機(jī)器人的前世今生

供稿|孫志輝

無論是在現(xiàn)代化智能工廠的流水線上，還是在抗擊疫情的工作現(xiàn)場(chǎng)，或者是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)上，各種各樣的機(jī)器人大顯身手，作為人類的工作伙伴，它們不知疲倦、不怕危險(xiǎn)、毫無怨言地工作著、戰(zhàn)斗著。當(dāng)前機(jī)器人已經(jīng)逐步進(jìn)入我們的生活，未來機(jī)器人一定也會(huì)成為我們?nèi)祟愖钪匾幕锇椤?/p>

機(jī)器人的歷史

幾千年以來，人們一直幻想著利用某些機(jī)構(gòu)代替人的工作。如圖1所示，春秋時(shí)期魯班的木制飛鳥、東漢張衡的指南車、三國(guó)時(shí)期諸葛亮的木牛流馬都是對(duì)此進(jìn)行的努力，雖然能夠在某種程度上減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是，由于缺乏動(dòng)力源，這些機(jī)構(gòu)并不能真正地自動(dòng)運(yùn)行。直到工業(yè)革命以后，蒸汽機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)等革命性動(dòng)力源的出現(xiàn)才使得自動(dòng)機(jī)構(gòu)代替人類工作的愿望成為可能。1893年，加拿大的摩爾設(shè)計(jì)的能夠走行的機(jī)器人“安德羅丁”就是以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的。直到1959年，美國(guó)的英格伯格(Joseph Engelberger)和得沃爾(Geoge Devol)才制造出世界上第一臺(tái)真正意義上的機(jī)器人Unimate，能夠應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域代替人自動(dòng)進(jìn)行某些工作[1]。

什么是機(jī)器人

1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《Rossum’s Universal Robots》，故事的主要情節(jié)是：帶感情的機(jī)器人消滅了人類，一對(duì)男女機(jī)器人相愛，世界又起死回生?？苹脛≈袑⒔菘嗽~語“Robota”寫成了“Robot”，作為機(jī)器人的名字(“Robota”是“苦力”、“奴隸”的意思)。該科幻劇引起了人們的廣泛關(guān)注，流傳到日本以及歐洲各國(guó)，從此Robot就成為機(jī)器人的英文單詞[2]。

圖1 中國(guó)古代的“機(jī)器人”

機(jī)器人主要是用于代替人工作的，首先它是一個(gè)機(jī)器。對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器，被使用者設(shè)計(jì)制造出來后，它的工作步驟、路徑都是確定的。機(jī)器的設(shè)計(jì)也是根據(jù)它所應(yīng)用的工作而進(jìn)行的。一旦工作要求發(fā)生變化，要么對(duì)機(jī)器進(jìn)行改造，要么重新設(shè)計(jì)新的機(jī)器。為了適應(yīng)不同的工作要求，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，它的工作步驟或路徑并非在設(shè)計(jì)制造階段確定的，而是使用者根據(jù)需要自行指定，設(shè)計(jì)制造者僅僅需要確定機(jī)器人的工作空間即可，而不需要知道它具體做什么工作。機(jī)器人與機(jī)器的最大區(qū)別就在于它的工作步驟或路徑是可變的。

機(jī)器人在工作前，首先需要使用者將工作步驟或路徑用特定的手段提供并告知機(jī)器人，機(jī)器人將這些步驟或路徑保存起來，這個(gè)過程稱為示教，也就是先教給機(jī)器人如何工作。以后只需要選擇某個(gè)示教的內(nèi)容，機(jī)器人就能夠按照示教的過程自動(dòng)進(jìn)行工作，而不需要人工干預(yù)。對(duì)于一臺(tái)機(jī)器人而言，可以對(duì)其進(jìn)行多次不同的示教，意味著一臺(tái)機(jī)器人可以做多種不同的工作。早期的機(jī)器人都是這種示教類型的機(jī)器人，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。雖然能夠改變工作步驟或路徑，但不是自主改變的，需要人們提前示教告訴它，并且工作過程也不能改變。

隨著科技的發(fā)展，新型的智能感知技術(shù)和人工智能控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人可以通過智能感知技術(shù)，了解到它所處的環(huán)境和狀態(tài)，并利用智能控制算法，自主地改變工作步驟或路徑，這就是智能機(jī)器人的誕生。

世界各國(guó)對(duì)機(jī)器人有多種不同的定義。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義，機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)[1]。這里所提到的“編程”與普通的計(jì)算機(jī)編程不同，指的是機(jī)器人的示教編程，即教會(huì)機(jī)器人工作路徑的方式。這個(gè)定義是針對(duì)示教機(jī)器人的。對(duì)于現(xiàn)在的智能機(jī)器人，這個(gè)定義忽略了機(jī)器人的感知環(huán)節(jié)，并不完全準(zhǔn)確，更加通用性的定義是：機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的可編程的自動(dòng)機(jī)械電子裝置，能感知環(huán)境，識(shí)別對(duì)象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能計(jì)劃其操作程序來完成任務(wù)。這個(gè)定義突出了現(xiàn)代機(jī)器人的幾個(gè)特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制、感知、學(xué)習(xí)。

從《Rossum’s Universal Robots》開始，世界各國(guó)出現(xiàn)了很多以機(jī)器人為主角的電影，例如《變形金剛》、《黑客帝國(guó)》、《機(jī)器人總動(dòng)員》等，這些影視作品中的機(jī)器人往往具有超凡的能力，甚至可以控制人類、毀滅地球，這也引起了人們的普遍憂慮，人類會(huì)不會(huì)有一天真的被機(jī)器人所控制。為此，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了著名的機(jī)器人三原則：1)機(jī)器人不應(yīng)該傷害人類，也不能坐視人類受到傷害而袖手旁觀；2)機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3)機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這三條原則一直作為機(jī)器人開發(fā)必須遵守的準(zhǔn)則[1]。

為什么要發(fā)展機(jī)器人

發(fā)展機(jī)器人的最初動(dòng)力就是替代人從事勞動(dòng)強(qiáng)度比較大的工作。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人的要求也越來越高，機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越多(圖2)。

圖2 各種機(jī)器人應(yīng)用

發(fā)展機(jī)器人的主要原因包括：1)提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)流水線上，如大量的電子廠、汽車組裝廠等，每個(gè)工人往往在一個(gè)崗位連續(xù)不斷地重復(fù)某一項(xiàng)單調(diào)枯燥的動(dòng)作，容易引起疲勞，甚至出現(xiàn)幻覺，造成安全事故，并且這樣的流水線作業(yè)也引發(fā)了多種職業(yè)病。因而，現(xiàn)代化的流水生產(chǎn)線非常適合機(jī)器人操作，不僅可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度，也能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量。2)讓機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事。人類生產(chǎn)活動(dòng)中有些工作依靠人往往做不好或者處于危險(xiǎn)、有毒、高溫環(huán)境下人不愿意去做。例如：汽車車身的焊接雖然也可以由人去做，但是焊接質(zhì)量受工人的水平制約，不能滿足汽車車身的要求。另外，像排雷、消防救援、產(chǎn)品噴漆等操作人員生命安全受到威脅的場(chǎng)合也非常適合采用機(jī)器人去工作。3)讓機(jī)器人做人做不了的事情。在探測(cè)太空、深海時(shí)，由于客觀條件的限制，人可能暫時(shí)不能親自去做某些事，可以利用機(jī)器人先去獲取必要的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的人類活動(dòng)提供基礎(chǔ)。

近年來，隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平的提高，對(duì)勞動(dòng)力的需求也越來越大，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角、珠三角等地區(qū)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的用工荒現(xiàn)象，也迫使這些企業(yè)升級(jí)換代，大量采用機(jī)器人替代人工勞動(dòng)。

機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的問世，機(jī)器人在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，美國(guó)、日本和歐洲各國(guó)起步早，許多機(jī)器人制造公司研制了大量的機(jī)器人產(chǎn)品，如：日本安川機(jī)器人、日本FUNUC機(jī)器人，德國(guó)KUKA機(jī)器人、瑞典ABB機(jī)器人、美國(guó)波士頓動(dòng)力機(jī)器人等，在工業(yè)領(lǐng)域和其他領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如圖3所示，波士頓動(dòng)力公司最新研制的四足機(jī)械狗具有跑、跳、開門、翻滾、跳舞、做俯臥撐等功能，可謂是才藝滿滿，售價(jià)高達(dá)7.45萬美元[3]。

圖3 波士頓動(dòng)力公司的機(jī)器狗

我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但這些年進(jìn)步很快，特別是在智能機(jī)器人方面。國(guó)內(nèi)最早從事機(jī)器人研究的主要有中科院沈陽自動(dòng)化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等，現(xiàn)在的新松機(jī)器人(起源于沈陽自動(dòng)化所)、博實(shí)機(jī)器人(起源于哈爾濱工業(yè)大學(xué))是國(guó)內(nèi)機(jī)器人制造的佼佼者，他們的產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。近年來，以百度、阿里為首的新型計(jì)算機(jī)信息化企業(yè)，也將目光轉(zhuǎn)向智能服務(wù)機(jī)器人的研制。著名房地產(chǎn)企業(yè)碧桂園也在大力發(fā)展機(jī)器人，2020年6月22日，碧桂園的機(jī)器人餐廳開業(yè)，采用了其研制的迎賓、送餐、煎炸、甜點(diǎn)、漢堡、調(diào)酒等各種機(jī)器人[4]。

在全球范圍內(nèi)，由于信息技術(shù)和各種新應(yīng)用的拉動(dòng)，給機(jī)器人的發(fā)展帶來了很大的動(dòng)力。中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了新的轉(zhuǎn)型期，正在從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)換，機(jī)器人在自動(dòng)化方面會(huì)對(duì)制造業(yè)轉(zhuǎn)型有巨大的帶動(dòng)作用，這也是機(jī)器人在中國(guó)發(fā)展迅速的重要因素。

2015年5月，我國(guó)發(fā)布了“中國(guó)制造2025”，圍繞重點(diǎn)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，明確將機(jī)器人與高檔數(shù)控機(jī)床列為大力推動(dòng)的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，要求圍繞汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國(guó)防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用?！?015年世界機(jī)器人大會(huì)”指出以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，成為當(dāng)代科技創(chuàng)新的一個(gè)重要標(biāo)志。

2016年4月，“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)”明確提出2020年自主品牌工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)量達(dá)到10萬臺(tái)，服務(wù)機(jī)器人年銷售收入超過300億元。

2019年我國(guó)機(jī)器人銷售額近608億元，主要以工業(yè)機(jī)器人為主，工業(yè)機(jī)器人比例達(dá)66%，市場(chǎng)規(guī)模近401億元。服務(wù)機(jī)器人比例為25%，特種機(jī)器人比例為9%。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人連續(xù)7年成為全球第一大應(yīng)用市場(chǎng)。

機(jī)器人工程專業(yè)

機(jī)器人涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、環(huán)境感知等多方面的知識(shí)，而傳統(tǒng)的工科專業(yè)配置往往是針對(duì)某一個(gè)方面，如機(jī)械專業(yè)只培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的能力，而自動(dòng)化專業(yè)則只培養(yǎng)自動(dòng)控制方面的能力，以往機(jī)器人制造與應(yīng)用則是多個(gè)專業(yè)人才的相互配合。隨著機(jī)器人的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造人才需求越來越大。根據(jù)中國(guó)工信部的規(guī)劃，2020年工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量要達(dá)到100萬臺(tái)，機(jī)器人專門人才需求量達(dá)到20萬人(圖4)。

機(jī)器人工程專業(yè)的誕生

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，新工科是針對(duì)例如機(jī)器人這樣的新興產(chǎn)業(yè)，將原先單一的多個(gè)專業(yè)整合形成新的工科專業(yè)，以適應(yīng)新形勢(shì)下新的人才需求。機(jī)器人工程專業(yè)就是教育部倡導(dǎo)的新工科之一，融合機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)適應(yīng)機(jī)器人的綜合性人才。

圖4 2017—2020年工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量和人才需求量

2016年，全國(guó)第1個(gè)機(jī)器人工程專業(yè)(東南大學(xué))獲批。2017年，東北大學(xué)、湖南大學(xué)等25所高校機(jī)器人工程專業(yè)獲批。2018年，北京航空航天大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等60所高校機(jī)器人工程專業(yè)獲批。2019年，北京科技大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)等101所高校機(jī)器人工程專業(yè)獲批。2020年又有一批高校機(jī)器人工程專業(yè)獲批。

機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)習(xí)什么

機(jī)器人工程專業(yè)集合了傳統(tǒng)的機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多個(gè)專業(yè)的知識(shí)，并增加了機(jī)器人方面的專門知識(shí)。主要的課程體系分成四個(gè)部分：1)機(jī)械方面的專業(yè)課程，主要學(xué)習(xí)機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、工程力學(xué)等課程，通過這些課程學(xué)習(xí)，掌握工程圖紙的繪制、機(jī)械結(jié)構(gòu)與機(jī)械零件的設(shè)計(jì)、以及力學(xué)強(qiáng)度分析技能，為設(shè)計(jì)分析機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)；2)自動(dòng)化方面的專業(yè)課程，主要學(xué)習(xí)電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、信號(hào)與測(cè)試技術(shù)、人工智能基礎(chǔ)等課程，通過這些課程學(xué)習(xí)，掌握自動(dòng)控制方法、信號(hào)感知、控制電路設(shè)計(jì)、智能控制等技能，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)；3)計(jì)算機(jī)方面的專業(yè)課程，主要學(xué)習(xí)微機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)語言程序設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺等課程，通過這些課程學(xué)習(xí)，掌握利用計(jì)算機(jī)知識(shí)編寫機(jī)器人感知與控制程序的技能；4)機(jī)器人方面的專業(yè)課程，主要學(xué)習(xí)機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人學(xué)，通過這些課程學(xué)習(xí)，掌握構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)、研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)律的技能。

跟傳統(tǒng)專業(yè)不同的是，機(jī)器人工程專業(yè)是個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，課程學(xué)習(xí)之外還需要提供大量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)、機(jī)器人課程設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐、機(jī)器人檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)等。實(shí)踐環(huán)節(jié)有利于提高學(xué)生的實(shí)操能力，真正做到學(xué)以致用。

北科大的機(jī)器人

北京科技大學(xué)(簡(jiǎn)稱北科大)在機(jī)器人教學(xué)、科研和教育科普方面已有長(zhǎng)期的歷史沉積，基礎(chǔ)雄厚。早在20世紀(jì)70年代就開始了工業(yè)機(jī)器人的研究，1980年機(jī)械、自動(dòng)化專業(yè)的老師相互配合，研制出工業(yè)機(jī)器人，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。學(xué)校開設(shè)了多門與機(jī)器人有關(guān)的本科生、研究生課程，并編撰了《機(jī)器人結(jié)構(gòu)學(xué)》、《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程》等教材。于2019年正式設(shè)立機(jī)器人工程專業(yè)，隸屬于機(jī)械工程學(xué)院。

北京科技大學(xué)在全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽取得過相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)，先后獲得過兩屆冠軍、四屆亞軍、三屆季軍，通過這些比賽，培養(yǎng)了幾百名機(jī)器人技術(shù)專業(yè)人才。不少參賽的學(xué)生成立了機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司，并獲得了風(fēng)險(xiǎn)投資支持。北京科技大學(xué)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)獲得2014年首屆“小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”稱號(hào)。

在2018年首屆中國(guó)高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽決賽中，北京科技大學(xué)的解魔方機(jī)器人以6.44 s的最快速度獲取第一名。圖5為獲獎(jiǎng)的解魔方機(jī)器人于2019年參加中央電視臺(tái)的“機(jī)智過人”節(jié)目，獲得撒貝寧、韓雪等嘉賓以及廣大觀眾的好評(píng)。

圖5 解魔方機(jī)器人參加央視“機(jī)智過人”節(jié)目