阿西莫夫之旅：机器人时代的显现与机遇

阿西莫夫的感慨

阿西莫夫在80年前大胆畅想了未来的机器人世界，而包括波士顿动力在内的机器人公司在近几年快速发展，机器人产品不断成熟，并开启了规模化应用，人类已经看到机器人时代到来的曙光，如果阿西莫夫能够穿越至今，一定会感慨万千。

专栏10-1

阿西莫夫的三大定律

美国机器人协会对“机器人”的定义是“一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统”。从这一定义出发，机器人区别于普通机械的最关键特点是“可编程”，即在工程师的干预下，能够根据需求在一定范围、程度内改变动作轨迹。美国机器人协会对机器人的定义反映了欧美机器人研究和发展的规律和特点，强调机器人的实用功能，此定义基本能涵盖当前社会大众对机器人的各种理解，也被国际标准化组织（ISO）所采纳。

1967年，日本召开第一届全国机器人学术会议，参会人员在预测机器人技术、产品和市场发展前景的基础上，给出了“机器人”更加严苛的定义。森政弘与合田周平提出机器人是“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，森政弘又提出了机器人具有自动性、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。加藤一郎提出的具有3个条件的机器称为机器人，即“具有脑、手、脚三要素的个体；具有非接触传感器（用眼、耳接收远方信息）和接触传感器；具有平衡觉和固有觉（感觉自身状态）的传感器”。日本机器人学会对机器人的理解相对狭隘，强调其“拟人”和“智能”的特征，如果按照日本机器人学会的定义，一些被社会大众称为“机器人”的装备只能称作机器。

关于机器人的分类并没有统一的标准，比较常用的是从功能和应用范围的角度，将机器人分为工业机器人、专业服务机器人和家庭服务机器人。国内也习惯将机器人分类为工业机器人和特种机器人，前者是工业领域使用的关节机械手或多自由度机器人；后者指除工业机器人之外，用于非制造业并服务于人类的各种机器人。机器人的标准化和模块化程度不断提高，未来可能会出现统一的机器人平台，届时机器人的分类界限将越来越模糊直至被打破。

机器人的定义虽然有差别，但作为界定机器人发展方向以及人与机器人之间关系的基本准则，阿西莫夫提出的机器人三大定律却并未过时。

第一定律：机器人不得伤害人类个体，或者目睹人类个体将遭受危险而袖手旁观。

第二定律：机器人必须服从人给予它的命令，当该命令与第零定律或者第一定律冲突时例外。

第三定律：机器人在不违反第零、第一、第二定律的情况下要尽可能保护自己的生存。

机器人编年体

虽然早在18世纪工业革命初期就出现了机器人的雏形，但直到20世纪50年代末全球第一台真正意义上的机器人（可对动作进行编程）才出现。1958年，被誉为“工业机器人之父”的美国科学家约瑟夫·英格伯格创建了全球第一家机器人公司Unimation（取义于Universal Automation，万能自动化），并参与设计了第一台用于压榨的五轴液压机器人，其装配的磁鼓能够记忆180个工作步骤。同年，另一家机器人公司AMF也在美国成立，并开始研制用于物料运输的机器人。Unimation和AMF公司的成立具有划时代的意义，1958年也被视为机器人元年。从1958年至今，根据机器人的控制方式和能力大小，机器人发展可以划分为3个时代（见表10-1和图10-1）。

表10-1 机器人编年体

续表

续表

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资料来源：作者整理

图10-1 机器人编年图

第一时代：手把手教机器人干活

受制于当时的计算机，第一代机器人大多采用示教系统再现技术（T/P，teaching/playback）。示教的过程是由最有经验的操作者预先进行动作演示，机器人示教系统能够记忆有关作业程序、位置和其他相关信息，然后按照再现指令，逐条解读，在一定精度范围内重复被示教的过程，从而完成工作任务。示教的过程可以是直接进行，即示教人员使用插入机器人手臂的示教操作杆手把手教机器人完成各种动作；也可以通过示教盒进行间接示教，即操作示教人员通过操控示教盒来完成机器人运动轨迹。通常情况下，直接示教适合于动作较复杂的机器人，例如焊接、喷涂机器人，间接示教则适合于动作简单的机器人，例如搬运、抬举机器人。

示教机器人不仅能够将最优秀、最熟练操作人员的经验复制给机器人，而且保障了每一次操作的一致性，是当前大多数工业机器人替代人工作业最直接的方式。第一代机器人的最大缺陷是其操作建立在操作者示教基础上，因此其适应性很低，往往只能完成一个特定动作，当生产任务改变时，则需要示教人员重新进行示教，且通常需要一个调试过程。因此，在市场和技术变化加速的情况下，柔性化程度偏低成为示教再现机器人进一步发展的最大制约。并且，机器人应用范围不断扩大，需要机器人完成的工作有很多是人类劳动者难以达到的精度和强度，人类已经难以胜任机器人的老师。(www.xing528.com)

第二时代：通过程序控制机器人

随着信息技术的快速发展，机器人发展进入通过计算机程序编程控制的阶段。通过计算机软件，设计人员和工程师将模型和参数输入机器人，机器人根据既定程序完成各种复杂动作。相较于上一代机器人采用模拟的示教信息，通过计算机程序编程控制的机器人取得了显著的进步。

数字信息更加准确，机器人的动作能够达到微米甚至更小数量级，这使得机器人在电子信息、生物医药等需要微加工的行业大显身手，也提高了装备、汽车、零部件等行业的精加工程度。

数字信息更容易传递，使得工程师能够远程完成多个机器人的调试。

数字信息更容易修正，示教机器人动作的修正往往需要示教人员重复整个动作，而被程序控制的机器人只需要修改特定参数就能够实现修正和改进。

数控系统人机界面得到统一，可视化程度提高，对机器人的操作更加简便。

在输入模型和参数之后，计算机能够通过算法优化以最经济的轨迹满足需求，这大大提高了机器人的工作效率。

虽然与上一代机器人相比，可编程机器人不需要人类老师手把手传授技艺，其技术更精确、更柔性化、更高效，但仍然离不开人类的帮助，机器人的动作由人类工程师预先设定，当生产任务变化或过程中出现故障时，还需要工程师或现场工作人员进行调整。在“自动化”工厂车间中，工作人员确实少了，但每台机器上黄灯和红灯亮起（通常情况下，每台机器有红、黄、绿三个指示灯，绿色代表正常，黄色代表故障，红色代表严重故障）时，仍表示机器人正在向人类求助。信息技术的更新使得机器人在这一发展阶段走出工厂，进入服务领域和家庭，服务机器人面临的环境更加复杂，经常出现一些故障，因此，真正得到较好应用效果的是远程遥控的机器人（例如扫雷机器人），由人类操作员帮助机器人进行环境判断和设计动作。

第三时代：与人工智能的邂逅

人工 能的成熟与机器人的结合成为新一代机器人的最重要特征。区别于上一代机器人，具备人工智能的机器人取得了很大进步。

首先，人工智能能够帮助机器人处理非规则、非连续性的信息，从而使机器人能够胜任更加复杂和烦琐的工作。例如，新一代工业机器人能够根据传送带上的中间产品和物料配件情况来调整工作内容，在一个工位上可以同时完成多个步骤甚至多个产品的加工制造，而在这之前必须由人类或者其他机器人将产品和物料提前摆放整齐。服务机器人需要处理的非常规、非连续信息更多，人工智能的应用大大提高了其使用体验，教育机器人、康复机器人、引导机器人配备语音和图像识别功能，能够直接识别用户需求，而不再需要使用者通过键盘、鼠标或触摸屏向机器人下达指令。

其次，机器人开始具备学习能力。无论是逻辑思考还是模糊判断，机器人学习在近年来都取得了惊人的发展成就，这不仅仅得益于计算机硬件技术超越摩尔定律的发展，同时也与物联网、大数据、神经网络的出现和成熟有关。在人工智能的支持下，工业机器人能够通过自我“学习”完成更复杂和多样的工作，使得真正意义上的无人工厂和大规模定制成为可能；家庭服务机器人在“上岗”一段时间之后逐渐熟悉主人作息时间和生活习惯，在房间没人的时候打扫卫生和洗衣，并提供美味可口的饭菜。

最后，机器人集成传感器和物联网，实现了对外部信息的实时反馈。这种反馈能力一方面表现为针对需求信息的自我调整，例如能够实时根据订单制订新的生产任务；另一方面也体现在对外界环境变化的实时反馈上，例如机器人遇到障碍物和阻拦时能够及时调整动作轨迹，这个技术已经广泛应用于新一代搬运机器人，并且也是人机协作和机器人进入普通家庭的基础。

虚拟机器人的“小时代”

虚拟机器人是一种特殊的机器人。由于不需要实体外形，设计人员可以摆脱物理构造的局限性，着力关注入机交互体验的提升。1997年，微软将滑铁卢大学计算机系研发的“大眼回形针”嵌入到最新版本的Ofice软件中，为用户提供向导、提示和信息服务。操作者惊奇地发现，一个大眼睛的回形针安静待在屏幕一角，当用户需要帮助时则会弹出窗口，更令人不可思议的是，这个小助手能够根据用户的操作自动进行相关提示。从1997～2007年，微软的Ofice助手帮助全球数以十亿计的用户认识、了解并接受可视化办公软件，它不仅使微软Office成为全球信息化办公标准平台的重要推动，同样也在计算机商业化应用历史中占有一席之地。2007年，微软决定在最新版本的Ofice2007中移除Ofice助手，并表示今后不会在任何系列里再出现。

20世纪90年代中期之后，发源于日本的电子宠物和数码宝贝得到全球年轻人的青睐，在之后盛行的养成类电子游戏中，人机交互的体验又向前迈进一大步。从2000年以后，数字合成技术、显示技术、CG技术以及近几年快速发展的VR和AR为虚拟机器人的发展提供更好的技术支撑。2007年，日本音乐软件制作公司Cryptonfuturemedia以Yamaha的Vocaloid系列语音合成程序为基础，开发了风靡全球的虚拟偶像——初音未来。现在，初音未来已经发展成一个大家族，不仅有自己的社交网站账号、粉丝组织，甚至被应用于全息投影技术在全球举行巡回演唱会，初音未来的数字化声音和影像合成技术也被广泛应用于实体机器人的人机交互中。

专栏10-2

梦想照进现实

机器人可能是与科学幻想联系最密切的新科技产品，无论是机器人词语（robot）的创造，还是机器人研究遵循的“机器人三定律”都源于科幻小说家笔下，这反映了人类对机器人的美好愿望，同时会有机器人大量出现后扰乱人类生活的担忧。

回顾100余年对机器人的科学梦想，有一些梦想已经成为现实并走进人类的工作和生活，也有一些梦想还处于试验和研发阶段，但对未来美好和大胆的想象一直在指引和激励着科学家的创新、创造。从某种意义上讲，基于需求和技术发展轨迹的科学梦想刺激了科学家的研究工作，机器人总是朝着人们期望的方向发展。

图10-2 科幻作品与现实中机器人的演进历程