1.1 机器人的发展

机器人学（Robotics）集中了自动控制理论、机械工程、材料科学、计算机技术、电子技术及人工智能等多门学科的最新研究成果，代表了现代机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一^[1]。机器人目前主要应用于工业领域，如危险的工业环境中。机器人的外形有多种样式，有一些在外形上近似于人类，被称为类人机器人或者人形机器人。类人机器人的使用有助于机器人复制或者模仿人类执行某些任务时的行为，如行走、拾取、搬运、言语、认知，以及人类可以做的大多数工作。

1.1.1 机器人学的起源和机器人三定律

机器人学源自机器人一词，而机器人一词源自卡雷尔·恰佩克发表的科幻剧本《罗索姆的万能机器人》^[2]。

1927年，一个由德国演员布里吉特·黑尔姆（Brigitte Helm）饰演的女性机器人（德语：Maschinenmensch），第一次在弗里茨·朗执导的德国科幻电影《大都会》中出现。

在1942年，阿西莫夫（Isaac Asimov）在他的短篇科幻小说《转圈圈》Runaround中首次发表了“机器人三定律”^[3]（也称为机器人三法则）：

第一定律：机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观。

第二定律：在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类下达的命令。

第三定律：在不违反第一定律和第二定律的前提下，机器人必须尽力保护自己。

机器人学术界一直将这三条定律作为开发机器人的准则，阿西莫夫也因此被誉为机器人学之父。

后来，阿西莫夫又补充了机器人第零定律。

第零定律：机器人不可以伤害整个人类社会群体，或在人类社会群体承受迫害时不为所动。

为什么后来要制定第零定律呢？因为在某些情况下，例如，为了维持国家或者全体人类的整体秩序，根据法院的判决必须对某罪犯执行死刑，在这种情况下，机器人该不该阻止死刑的执行呢？显然是不应该阻止的，否则就会破坏我们要维持的整体秩序，也就是伤害了人类社会群体。因此，第零定律的地位要凌驾于其他三条定律之上。

1.1.2 国外机器人的发展情况

1954年，美国人乔治·迪沃（George C.Devol）提出了第一个工业机器人方案，该方案在1956年获得美国专利。

1960年，Conder公司购买乔治·迪沃的专利并制造了样机。

1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器人Unimate。

1962年，AMF（机械与铸造）公司研制出了一台数控自动通用机，取名为Versatran。

1967，Unimation公司的第一台喷涂用机器人出售到了日本川崎重工业株式会社。

1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。

1972年，IBM公司研制出了直角坐标机器人（Cartesian Robot）。

1973年，Cincinnati Milacron公司推出了T3型机器人。

1977年，日本学者研制出了首台多指灵巧手样机。

1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生；同年，澳大利亚学者首次将6自由度并联机构用于机器人操作器。

1981年，日本山梨大学（University of Yamanashi）的牧野洋开发出了SCARA型机器人。

1988年，卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University，CMU）研制出了可重构模块化机械手系统RMMS。

1996年，日本本田技研工业株式会社研制出了P 2型机器人，2000年推出了类人机器人ASIMO（阿西莫）。

2005年，美国波士顿动力（Boston Dynamics）公司研制出“大狗”（BigDog）机器人。

2008年，英国科学家研制了首个有生物脑的机器人米特·戈登（Meet Gordon）。

随着机器人技术的发展，形成了一个新学科——机器人学，业界也成立了相应的学术组织和学术刊物，并定期举办学术活动。例如：国际会议有IEEE国际机器人与自动化大会（IEEE International Conference on Robotics and Automation，IEEE ICRA）、机器人：科学与系统（Robotics：Science and Systems，RSS）会议，以及IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议（IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，IROS）等；学术刊物有《机器人学研究》（Robtics Research）、《机器人学》（Robotica）、《机械人学与自动化》（Robotics and Automation）等。

1.1.3 国内机器人的发展情况

从产业的角度来看，我国对机器人有着极大的产业需求。据国际机器人联合会（International Federation of Robotics，IFR）的产业报告，中国是全球机器人需求量最大的国家^[4]。然而，就技术的发展而言，我国对机器人的研究起步比较晚。

20世纪70年代末，机器人的研究开始在我国萌芽，一些高等院校和企业开始研制专用机械手。随着一批批中国学者前赴后继地投入机器人的研究，我国在相关领域的学术研究渐渐在全球崭露头角。

我国机器人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，开创了我国机器人研制的新纪元。

1985年，哈尔滨工业大学研制出了国内首台弧焊机器人（华宇Ⅰ型），之后又研制出国内第一台点焊机器人（华宇Ⅱ型）。

进入20世纪90年代后，国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持，建立了机器人示范工程中心和机器人学国家重点实验室，并由此衍生出了机器人产业化基地，如哈尔滨博实自动化股份有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人工程中心。

1997年，南开大学机器人与信息自动化研究所研制出了我国第一台用于生物实验的微操作机器人系统。

我国相关的工业规划中提到，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。

2017年10月25日，《中国机器人标准化白皮书（2017）》正式发布。

我国也建立了机器人学的学术组织和学术刊物，定期举办学术活动。例如，每两年左右会举办一次大型全国或国际性学术会议，学术刊物有《机器人》《机器人技术与应用》等。

经过40多年的发展，我国机器人的研究有了很大的进展，在某些方面已达到了世界先进水平，但从总体上看，与发达国家相比还有较大的差距，我国机器人的研究仍然任重道远。

1.1.4 机器人的发展历程

2017年，中国信息通信研究院、国际数据公司（IDC）和Intel公司共同发布了《人工智能时代的机器人3.0新生态》白皮书，其中把机器人的发展历程划分为三个时代，分别称为机器人1.0、机器人2.0、机器人3.0。

机器人1.0（1960—2000年）：机器人对外界环境没有感知，只能单纯地复现人类的示教动作，在制造领域替代人工进行机械性的重复体力劳动。

机器人2.0（2000—2015年）：通过传感器和数字技术构建了机器人的感知能力，并模拟了人类的部分功能，不但促进了机器人在工业领域的应用，也逐步开始向商业领域拓展。

机器人3.0（2015—2020年）：伴随着感知、计算、控制等技术的迭代升级，以及图像识别、自然语音处理、深度认知学习等技术在机器人领域的深入应用，机器人领域的服务化趋势日益明显，逐渐渗透到社会生产、生活的每一个角落。在机器人2.0的基础上，机器人3.0实现了从感知到认知、推理、决策的智能化进阶。

机器人3.0预计在2020年完成，在此之后，将进入机器人4.0时代，把云端大脑分布在从云到端的各个地方，充分利用边缘计算来提供性价比更高的服务，把要完成任务的记忆场景的知识和常识很好地组合起来，实现规模化部署。机器人除了具有感知能力，可实现智能协作，还具有理解和决策的能力，可实现自主的服务。在某些不确定的情况下，它需要在远程进行人工增强或者做出一些决策辅助，但是它在大多数情况下可以自主完成任务。要实现这一目标，首先需要利用人工智能和5G通信技术。利用人工智能技术不仅可以提高机器人本身感知能力，还可以提升个性化自然交互能力。利用5G通信技术，可以大大缩短从终端到接入网的时间，并且大幅度提升带宽，这样就可以将很多东西放到云端，同时增强计算能力，包括云端大脑的一些扩展，有助于机器人的规模化部署。

类似于互联网的三级火箭式发展模式，机器人的发展也可分为三个阶段。第一阶段是在关键场景中，把握垂直应用，提高场景、任务、能力之间的匹配程度，提高机器人在关键应用场景的能力，扩大用户基础。第二阶段是通过人工增强加入持续学习和场景自适应的能力，延伸服务能力，取代部分人力，逐步实现对人的替代，让机器人的能力满足用户预期。第三阶段是实现规模化，可通过云-边-端融合的机器人系统和架构，让机器人达到数百万、千万级水平，从而降低成本，实现大规模的商用。