一、早期機(jī)器人的發(fā)展

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

　　直到四十多年前，“機(jī)器人”才作為專業(yè)術(shù)語加以引用，然而機(jī)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(guān)巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個藝妓（歌舞機(jī)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?shù)聂敯?，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(jīng)》中有所記載，這可稱得上世界第一個空中機(jī)器人。

古代機(jī)器人

　　東漢時期（公元25~220），我國大科學(xué)家張衡，不僅發(fā)明了震驚世界的“候風(fēng)地動儀”，還發(fā)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(fā)明家。他成功地創(chuàng)造出“木牛流馬”，可以運(yùn)送軍用物資，可成為最早的陸地軍用機(jī)器人。

　　在國外，也有一些國家較早進(jìn)行機(jī)器人的研制。公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達(dá)羅斯用青銅為克里特島國王邁諾斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。

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

　　公元前2世紀(jì)，古希臘人發(fā)明了一個機(jī)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(biāo)技術(shù)發(fā)明了能進(jìn)行表演的自動機(jī)器玩偶；到了18世紀(jì)，日本人若井源大衛(wèi)門和源信，對該玩偶進(jìn)行了改進(jìn)，制造出了端茶玩偶，該玩偶雙手端著茶盤，當(dāng)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(zhuǎn)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(fā)明了一直機(jī)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(shè)計制造出三個像真人一樣大小的機(jī)器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風(fēng)琴偶人。它們是由凸輪控制和彈簧驅(qū)動的自動機(jī)器，至今還作為國寶保存在瑞士納切特爾市藝術(shù)和歷史博物館內(nèi)。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(xué)家細(xì)川半藏設(shè)計的各種自動機(jī)械圖形，法國杰夸特設(shè)計的機(jī)械式可編程織造機(jī)等。

1770年，美國科學(xué)家發(fā)明了一種報時鳥，一到整點(diǎn)，這種鳥的翅膀、頭和喙便開始運(yùn)動，同時發(fā)出叫聲，他的主彈簧驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，是活塞壓縮空氣而發(fā)出叫聲，同時齒輪轉(zhuǎn)動時帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動翅膀、頭運(yùn)動。

1893年，加拿大摩爾設(shè)計的能行走的機(jī)器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力的。這些機(jī)器人工藝珍品，標(biāo)志著人類在機(jī)器人從夢想到現(xiàn)實(shí)這一漫長道路上，前進(jìn)了一大步。

　　二、近代機(jī)器人的發(fā)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(jié)劇《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中，第一次提出了“機(jī)器人” （Robot）這個名詞，被當(dāng)成了機(jī)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(jì)初期，機(jī)器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)器人的不安，美國著名科學(xué)幻想小說家阿西莫夫于1950年在他的小說《我是機(jī)器人》中，首先使用了機(jī)器人學(xué)（Robotics）這個詞來描述與機(jī)器人有關(guān)的科學(xué)，并提出了有名的“機(jī)器人三守則”：

　?。?/span>1） 機(jī)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；

　?。?/span>2） 機(jī)器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；

　?。?/span>3） 機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是人類命令它做出犧牲。

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

?？蓪C(jī)器人分為三代。第一代是可編程機(jī)器人（如圖一）。這類機(jī)器人一般可以根據(jù)操作員所編的程序，完成一些簡單的重復(fù)性操作。這一帶機(jī)器人從20世紀(jì)60年代后半期開始投入使用，目前他在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。第二代是感知機(jī)器人（如圖二），即自適應(yīng)機(jī)器人，它是在第一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有不同程度的“感知”能力。這類機(jī)器人在工業(yè)界已有應(yīng)用。第三代機(jī)器人將具有識別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制，它可以把感知和行動智能化結(jié)合起來，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，故稱之為智能機(jī)器人（如圖三）。目前，這類機(jī)器人處于試驗(yàn)階段，將向?qū)嵱没较虬l(fā)展。

　今日工業(yè)機(jī)器人的最早研究可追溯到第二次大戰(zhàn)后不久。在40年代后期，橡樹嶺和阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室就已開始實(shí)施計劃，研制遙控式機(jī)械手，用于搬運(yùn)放射性材料。這些系統(tǒng)是“主從”型的，用語準(zhǔn)確地“模仿”操作員手和臂的動作。主機(jī)械手由使用者進(jìn)行導(dǎo)引做一連串動作，而從機(jī)械手盡可能準(zhǔn)確地模仿主機(jī)械手的動作，后來用機(jī)械耦合主從機(jī)械手的動作加入力的反饋，使操作員能夠感覺到從機(jī)械手及其環(huán)境之間產(chǎn)生的力。50年代中期，機(jī)械手中的機(jī)械耦合被液壓裝置所取代，如通用電氣公司的“巧手人”機(jī)器人和通用制造廠的“怪物”I型機(jī)器人。1954年G.C.Devol提出了“通用重復(fù)操作機(jī)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。

1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個機(jī)器人公司——Unimation（Univeral Automation）公司，并參與設(shè)計了第一臺Unimate機(jī)器人（如圖四）。這是一臺用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動機(jī)器人，手臂的控制由一臺計算機(jī)完成。它采用了分離式固體數(shù)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(yè)機(jī)器人，即Versatran（Versatile Transfer）機(jī)器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸、采用液壓驅(qū)動。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為Unimate和Versatran機(jī)器人是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人。

1959年，美國Consolidated Controls公司研制出第一代工業(yè)機(jī)器人原型。1960年美國機(jī)床鑄造公司（AMF）生產(chǎn)出圓柱坐標(biāo)的VERSATRAN型機(jī)器人，可做點(diǎn)位和軌跡控制，同年第一批電焊機(jī)器人用于工業(yè)生產(chǎn)。隨后，美國Unimation公司研制出球坐標(biāo)的UNIMATE型機(jī)器人，它采用電液伺候驅(qū)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(jī)器人發(fā)展最快、最好的時期，這期間的各項(xiàng)研究發(fā)明有效地推動了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和推廣

編程機(jī)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(qiáng)機(jī)器人柔性的趨勢就已經(jīng)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(jī)控制機(jī)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(jī)械手，把塊狀材料堆起來，無需操作員幫助。這種工作是機(jī)器人在合理的非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中具有自適應(yīng)特性的一例。機(jī)械手系統(tǒng)是六自由度ANL Model-8型操作機(jī)，由一臺TX-O計算機(jī)通過接口裝置進(jìn)行控制。此研究項(xiàng)目后來成為MAC計劃的一部分，在機(jī)械手上又增加了電視攝像機(jī)，開始進(jìn)行機(jī)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(jī)，可檢測物體，并向電機(jī)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(zhì)量成比例的信息就通過這些壓力敏感元件傳輸?shù)接嬎銠C(jī)1963年，美國機(jī)械鑄造公司推出了VERSATRAN機(jī)器人商品，同年初，還研制了多種操作機(jī)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(shí)驗(yàn)室的同事報告了有手、眼和耳（即機(jī)械手、電視攝象機(jī)和拾音器）的計算機(jī)的開發(fā)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(jìn)行操作的系統(tǒng)。皮珀也在1968年研究了計算機(jī)控制的機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)問題。在1971年卡恩和羅恩分析了機(jī)械限位手臂開關(guān)式（最短時間）控制的動力學(xué)和控制問題。

　　這時，其他國家（特別是日本）也開始認(rèn)識到工業(yè)機(jī)器人的潛力。早在1968年，日本川崎重工業(yè)公司與Unimation公司談判，購買了其機(jī)器人專利。1969年，機(jī)器人出現(xiàn)了不尋常的新發(fā)展，通用電氣公司為誒過陸軍研制了一種試驗(yàn)性步行車。同年，研制出了“波士頓”機(jī)械手，次年又研制出了“斯坦?！睓C(jī)械手。后者裝有攝像機(jī)和計算機(jī)控制器。把這些機(jī)械手用作機(jī)器人的操作機(jī)，是一些重大的機(jī)器人研究工作開始了。對“斯坦?！睓C(jī)械手所做的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)各種策略自動地堆放狀材料。在當(dāng)時對于自動機(jī)器人來說，這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。1974年Cincinnati Milacron公司推出了第一臺計算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，定名為“The Tomorrow Tool”。它能舉起重達(dá)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(jī)器人的研究也有進(jìn)展，1961年美國麻省理工學(xué)院研制出有觸覺的MH-1型機(jī)器人，在計算機(jī)控制下用來處理放射性材料。1968年美國斯坦福大學(xué)研制出名為SHAKEY的智能移動機(jī)器人。從60年代后期起，噴漆、弧焊機(jī)器人相繼在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性加工單元標(biāo)志著單件小批生產(chǎn)方式的一個新的高度。幾個工業(yè)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(jī)器人的研究工作，并開始在海洋開發(fā)、空間探索和核工業(yè)中試用。整個60年代，機(jī)器人技術(shù)雖然取得了如上列舉的許多進(jìn)展，建立了產(chǎn)業(yè)并生產(chǎn)了多種機(jī)器人商品，但是在這一階段多數(shù)工業(yè)部門對應(yīng)用機(jī)器人還持觀望態(tài)度，機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用方面的進(jìn)展并不快。

　　在70年代，大量的研究工作把重點(diǎn)放在使用外部傳感器來改善機(jī)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(jī)相連由計算機(jī)控制的“斯坦?！睓C(jī)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(jī)控制的機(jī)械手，用于完成20個零件的打字機(jī)機(jī)械裝配工作。1974年，麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的井上對力反饋的人工智能作了研究。在精密裝配作業(yè)中，用一種著陸導(dǎo)航搜索技術(shù)進(jìn)行初始定位。內(nèi)文斯等人于1974年在德雷珀實(shí)驗(yàn)室研究了基于依從性的傳感技術(shù)。這項(xiàng)研究發(fā)展為一種被動柔順（稱為間接中心柔順，RCC）裝置，它與機(jī)械手最后一個關(guān)節(jié)的安裝板相連，用于緊配合裝配。同年，貝杰茨在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為空間開發(fā)計劃用的擴(kuò)展性“斯坦?！睓C(jī)械手提供了一種基于計算機(jī)的力矩控制技術(shù)。從那以后相繼提出了多種不同的用于機(jī)械手伺候的控制方法。

1979年Unimation公司推出了PUMA系列工業(yè)機(jī)器人，他是全電動驅(qū)動、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多CPU二級微機(jī)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(shù)較為先進(jìn)的機(jī)器人。同年日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARA型機(jī)器人。整個70年代，出現(xiàn)了更多的機(jī)器人商品，并在工業(yè)生產(chǎn)中逐步推廣應(yīng)用。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人的研究開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展。據(jù)國外統(tǒng)計，到1980年全世界約有2萬余臺機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用。

　　進(jìn)入80年代后，機(jī)器人生產(chǎn)繼續(xù)保持70年代后期的發(fā)展勢頭。到80年代中期機(jī)器人制造業(yè)成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟(jì)部門之一。機(jī)器人在工業(yè)中開始普及應(yīng)用，工業(yè)化國家的機(jī)器人產(chǎn)值近幾年以年均20%~40%的增長率上升。1984年全世界機(jī)器人使用總臺數(shù)是1980年的四倍，到1985年底，這一數(shù)字已達(dá)到14萬臺，1990年達(dá)到30萬臺左右，其中高性能的機(jī)器人所占比例將不斷增加，特別是各種裝配機(jī)器人的產(chǎn)量增長較快，和機(jī)器人配套使用的機(jī)器視覺技術(shù)和裝置正在迅速發(fā)展。1985年前后，FANUC和GMF公司又先后推出交流伺候驅(qū)動的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品。

到80年代后期，由于傳統(tǒng)機(jī)器人用戶應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)飽和，從而造成工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的積壓，不少機(jī)器人廠家倒閉或被兼并，是國際機(jī)器人學(xué)研究和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣。到90年代初，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展跡象。但是，好景不長，1993~1994年又跌入低谷。1995年后，世界機(jī)器人數(shù)量逐年增加，增長率也較高，1998年丹麥樂高公司推出了機(jī)器人套件，讓機(jī)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(jī)器人開始走入個人世界。機(jī)器人學(xué)以較好的發(fā)展勢頭進(jìn)入21世紀(jì)。2002年丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba（如圖五），他能避開障礙，自動設(shè)計行進(jìn)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(yè)化的家用機(jī)器人。近年來，全球機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速，2007年全球機(jī)器人行業(yè)總銷售量比2006年增長10%。人性化、重型化、智能化已經(jīng)成為未來機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在全世界服役的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)在100萬臺以上。此外，還有數(shù)百萬服務(wù)機(jī)器人在運(yùn)行。

　　阿富汗戰(zhàn)爭中，美國軍方領(lǐng)導(dǎo)人決定向阿富汗派遣一種名為“大狗”的新型機(jī)器人，作為增兵計劃的一部分。與以往各種機(jī)器人不同的是，“大狗”并不依靠輪子行進(jìn)，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(jī)動能力的機(jī)器人的試驗(yàn)場。

　　在過去30~40年間，機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)獲得引人注目的發(fā)展，具體體現(xiàn)在：①機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在全世界迅速發(fā)展；②機(jī)器人的應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領(lǐng)域；③形成了新的學(xué)科——機(jī)器人學(xué)；④機(jī)器人向智能化方向發(fā)展；⑤服務(wù)機(jī)器人成為機(jī)器人的新秀而迅猛發(fā)展。

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

　　我國在仿人形機(jī)器人方面，也取得很大的進(jìn)展。例如，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)經(jīng)過10年的努力，于2000年成功地研制出我國第一個仿人形機(jī)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(zhì)量較高：既可在平地上穩(wěn)步向前，還可自如地轉(zhuǎn)彎、上坡；既可以在已知的環(huán)境中步行，還可以在小偏差、不確定的環(huán)境中行走。

　　三、未來機(jī)器人的展望

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

　　現(xiàn)在工業(yè)上運(yùn)行的90%以上的機(jī)器人，都不具有智能。隨著工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的快速增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對機(jī)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(jī)器人和特種機(jī)器人。這些智能機(jī)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(jìn)行獨(dú)立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn)；有的具有自主控制和決策能力。這些智能機(jī)器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還運(yùn)用人工智能中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。智能機(jī)器人還應(yīng)用許多最新的智能技術(shù)，如臨場感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多真體技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法和遺傳編程、放聲技術(shù)、多傳感器集成和融合技術(shù)以及納米技術(shù)等?？梢哉f，智能機(jī)器人將是未來機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的方向。