1.2 现代的机器人

古代机器人的发展较为缓慢，而现代机器人的发展则可以用突飞猛进来形容。现代机器人的研究始于 20 世纪中期：一方面，工业生产规模的快速发展使得机器人的研发与制造变得迫在眉睫；另一方面，人类不断增加的物质与精神消费需求也促进了服务机器人的开发与应用。

1．需求推动下的重生

早在第一次工业革命时期，旺盛的市场需求和传统的手工劳作之间的矛盾就已经日渐凸显。机器的发明与使用极大地提高了生产力水平，为人类社会创造了巨额的财富。

然而，那时的机器只是人类双手的延伸。

从工业革命开始之后的近两百年时间里，人们就一直不断提高机器的设计理念和制造工艺。尤其是自 20 世纪中期以来，大规模生产的迫切需求推动了自动化技术的发展，进而衍生出三代机器人产品。第一代机器人是遥控操作的机器，工作方式是人通过遥控设备对机器进行指挥，而机器本身并不能独自控制运动。第二代机器人通过程序控制，可以使其自动重复完成某种方式的操作。第三代机器人被称为智能机器人，是一种利用各种传感器和测量器等来获取环境信息，然后基于智能技术进行识别、理解和推理，并做出规划决策，同时能够自主行动实现预定目标的高级机器人。

第一代机器人的诞生源于发展核技术的需求。20 世纪 40 年代，美国建立了原子能实验室，但实验室内部的核辐射环境对人体伤害较大，迫切需要一些操作机械能代替人处理放射性物质。在这个需求的推动下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于 1947年开发了遥控机械手，随后又在 1948 年开发出了机械耦合的主从机械手。所谓主从机械手，即当操作人员控制主机械手做一连串动作时，从机械手可准确地模仿主机械手的动作。

1952 年，美国帕森斯公司制造了一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，这标志着数控机床的诞生。此后，科学家和工程师们对控制系统、伺服系统、减速器等数控机床关键零部件技术的深入研究，为机器人技术的发展奠定了坚实的基础。

凭借自动化技术和零部件技术的研究积累，第二代机器人登上了历史舞台。

1954 年，美国人乔治 • 沃尔德制造出世界上第一台可编程的机械手，并注册了专 利。按照预先设定好的程序，该机械手可以从事不同的工作，具有通用性和灵活性。

随后的 1958 年，被誉为“机器人之父”的美国人约瑟夫 • 恩格尔伯格创建了世界上第一家机器人公司——Unimation，正式把机器人向产业化方向推进。1962 年，Unimation 公司的第一台机器人产品 Unimate（见图 1-10）问世。该机器人由液压驱动，并依靠计算机控制手臂执行相应的动作。同年，美国机床铸造公司也研制出了 Versatran机器人，其工作原理与 Unimate 相似。一般认为，Unimate 和 Versatran 是世界上最早的工业机器人。

图1-10 世界上最早的工业机器人——Unimate

在机器人技术的研发过程中，人们尝试利用传感器提高机器人的可操作性，具备感知功能的第三代智能机器人渐成研发热点。厄恩斯特的触觉传感机械手、托莫维奇和博尼的安装有压力传感器的“灵巧手”、麦卡锡的具备视觉传感系统的机器人以及约翰 • 霍普金斯大学应用物理实验室研制出的 Beast 机器人，都是成功的尝试。随着众多研究机构的加入，第三代智能机器人发展的曙光已经显现。

1968 年，美国斯坦福国际研究所成功研制出移动式机器人 Shakey，如图 1-11 所示。

它是世界上第一台带有人工智能的机器人，能够自主进行感知、环境建模、行为规划等任务。该机器人配备电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器等硬件设备，并由两台计算机通过无线通信系统控制。限于当时的计算水平，Shakey 需要相当大的机房支持其进行功能运算，同时规划行动也往往要耗时数小时。

图1-11 世界首台带有人工智能的移动机器人——Shakey

由上述发展历程可以看出，工业生产的内在需求以及传统生产方式亟待转变的趋势，都是推动机器人发展的核心力量。

2．机器人王国的繁荣

美国人最先发明了机器人，但日本人却更早认识到了机器人的真正价值。这也是为什么今天的全球四大机器人巨头——ABB、发那科、库卡、安川当中，有 2 家是日本企业的原因。

1967 年，日本川崎重工从美国 Unimation 公司购买了机器人专利。通过模仿学习，川崎于 1968 年试制出第一台自主通用机械手“尤尼曼特”。20 世纪 70 年代是日本工业机器人迅速普及的时期。工业机器人年产量从 1970 年的 1350 台猛增至 1980 年的 19843台，年增长率约为 30.8%。20 世纪 80 年代，日本工业机器人产业进入鼎盛期。1980 年被称为日本“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人，极大地缓解了国内劳动力严重短缺的社会矛盾。1986 年，日本国内的工业机器