利用鐘表技術(shù)發(fā)明了能進行表演的自動機器玩偶；到了18世紀，日本人若井源大衛(wèi)門和源信，對該玩偶進行了改進，制造出了端茶玩偶。該玩偶雙手端著茶盤，當人們將茶杯放到茶盤上后，它就會走向客人將茶送上，客人取茶杯時，它會自動停止走動，待客人喝完茶將茶杯放回茶盤之后，他就會轉(zhuǎn)回原來的地方，煞是可愛。

法國的天才技師杰克·戴·瓦克遜于1738年發(fā)明了一只機器鴨。它會游泳、喝水、吃東西和排泄，還會嘎嘎叫。

瑞士鐘表名匠德羅斯父子3人于公元1768年～1774年間，設(shè)計制造出3個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風琴偶人。它們是由凸輪控制和彈簧驅(qū)動的自動機器，至今還作為國寶保存在瑞士納切特爾市藝術(shù)和歷史博物館內(nèi)。此外，早期的機器人還有德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍葛雷姆”、日本物理學家細川半藏設(shè)計的各種自動機械、法國杰夸特設(shè)計的機械式可編程織造機等。

1770年，美國科學家發(fā)明了一種報時鳥，一到整點，這種鳥的翅膀、頭和喙便開始運動，同時發(fā)出叫聲。它的主彈簧驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，活塞壓縮空氣發(fā)出叫聲，同時齒輪轉(zhuǎn)動時帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動翅膀和頭運動。

1893年，加拿大摩爾設(shè)計的能行走的機器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力。這些機器人工藝珍品，標志著人類在機器人從夢想到現(xiàn)實這一漫長道路上，前進了一大步。

近代全球機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展沿革

年輕時的喬治·德沃爾（G.C.Devol）

工業(yè)機器人的研究最早可追溯到第二次世界大戰(zhàn)后不久。20世紀40年代后期，橡樹嶺國家實驗室和阿爾貢國家實驗室開始實施計劃，研制遙控式機械手，用于搬運放射性材料。這些系統(tǒng)是“主從”型的，可以準確地“模仿”操作員手和臂的動作?！爸鳈C械手”由使用者進行引導(dǎo)做動作，而“從機械手”則盡可能準確地模仿主機械手的動作。后來，人們將力的反饋加入“機械耦合主從機械手”的動作中，使操作員能夠感覺到環(huán)境物體給機械手的作用力。20世紀50年代中期，機械手中的機械耦合裝置被液壓裝置取代，如通用電氣公司的“巧手人”機器人和通用制造廠的“怪物”I型機器人。

喬治·德沃爾（右）與約瑟夫·英格伯格

1954年，美國人喬治·德沃爾（G.C.Devol）制造出世界上第一臺可編程的機器人。當年，他提出了“通用重復(fù)操作機器人”的方案，并在1961年獲得了專利。

1958年，被譽為“工業(yè)機器人之父”的約瑟夫·英格伯格（Joseph F.Engel Berger）創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司——Unimation（意為Universal Automation）公司。1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出全球第一臺工業(yè)機器人。這是一臺用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動機器人，手臂的控制由一臺計算機完成。它采用了分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠完成180個工作步驟的記憶。與此同時，另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人，即Versatran（意為Versatile Transfer）機器人。它采用液壓驅(qū)動，主要用于機器之間的物料運輸。該機器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認為，Unimate和Versatran機器人是世界上最早的工業(yè)機器人。

第一代工業(yè)實用機器人Unimate

上圖所示便是第一代可編程機器人，這類機器人一般可以根據(jù)操作員所編的程序，完成一些簡單的重復(fù)性操作。這一代機器人從20世紀60年代后半期開始投入使用，目前在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。

機器人在工業(yè)領(lǐng)域嶄露頭角的同時，研究領(lǐng)域亦將機器人技術(shù)引向深入發(fā)展。1961年，美國麻省理工學院林肯實驗室把一個配有接觸傳感器的遙控操縱器的從動部分與一臺計算機連接起來，這樣的機器人便可憑觸覺決定物體的狀態(tài)。

1968年，美國斯坦福人工智能實驗室（SAIL）的J.McCarthy等人研究了一項新穎的課題：研制帶有手、眼、耳的計算機系統(tǒng)。從那時起，智能機器人的形象逐漸豐滿起來。

1969年，美國原子能委員會和國家航天局共同研制成功裝有人工臂、電視攝像機和拾聲器等裝置的既有“視覺”又有“感覺”的機器人。

1979年Unimation公司推出了PUMA系列工業(yè)機器人，它是全電動驅(qū)動、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多CPU二級微機控制、采用VAL專用語言、可配置視覺和觸覺的力覺感受器、技術(shù)較為先進的機器人。同年，日本山梨大學的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARA型機器人。

20世紀70年代出現(xiàn)了更多的機器人商品，并在工業(yè)生產(chǎn)中逐步獲得推廣應(yīng)用。隨著計算機科學技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展，機器人的研究開發(fā)，無論在水平和規(guī)模上，都得到了迅速發(fā)展。據(jù)國外統(tǒng)計，到1980年全世界約有2萬余臺機器人在工業(yè)中應(yīng)用。

可以說，20世紀60年代和70年代是機器人發(fā)展最快、最好的時期，這期間的各項研究發(fā)明有效地推動了機器人技術(shù)的發(fā)展和推廣。

在過去的30～40年間，機器人學和機器人技術(shù)獲得引人注目的發(fā)展，具體體現(xiàn)在：

● 機器人產(chǎn)業(yè)在全世界迅速發(fā)展；

● 機器人的應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領(lǐng)域；

● 形成了新的學科——機器人學；

● 機器人向智能化方向發(fā)展；

● 服務(wù)機器人成為機器人的新秀而迅猛發(fā)展。

世界各國機器人歷史狀況

美國

進入20世紀80年代后，美國政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)。一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機器人，另一方面制定計劃，加大投資，增加機器人項目的研究經(jīng)費，美國的機器人產(chǎn)業(yè)從那時起迅速發(fā)展起來。

表1 早期機器人技術(shù)發(fā)展主要事件

20世紀80年代中后期，隨著機器人應(yīng)用的不斷深化，第一代機器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實際應(yīng)用的需求，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，第二代機器人很快占領(lǐng)了美國60%的機器人市場。

美國的機器人技術(shù)在國際上一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進，適應(yīng)性也很強。具體表現(xiàn)在：

● 性能可靠，功能全面，精確度高；

● 機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；

● 智能技術(shù)發(fā)展快，人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；

● 高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測等方面。

法國

法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進水平。法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是政府大力支持研究計劃，建立起一個完整的科學技術(shù)體系。政府組織一些機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項目，而工業(yè)界則支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及。

德國

20世紀中后期，德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國，它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。

德國的社會環(huán)境是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。由于戰(zhàn)爭的緣故，導(dǎo)致了德國勞動力短缺，并提高了國民技術(shù)水平，這都是實現(xiàn)應(yīng)用機器人技術(shù)的有利條件。到了20世紀70年代中后期，德國政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在“改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展。

日本

1967年，日本川崎重工業(yè)公司首先從美國引進機器人及技術(shù)，建立生產(chǎn)廠房，并于1968年試制出第一臺日本產(chǎn)Unimate機器人。經(jīng)過短暫的“搖籃”階段，日本的工業(yè)機器人很快進入實用階段，并由汽車業(yè)逐步擴大到其他制造業(yè)以及非制造業(yè)。

1980年被稱為日本的“機器人普及元年”，日本開始在各個領(lǐng)域推廣使用機器人，這極大地緩解了市場勞動力嚴重短缺的社會矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓勵政策，使這些機器人受到廣大企業(yè)的歡迎。1980年至1990年，日本的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)處于鼎盛時期，后來市場重心曾一度轉(zhuǎn)向歐洲和北美，但經(jīng)過短暫的低迷期后，日本又恢復(fù)了昔日的輝煌。

中國

我國在“七五”計劃中把機器人列入國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。二三十年來，我國相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人，及水下作業(yè)、排爆等特種機器人。

未來機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

總的來說，“智能化”、“擬人化”將成為機器人產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。智能機器人具有感知、思維的能力。智能機器人可獲取、處理并識別多種信息，自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)。相比一般的工業(yè)機器人，智能機器人具有更大的靈活性、機動性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

強大的信息捕捉能力

機器人將使用多傳感器對信息進行采集并融合，以檢測多變的外部環(huán)境，做出智能化的判斷和決策。為了模仿人類，機器人將會使用包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、嗅覺、溫覺等反饋信息進行自我判斷。除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制。在不需要人類幫助的同時，機器人還可以盡量多地幫助人類完成任務(wù)，甚至是比較復(fù)雜化的任務(wù)。未來，科學家會不斷地賦予機器人信息分析的能力。

機器人動作趨向智能化

人類的動作是非常多樣化的，走、跑、跳等各種動作都運用自如。為解決長距離作業(yè)、大作業(yè)對象、多作業(yè)對象以及極限作業(yè)等問題，機器人的動作將更多模仿人類動作。雖然目前某些機器人也能模仿人的部分動作，不過動作相對比較僵化和緩慢。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，比如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的觸覺來操縱機器人。未來，機器人將準確、快速地完成諸如滑動、滾動、行走、爬行、跳躍等復(fù)雜動作，從而實現(xiàn)機器人動作的智能化發(fā)展。

更高級的控制系統(tǒng)、更可靠的安全性

機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。器件集成度將不斷提高，并且機器人控制系統(tǒng)將更多地采用模塊化結(jié)構(gòu)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的易操作性和可維修性。

由于系統(tǒng)化生產(chǎn)的需要，模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將應(yīng)用于機器人。機器人應(yīng)對各種突發(fā)的意外情況具有更靈活的自我處置方式，使得人機共存變得更為安全。

董靜 本刊特約撰稿人