机器人发展史：从遥控机械手到工业机器人再到人工智能时代

1）机器人的定义

“机器人”一词最早出现在1920 年捷克斯洛伐克剧作家Karel Capek 出版的科幻情节剧《罗萨姆的万能机器人》中。机器人从幻想世界真正走向现实世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。1939 年，纽约世博会上首次展出了由西屋电气公司制造的家用机器人Elektro，但它只是掌握了简单的语言，能行走、抽烟，并不能代替人类做家务。

根据《机器人分类》（GB / T 39405—2020），机器人被定义为具有两个或两个以上可编程的轴，以及一定程度的自主能力，可在其环境内运动以执行预定任务的执行机构。在《工业机器人力控制技术规范》（GB / T 38559—2020）中定义“工业机器人”为自动控制的、可重复编程、多用途的操作机，可对3 个或3 个以上轴进行编程，它可以是固定式或移动式。

机器人作为集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备，代表着未来智能装备产业的发展方向。机器人产业具有一般高新技术产业所表现的突出特征，即高投入、高风险、高回报、高技术、高难度、高潜能和知识新、技术新、工艺新、方法新、设备新、产品新等特点，机器人产业将成为国家最重要的经济增长点和最有活力的经济领域。

现代机器人的起源始于20 世纪四、五十年代，美国许多国家实验室进行了机器人方面的初步探索。第二次世界大战期间，在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的遥控操纵器，即使用机械抓手就能复现人手的动作位置和姿态，代替了操作人员的直接操作。在这之后，橡树岭和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手作为搬运放射性材料的工具。1948 年，主从式的遥控机械手正式诞生，开现代机器人制造之先河。美国麻省理工学院辐射实验室于1953 年研制成功数控机床，把复杂伺服系统的技术与最新发展的数字计算机技术结合起来，切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺服轴按照模型的轨迹做切削动作。

20 世纪50 年代以后，机器人进入了实用化阶段。1954 年，美国的乔治·德沃尔设计并制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文，并获得了专利。乔治·德沃尔巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起，预定的机械手动作一经编程输入后，机械手就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而能完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器内。在任务执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。

20 世纪60 年代，机器人产品正式问世，机器人技术开始形成。第一个固定式工业机器人是可编程的Unimate，一种电子控制的液压起重臂，可以重复任意运动序列。Unimate是由美国的Consolidated Control 公司根据George C.Devol 的专利研制出的第一台机器人样机。同时，美国机床与铸造公司（AMF）设计制造了另一种可编程的机器人Versatran。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地替代了工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其他发达工业国家为之羡慕。于是Unimate 和Versatran 作为商品开始在世界市场上销售，日本、西欧也纷纷从美国引进机器人技术。这一时期，可实用机械的机器人被称为工业机器人。在机器人崭露头角于工业生产的同时，机器人技术研究也在不断深入。1961 年，美国麻省理工学院Lincoln 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在一起，从而形成了机器人可以凭触觉决定物体的状态。随后，用电视摄像头作为输入的计算机图像处理、物体辨识的研究工作也陆续取得成果。1968 年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J.McCarthy 等人开始对带有手、眼、耳的计算机系统进行研究。

20 世纪70 年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为专门的学科。1970 年，第一次国际工业机器人会议在美国举行。工业机器人各种卓有成效的实用范例促成了机器人应用领域的进一步扩展；同时，又由于不同应用场合的特点，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。而随后的大规模集成电路技术的飞跃发展及微型计算机的普遍应用，使得机器人的控制性能大幅度得到提高、成本不断降低。这种情况导致了数百种类的不同结构、不同控制方法、不同用途的机器人终于在20 世纪80 年代后真正进入了实用化的普及阶段。进入80 年代后，随着计算机、传感器技术的发展，机器人技术已经具备了初步的感知、反馈能力，在工业生产中也开始逐步应用。工业机器人首先在汽车制造业的流水线生产中开始大规模应用，随后，诸如日本、德国、美国这样的制造业发达国家开始在其他工业生产中大量采用机器人作业。

20 世纪80 年代后，机器人朝着越来越智能的方向发展，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效地适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。智能机器人的发展主要经历了3 个阶段，分别是可编程试教、再现型机器人，有感知能力和自适应能力的机器人和智能机器人。其中所涉及的关键技术有多传感器信息融合、导航与定位、路径规划、机器人视觉智能控制和人机接口技术等。进入21 世纪，随着劳动力成本的不断提高、技术的不断进步，各国陆续进行了制造业的转型与升级，出现了机器人替代人的热潮。同时，人工智能发展日新月异，服务机器人也开始走进普通家庭。

经过几十年的发展，机器人技术终于形成了一门综合性学科——机器人学（robotics）。一般来说，机器人学的研究目标是以智能计算机为基础的机器人基本组织和操作，它包括基础研究和应用研究两个方面的内容，研究课题包括机械手设计、机器人动力和控制、轨迹设计与规划、传感器、机器人视觉、机器人控制语言、装置与系统结构和机械智能等。由于机器人学综合了力学、机械学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能、系统工程等多种学科领域的知识，因此，也有人认为机器人学实际上是一个可分为若干学科的学科门类。

2）机器人的特点

（1）移动性

机器人能够适应环境的变化，不固定在一个具体的物理位置，在复杂的硬件和环境感应功能的结合下，利用编程语言在二者之间实现平衡，从而调整自身形态，能够在不受控制的环境中导航。例如，机器人在程序的指示下，通过变换正确的机械构造，以实现在泥泞道路上的自由移动。

（2）交互性

交互性即人与机器人之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，完成确定任务的一种信息交换过程。在与新技术的融合下，机器人具有更高的触觉，更强的与物理环境的交互能力，与人类的紧密合作以及更加自给自足的能力。其中，人机交互是能够通过开发合适的算法并指导机器人设计，以使人与机器人之间更自然、高效地共处的机器人系统。

（3）自主性

所有机器人都包含一定级别的计算机编程代码，其是能够决定机器人何时或如何做某事的程序，无须人工干预即可长时间工作。机器人可以感知其环境，并在该环境内进行运动或操纵的决策。机器人程序分为3 种类型：远程控制、人工智能和混合控制。(www.xing528.com)

①远程控制。具有遥控功能的机器人编程具有一组预先存在的命令，只有当它从控制源（通常是带有遥控器的人）接收到信号时，才会执行该命令。

②人工智能。使用人工智能的机器人可以在没有控制源的情况下自行与环境交互，并可以依据预先存在的编程来确定对对象和遇到的问题的反应。

③混合控制是一种编程形式，结合了人工智能和远程遥控功能。

3）机器人的应用

机器人从20 世纪开始发展以来，取得了长足的进步，在与其他新兴技术的融合下改变了人们进行生产、生活的方式，并在制造、医疗、家用、餐饮、农业等各个领域有着广泛的应用。

（1）机器人在制造领域的应用

长期以来，汽车工业一直以在生产过程中高效使用机械而著称，借助具有机器视觉的机器人可以实现更高水平的生产率和生产质量。福特公司在德国的工厂拥有980 个机器人，每天生产约1 600 辆汽车。机器人的应用包括点焊和弧焊、车身和内部组装以及喷漆和零件处理。随着复杂的机器视觉技术、激光和先进传感器的出现，更加高精度的组装和检查操作开始涌现。借助这一类技术，机器人视觉系统又可分为2D 机器人视觉系统和3D 机器人视觉系统，并集中于两个应用领域：质量验证和定位检测。质量验证包括检查油漆的光洁度，检测车身面板上的凹痕和其他缺陷，检查密封胶和粘胶珠在用于挡风玻璃上的情况，检查焊接和检查组装好的车身的面板间隙。定位检测应用更加非常广泛，包括喷漆、焊接、各种组装操作以及移动机架和托盘之间的零件。

（2）机器人在医疗领域的应用

作为治疗辅助工具，机器人可帮助中风或神经系统疾病患者进行康复训练，患有瘫痪的人能在穿戴式机器人即外骨骼的帮助下自行行走以学习走路甚至爬楼梯，穿戴式机器人即外骨骼能够辅助瘫痪患者进行自由行动。一个机器人可以完成两名治疗师的工作，在锻炼过程中，患者还会收到反馈以调整自身的训练计划。

在手术室中，机器人能够被作为微创手术的精确助手，外科医生不需要操纵剪刀或镊子之类的工具，而是借助操纵杆和脚踏板来控制机器人进行手术，使用操作机器人的程序可以节省时间，并且对患者的侵入性也较小，使发生人为错误的概率降到最低。

（3）机器人在家用领域的应用

家用机器人能够应用于一些日常家务，如割草，吸尘或窗户清洁。通过探测头、摄像机等设备，实现自动调节温度、湿度，监控家居安全使用情况等功能。根据德国联邦信息技术协会Bitkom 的一项研究，参加调查的1 000 多人中有42%期望在家即拥有机器人，超过80%的人希望获得真空清洁或地板清洗的帮助，有41%的人希望机器人在花园中提供帮助，15%的受访者已经在家中安装了机器人。

（4）机器人在餐饮领域的应用

韩国电子集团（Lucky Goldstar，LG）在拉斯维加斯举行的2018 年消费电子展上展示了其新的机器人产品系列CLOi。CLOi 是一款专门针对酒店、机场和超市的商业用途开发的、以替代大部分服务人员工作的机器人。其中，服务机器人能为客户提供食物和饮料。它可以全天候工作（例如在机场、火车站和酒店中），并在托盘上提供餐点。在为客户提供服务后，机器人便会返回服务站以获取新的餐点并完成下一个任务。

（5）机器人在农业领域的应用

机器人在农业上的应用潜力巨大。目前，一些试点项目纷纷采用机器人进行作业，安装在收割机上的机械臂和多光谱摄像机能够优化黄瓜的收割过程。在播种方面，由平板电脑控制的小型种植机器人不仅能播种种子，还能记录所有关键重要信息。操作人员还能应用无人机监测蔬菜产品的成熟度和杂草的生长，并且在必要时可以对关键区域进行喷洒。