二、現(xiàn)代機(jī)器人：從機(jī)械手到人形機(jī)器人

真正意義上的現(xiàn)代機(jī)器人概念與技術(shù)誕生于20世紀(jì)中葉。隨著工業(yè)革命的深入和自動化技術(shù)的發(fā)展，人們開始構(gòu)想并制造出能夠執(zhí)行簡單任務(wù)的機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備可視為機(jī)器人的雛形。1947年，美國阿貢國家實驗室開發(fā)了遙控機(jī)械手；1948年，該實驗室又開發(fā)了機(jī)械式主從機(jī)械手。這些機(jī)械手能代替人處理放射性物質(zhì)，在一定程度上把人從原子能實驗室惡劣的工作環(huán)境中解放出來。

20世紀(jì)后半葉，計算機(jī)科學(xué)的興起為機(jī)器人技術(shù)帶來了革命性的變化。機(jī)器人開始具備更為復(fù)雜的感知、學(xué)習(xí)和決策能力，能夠在更廣泛的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。從工業(yè)生產(chǎn)線上的自動化機(jī)器人，到太空探索中的無人駕駛航天器，再到醫(yī)療服務(wù)中的輔助機(jī)器人，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。1954年，美國人喬治·德沃爾（George Devol）最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。在伺服技術(shù)的控制下，這個時期的機(jī)器人的關(guān)節(jié)根據(jù)人手進(jìn)行的動作示范，實現(xiàn)了動作的記錄和再現(xiàn)，也就是能模仿人手的某些簡單動作。這種“示教再現(xiàn)”的方式成為后續(xù)控制工業(yè)機(jī)器人的一種重要方式。這種方式使得機(jī)器人能夠執(zhí)行一些簡單的、重復(fù)性的任務(wù)，大大提高了生產(chǎn)效率和自動化水平。

1958年，被譽為“工業(yè)機(jī)器人之父”的約瑟夫·弗雷德里克·恩格爾伯格（Joseph Frederick Engelberger）創(chuàng)建了世界上第一個機(jī)器人公司——Unimation公司。1959年，恩格爾伯格與德沃爾聯(lián)手制造出全球首臺工業(yè)機(jī)器人——Unimate，如圖1-2所示。這臺機(jī)器人以五軸液壓驅(qū)動，其手臂動作通過計算機(jī)精確控制。值得一提的是，該機(jī)器人運用了先進(jìn)的分離式固體數(shù)控元件，并配備了能存儲信息的磁鼓。這使得機(jī)器人能記住并執(zhí)行100多個工作步驟，這臺機(jī)器人主要用于壓鑄。恩格爾伯格和德沃爾制造的全球首臺工業(yè)機(jī)器人無疑是一項革命性的技術(shù)創(chuàng)新，該機(jī)器人使用計算機(jī)來控制手臂動作，這在當(dāng)時是非常先進(jìn)的技術(shù)，是這項技術(shù)創(chuàng)新的一個亮點。計算機(jī)控制確保了機(jī)器人動作的精確性和可重復(fù)性，大大提高了工作效率和質(zhì)量。采用分離式固體數(shù)控元件是這項技術(shù)創(chuàng)新的另一個亮點。這種設(shè)計使得機(jī)器人的控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠，同時也為后續(xù)的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此外，能存儲信息的磁鼓是這項技術(shù)創(chuàng)新的又一個亮點，這極大地增強(qiáng)了機(jī)器人的自主工作能力和適應(yīng)性。

圖1-2　工業(yè)機(jī)器人——Unimate

1968年，人工智能與機(jī)器人技術(shù)融合的里程碑誕生了——斯坦福國際研究所成功研制出名為Shakey的移動機(jī)器人。作為全球首臺擁有人工智能特質(zhì)的移動機(jī)器人，Shakey不僅具備自主感知能力，還能執(zhí)行環(huán)境建模、行為規(guī)劃等高級任務(wù)，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展揭開了新篇章。該機(jī)器人配備電視攝像機(jī)、三角法測距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動電機(jī)以及編碼器等硬件設(shè)備，并由兩臺計算機(jī)通過無線電通信系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)然，這臺機(jī)器人的缺點也很明顯，受限于計算能力，需要有很大的機(jī)房用于支持其功能運算，而Shakey規(guī)劃行動路徑也常常要耗費數(shù)小時之久。

如果認(rèn)為美國在現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)明方面功不可沒，那么日本則在將機(jī)器人推進(jìn)到實用階段作出了突出貢獻(xiàn)。1968年，日本川崎重工業(yè)株式會社從美國引進(jìn)技術(shù)，通過模仿學(xué)習(xí)，于1969年試制出第一臺日本國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人Unimate。20世紀(jì)70年代，日本工業(yè)機(jī)器人迅速普及，工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)量從1970年的1350臺猛增至1980年的19 843臺，年增長率約為30.8%。1980年，這個被稱為“日本機(jī)器人普及元年”的重要時間點，日本開始在各個領(lǐng)域推廣并使用機(jī)器人，在緩解國內(nèi)勞動力嚴(yán)重短缺的問題方面起到了重大作用。1986年，日本國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人保有量約為10萬臺，日本已經(jīng)成為名副其實的“機(jī)器人王國”。

總之，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人的形態(tài)和功能也不斷迭代。從最初的簡單機(jī)械手，到后來的輪式移動機(jī)器人，再到如今能夠模擬人類運動的人形機(jī)器人，機(jī)器人的形態(tài)越來越接近人類，功能也越來越強(qiáng)大。最早的機(jī)器人通常只是一些簡單的機(jī)械手，用于執(zhí)行重復(fù)性的任務(wù)，例如在工廠中進(jìn)行焊接、裝配或搬運。這些機(jī)器人通常缺乏智能和自主性，只能執(zhí)行預(yù)先編寫的指令。隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人開始具備移動能力。輪式移動機(jī)器人可以在工廠、倉庫、醫(yī)院等環(huán)境中自由移動，執(zhí)行各種任務(wù)。它們通常配備傳感器，可以避免碰撞障礙物并自主導(dǎo)航。現(xiàn)代人形機(jī)器人的設(shè)計受到人類生物學(xué)的啟發(fā)，它們具有類似于人類的外形和運動能力，這些機(jī)器人通常用于協(xié)助人類。因為后面還要專門介紹人形機(jī)器人，這里不贅述。