机器人简介与应用探索

1.机器人的概念及分类

机器人技术（Robotics）作为20 世纪人类最伟大的发明之一，自20 世纪60 年代初问世以来，经历了将近60 年的发展，已经取得了显著的成果。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

机器人（Robots）的定义没有一个统一的意见，原因之一是机器人还在发展，新的机型、新的功能不断涌现，领域不断扩展。但根本原因是机器人涉及人的概念，故成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生在科幻小说中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。

随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。

1886 年，法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》 中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”，它由四个部分组成：

第一部分是能够保持平衡、实现步行和发声、身体能够摆动、有感觉和丰富的表情、能够调节运动等功能的生命系统；

第二个部分是能够实现自由运动的金属覆盖体组成的关节，还有一种盔甲作为造型材料；

第三个部分是在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体各种形态的人造肌肉；

第四个部分是含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等的人造皮肤。

1920 年，捷克作家卡雷尔发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致了机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发现人类十分自私和不公平，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。但是，机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了，这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。

卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引起人们不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940 年提出了“机器人三大原则”：

第一，机器人不应伤害人类；

第二，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

第三，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三大原则作为机器人开发的准则。

1967 年日本召开了第一届机器人学术会议，提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“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、奴隶性七个特征的柔性机器”。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、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有以下三个条件的机器称为机器人：

第一，具有脑、手、脚等三要素的个体；

第二，具有非接触传感器，比如用眼、耳接收远方信息的传感器和接触传感器；

第三，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的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”

有上述可见，机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。动物一般也具有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵敏性和自动化的机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空间空中机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出了更加广阔的发展空间。

中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是20 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大，引起了人类的高度重视。

关于机器人如何分类，国际上没有统一制定标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，还有的按应用领域分。一般的分类方法见表16-1。

表16-1　机器人的分类(www.xing528.com)

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人和农业机器人等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人和微操作机器人等。目前，国际上有些机器人学者，从应用环境出发将机器人分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类基本是一致的。

2.机器人的发展历程

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事，然而人们对机器人的幻想与追求却已有3 000 多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。

据战国时期《考工记》 里的一则寓言记载，早在西周时期，我国的能工巧匠偃师用动物皮、木头、树脂制作出了能歌善舞的伶人，不仅外貌完全像一个真人，而且还有思想感情，甚至有了情欲。这虽然是寓言中的幻想，但其利用了战国当时的科技成果，也是中国最早记载的木头机器人的雏形。

春秋后期，我国著名的木匠鲁班（其在机械方面也是一位发明家），据《墨经》 记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。

公元前2 世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人——自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。

一千八百年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。该计里鼓车能够自动计算车程并予以击鼓提醒，每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。

后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。

1662 年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机械玩偶，并在大阪的道顿堀演出。

1738 年，法国天才技师杰克发明了一只机械鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。

在当时自动玩偶的研制中，最杰出的是瑞士的钟表匠杰克和他的儿子路易。1773 年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。由于当时技术条件限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于200 年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。

19 世纪中叶，自动玩偶分为两个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831 年歌德发表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870 年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》；1883 年科洛迪的《木偶奇遇记》 问世；1886 年《未来夏娃》 问世。在机械实物制造方面，1893 年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

进入20 世纪后，机器人的研究和开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器相继问世，1927 年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。

1959 年第一台工业机器人——采用可编程控制器、圆柱坐标机械手的机器人，在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

现代机器人的研究始于20 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。自1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952 年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947 年开发了遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从机械手。

1954 年，美国的戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人，现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

示教再现机器人作为机器人产品最早的实用机型是1962 年美国AMF 公司推出的“Verstran”和Unimation 公司推出的“Unimate”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相同，但外形特征迥异，主要是由类似人的手和臂组成的。

1965 年，麻省理工学院的Roborts 演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。

1967 年，日本成立了仿生机构研究会，同年召开了日本首届机器人学术会议。

1970 年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。自此以后，机器人的研究得到了迅速广泛的普及。

1973 年，辛辛那提·米拉克隆公司的豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是由液压驱动的，能提升的有效负载达45 kg。到了1980 年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。

随着计算机技术和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的飞速发展，机器人在功能和技术层面上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉、触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20 世纪80 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为现实。将机器人的技术，如传感技术、智能技术、控制技术等，扩散和渗透到各个领域，形成了各种各样的新机器——机器人化机器。当前，与信息技术的交互和融合产生了“软件机器人”“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。

1992 年，从麻省理工学院分离出来的波士顿动力公司相继研发出能够直立行走的军事机器人Atlas 以及四足全地形机器人“大狗”“机器猫”等，令人叹为观止。它们是世界第一批军用机器人。Atlas 大狗机器人身高1.9 m，拥有健全的四肢和躯干，配备了28 个液压关节，头部内置包括立体照相机和激光测距仪，佛罗里达人机交互协会的研究员们甚至编写了内置软件让Atlas 可以开车。

如今机器人的应用面越来越宽，除了应对日常的生活和生产外，科学家们还希望机器人能够胜任更多的工作，包括探测外空。2012 年，美国“发现号”成功将首台人形机器人送入国际空间站。这位机器宇航员被命名为“R2”。R2 活动范围接近于人类，并可以像宇航员一样执行一些比较危险的任务。

近三十年来，人们对“AI”“深度学习”进行了深入的研究。随着大数据时代的到来，以数据为依托的深度学习技术取得了突破性的进展，比如语音识别、图像识别、人机交互等。在2016 年首次亮相的“索菲亚”机器人就是AI 机器人的典型代表，她集机器人技术、AI 和艺术创造于一身，拥有杰出的表现力、美感和互动能力，可以模仿一系列人类的面部表情，追踪并识别样貌，以及与人类自然交谈，经常活跃于世界经济论坛等重要全球活动，担任嘉宾和主持人。2017 年，沙特阿拉伯给予“Sophia”公民权，索菲娅成为第一个拥有公民权的机器人。

此外，阿尔法狗（AlphaGo）也是AI 机器人中的传奇人物。2017 年11 月，阿尔法狗以3 ∶0 战胜中国围棋第一人柯洁。当然，在阿尔法狗胜利的背后，凝聚了阿尔法狗日复一日的“刻苦努力”。实际上，阿尔法狗借助48 个神经网络训练专用芯片，参考了海量人类的棋谱，并自我对弈3 000 万盘，又经数月训练，才以4 ∶1 大败韩国九段棋手李世石，以3 ∶0 战胜人类最强棋手中国的柯洁，最终封神。这完全可以说是一个励志故事了，就在人们还没有弄懂阿尔法狗的时候，它的“弟弟”阿尔法元（Alpha Zero）又横空出世。但是阿尔法元可没有它这么刻苦，阿尔法元的先天条件良好，是个不折不扣不需要努力就能成功的“富二代”。阿尔法元不像阿尔法狗那样，进行海量的数据分析和自我对弈，而是去进行自我学习，另辟蹊径：它仅仅被告知如何从零开始学围棋的原理，然后加入了若干种算法。人们一般认为机器学习就是大数据和海量计算，但是阿尔法元让科学家们意识到，算法比计算、数据更加重要。在阿尔法元上使用的计算，要比在阿尔法狗上使用的少一个数量级，但却运用了更多的算法，这就使得阿尔法元比阿尔法狗更加强大。阿尔法元诞生之后，能力日渐增强，在第3 天，就以100 ∶0 的成绩打败了战胜李世石的AlphaGo Lee；到第21 天，打败了战胜柯洁的AlphaGo Master；到第40 天，就打败了过去的所有阿尔法狗，这是连科学家自己都惊艳的成绩。

然而，话又说回来，无论阿尔法元多么可怕，AI 多么强大，它都应以人性为底线，以伦理、道德为标杆，就像阿尔法狗在打败柯洁后宣布不再与人类对战，确保了人类围棋生态的平衡一样。AI 的发展都应为人类服务，只有这样才能让AI 散发出更具有人性的魅力。