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　　從古至今 看機器人發展歷史

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　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

機器人的誕生和機器人學的建立及發展，是20世紀自動控制領域最具說服力的成就，是20世紀人類科學技術進步的重大成果。現在全世界已經有100萬臺機器人，銷售額每年增加20%及以上。機器人技術和工業得到了前所未有的發展。機器人技術是現代科學與技術交叉和綜合的體現，先進機器人的發展代表著國家綜合科技實力和水平，因此目前許多國家都已經把機器人技術列入本國21世紀高科技發展計劃隨著機器人應用領域的不斷擴大，機器人已從傳統的制造業進入人類的工作和生活領域，另外，隨著需求范圍的擴大，機器人結構和形態的發展呈現多樣化。高端系統具有明顯的仿生和智能特征，其性能不斷提高，功能不斷擴展和完善；各種機器人系統便逐步向具有更高智能和更密切與人類社會融洽的方向發展。

　　一、早期機器人的發展

　　機器人的起源要追溯到3000多年前。“機器人”是存在于多種語言和文字的新造詞，它體現了人類長期以來的一種愿望，即創造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進行各種工作。

　　直到四十多年前，“機器人”才作為專業術語加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻已存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066年~前771年），就流傳著有關巧匠偃師獻給周穆王一個藝妓（歌舞機器人）的故事。

春秋時代（公元前770~前467）后期，被稱為木匠祖師爺的魯班，利用竹子和木料制造出一個木鳥，它能在空中飛行，“三日不下”，這件事在古書《墨經》中有所記載，這可稱得上世界第一個空中機器人。

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　　古代機器人

　　東漢時期（公元25~220），我國大科學家張衡，不僅發明了震驚世界的“候風地動儀”，還發明了測量路程用的“計里鼓車”，車上裝有木人、鼓和鐘，每走1里，擊鼓1次，每走10里擊鐘一次，奇妙無比。

　　三國時期的蜀漢（公元221~263），丞相諸葛亮既是一位軍事家，又是一位發明家。他成功地創造出“木牛流馬”，可以運送軍用物資，可成為最早的陸地軍用機器人。

在國外，也有一些國家較早進行機器人的研制。公元前3世紀，古希臘發明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁諾斯塑造了一個守衛寶島的青銅衛士塔羅斯。

　　在公元前2世紀出現的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。

　　公元前2世紀，古希臘人發明了一個機器人，它是用水、空氣和蒸汽壓力作為動力，能夠動作，會自己開門，可以借助蒸汽唱歌。

1662年，日本人竹田近江，利用中標技術發明了能進行表演的自動機器玩偶；到了18世紀，日本人若井源大衛門和源信，對該玩偶進行了改進，制造出了端茶玩偶，該玩偶雙手端著茶盤，當講茶杯放到茶盤上后，它就會走向客人將茶送上，客人取茶杯時，它會自動停止走動，帶客人喝完茶姜茶被放回茶盤之后，他就會轉回原來的地方，煞是可愛。

　　法國的天才冀師杰克·戴·瓦克遜，于1738年發明了一直機器鴨，他會游泳。喝水、吃東西和排泄，還會嘎嘎叫。

　　瑞士鐘表名匠德羅斯父子三人于公元1768~1774年間，設計制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風琴偶人。它們是由凸輪控制和彈簧驅動的自動機器，至今還作為國寶保存在瑞士納切特爾市藝術和歷史博物館內。同時，還有德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍哥雷姆”，日本物理學家細川半藏設計的各種自動機械圖形，法國杰夸特設計的機械式可編程織造機等。

1770年，美國科學家發明了一種報時鳥，一到整點，這種鳥的翅膀、頭和喙便開始運動，同時發出叫聲，他的主彈簧驅動齒輪轉動，是活塞壓縮空氣而發出叫聲，同時齒輪轉動時帶動凸輪轉動，從而驅動翅膀、頭運動。

　　1893年，加拿大摩爾設計的能行走的機器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力的。這些機器人工藝珍品，標志著人類在機器人從夢想到現實這一漫長道路上，前進了一大步（擴展閱讀：工業機器人最新技術與應用專題）。

　　二、近代機器人的發展

　　1920年，原捷克斯洛伐克劇作家卡雷爾·凱培克在他的科幻情節劇《羅薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“機器人” （Robot）這個名詞，被當成了機器人一詞的起源。在捷克語中，Robot這個詞是指一個賦役的努力。

20世紀初期，機器人已躁動于人類社會和經濟的母胎之中，人們含有幾分不安地期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。針對人類社會對即將問世的機器人的不安，美國著名科學幻想小說家阿西莫夫于1950年在他的小說《我是機器人》中，首先使用了機器人學（Robotics）這個詞來描述與機器人有關的科學，并提出了有名的“機器人三守則”：

　　（1） 機器人必須不危害人類，也不允許他眼看人將受害而袖手旁觀；

　　（2） 機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；

　　（3） 機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它做出犧牲。

這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導方針。

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　　圖一 第一代機器人

通常可將機器人分為三代。第一代是可編程機器人（如圖一）。這類機器人一般可以根據操作員所編的程序，完成一些簡單的重復性操作。這一帶機器人從20世紀60年代后半期開始投入使用，目前他在工業界得到了廣泛應用。第二代是感知機器人（如圖二），即自適應機器人，它是在第一代機器人的基礎上發展起來的，具有不同程度的“感知”能力。這類機器人在工業界已有應用。第三代機器人將具有識別、推理、規劃和學習等智能機制，它可以把感知和行動智能化結合起來，因此能在非特定的環境下作業，故稱之為智能機器人（如圖三）。目前，這類機器人處于試驗階段，將向實用化方向發展。

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　　圖二第二代機器人

今日工業機器人的最早研究可追溯到第二次大戰后不久。在40年代后期，橡樹嶺和阿爾貢國家實驗室就已開始實施計劃，研制遙控式機械手，用于搬運放射性材料。這些系統是“主從”型的，用語準確地“模仿”操作員手和臂的動作。主機械手由使用者進行導引做一連串動作，而從機械手盡可能準確地模仿主機械手的動作，后來用機械耦合主從機械手的動作加入力的反饋，使操作員能夠感覺到從機械手及其環境之間產生的力。50年代中期，機械手中的機械耦合被液壓裝置所取代，如通用電氣公司的“巧手人”機器人和通用制造廠的“怪物”I型機器人。1954年G.C.Devol提出了“通用重復操作機器人”的方案，并在1961年獲得了專利。同一時期誕生了利用肌肉生物電流控制的上臂假肢。

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　　圖三 第三代機器人

1958年，被譽為“工業機器人之父”的Joseph F.Engel Berger創建了世界上第一個機器人公司——Unimation（Univeral Automation）公司，并參與設計了第一臺Unimate機器人（如圖四）。這是一臺用于壓鑄的五軸液壓驅動機器人，手臂的控制由一臺計算機完成。它采用了分離式固體數控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶完成180個工作步驟。與此同時，另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業機器人，即Versatran（Versatile Transfer）機器人。它主要用于機器之間的物料運輸、采用液壓驅動。該機器人的手臂可以繞底座回轉，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認為Unimate和Versatran機器人是世界上最早的工業機器人。

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　　圖四 Unimate機器人

1959年，美國Consolidated Controls公司研制出第一代工業機器人原型。1960年美國機床鑄造公司（AMF）生產出圓柱坐標的VERSATRAN型機器人，可做點位和軌跡控制，同年第一批電焊機器人用于工業生產。隨后，美國Unimation公司研制出球坐標的UNIMATE型機器人，它采用電液伺候驅動，磁鼓存儲，可完成近200種示教在線動作。

　　可以說，60年代和70年代是機器人發展最快、最好的時期，這期間的各項研究發明有效地推動了機器人技術的發展和推廣。主要成就如表一。

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　　表一 機器人技術發展編年表

雖然，編程機器人是一種新穎而有效的制造工具，但到了60年代，利用傳感器反饋大大增強機器人柔性的趨勢就已經很明顯了。60年代早期，H.A.厄恩斯特于1962年介紹了帶有觸覺傳感器的計算機控制機械手的研制情況。這種稱為MH-1的裝置能“感覺”到塊狀材料，用此信息控制機械手，把塊狀材料堆起來，無需操作員幫助。這種工作是機器人在合理的非結構性環境中具有自適應特性的一例。機械手系統是六自由度ANL Model-8型操作機，由一臺TX-O計算機通過接口裝置進行控制。此研究項目后來成為MAC計劃的一部分，在機械手上又增加了電視攝像機，開始進行機器感覺研究。與此同時，湯姆威克和博奈也于1962年研制出一種裝有壓力傳感器的手爪樣機，可檢測物體，并向電機輸入反饋信號，啟動一種或兩種抓取方式。一旦手爪接觸到物體，與物體大小和質量成比例的信息就通過這些壓力敏感元件傳輸到計算機1963年，美國機械鑄造公司推出了VERSATRAN機器人商品，同年初，還研制了多種操作機手臂，如Roehampton型和Edinburgh型手臂。

在60年代后期，麥卡錫于1968年和他在斯坦福工人智能實驗室的同事報告了有手、眼和耳（即機械手、電視攝象機和拾音器）的計算機的開發情況。他們表演了一套能識別語音命令、“看見”散放在桌面上的方塊和按指令進行操作的系統。皮珀也在1968年研究了計算機控制的機械手的運動學問題。在1971年卡恩和羅恩分析了機械限位手臂開關式（最短時間）控制的動力學和控制問題。

這時，其他國家（特別是日本）也開始認識到工業機器人的潛力。早在1968年，日本川崎重工業公司與Unimation公司談判，購買了其機器人專利。1969年，機器人出現了不尋常的新發展，通用電氣公司為誒過陸軍研制了一種試驗性步行車。同年，研制出了“波士頓”機械手，次年又研制出了“斯坦福”機械手。后者裝有攝像機和計算機控制器。把這些機械手用作機器人的操作機，是一些重大的機器人研究工作開始了。對“斯坦福”機械手所做的一項實驗是根據各種策略自動地堆放狀材料。在當時對于自動機器人來說，這是一項非常復雜的工作。1974年Cincinnati Milacron公司推出了第一臺計算機控制的工業機器人，定名為“The Tomorrow Tool”。它能舉起重達45.36kg的物體，并能跟蹤裝配線上的各種移動物體。

在此期間，智能機器人的研究也有進展，1961年美國麻省理工學院研制出有觸覺的MH-1型機器人，在計算機控制下用來處理放射性材料。1968年美國斯坦福大學研制出名為SHAKEY的智能移動機器人。從60年代后期起，噴漆、弧焊機器人相繼在工業生產中應用，由加工中心和工業機器人組成的柔性加工單元標志著單件小批生產方式的一個新的高度。幾個工業化國家競相開展了具有視覺、觸覺、多手、多足，能超越障礙、鉆洞、爬墻、水下移動的各種智能機器人的研究工作，并開始在海洋開發、空間探索和核工業中試用。整個60年代，機器人技術雖然取得了如上列舉的許多進展，建立了產業并生產了多種機器人商品，但是在這一階段多數工業部門對應用機器人還持觀望態度，機器人在工業應用方面的進展并不快。

在70年代，大量的研究工作把重點放在使用外部傳感器來改善機械手的操作。1973年博爾斯和保羅在斯坦福使用視覺和力反饋，表演了與PDP-10計算機相連由計算機控制的“斯坦福”機械手，用于裝配自動水泵。幾乎同時，IBM公司的威爾和格羅斯曼在1975年研制了一個帶有觸覺和力覺傳感器的計算機控制的機械手，用于完成20個零件的打字機機械裝配工作。1974年，麻省理工學院人工智能實驗室的井上對力反饋的人工智能作了研究。在精密裝配作業中，用一種著陸導航搜索技術進行初始定位。內文斯等人于1974年在德雷珀實驗室研究了基于依從性的傳感技術。這項研究發展為一種被動柔順（稱為間接中心柔順，RCC）裝置，它與機械手最后一個關節的安裝板相連，用于緊配合裝配。同年，貝杰茨在噴氣推進實驗室為空間開發計劃用的擴展性“斯坦福”機械手提供了一種基于計算機的力矩控制技術。從那以后相繼提出了多種不同的用于機械手伺候的控制方法。

　　1979年Unimation公司推出了PUMA系列工業機器人，他是全電動驅動、關節式結構、多CPU二級微機控制、采用VAL專用語言，可配置視覺、觸覺的力覺感受器的，技術較為先進的機器人。同年日本山梨大學的牧野洋研制成具有平面關節的SCARA型機器人。整個70年代，出現了更多的機器人商品，并在工業生產中逐步推廣應用。隨著計算機科學技術、控制技術和人工智能的發展，機器人的研究開發，無論就水平和規模而言都得到迅速發展。據國外統計，到1980年全世界約有2萬余臺機器人在工業中應用。

進入80年代后，機器人生產繼續保持70年代后期的發展勢頭。到80年代中期機器人制造業成為發展最快和最好的經濟部門之一。機器人在工業中開始普及應用，工業化國家的機器人產值近幾年以年均20%~40%的增長率上升。1984年全世界機器人使用總臺數是1980年的四倍，到1985年底，這一數字已達到14萬臺， 1990年達到30萬臺左右，其中高性能的機器人所占比例將不斷增加，特別是各種裝配機器人的產量增長較快，和機器人配套使用的機器視覺技術和裝置正在迅速發展。1985年前后，FANUC和GMF公司又先后推出交流伺候驅動的工業機器人產品。

到80年代后期，由于傳統機器人用戶應用工業機器人已經飽和，從而造成工業機器人產品的積壓，不少機器人廠家倒閉或被兼并，是國際機器人學研究和機器人產業出現不景氣。到90年代初，機器人產業出現復蘇和繼續發展跡象。但是，好景不長，1993~1994年又跌入低谷。1995年后，世界機器人數量逐年增加，增長率也較高，1998年丹麥樂高公司推出了機器人套件，讓機器人的制造變得像搭積木一樣相對簡單又能任意拼裝，從而使機器人開始走入個人世界。機器人學以較好的發展勢頭進入21世紀。2002年丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba（如圖五），他能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座，這是目前世界上銷量最大、最商業化的家用機器人。近年來，全球機器人行業發展迅速，2007年全球機器人行業總銷售量比2006年增長10%。人性化、重型化、智能化已經成為未來機器人產業的主要發展趨勢。現在全世界服役的工業機器人總數在100萬臺以上。此外，還有數百萬服務機器人在運行。

　　阿富汗戰爭中，美國軍方領導人決定向阿富汗派遣一種名為“大狗”的新型機器人，作為增兵計劃的一部分。與以往各種機器人不同的是，“大狗”并不依靠輪子行進，而是通過其身下的四條“鐵腿”。美媒體報道稱，美軍正在將阿富汗作為測試這種具有高機動能力的機器人的試驗場。

在過去30~40年間，機器人學和機器人技術獲得引人注目的發展，具體體現在：①機器人產業在全世界迅速發展；②機器人的應用范圍遍及工業、科技和國防的各個領域；③形成了新的學科——機器人學；④機器人向智能化方向發展；⑤服務機器人成為機器人的新秀而迅猛發展。

我國是從20世紀80年代開始涉足機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃，1987年，我國的“863”高技術計劃將機器人方面的研究開發列入其中。目前我國從事機器人研究和應用開發的主要是高校及有關科研院所等。最初我國在機器人技術方面研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術。隨后，我國在機器人技術及應用方面取得了很大的成就，主要研究成果有：哈爾濱工業大學研制的兩足步行機器人，北京自動化研究所1993年研制的噴涂機器人，1995年完成的高壓水切割機器人，沈陽自動化研究所研制完成的有纜深潛300m機器人、無纜深潛機器人、遙控移動作業機器人。

　　我國在仿人形機器人方面，也取得很大的進展。例如，中國國防科學技術大學經過10年的努力，于2000年成功地研制出我國第一個仿人形機器人——“先行者”，其身高140厘米，重20公斤。它有與人類似的軀體、頭部、眼睛、雙臂和雙足，可以步行，也有一定的語言功能。它每秒走一步到兩步，但步行質量較高：既可在平地上穩步向前，還可自如地轉彎、上坡；既可以在已知的環境中步行，還可以在小偏差、不確定的環境中行走。

　　三、未來機器人的展望

展望未來，對機器人的需求是多面的。在制造工業由于多數工業產品的商品壽命逐漸縮短，品種需求加多，這就促使產品的生產就要從傳統的單一品種成批大量生產逐步向多品種小批量柔性生產過渡。有各種加工裝備、機器人、物料傳送裝置和自動化倉庫組成的柔性制造系統，以及由計算機統一調度的更大規模的集成制造系統將逐步成為制造工業的主要生產手段之一。

現在工業上運行的90%以上的機器人，都不具有智能。隨著工業機器人數量的快速增長和工業生產的發展，對機器人的工作能力也提出了更高的要求，特別是需要各種具有不同程度智能的機器人和特種機器人。這些智能機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動；有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產品檢驗；有的具有自主控制和決策能力。這些智能機器人，不僅應用各種反饋傳感器，而且還運用人工智能中各種學習、推理和決策技術。智能機器人還應用許多最新的智能技術，如臨場感技術、虛擬現實技術、多真體技術、人工神經網絡技術、遺傳算法和遺傳編程、放聲技術、多傳感器集成和融合技術以及納米技術等。可以說，智能機器人將是未來機器人技術發展的方向。

　　( 文章來源：互聯網 )

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