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機器人
機器人是怎樣“進化”的？
機器人作為高新技術，其技術和產業發展曆程與世界曆次科技革命和產業變革如影隨行。
王國強 | 中國科協創新戰略研究院研究員，博士。
鄧元慧 | 中國科協創新戰略研究院助理研究員，博士。
機器人發展回顧與思索
機器人常常被譽為“製造業皇冠頂端的明珠”。一方麵，機器人是製造業實現數字化、智能化和信息化的重要載體，其研發、製造、應用是衡量一個國家科技創新和高端製造的重要標誌；另一方麵，機器人技術在社會生活領域的廣泛應用，還催生了可從事修理、運輸、清洗、救援、監護等工作的服務機器人和特種機器人，有望成為“第三次工業革命”的突破口。因此，當前的德國“工業4.0”、美國“重振製造業計劃”、日本“再興戰略”，以及我國的“中國製造2025”等國家創新戰略都把發展機器人作為搶占技術和市場製高點的重要戰略舉措。機器人作為高新技術，其技術和產業發展曆程與世界曆次科技革命和產業變革如影隨行。
機器人及其概念的誕生
機器人概念的誕生和世界上第一台機器人的問世都是近幾十年的事，然而，人類希望能製造出像人一樣的機器代替自己工作卻有幾千年的曆史。
製造出像人一樣的機器既是世界各國文明的不懈追求，也是人類對自身世界的探索。在古代中國文明中，有最早記載黃帝時代發明的“指南車”、西周時期的“伶人”、東周時期魯班的“鵲鳥”，三國時期諸葛亮的“木牛流馬”等自動機械裝置。在其他世界文明中，有公元前1400年左右古巴比倫人發明的“漏壺”，公元前200年古希臘人發明的“自動機”，中世紀歐洲著名科學家和藝術大師達·芬奇發明的以齒輪為驅動裝置，可坐可站且頭部會轉動的“機器人”。
隨著近代科學革命的發生，出現了技術水平更高的“機器人”。例如，1738年法國天才技師戴·沃康鬆發明的“機器鴨”，1773年瑞士鍾表匠傑克·道羅斯父子發明的能寫字的“玩偶”。以蒸汽機發明為標誌的第一次工業革命發生後，1801年法國人雅卡爾發明了穿孔卡片控製的“自動織機”，1822年英國人巴貝奇發明了可編程的機器“差分機”，1893年加拿大人摩爾發明了靠蒸汽驅動能行走的“蒸汽人”，1927年美國西屋公司工程師溫茲利發明了第一個電動機器人“電報箱”。就技術而言，“機器人”完成了從單一的機械動作發展到完成複雜的機械動作，動力裝置也從機械動力發展到電動裝置，並且這種重複性的機械動力裝置被逐漸應用到工廠勞動中。
左上：古巴比倫人發明了“漏壺”
右上：機器鴨 下圖：指南車
20世紀中期，隨著大規模工業生產的需求，自動化技術得到了快速發展。1952年，第一台數控機床誕生；1954年，美國人喬治·德沃爾製造出第一台可編程的機器人；1958年，被譽為機器人之父的美國人約瑟夫·恩格爾伯格創建了世界第一家機器人公司Unimation，並於1962年生產出第一台機器人 ，機器人的曆史才算真正開始。
機器人概念的誕生和認知過程反映了人們對科學技術的期待與擔憂。英文機器人（Robot）一詞最早出現在1920年捷克劇作家卡爾·卡配克(Karel Capek)的劇本《羅薩姆的萬能機器人》（Rossum’s UniversalRobots）中。“robot”一詞源自捷克語“robota”，意為“農奴”。劇中，機器人開始沒有情感，隻能按照主人的命令從事繁重的勞動。後來，羅薩姆公司讓機器人擁有了情感，“覺醒後”的機器人發現了人類的自私、狹隘，於是開始反抗並最終消滅了人類。由於該劇深刻地預告了機器人的發展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關注，機器人的名字由此誕生。因此，從某種意義上講，機器人概念“Robot”從一開始就包含了如何處理人與機器人之間的倫理問題。
為了防止機器人傷害人類，美國科幻作家阿西莫夫(Jsaac Asimov)於1940年提出了“機器人三原則” ：（1）機器人不應傷害人類；（2）機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；（3）機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機器人賦予的倫理性綱領，機器人學術界一直將這個綱領原則作為機器人開發的準則。科幻作家通過自己的創作，反思了科技發展和人類生存空間之間的張力。事實上，當前大家熱議的“社交機器人”“性愛機器人”等，再次把機器人所涉及的倫理問題拋在人們麵前。究竟什麼才是機器人？由於機器人概念賦予了人的含義和哲學思考，充滿了想象空間，大家對機器人的概念始終莫終一是。
但是，科學家和學術界需要更加明確的定義。1967年，在日本召開的第一屆機器人學術會議，就提出了兩個有代表性的定義：一是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”；另一個是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器稱為機器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器。從技術形態上，1981年美國國家標準局（(NBS）提出一個世界公認的機器人定義：“一種通過編程可以自動完成操作或移動作用的機器裝置”。1987年，國際標準化組織對工業機器人進行了定義：“工業機器人是一種具有自動控製的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。”至此，機器人概念才明確下來。
機器人技術日新月異
技術是累積發展的，它在發展過程中存在著累積效應。機器人作為自動化中高級的綜合技術，經曆了長期的技術積累和革命性的突破。從第一台公認的機器人問世到現代機器人，從技術形態上看可為分三代：第一代是示教再現型機器人，主要是在人的控製下完成自主運動；第二代是具備感覺的機器人，能根據傳感器獲得信息，調整狀態完成某項操作；第三代是智能機器人，是通過各種傳感器、測量器等來獲取環境信息並自主進行決策完成預定複雜運動。
從1801年法國人雅卡爾發明了穿孔卡片控製的“自動織機”，到1959年第一台工業機器人的誕生，自動化技術的積累長達一個半世紀。18世紀中後期發生了以蒸汽機為代表的第一次技術革命，使歐洲進入了“機器時代”，為機械運動控製提供了力學意義上的技術基礎。瓦特在發明改進蒸汽機時所發明的離心式調速器是一項重大技術創新突破，可以說開創了機械自動控製的一個新的裏程碑。1801年法國發明的穿孔卡片控製的“自動織機”，1820年法國發明的第一台成品計算機，1830年美國發明的可編程的凸輪機構的可編程自動機，這些積累使機械自動化技術得到了快速發展。19世紀初到20世紀中期發生的以電力應用為標誌的第二技術革命，電力電子技術得到了廣泛應用。1892年美國生產了電力傳動吊車，1898年美籍發明家特斯拉發明了一艘無線電遙控船。1946年美國發明的磁性存儲過程控製器，開辟了工業設備普遍使用編製控製的時代。同年，美國研製成功了第一台大型電子計算機，標誌著數值計算、邏輯推理、記憶存儲技術得到巨大突破，使複雜機械運動自動控製得到巨大發展。1948年，美國數學家維納出版了《控製論》一書，為機器人控製奠定了理論基礎。1952年，第一台數控機床誕生。可以說，長時間的技術積累和理論儲備，以及主導技術的革命性變化，催生了世界第一台機器人在美國的誕生。
提花織布機
第三次技術革命快速實現了從第一代機器人到第三代機器人的大幅跨越。第二次世界大戰以後，電子學、數學、控製論、半導體技術、精密機械、電磁學的發展，大大推動了計算機科學技術的進步。例如，1959年，菲爾克公司研製成了第一台晶體管計算機；1964年，IBM公司出現了第一台360係列計算機，以電子計算機的發明和發展為主要標誌的第三次科學技術革命迅速從美國逐步擴展到了歐洲、日本，並在60年代達到高潮。1962年厄恩斯特研製出帶有觸覺傳感器的機械手，1965年世界上第一個帶有視覺傳感器的機器人誕生。1968年，美國斯坦福國家研究所研製的機器人Shakey具備了一定的人工智能，能夠進行感知、環境建模、行為規劃並執行任務。由於當時技術所限，控製Shakey的計算機體積過於龐大且運算速度緩慢，未能投入實際應用中，但它卻是世界上第一台智能機器人，具有劃時代的意義。這些機器人又常常被稱為“積木世界”中的活動試驗裝置。
特別是20世紀70年代以後，電子計算機的廣泛應用，建立了用計算機對運動軌跡的輔助製圖的算法和程序，使現代控製技術、傳感技術、人工智能技術的進一步發展，第二代機器人也得到了迅速的發展。1974年美國辛辛那提·米拉克龍公司開發了多關節機器人。1979年，Unimation公司又推出了PUMA機器人，它是一種多關節、全電機驅動、多CPU二級控製的機器人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力覺傳感器，是當時技術最先進的工業機器人。
20世紀80年代，不同結構、不同控製方法和不同用途的工業機器人在發達國家進入了實用化普及階段。日本把1980年稱為“機器人普及元年”，開始在各個領域推廣使用機器人，傳感技術和智能技術的廣泛應用，使智能機器人概念日漸深入人心。1985年以後，在日本稱為“智能機器人的時代”。短短20年時間，機器人實現了從第一代到第三代的大幅跨越。因此，第三次科技革命也可稱為機器人技術發展的“黃金時代”。
當前，新一輪科技革命蓄勢待發，機器人技術與新一代信息技術、生物技術、新材料技術、傳感器技術的融合不斷加快，也為智能機器人、仿生機器人以及新一代機器人的誕生與發展打開了大門。例如，2010年日本發那科公司推出了第一台學習控製機器人，2014年日本推出了高仿真人形機器人等。
產業邁入智能化階段
機器人產業與機器人技術是兩個不同的概念，機器人產業的形成除了具有機器技術係統之外，還需要機器人的製造係統，即具有專門生產機器人的整機、主機元件和配套設備的廠家。因此，機器人產業的形成關鍵在於機器人的製造和機器人的使用緊密結合的程度。從這個意義上講，機器人產業發展劃分為四個階段：產業孕育期、產業形成期、產業發展期和智能化時期。
第一階段產業孕育期為20世紀50年代至60年代，主要發生在美國。從技術發展的角度看，在社會需求刺激下經曆了100多年的技術儲備，機器人技術終在美國實現。但是，從產業發展的角度看，除了技術進步作為產業形成的核心力量之外，機器人企業的誕生和一定數量的從業人員也是必不可少的條件。1958年，世界第一家機器人企業Unimation誕生（1960年被Condec公司收購），同年美國機床鑄造公司也研製出了機器人；1962年，第一台機器人Unimate在通用汽車製造廠上線； 20世紀60年代中期，美國企業中出現了各種各樣的遙控機械手或稱操作器，能像人手一樣靈活地進行各種作業，使機器人製造有了生產基礎。同時，美國原子能委員會阿爾貢研究所、美國麻省理工學院、斯坦福國際研究所、斯坦福大學等相繼成立了機器人和人工智能研究室，也培養大批機器人技術從業人員。
另外，美國機器人產業的興起還有其深刻的社會經濟原因：一是20世紀30年代至50年代逐步建立起來適應大規模生產的流水生產線，由於改變周期較長，不適應多種小批量生產的需要，柔性生產線的概念及試驗性的設計就此誕生；二是市場競爭要求企業提高勞動生產率，自動化生產和機器人生產在當時可提高30%生產率；三是美國老齡化人口增長較快，1960年已達34%，而年青人又不願在高溫或有毒的環境下幹那些單調、重複性的工作。盡管第一台機器人在美國誕生，但是產業發展緩慢。究其原因，主要是美國政府擔心機器人導致就業情況惡化，且當時的機器人結構複雜、造價高，嚇跑了許多使用廠家。日本川崎重工業公司從美國Unimation公司引進了機器人和機器人技術，建立起生產車間，並於1968年試製出第一台川崎的Unimate機器人。與此同時，大小工廠競相研製機器人，一時總數達86家之多，形成了日本機器人發展的第一次高潮，為機器人全球產業的形成做出奠定了基礎。
第二階段產業形成期為20世紀70年代至80年代，主要發生在日本。為了使機器人產業穩步發展，1973年以米本完二為首的一批有識之士發起成立了日本產業用機器人協會，成為製造廠與用戶之間的紐帶。協會通過各種辦法引進國外的先進技術，準確地預測現在和將來的需求與可能，以此為據製定各個時期的發展課題，有組織、有步驟、有計劃地進行研究，逐步建立起從基礎元件到輔機在內的日本機器人工業生產體係。到了1980年，已經擁有包括生產固定程序等簡易機器人在內的生產廠家120多家，僅生產高級機器人的廠家就有70家，占世界這類廠家總數的40%。工業機器人的年產量達到19300台，累積生產台數76700台，占世界擁有量的70%左右，年產值為784億日元，累積產值2339億日元，居世界各國之首，堪稱世界“機器人王國”。日本機器人的廣泛應用使美國政府與企業對於工業機器人的應用認識有了改變，開始製定機器人重點技術路線，機器人行業的發展集中於航空、核工程、海洋等特殊領域的高級機器人的開發，機器人的主要用戶是政府和軍方。
第三階段產業發展期為20世紀90年代至21世紀初期。這個時期的機器人產品的主要特征是研發多樣化和市場全球化。機器人開發範圍不斷擴大，服務、特種機器人進入研究階段。在滿足本國需求的同時，不斷向外輸出機器人產品，市場逐步趨於成熟。20世紀90年代，日本泡沫經濟破滅，經濟蕭條，於是日本機器人市場逐步向全球市場轉移，海外成為拉動日本機器人產業增長的重要力量，日本出現曆史上第二次機器人熱潮。1996年，那智不二越公司拓展其機器人業務至切割工具、軸承等領域。2000年，日本本田技研工業株式會社研究出第一代仿人機器人。20世紀90年代後期，美國在語音識別技術、圖像識別和分析領域加緊布局，使美國在機器人軟件領域處於領先地位，推動了機器人向智能化方向發展。1999年，IntuitiveSurgical公司推出達芬奇手術機器人。德國、瑞士等國的機器人產業這時也開始形成規模。
第四階段智能化時期為21世紀初期至今。主要特征是機器人市場穩步增長，智能化成為發展趨勢，工業機器人產業鏈極具優勢。進入21世紀後，受到勞動力不足、人口老齡化等剛性需求的驅動，與人均可支配收入提升和物聯網、大數據、計算機、人機交互等先進技術快速迭代的影響，人們對機器人的需求日益多樣化且要求更加智能化的機器人應用於實際。因此，除了工業機器人，各類服務機器人應運而生，且具有廣闊的發展空間。但是，由於服務機器人的外圍技術未能解決、單位價值高的服務機器人整體水平技術低下、發展速度緩慢等原因，全球服務機器人市場仍然處於起步階段。而工業機器人產業的發展，除2008年第四季度全球金融風暴導致工業機器人的銷量急劇下滑，直至2010年全球工業機器人市場逐漸由2009年的穀底恢複外，全球工業機器人的需求總體穩步增長。特別是2010年以來，汽車業投資擺脫了周期性的影響，呈現持續增長態勢，對工業機器人的需求也逐步增加。此外，電子電氣製造、橡塑製品、製藥、食品與飲料以及金屬與機加工等產業的發展，也增加了對工業機器人的需求。根據國際機器人聯合會（IFR）的數據顯示，2015年全球工業機器人銷量首次突破24萬台，其中亞洲銷量約占全球銷量的2/3，銷量為14.4萬台；歐洲地區為5萬台，其中東歐地區銷量增速達到29%，是全球增長最快的地區之一；北美地區銷量達到3.4萬台。中國、韓國、日本、美國和德國的總銷量占全球銷量的3/4。中國、美國、韓國、日本、德國、以色列等國是近年工業機器人技術、標準及市場發展較活躍的地區 。
我國機器人發展進入頂層設計階段
20世紀70年代初期我國開始機器技術研究，80年代初一些學術組織和相關研究機構相繼成立，並實施國家“863計劃”。90年代，基本實現了國產機器人的商品化，一批具有自主知識產權的點焊、弧焊、裝配等產品相繼問世。進入21世紀後，我國機器人技術及產業得到迅勐發展。“十五”期間國家對機器人發展做出了戰略調整，從單純的機器人技術研發向機器技術與自動化工業裝備擴展。“十一五”期間重點開展了機器人共性技術的研究。“十二五”期間，重點放在促進機器人產業鏈逐步形成上。“十三五”期間，主要是加強頂層設計。《中國製造2025》把機器人作為重點發展領域，並專門出台《機器人產業發展規劃（(2016—2020年）》，機器人的發展成為實現《中國製造2025》的關鍵。2015年舉辦的首屆世界機器大會，大大提高了我國機器人產業的影響力。但是，我們也要認識到，當前我國機器人核心技術仍受製於人，相關產品質量、性能、可靠性等方麵也與國外產品有較大差距，總體的技術水平仍處於前沿跟蹤階段，隻在部分特種機器人領域實現並跑。
“
回顧機器人的概念產生、技術發展和產業形成的曆史過程，至少給我們帶來了幾點啟示。一是“Robot”一詞的出現和被廣泛使用，反映了技術創新中我們應該遵循什麼樣的倫理準則。機器人因為代替人工作而出現，機器人因為要代替人給人們帶來恐懼與不安，技術發展的不確定性要求人們重視技術創新的倫理問題。二是機器人技術的發展曆程反映了技術積累與技術革命之間的關係。機器人技術是一項高級自動化技術，從機械自動化到電氣自動化，再到智能自動化不斷發展的過程，期間的曆次技術革命所帶來的技術創新對自動化成為一門學科都產生了重要影響。三是機器人產業的形成和發展壯大過程反映了國家社會的需求、技術基礎積累和企業創新之間的關係。造成美國機器人產業、日本機器人產業發展不平衡性的重要原因，不是技術的差距而是產業政策的不同。
”
機器人發展簡史
古代機器人
黃帝時代：5000多年前，我國古代就已經發明了用來指示方向的一種機械裝置“指南車”。
西周時期，我國的能工巧匠偃師研製出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機器人。
公元前1400年，古巴比倫人發明了“漏壺”，利用水流來計量時間。
公元前200年，古希臘人發明了“自動機”，以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。
1738年，法國天才技師雅克·戴·沃康鬆（Jacques de Vaucanson）發明了“機器鴨”。
1773年，瑞士的鍾表匠皮埃爾·雅克德羅父子發明了能寫字和演奏的“玩偶”。
1801年，法國人約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（Joseph MarieJacquard）)發明了提花織布機(Jacquard Loom)
現代機器人
1954年，美國人喬治·沃爾德製造出第一台可編程的機器人
1958年，被譽為機器人之父的美國人約瑟夫·恩格爾伯格創建了世界上第一家機器人公司Unimation。
1959年， Unimation公司生產出第一台工業機器人。
1965年，世界上第一個帶有視覺傳感器的機器人誕生。
1968年，美國斯坦福國家研究所研製的機器人Shakey具備了一定的人工智能。
1974年美國辛辛那提·米拉克龍公司開發了多關節機器人。
1979年，Unimation公司推出了PUMA機器人，是當時技術最先進的工業機器人。
2010年，日本發那科公司推出了第一台學習控製機器人（Learning Control Robot）
2014年，日本推出了高仿真人形機器人
2015年，首屆機器人大會在中國召開，標注著中國的機器人進入大發展時期。
最後更新：2017-10-08 00:57:54