1.1　机器人的产生与发展

1.1.1　机器人的由来

机器人学是与机器人设计、制造和应用相关的科学，又称为机器人技术或机器人工程学，主要研究机器人的控制与被处理物体之间的相互关系，目前已经演变为机器人相关的通用技术的学科分支。机器人的诞生和机器人学的建立及发展，是20世纪自动控制领域最显著的成就之一，也是20世纪人类科学技术进步的重大成果。

尽管在几十年前“机器人”一词才出现，但实际上机器人的概念早在三千多年前就已经存在了。西周时期，能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的“伶人”，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，我国著名的木匠鲁班制造了一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。我国东汉时期的大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下，这是最早的机器人雏形。三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地发明了“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器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。在当时的自动玩偶中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯制造的玩偶。1773年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们的自动玩偶是利用齿轮和发条制成的，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。由于受当时技术条件的限制，这些玩偶其实只是身高1m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。

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克（Karel Capek）在他的剧本《罗素姆万能机器人》中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人（Robot）”这个词。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗素姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致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。机器人发觉人类十分自私和不公正，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自己，认为自己很快就会灭绝，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。该剧预告了机器人的发展会给人类社会带来悲剧性影响，引起了人们的广泛关注，被当成了“机器人”一词的起源。恰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发人类不希望出现的问题。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。

1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫（Asimov）在他的小说《我是机器人》中，首次使用Robotics（机器人学）来描述与机器人有关的科学，并提出了著名的“机器人三原则”：①机器人不能伤害人类，也不能眼见人类受到伤害而袖手旁观；②机器人应服从人类的命令，但不能违反第一条原则；③机器人应保护自身的安全，但不能违反第一条和第二条原则。这三条原则，给机器人社会赋以新的伦理性。至今，它仍会为机器人研究人员、设计制造厂家和用户提供十分有意义的指导方针。

1.1.2　现代机器人的发展史

机器人从幻想世界真正走向现实世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。1939年，纽约世博会上首次展出了由西屋电气公司制造的家用机器人Elektro，但它只是掌握了简单的语言，能行走、抽烟，并不能代替人类做家务。现代机器人的起源则始于20世纪40~50年代，美国许多国家实验室进行了机器人方面的初步探索。第二次世界大战期间，在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的遥控操纵器，使得机械抓手能复现人手的动作位置和姿态，代替了操作人员的直接操作。在这之后，橡树岭和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，作为搬运放射性材料的工具。1948年，主从式的遥控机械手诞生，开现代机器人制造之先河。美国麻省理工学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）1953年成功研制出数控铣床，把复杂伺服系统技术与最新发展的数字计算机技术结合起来，切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺服轴按照模型的轨迹做切削动作。

20世纪50年代以后，机器人进入了实用化阶段。1954年，美国的George C. Devol设计并制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文，并获得了专利。George C. Devol巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起，预定的机械手动作经编程输入后，机械手就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而能完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器内，任务执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。

20世纪60年代，机器人产品正式问世，机器人技术开始形成。1960年，美国的Consolidated Control公司根据George C. Devol的专利研制出第一台机器人样机，并成立Unimation公司，定型生产Unimate（意为“万能自动”）机器人。同时，美国机床与铸造公司（AMF）设计制造了另一种可编程的机器人Versatran（意为“多才多艺”）。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其他发达工业国家为之倾倒。于是Unimate和Versatran作为商品开始在世界市场上销售，日本、西欧也纷纷从美国引进机器人技术。这一时期，可实用机械的机器人被称为工业机器人。

机器人在工业生产中崭露头角的同时，机器人技术研究也在不断深入。1961年，美国麻省理工学院Lincoln实验室把一个配有接触传感器的遥控操纵器的从动部分与一台计算机连接在一起，这样形成的机器人可以凭触觉决定物体的状态。随后，用电视摄像头作为输入的计算机图像处理、物体辨识的研究工作也陆续取得成果。1968年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J. McCarthy等人研究了新颖的课题——研制带有手、眼、耳的计算机系统。于是，智能机器人的研究形象逐渐丰满起来。

20世纪70年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为专门的学科。1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行。工业机器人各种卓有成效的实用范例促成了机器人应用领域的进一步扩展；同时，又由于不同应用场合的特点，各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。而随后的大规模集成电路技术的飞跃发展及微型计算机的普遍应用，则使机器人的控制性能大幅度地提高、成本不断降低。于是，数百种不同结构、不同控制方法、不同用途的机器人在20世纪80年代真正进入了实用化的普及阶段。20世纪80年代，随着计算机、传感器技术的发展，机器人技术已经具备了初步的感知、反馈能力，在工业生产中逐步应用。工业机器人首先在汽车制造业的流水线生产中大规模应用，随后，诸如日本、德国、美国等制造业发达国家开始在其他工业生产中大量采用机器人作业。

20世纪80年代以后，机器人朝着越来越智能的方向发展，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效地适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。智能机器人的发展主要经历了三个阶段，分别是可编程示教、再现型机器人，有感知能力和自适应能力的机器人，智能机器人。其中所涉及的关键技术有多传感器信息融合、导航与定位、路径规划、机器人视觉智能控制和人机接口技术等。

进入21世纪，随着劳动力成本的不断提高、技术的不断进步，各国陆续进行制造业的转型与升级，出现了机器人替代人的热潮。同时，人工智能发展日新月异，服务机器人也开始走进普通家庭的生活。目前，全世界已经有近千万台机器人在运行，而每年机器人的销售额仍然保持20%以上的增长率。随着机器人应用领域的不断扩大，机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，对国民经济和人民生活的各个方面均已产生重要影响。另外，随着需求范围的扩大，机器人结构和形态的发展呈现多样化，机器人系统逐步向具有更高智能和更密切与人类社会融洽的方向发展。

从全球机器人市场规模来看，在全球整体机器人市场规模不断扩大的背景之下，亚洲是全球机器人消费的最大市场。根据波士顿咨询公司（Boston Consulting Group，BCG）的估计，2025年机器人市场规模将达到870亿美元，其中，商业市场的增长幅度为22.8%；消费市场的增长幅度为23%。这也预示着当前全球机器人市场正在经历发展方向的转移，由当前以工业机器人为主逐渐转向以服务机器人为主。根据IFR统计，2010~2016年，服务机器人全球销量从39.64亿美元上升至74.5亿美元，年均复合增速11.14%，个人使用的服务机器人市场在2018~2020年间达到近110亿美元的规模。

1.1.3　我国机器人发展现状

目前，机器人学与人工智能交叉研究的主要领域是机器人学习，主要是机器人学和神经网络、机器学习、计算机视觉、控制方法等领域的交叉。机器人未来的发展有三大趋势：软硬融合、虚实融合和人机融合。软硬融合是指机器人软件比硬件更为重要，因为人工智能技术体现在软件上，数字化车间的轨迹规划、车间布局及自动化上料等都需要软硬件相结合。因此，机器人行业的人才既要懂机械技术，又要懂信息技术，尤其是机器人的控制技术。虚实融合是指通过大量仿真、虚拟现实，能够把虚拟现实与车间的实际加工过程有机结合起来。人机融合是指人、机器和机器人这三者有机融合，如何有机融合值得业界深入思考。

目前，我国机器人产业正处于蓬勃发展的状态，各类机器人正快速发展。工业机器人作为制造业皇冠顶端的明珠，其性能优势决定了其在工业生产中的优势地位。近年来，工业机器人的生产需求量不断上升，市场销量也保持快速增长。未来，一方面，由于我国劳动力人口不断减少，劳动力缺口不断提升，对工业机器人的需求会呈增加趋势；另一方面，随着产品加工精度不断提高等，对工业机器人性能的需求也会不断提升。对于服务机器人，有机构预测未来服务机器人将像家用电器一样普及，广泛参与人们的生活，走进千家万户。特别是随着我国人口老龄化速度的加快，未来对医疗服务机器人、陪伴机器人等的需求有可能会出现爆炸式增长。凭借其重要的战略意义，未来军事机器人也将越来越受到重视，其智能化将会越来越高。而军事机器人的尺寸则将会呈现出两种发展趋势：一方面，为满足新形势下急难险重任务的需求、提高工作效率，一部分机器人将越来越偏向大型化；另一方面，为提高隐蔽性、方便士兵携带，一部分军用机器人将越来越小，呈微型化发展。

从产业的角度而言，我国对机器人有着极大的产业需求，IFR的产业报告显示，中国是全球机器人需求量最大的国家。但是就技术的发展而言，我国对机器人学的研究起步比较晚。20世纪70年代开始，机器人学才开始在我国萌芽。随后的二十年里，机器人学在我国蓬勃发展，随着一批批中国学者相继投入机器人学研究，我国在相关领域的学术发展也在全球崭露头角。

我国机器人学发展的主要历史事件有：1972年，中国科学院沈阳自动化研究所开始了机器人的研究工作；1985年12月，我国第一台水下机器人“海人一号”首航成功，开创了机器人研制的新纪元；1986年，智能机器人作为自动化技术主题之一，被列为“国家高技术研究发展计划”即863计划发展的主要领域，此外还有航空领域确定的“空间机器人”专题，凸显了国家战略对机器人研究的重视；1997年，南开大学机器人与信息自动化研究所研制出我国第一台用于生物实验的微操作机器人系统。2015年，国内工业4.0规划——《中国制造2025》行动纲领出台，其中提到，我国要大力推动优势和战略产业快速发展机器人，包括医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求。经过近四十年，我国机器人的研究有了很大的发展，有的方面已达到世界先进水平，但与先进的国家相比还是有较大差距，从总体上看，我国机器人研究仍然任重道远。

虽然目前机器人市场基本被国外品牌垄断，但我国政府开始对机器人领域非常重视：中华人民共和国工业和信息化部发布的《机器人产业发展规划（2016—2020年）》中明确要求大力发展机器人关键零部件，强化产业创新能力，以提升我国机器人的竞争力。同时，我国的自主品牌开始创立起来，创新能力不断提高，市场也在一步步打开。自2016年以来，中国一直是工业机器人的最大使用国。到2020年，增长到近95万台，超过欧洲的61万台。2020年大约有190万台机器人在亚洲各地运作着，这几乎等同于2016年全球的机器人存量；而根据IFR统计，中国已经成为了世界上最大的机器人消费国——目前中国排在工业机器人销量市场的第一位，而美国仅仅排在第四位。数据显示，珠三角地区是我国机器人产业发展领先的地区，机器人相关企业数量为747家，总产值达750亿元，平均销售利润率为17%，规模和效益居全国首位。根据《中国制造2025》的规划，2020年、2025年和2030年工业机器人销量的目标分别达到15万台、26万台和40万台，预计未来10年中国机器人市场规模将达6000亿元人民币。

1.1.4　机器人发展相关政策

机器人的发展一直都是世界主要发达国家的战略重点。从2012年至今，发达国家针对机器人发展纷纷推出国家层面的机器人发展支持策略，希望能够在市场上抢占机器人发展的先机与主动权。

2012年韩国发布《机器人未来战略2022》，希望进入全球前三强；2013年美国发布《机器人发展路线图》，提出机器人发展的九大重点领域；德国发布《工业4.0战略》，让机器人接管工厂；法国发布《机器人行动计划》，推出机器人发展九大措施；2014年英国发布《机器人和自主系统战略2020》，希望占据全球机器人10%的市场份额；2015年日本发布《机器人新战略》，希望实现创新、应用和市场三个世界第一的目标。尽管这些国家发布的战略内容不尽相同，但是其目的都是一致的，那就是推动机器人应用于各个领域。

其中，德国为了实现传统产业转型升级，陆续提出了本国的机器人领域发展带动产业升级战略规划。按照德国在2013年汉诺威工业博览会上提出的工业4.0计划，通过智能人机交互传感器，人类可借助物联网对下一代工业机器人进行远程管理，同时工业4.0中的智能工厂和智能生产环节都需要借助不断升级的智能机器人。这不仅有助于解决机器人使用中的高能耗问题，还可促进制造业的绿色升级，全面实现工业自动化。据统计，德国是世界第五大机器人市场，同时也是欧洲最大的机器人市场。

此外，用机器人“打败”人，是美国“再工业化”战略的方法之一。众所周知，全球第一台工业机器人就是在美国汽车生产中得到应用的，由此拉开工业自动化新时代。如今，美国“再工业化”发展政策将主要瞄准先进制造业，大力推动高附加值制造产业。因此，其对工业机器人的需求也将快速上升。

国际机器人联合会预测，“机器人革命”将创造数万亿美元的市场。由于大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术同机器人技术相互融合步伐加快，3D打印、人工智能迅猛发展，制造机器人的软硬件技术日趋成熟，成本不断降低，性能不断提升，军用无人机、自动驾驶汽车、家政服务机器人已经成为现实，有的人工智能机器人已具有相当程度的自主思维和学习能力。国际上有舆论认为，机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。在此背景下，各个国家的机器人主要制造商纷纷加紧布局，抢占技术和市场制高点。

对中国而言，当前的任务不仅是要把机器人水平提高上去，而且还要尽可能多地占领市场。2013年12月22日，中华人民共和国工业和信息化部为加强行业管理、推进我国工业机器人产业有序健康发展，提出了关于推进工业机器人产业发展的指导意见；2017年7月31日，为了促进智能机器人以及相关领域的大力发展，科技部发布了智能机器人重点专项2017年度项目申报指南。通知中规定，2017年度“智能机器人”重点专项按照基础前沿技术类、共性技术类、关键技术与装备类、示范应用类四个层次，发布了42条指南。其中基础前沿技术类指南5条，主要涉及机器人新型机构设计、智能发育理论与技术，以及互助协作型、人体行为增强型等新一代机器人验证平台研究。目前，我国工业机器人产业的发展目标是开发满足用户需求的工业机器人系统集成技术、主机设计技术及关键零部件制造技术，突破一批核心技术和关键零部件，提升主流产品的可靠性和稳定性指标，在重要工业制造领域推进工业机器人的规模化示范应用。同时，国内的几个主要城市如北京、上海、深圳等也推出了相应的政策。