供稿|孫志輝

無論是在現(xiàn)代化智能工廠的流水線上，還是在抗擊疫情的工作現(xiàn)場，或者是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場上，各種各樣的機器人大顯身手，作為人類的工作伙伴，它們不知疲倦、不怕危險、毫無怨言地工作著、戰(zhàn)斗著。當前機器人已經(jīng)逐步進入我們的生活，未來機器人一定也會成為我們?nèi)祟愖钪匾幕锇椤?/p>

機器人的歷史

幾千年以來，人們一直幻想著利用某些機構(gòu)代替人的工作。如圖1所示，春秋時期魯班的木制飛鳥、東漢張衡的指南車、三國時期諸葛亮的木牛流馬都是對此進行的努力，雖然能夠在某種程度上減輕人的勞動強度，但是，由于缺乏動力源，這些機構(gòu)并不能真正地自動運行。直到工業(yè)革命以后，蒸汽機、電力驅(qū)動等革命性動力源的出現(xiàn)才使得自動機構(gòu)代替人類工作的愿望成為可能。1893年，加拿大的摩爾設計的能夠走行的機器人“安德羅丁”就是以蒸汽機為動力的。直到1959年，美國的英格伯格(Joseph Engelberger)和得沃爾(Geoge Devol)才制造出世界上第一臺真正意義上的機器人Unimate，能夠應用于工業(yè)領域代替人自動進行某些工作[1]。

什么是機器人

1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《Rossum’s Universal Robots》，故事的主要情節(jié)是：帶感情的機器人消滅了人類，一對男女機器人相愛，世界又起死回生。科幻劇中將捷克詞語“Robota”寫成了“Robot”，作為機器人的名字(“Robota”是“苦力”、“奴隸”的意思)。該科幻劇引起了人們的廣泛關注，流傳到日本以及歐洲各國，從此Robot就成為機器人的英文單詞[2]。

圖1 中國古代的“機器人”

機器人主要是用于代替人工作的，首先它是一個機器。對于傳統(tǒng)的機器，被使用者設計制造出來后，它的工作步驟、路徑都是確定的。機器的設計也是根據(jù)它所應用的工作而進行的。一旦工作要求發(fā)生變化，要么對機器進行改造，要么重新設計新的機器。為了適應不同的工作要求，工業(yè)機器人應運而生，它的工作步驟或路徑并非在設計制造階段確定的，而是使用者根據(jù)需要自行指定，設計制造者僅僅需要確定機器人的工作空間即可，而不需要知道它具體做什么工作。機器人與機器的最大區(qū)別就在于它的工作步驟或路徑是可變的。

機器人在工作前，首先需要使用者將工作步驟或路徑用特定的手段提供并告知機器人，機器人將這些步驟或路徑保存起來，這個過程稱為示教，也就是先教給機器人如何工作。以后只需要選擇某個示教的內(nèi)容，機器人就能夠按照示教的過程自動進行工作，而不需要人工干預。對于一臺機器人而言，可以對其進行多次不同的示教，意味著一臺機器人可以做多種不同的工作。早期的機器人都是這種示教類型的機器人，主要應用于工業(yè)領域。雖然能夠改變工作步驟或路徑，但不是自主改變的，需要人們提前示教告訴它，并且工作過程也不能改變。

隨著科技的發(fā)展，新型的智能感知技術和人工智能控制技術應用到機器人系統(tǒng)中，機器人可以通過智能感知技術，了解到它所處的環(huán)境和狀態(tài)，并利用智能控制算法，自主地改變工作步驟或路徑，這就是智能機器人的誕生。

世界各國對機器人有多種不同的定義。根據(jù)國際標準化組織的定義，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務[1]。這里所提到的“編程”與普通的計算機編程不同，指的是機器人的示教編程，即教會機器人工作路徑的方式。這個定義是針對示教機器人的。對于現(xiàn)在的智能機器人，這個定義忽略了機器人的感知環(huán)節(jié)，并不完全準確，更加通用性的定義是：機器人是一種計算機控制的可編程的自動機械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學習功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進化，能計劃其操作程序來完成任務。這個定義突出了現(xiàn)代機器人的幾個特點：計算機控制、感知、學習。

從《Rossum’s Universal Robots》開始，世界各國出現(xiàn)了很多以機器人為主角的電影，例如《變形金剛》、《黑客帝國》、《機器人總動員》等，這些影視作品中的機器人往往具有超凡的能力，甚至可以控制人類、毀滅地球，這也引起了人們的普遍憂慮，人類會不會有一天真的被機器人所控制。為此，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了著名的機器人三原則：1)機器人不應該傷害人類，也不能坐視人類受到傷害而袖手旁觀；2)機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3)機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。這三條原則一直作為機器人開發(fā)必須遵守的準則[1]。

為什么要發(fā)展機器人

發(fā)展機器人的最初動力就是替代人從事勞動強度比較大的工作。隨著社會的發(fā)展，對機器人的要求也越來越高，機器人應用的領域也越來越多(圖2)。

圖2 各種機器人應用

發(fā)展機器人的主要原因包括：1)提高勞動生產(chǎn)效率降低人的勞動強度?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)流水線上，如大量的電子廠、汽車組裝廠等，每個工人往往在一個崗位連續(xù)不斷地重復某一項單調(diào)枯燥的動作，容易引起疲勞，甚至出現(xiàn)幻覺，造成安全事故，并且這樣的流水線作業(yè)也引發(fā)了多種職業(yè)病。因而，現(xiàn)代化的流水生產(chǎn)線非常適合機器人操作，不僅可以減少勞動強度，也能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量。2)讓機器人做人不愿意做或做不好的事。人類生產(chǎn)活動中有些工作依靠人往往做不好或者處于危險、有毒、高溫環(huán)境下人不愿意去做。例如：汽車車身的焊接雖然也可以由人去做，但是焊接質(zhì)量受工人的水平制約，不能滿足汽車車身的要求。另外，像排雷、消防救援、產(chǎn)品噴漆等操作人員生命安全受到威脅的場合也非常適合采用機器人去工作。3)讓機器人做人做不了的事情。在探測太空、深海時，由于客觀條件的限制，人可能暫時不能親自去做某些事，可以利用機器人先去獲取必要的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的人類活動提供基礎。

近年來，隨著我國生產(chǎn)力水平的提高，對勞動力的需求也越來越大，導致經(jīng)濟發(fā)達的長三角、珠三角等地區(qū)出現(xiàn)較為嚴重的用工荒現(xiàn)象，也迫使這些企業(yè)升級換代，大量采用機器人替代人工勞動。

機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著1959年第一臺工業(yè)機器人的問世，機器人在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，美國、日本和歐洲各國起步早，許多機器人制造公司研制了大量的機器人產(chǎn)品，如：日本安川機器人、日本FUNUC機器人，德國KUKA機器人、瑞典ABB機器人、美國波士頓動力機器人等，在工業(yè)領域和其他領域得到廣泛的應用。如圖3所示，波士頓動力公司最新研制的四足機械狗具有跑、跳、開門、翻滾、跳舞、做俯臥撐等功能，可謂是才藝滿滿，售價高達7.45萬美元[3]。

圖3 波士頓動力公司的機器狗

我國的機器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但這些年進步很快，特別是在智能機器人方面。國內(nèi)最早從事機器人研究的主要有中科院沈陽自動化所、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學等，現(xiàn)在的新松機器人(起源于沈陽自動化所)、博實機器人(起源于哈爾濱工業(yè)大學)是國內(nèi)機器人制造的佼佼者，他們的產(chǎn)品在工業(yè)領域得到了應用。近年來，以百度、阿里為首的新型計算機信息化企業(yè)，也將目光轉(zhuǎn)向智能服務機器人的研制。著名房地產(chǎn)企業(yè)碧桂園也在大力發(fā)展機器人，2020年6月22日，碧桂園的機器人餐廳開業(yè)，采用了其研制的迎賓、送餐、煎炸、甜點、漢堡、調(diào)酒等各種機器人[4]。

在全球范圍內(nèi)，由于信息技術和各種新應用的拉動，給機器人的發(fā)展帶來了很大的動力。中國經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)進入了新的轉(zhuǎn)型期，正在從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)換，機器人在自動化方面會對制造業(yè)轉(zhuǎn)型有巨大的帶動作用，這也是機器人在中國發(fā)展迅速的重要因素。

2015年5月，我國發(fā)布了“中國制造2025”，圍繞重點制造領域的關鍵環(huán)節(jié)，明確將機器人與高檔數(shù)控機床列為大力推動的十大重點領域之一，要求圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人、特種機器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進機器人標準化、模塊化發(fā)展，擴大市場應用?！?015年世界機器人大會”指出以機器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，成為當代科技創(chuàng)新的一個重要標志。

2016年4月，“機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)”明確提出2020年自主品牌工業(yè)機器人年產(chǎn)量達到10萬臺，服務機器人年銷售收入超過300億元。

2019年我國機器人銷售額近608億元，主要以工業(yè)機器人為主，工業(yè)機器人比例達66%，市場規(guī)模近401億元。服務機器人比例為25%，特種機器人比例為9%。我國工業(yè)機器人連續(xù)7年成為全球第一大應用市場。

機器人工程專業(yè)

機器人涉及到機械設計、自動化控制、環(huán)境感知等多方面的知識，而傳統(tǒng)的工科專業(yè)配置往往是針對某一個方面，如機械專業(yè)只培養(yǎng)機械設計方面的能力，而自動化專業(yè)則只培養(yǎng)自動控制方面的能力，以往機器人制造與應用則是多個專業(yè)人才的相互配合。隨著機器人的迅速發(fā)展，對機器人的設計與制造人才需求越來越大。根據(jù)中國工信部的規(guī)劃，2020年工業(yè)機器人裝機量要達到100萬臺，機器人專門人才需求量達到20萬人(圖4)。

機器人工程專業(yè)的誕生

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，新工科是針對例如機器人這樣的新興產(chǎn)業(yè)，將原先單一的多個專業(yè)整合形成新的工科專業(yè)，以適應新形勢下新的人才需求。機器人工程專業(yè)就是教育部倡導的新工科之一，融合機械、自動化、計算機等多專業(yè)知識，培養(yǎng)適應機器人的綜合性人才。

圖4 2017—2020年工業(yè)機器人裝機量和人才需求量

2016年，全國第1個機器人工程專業(yè)(東南大學)獲批。2017年，東北大學、湖南大學等25所高校機器人工程專業(yè)獲批。2018年，北京航空航天大學、北京工業(yè)大學等60所高校機器人工程專業(yè)獲批。2019年，北京科技大學、北京大學、浙江大學等101所高校機器人工程專業(yè)獲批。2020年又有一批高校機器人工程專業(yè)獲批。

機器人工程專業(yè)學習什么

機器人工程專業(yè)集合了傳統(tǒng)的機械、自動化、計算機等多個專業(yè)的知識，并增加了機器人方面的專門知識。主要的課程體系分成四個部分：1)機械方面的專業(yè)課程，主要學習機械制圖、機械設計、機械原理、工程力學等課程，通過這些課程學習，掌握工程圖紙的繪制、機械結(jié)構(gòu)與機械零件的設計、以及力學強度分析技能，為設計分析機器人本體結(jié)構(gòu)奠定基礎；2)自動化方面的專業(yè)課程，主要學習電子技術、自動控制理論、信號與測試技術、人工智能基礎等課程，通過這些課程學習，掌握自動控制方法、信號感知、控制電路設計、智能控制等技能，為機器人的運動控制奠定基礎；3)計算機方面的專業(yè)課程，主要學習微機原理與應用、嵌入式系統(tǒng)、計算機軟件技術、計算機語言程序設計、機器視覺等課程，通過這些課程學習，掌握利用計算機知識編寫機器人感知與控制程序的技能；4)機器人方面的專業(yè)課程，主要學習機器人控制技術、機器人學，通過這些課程學習，掌握構(gòu)建機器人控制系統(tǒng)、研究機器人運動規(guī)律的技能。

跟傳統(tǒng)專業(yè)不同的是，機器人工程專業(yè)是個實踐性很強的專業(yè)，課程學習之外還需要提供大量的實踐環(huán)節(jié)，如工業(yè)機器人綜合實訓、機器人課程設計、智能機器人創(chuàng)新設計與綜合實踐、機器人檢測與控制實驗等。實踐環(huán)節(jié)有利于提高學生的實操能力，真正做到學以致用。

北科大的機器人

北京科技大學(簡稱北科大)在機器人教學、科研和教育科普方面已有長期的歷史沉積，基礎雄厚。早在20世紀70年代就開始了工業(yè)機器人的研究，1980年機械、自動化專業(yè)的老師相互配合，研制出工業(yè)機器人，并成功應用于工業(yè)生產(chǎn)領域。學校開設了多門與機器人有關的本科生、研究生課程，并編撰了《機器人結(jié)構(gòu)學》、《工業(yè)機器人應用工程》等教材。于2019年正式設立機器人工程專業(yè)，隸屬于機械工程學院。

北京科技大學在全國大學生機器人大賽取得過相當不錯的成績，先后獲得過兩屆冠軍、四屆亞軍、三屆季軍，通過這些比賽，培養(yǎng)了幾百名機器人技術專業(yè)人才。不少參賽的學生成立了機器人技術創(chuàng)業(yè)公司，并獲得了風險投資支持。北京科技大學機器人團隊獲得2014年首屆“小平科技創(chuàng)新團隊”稱號。

在2018年首屆中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽決賽中，北京科技大學的解魔方機器人以6.44 s的最快速度獲取第一名。圖5為獲獎的解魔方機器人于2019年參加中央電視臺的“機智過人”節(jié)目，獲得撒貝寧、韓雪等嘉賓以及廣大觀眾的好評。

圖5 解魔方機器人參加央視“機智過人”節(jié)目