机器人简史编辑本段回目录
说起机器人,我们头脑里马上会联想到那些会唱歌跳舞干工作而且有头有手的小东西。其实那只是机器人的狭意理解。机器人的完整意义应该是一种可以代替人进行某种工作的自动化设备。它可以是各种样子,并不一定长得像人,也不见得以人类的动作方式活动。
事实上,机器人的祖先可以追溯到两千多年前呢。我们知道古人用滴漏计时的方法,其实那就是一种自动化设备——水钟。那时,人们将两个水壶一上一下放置,上面的水壶将水滴到下面的水壶里。下面的水壶中安放一个浮标,浮标上有表示时间的刻度。这样,浮标随着水位的升高而升起,人们就会在壶的外面看到那些表示时间的刻度了。水量的稳定与否,制约着时间的准确。于是,人们就增加了几个水壶,使它们形成了一个系统。一个自动化机器的内部都有着一套相互关联的设备。多数人认为,在公元前250年一个希腊科学家制造出了这样的钟,它利用虹吸原理使水自动循环。到了中世纪,欧洲人发明了由摆控制的钟,18世纪又发明了用发条控制的钟,机器的自动化水平越来越高。在我国,则从周朝到明朝一直沿用着滴漏计时设备。
说到这里,你可能会讲,那样的自动化设备简直是太多啦。不错,就连卫生间里的抽水马桶也是一种自动化设备。你知道吗,这个不起眼儿的抽水马桶发明于古罗马,至今还没有更好的替代设备呢。
在人类大规模地发展工业的时期,自动化设备有了大的进步,开始出现初级机器人装置。当时蒸汽机的大量使用,人们自然想到要控制蒸汽机的运转速度。一台蒸汽机在工作时,负荷会使速度慢下来,这时便需要加大进入汽缸内的蒸汽量,而在空转时,则需要减少。于是产生了调速器。它使蒸汽机的自动化运转程度大大提高。19世纪末和20世纪初,工人们因自动化设备的出现,可以不必一手安放零件,一手调整机器。大约也就是在这种情况下,人们开始产生出更多的梦想,希望有机器来代替人们更多的劳动。
1920年,一个捷克作家(K-恰彼克)写了一个剧本《罗素姆万能机器人》(也有翻译为“洛桑万能机器人公司”)。剧本描写了一个依赖机器人的社会。剧中有一个长得像人,而且动作也像人的机器人名叫罗伯特(robot,捷克语的意思是强迫劳动)。从此,“robot”以及相对应的中文“机器人”一词开始在全世界流行。
上个世纪60年代前后,随着微电子学和计算机技术的迅速发展,自动化技术也取得了飞跃性的变化。开始出现了现在普遍意义上的机器人。1959年,美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人,取名“尤尼梅逊”,意为“万能自动”。尤尼梅逊的样子像一个坦克炮塔,炮塔上伸出一条大机械臂,大机械臂上又接着一条小机械臂,小机械臂再安装着一个操作器。这三部分都可以相对转动、伸缩,很像是人的手臂了。它的发明人专门研究运动机构与控制信号的关系,可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作。英格伯格和德沃尔认为汽车制造过程比较固定,适合用这样的机器人。于是,这台世界上第一个真正意义上的机器人,就应用在了汽车制造生产中。
经过近百年来的发展,机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩,其种类也不胜枚举,几乎各个高精尖端的技术领域更是少不了它们的身影。在这期间,机器人的成长经历了三个阶段。第一个阶段中,机器人只能根据事先编好的程序来工作,这时它好像只有干活儿的手,不懂得如何处理外界的信息。打个比方,如果让这样的机器人去抓会损坏它的东西,它也一定会去做。第二个阶段中,机器人好像有了感觉神经,具有了触觉、视觉、听觉、力觉等功能,这使得它可以根据外界的不同信息做出相应的反馈。如果再让它去抓某些东西,它可能就不干啦。第三个阶段,机器就真正长大成人啦,这时它不仅具有多种技能,能够感知外面的世界,而且它还能够不断自我学习,用自己的思维来决策该做什么和怎样去做。第一阶段的机器人,是小孩子,人们称它为“示教再现型”;第二阶段的机器人是一个青年,人们称它为“感觉型”;第三阶段的机器人则是成年人,称为“智能型”。1968年,美国斯坦福研究所研制出世界上第一台智能型机器人。这个机器人可以在一次性接受由计算机输出的无线遥控指令后,自己找到目标物体并实施对该物体的某些动作。1969年,该研究所对机器人的智能进行测定。他们在房间中央放置了一个高台,在台上放一只箱子,同时在房间一个角落里放了一个斜面体。科学家命令机器人爬上高台并将箱子推到地下去。开始,这个机器人绕着台子转了20分钟,却无法登上去。后来,它发现了角落里的斜面体,于是它走过去,把斜面体推到平台前并沿着这个斜面体爬上了高台将箱子推了下去。这个测试表明,机器人已经具备了一定的发现、综合判断,决策等智能。
人们在开始狂欢自己杰作的同时,不免又害怕起来。他们耽心有一天,聪明起来的机器人会将自己打翻在地。因为按照技术的发展来看,似乎没有什么不可能。
到了上个世纪70年代,第二代机器人开始迅速发展并进入实用和普及的阶段,而第三代机器在今天也已经得到了突飞猛进的变化。它能够独立判断和行动,具有记忆、推理和决策的能力,在自身发生故障时还可以自我诊断并修复。尽管如此,机器人的发展还是没有止境,人们希望它有更高的拟人化水平。
为了规范机器人,人们采用了美国著名科普作家艾萨克.阿西莫夫为机器人制定的三条原则,它们是:
第一:机器人不得伤害人,或任人受到伤害而无所作为;
第二:机器人应服从人的一切命令,但命令与第一定律相抵触时例外;
第三:机器人必须保护自身的安全,但不得与第一、第二定律相抵触。
看来,人们对机器人将来是否会发展到与人抗衡这一点,并不是充满自信;问题是会不会出现敢于破坏这三条原则的机器人呢?
1997年,日本本田公司研制出世界上第一台可以像人一样走步的步行机器人。这是机器人发展史上的一个里程碑。现在的机器人则已经可以跳舞、翻跟头。机器人的手也非常灵巧,它可以握住鸡蛋,也可以拿起一根针。而在电子生产线上的机械手,则快速、精确得远远超过人手。
1952年,美国福特汽车公司建造了世界上第一条全自动汽车生产线,42部自动机器可进行500种不同的加工工序,同时对产品进行检验。到了80年代,日本建立了首座无人工厂。工厂有1010台带有视觉的机器人,它们与数控机床等配合,按照程序完成生产任务。1992年,日本研制出一台光敏微型机器人,体积不到3立方厘米,重1.5克。1997年,日本的本田公司制造出高1.6米的机器人。这个机器人有三维视觉,头部能自如转动,双脚能躲开障碍物,能改变方向,在被推撞后可以自我平衡。该机器人由150位工程师历时11年,耗资8000万美元研制而成,可以照料人和完成多种危险及艰苦工作。2004年1月,美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星车先后成功登陆。火星车在火星表面行走、拍摄、钻探,化验,非常精彩地完成了自己的使命。目前,科学家们正在研制更精密的小型机器人。随着纳米技术的成熟,分子级的机器人已经快要出世啦。人们可以想象,比尘埃还要小的机器人漂在空气中,游进人体里为你服务。
机器人的制造水平标志着一个国家的综合科技实力,它一直是发达国家的重点研究项目。代表着高精尖科技的新型机器人体现了一个国家的尖端成果,而大量的工业机器人则使传统工业生产发生质的飞跃,其生产速度、生产质量、生产成本都是传统生产形式所望尘莫及的。
现在,全世界的机器人大军已经非常庞大,其兵种也日益繁多起来。1990年,人们召开了“工业机器人国际标准大会”,决定把机器人大军分编为四个军团:顺序型、沿轨道作业型、远距离作业型和适应型。而用我们的话说起来,可以归纳为这样几种:农业机器人、工业机器人、医疗机器人、服务机器人、体育机器人、讲解机器人、军用机器人、特种工作机器人、微型机器人等等。
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机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。
机器马车
西周时期,我国的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,在机械方面也是一位发明家,据《墨经》记载,他曾制造过一只木鸟,能在空中飞行“三日不下”,体现了我国劳动人民的聪明智慧。
公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像,它可以自己开门,还可以借助蒸汽唱歌。
1800年前的汉代,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。
后汉三国时期,蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“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。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。
写字机器人
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。1773年,他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等,他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们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。由于当时技术条件的限制,这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。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,它制作于二百年前,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,展示了古代人的智慧。
19世纪中叶自动玩偶分为2个流派,即科学幻想派和机械制作派,并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表了《浮士德》,塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”;1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》;1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世;1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面,1893年摩尔制造了“蒸汽人”,“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。
进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用化的机器人相继问世,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”,并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人,装有无线电发报机,可以回答一些问题,但该机器人不能走动。1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。
现代机器人
现代机器人的研究始于20世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展,以及原子能的开发利用。
机器人汽车焊接生产线
自1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。
大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面,原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下,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,1948年又开发了机械式的主从机械手。
铆接机器人
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似,但外形特征迥异,主要由类似人的手和臂组成。
1965年,MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。
机器狗
1967年日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会),同年召开了日本首届机器人学术会。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后,机器人的研究得到迅速广泛的普及。
1973年,辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人,它是液压驱动的,能提升的有效负载达45公斤。
到了1980年,工业机器人才真正在日本普及,故称该年为“机器人元年”。
随后,工业机器人在日本得到了巨大发展,日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。
自治潜水器
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。80年代,将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间,水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。将机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称,这也说明了机器人所具有的创新活力。