你应该知道的机器人发展史

□文/董静

你应该知道的机器人发展史

□文/董静

机器人已有3000多年的历史。20世纪，机器人技术得到迅速的发展并在工业中得到广泛应用。机器人学已发展为综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的综合性科学，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。

机器人形象和机器人一词，最早出现在科幻和文学作品中。1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了一部名为《罗萨姆的万能机器人》的剧本，剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场，让它充当劳动力代替人类劳动的故事。作者根据小说中Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik(波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。

机器人的定义到底是什么呢？机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置，虽然现在机器人得到了广泛的应用，但机器人的定义却没有统一的标准。不同国家、不同领域的学者给出的定义都不尽相同。虽然定义的基本原则大体一致，但仍有较大的区别。在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，机器人问世已有几十年，机器人还在不断发展，新的机型，新的功能不断出现。根本原因是机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人模糊的定义，才给了人们充分的想像和创造空间。

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，人们提出了两个有代表性的定义。一个是森政弘、合田周平共同提出的“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性10个特性来表示机器人的形象。另一个定义则由加藤一郎提出，他把具有如下3个条件的机器称为机器人：

1．具有脑、手、脚等三要素的个体；

2．具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；

3．具有平衡觉和固有觉的传感器。

该定义强调了机器人应当仿人的含义，即它靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官，使机器人能够识别外界环境，而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。这里描述的不是工业机器人而是自主机器人。

1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。

1987年国际标准化组织（ISO）对工业机器人进行了定义——工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能、能完成各种作业的可编程操作机。

目前关于对机器人行为规则的描述中，以科幻小说家艾萨克·阿西莫夫在小说《我，机器人》中所订立的“机器人三定律”最为著名。 阿西莫夫为机器人提出的三条“定律”，规定所有机器人必须遵守：

1. 机器人不得伤害人类，且确保人类不受伤害；

2. 在不违背第一法则的前提下，机器人必须服从人类的命令；

3. 在不违背第一及第二法则的前提下，机器人必须保护自己。

“机器人三定律”的目的是为了保护人类不受伤害，但阿西莫夫在小说中也探讨了机器人在不违反三定律的前提下伤害人类的可能性，甚至在小说中不断地挑战这三定律，在看起来完美的定律中找到许多漏洞。在现实中，“三定律”成为机械伦理学的基础，目前的机械制造业都遵循这三条定律。

阿西莫夫

原始机器人的发展

虽然直到20世纪中叶，“机器人”才作为专业术语被加以引用，但是机器人的雏形却早在3000年前就已经存在于人类的想象中。我国西周时代就流传着有关巧匠偃师献给周穆王一个艺妓（歌舞机器人）的故事。

春秋时代（公元前770～公元前467年）后期，被尊称为木匠祖师爷的鲁班，利用竹子和木料制造出一个木鸟，它能在空中飞行，“三日不下”。这件事在古书《墨经》中有所记载，这可称得上是世界上第一个空中飞行机器人。

鲁班设计的“飞行机器人”

东汉时期（公元25～220年），我国大科学家张衡，不仅发明了震惊世界的“候风地动仪”，还发明了测量路程用的“计里鼓车”。该车上装有木人、鼓和钟，每走1里，击鼓1次，每走10里击钟一次，奇妙无比。

三国蜀汉时期的（公元221～263年），丞相诸葛亮既是一位军事家，又是一位发明家。他成功地创造出“木牛流马”，可以运送军用物资，可称为最早的陆地军用机器人。

国外也有一些科学家很早就开始了在机器人方面的探索，甚至有一些国家已经研制出了机器人的雏形。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。

在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个包含有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。

公元前2世纪，古希腊人发明了一种机器人，它用水、空气和蒸汽压力作为动力，能够做动作，会自己开门，可以借助蒸汽唱歌。

1662年，日本人竹田近江，利用钟表技术发明了能进行表演的自动机器玩偶；到了18世纪，日本人若井源大卫门和源信，对该玩偶进行了改进，制造出了端茶玩偶。该玩偶双手端着茶盘，当人们将茶杯放到茶盘上后，它就会走向客人将茶送上，客人取茶杯时，它会自动停止走动，待客人喝完茶将茶杯放回茶盘之后，他就会转回原来的地方，煞是可爱。

法国的天才技师杰克·戴·瓦克逊于1738年发明了一只机器鸭。它会游泳、喝水、吃东西和排泄，还会嘎嘎叫。

瑞士钟表名匠德罗斯父子3人于公元1768年～1774年间，设计制造出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。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。此外，早期的机器人还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙葛雷姆”、日本物理学家细川半藏设计的各种自动机械、法国杰夸特设计的机械式可编程织造机等。

1770年，美国科学家发明了一种报时鸟，一到整点，这种鸟的翅膀、头和喙便开始运动，同时发出叫声。它的主弹簧驱动齿轮转动，活塞压缩空气发出叫声，同时齿轮转动时带动凸轮转动，从而驱动翅膀和头运动。

1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力。这些机器人工艺珍品，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上，前进了一大步。

近代全球机器人产业的发展沿革

年轻时的乔治·德沃尔（G.C.Devol）

工业机器人的研究最早可追溯到第二次世界大战后不久。20世纪40年代后期，橡树岭国家实验室和阿尔贡国家实验室开始实施计划，研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。这些系统是“主从”型的，可以准确地“模仿”操作员手和臂的动作。“主机械手”由使用者进行引导做动作，而“从机械手”则尽可能准确地模仿主机械手的动作。后来，人们将力的反馈加入“机械耦合主从机械手”的动作中，使操作员能够感觉到环境物体给机械手的作用力。20世纪50年代中期，机械手中的机械耦合装置被液压装置取代，如通用电气公司的“巧手人”机器人和通用制造厂的“怪物”I型机器人。

乔治·德沃尔（右）与约瑟夫·英格伯格

1954年，美国人乔治·德沃尔（G.C.Devol）制造出世界上第一台可编程的机器人。当年，他提出了“通用重复操作机器人”的方案，并在1961年获得了专利。

1958年，被誉为“工业机器人之父”的约瑟夫·英格伯格（Joseph F.Engel Berger）创建了世界上第一个机器人公司——Unimation（意为Universal Automation）公司。1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出全球第一台工业机器人。这是一台用于压铸的五轴液压驱动机器人，手臂的控制由一台计算机完成。它采用了分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够完成180个工作步骤的记忆。与此同时，另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人，即Versatran（意为Versatile Transfer）机器人。它采用液压驱动，主要用于机器之间的物料运输。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为，Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。

第一代工业实用机器人Unimate

上图所示便是第一代可编程机器人，这类机器人一般可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作。这一代机器人从20世纪60年代后半期开始投入使用，目前在工业界得到了广泛应用。

机器人在工业领域崭露头角的同时，研究领域亦将机器人技术引向深入发展。1961年，美国麻省理工学院林肯实验室把一个配有接触传感器的遥控操纵器的从动部分与一台计算机连接起来，这样的机器人便可凭触觉决定物体的状态。

1968年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J.McCarthy等人研究了一项新颖的课题：研制带有手、眼、耳的计算机系统。从那时起，智能机器人的形象逐渐丰满起来。

1969年，美国原子能委员会和国家航天局共同研制成功装有人工臂、电视摄像机和拾声器等装置的既有“视觉”又有“感觉”的机器人。

1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它是全电动驱动、关节式结构、多CPU二级微机控制、采用VAL专用语言、可配置视觉和触觉的力觉感受器、技术较为先进的机器人。同年，日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARA型机器人。

20世纪70年代出现了更多的机器人商品，并在工业生产中逐步获得推广应用。随着计算机科学技术、控制技术和人工智能的发展，机器人的研究开发，无论在水平和规模上，都得到了迅速发展。据国外统计，到1980年全世界约有2万余台机器人在工业中应用。

可以说，20世纪60年代和70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。

在过去的30～40年间，机器人学和机器人技术获得引人注目的发展，具体体现在：

● 机器人产业在全世界迅速发展；

● 机器人的应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域；

● 形成了新的学科——机器人学；

● 机器人向智能化方向发展；

● 服务机器人成为机器人的新秀而迅猛发展。

世界各国机器人历史状况

美国

进入20世纪80年代后，美国政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现。一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制定计划，加大投资，增加机器人项目的研究经费，美国的机器人产业从那时起迅速发展起来。

表1 早期机器人技术发展主要事件

20世纪80年代中后期，随着机器人应用的不断深化，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际应用的需求，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，第二代机器人很快占领了美国60%的机器人市场。

美国的机器人技术在国际上一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

● 性能可靠，功能全面，精确度高；

● 机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；

● 智能技术发展快，人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；

● 高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测等方面。

法国

法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。法国机器人的发展比较顺利，主要原因是政府大力支持研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而工业界则支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人相关产品和技术在法国企业界很快发展和普及。

德国

20世纪中后期，德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国，它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。

德国的社会环境是有利于机器人工业发展的。由于战争的缘故，导致了德国劳动力短缺，并提高了国民技术水平，这都是实现应用机器人技术的有利条件。到了20世纪70年代中后期，德国政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。

日本

1967年，日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产Unimate机器人。经过短暂的“摇篮”阶段，日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到其他制造业以及非制造业。

1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人，这极大地缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓励政策，使这些机器人受到广大企业的欢迎。1980年至1990年，日本的工业机器人产业处于鼎盛时期，后来市场重心曾一度转向欧洲和北美，但经过短暂的低迷期后，日本又恢复了昔日的辉煌。

中国

我国在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。二三十年来，我国相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人，及水下作业、排爆等特种机器人。

未来机器人产业发展趋势

总的来说，“智能化”、“拟人化”将成为机器人产业未来的发展方向。智能机器人具有感知、思维的能力。智能机器人可获取、处理并识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务。相比一般的工业机器人，智能机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。

强大的信息捕捉能力

机器人将使用多传感器对信息进行采集并融合，以检测多变的外部环境，做出智能化的判断和决策。为了模仿人类，机器人将会使用包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、嗅觉、温觉等反馈信息进行自我判断。除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。在不需要人类帮助的同时，机器人还可以尽量多地帮助人类完成任务，甚至是比较复杂化的任务。未来，科学家会不断地赋予机器人信息分析的能力。

机器人动作趋向智能化

人类的动作是非常多样化的，走、跑、跳等各种动作都运用自如。为解决长距离作业、大作业对象、多作业对象以及极限作业等问题，机器人的动作将更多模仿人类动作。虽然目前某些机器人也能模仿人的部分动作，不过动作相对比较僵化和缓慢。

虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，比如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的触觉来操纵机器人。未来，机器人将准确、快速地完成诸如滑动、滚动、行走、爬行、跳跃等复杂动作，从而实现机器人动作的智能化发展。

更高级的控制系统、更可靠的安全性

机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化发展。器件集成度将不断提高，并且机器人控制系统将更多地采用模块化结构，能够大幅度提高系统的易操作性和可维修性。

由于系统化生产的需要，模糊控制、人工神经网络等技术将应用于机器人。机器人应对各种突发的意外情况具有更灵活的自我处置方式，使得人机共存变得更为安全。

董静 本刊特约撰稿人