1.3 机器人发展历史

1.3.1 全球机器人发展历史

1.工业机器人

20世纪40年代后期，美国橡树岭国家实验室和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料，这种系统是“主从”型的，用以准确“模仿”操作员手臂的动作。主机械手由使用者进行导引，做出一连串动作，从机械手尽可能准确地模仿主机械手的动作，这实际上是示教机器人的雏形，后来又利用机械耦合主、从机械手的动作，加入力的反馈，使操作员能够感觉到机械手及其环境之间产生的力。20世纪50年代中期，机械手中的机械耦合被液压装置所取代，如美国通用电气公司的“巧手人”机器人和通用制造厂的“怪物”Ⅰ型机器人。

随着英国和美国等国家的机器制造业向自动化方向发展，美国工程技术人员于20世纪60年代初，成功研制示教再现型自动操作机器人，在后续的发展中用于工业生产中的铸造、锻压、冲压、焊接、热处理等领域。其中最典型的是被誉为“第一台机器人”的Unimate机器人，1954年，乔治·德沃尔（George Devol）提出了“通用重复操作机器人”的专利申请，并在1961年获得了专利（US2988237），该专利也成了Unimate机器人的基础；1959年，他与被誉为“工业机器人之父”的约瑟夫·英格博格（Joseph F. EngelBerger）共同创建了世界上第一家机器人公司——Unimation（Univeral Automation）公司，并参与设计了第一台Unimate机器人，这台用于压铸的五轴液压驱动机器人采用伺服机构和自动控制技术，手臂的控制由一台计算机完成，是世界上最早的工业机器人。它采用分离式的固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆完成180个工作步骤。1967年，Unimation公司又推出了MarkⅡ机器人，并将第一台喷涂用机器人出口到日本，开启了全球广泛应用和发展机器人的时代。同一时期，另一家美国公司——AMF公司，也开始研制工业机器人，即柱坐标型Versatran（Versatile Transfer）机器人，主要用于机器之间的物料运输，它采用液压驱动，其手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为，Unimate机器人和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。

1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。1974年，美国Cincinnati Milacron公司成功开发多关节机器人；1979年，Unimation公司又一次在之前的Mark机器人系列的基础上进行革新和改进，推出了PUMA机器人（图1-5），它采用多关节、全电动驱动、多CPU二级控制，并使用VAL专用语言，可配置视觉、触觉、力觉传感器。这一时期的机器人属于示教再现型机器人，只具有记忆、存储能力，按照相应程序重复作业，但无法对周围环境进行感知和反馈，只能按照既定的程序执行任务，严格意义上还属于机器，因此被称为“第一代机器人”。

“第一代机器人”主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器等部分组成，并应用在线编程，即通过示教存储数据和信息，在其工作时读取存储的数据和信息，控制器向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。20世纪60年代后期和整个70年代是第一代机器人发展最快的时期，极大地推动了对机器人的普及和应用，为机器人智能化的开启做好了铺垫。

20世纪80年代，随着电子信息、计算机的快速发展，“第二代机器人”——有感觉的机器人应运而生，即“自适应机器人”。它很形象地被人们称为“具有感觉的机器人”，其上设置了不同种类的传感器，具有如力觉、触觉、视觉等环境感知渠道，能够获得作业环境和作业对象的相关信息，通过处理器、控制器引导机器人进行作业。在控制方式方面，“第二代机器人”比“第一代机器人”复杂得多；在感知能力方面，“第二代机器人”传感器检测周围环境的方式、对机器人本体控制的方式，比“第一代机器人”更加智能和精准。这种机器人经过20世纪70年代的探索后，在20世纪80年代逐步进入实际应用阶段。1982年，美国通用汽车公司在装配线上为工业机器人配置了视觉系统，宣布了“第二代工业机器人”的问世。

20世纪90年代后出现了“第三代机器人”，即“智能机器人”，但目前还没有一个统一和完善的智能机器人定义。国外相关文献对它的解释是“可动自治装置，能理解指示命令，感知环境，识别对象，计划其操作程序以完成任务”。这个解释基本上反映了现代智能机器人的特点。与“第二代机器人”相比，它具有以下鲜明的特点：

1）具有更加完善的环境感知能力，对周围环境感知的敏感度、精确度以及感知能力更加强大。

2）具有逻辑思维、判断和决策能力，能够根据传感器探测的信息对后续工序进行适应性的调整和控制。

3）能够根据作业要求与环境信息自主地进行工作，通过中央处理器和控制器自动地、智能地执行程序。

2.服务机器人

欧美国家在服务机器人的开发方面起步较早。欧洲在以康复机器人为代表的服务机器人方面的研究起源于20世纪70年代中期的Spartacus和Heidelberg操作手项目。法国支持的Spartacus项目，研究操作手与轮椅的结合，用于提高高位截瘫病人远程操作的效率。德国支持的Heidelberg项目研究独臂家政服务机器人，它体型大小适中、动作灵活、智能化程度高且具有一定的学习能力。1982年，荷兰开发了一个装在茶托上的实验用机械手RSI，主要用于完成喂饭和翻书，这个项目对后来的轮椅机械手Manus有很大的影响。Manus的研发开始于1984年，它的手臂包含5个自由度，经过几年的测试后，由荷兰Exact Dynamics bv公司生产并投入市场。1987年，英国人迈克·托平（Mike Topping）研制了康复机器人样机Handy 1，使一个患有脑瘫的11岁男孩第一次能够独立就餐。属于此类型的机器人还有美国的DeVAR机器人、加拿大的Regencies机器人和法国的Master机器人等。

美国政府对于服务机器人的支持主要集中在作战机器人、反恐机器人方面，对医用机器人、家用服务机器人的研发起步较早。被誉为“机器人之父”的约瑟夫·英格博格创建的TRC公司，于1985年开始研制服务机器人，1990年研发并推出了全球首个服务机器人——“护士助手”。美国斯坦福大学研发的MOVAR机器人可以穿行到各个房间，其机械手上装有力觉传感器和接近传感器以保证工作时的安全可靠。

进入21世纪，越来越多的服务机器人从实验室进入市场应用，如美国于2007年推出的军用机器人Packbot。2010年，日本研制出的仿美女机器人Geminoid F作为高新技术的结晶，可以做出很多类似于人的动作，如眨眼睛、说话聊天、对人微笑等。

2011年以来，服务机器人的发展进入爆发式增长阶段，发达国家纷纷将服务机器人产业的发展上升到国家战略的高度，并给予了充分的政策支持和资金支持；发展中国家也逐渐进入服务机器人的研发和生产领域。

2011年6月，美国宣布启动《先进制造伙伴计划》，计划投资28亿美元，用于重点开发基于移动互联技术，以智能化为主要方向的“第三代机器人”。一方面，加大对新材料的研发力度，力争大幅降低机器人自重与负载比；另一方面，加快发展视觉、触觉等传感器和人工智能技术，如视觉装配的智能控制和导航。2014年，欧盟启动全球最大民用机器人研发计划SPARC，投入28亿欧元支持机器人在制造业、农业、健康、交通、安全和家庭等领域的应用。

2013年，日本政府拨款23.9亿日元，帮助24家企业开发和推广护理机器人；2014年8月，韩国贸易、工业和能源部宣布了2018年到期的第二个智能机器人开发五年计划，侧重于通过技术与其他产业（如制造业和服务业）的融合实现机器人产业的发展和扩张，其中首要发展服务机器人，如救援机器人和康复医疗机器人。目前世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务机器人的开发。在日本、北美和欧洲等地，迄今已有7种类型、40余款服务机器人进入实验和半商业化应用。世界上著名的服务机器人公司包括：美国的iRobot公司、直觉外科公司、Boston dynamics公司，德国的机器人技术商业集团，法国的Aldebaran SAS，日本的松下、索尼，韩国的三星等。