1.1 智能机器人概述
1.1.1 智能机器人发展简史
* 关键词：人工智能 智能体 智能机器人 技术简史
* 作者：邓志东
随着人工智能与互联网、物联网、大数据及云平台等的深度融合，在超强计算能力的支撑下，智能机器人正逐步获得更多的感知、认知与决策能力，变得更加灵活、灵巧与通用，开始具有更强的环境适应能力和自主能力，以适配更加复杂多变的应用场景。与此同时，智能机器人的应用范围从制造领域不断扩展到外星探测、航空航天、海洋探索、微纳操作等特种与极限领域，并开始渗透到人们的日常生活中。本小节将介绍智能机器人的基本定义、发展方向，以及智能机器人的发展简史。
1.人工智能、智能体与智能机器人
1946年，世界上第一台通用计算机“埃尼阿克”诞生于宾夕法尼亚大学。十年之后的1956年，约翰·麦卡锡、马文·明斯基、克劳德·埃尔伍德·香农和纳撒尼尔·罗切斯特等在美国达特茅斯学院发起召开的夏季研讨会上，确立了“人工智能”的概念，并将人工智能界定为“研究与设计智能体”。智能体被定义为“能够感知环境，并采取行动使成功机会最大化的系统”。因此，理想的智能体应该就是一台能够以类似人类智能行为的方式进行反应的、具有环境适应性的自主机器，或称之为智能机器人。根据这些设想，智能机器人将一直沿着以下三大方向发展：一是感知智能，即对感知（Perception）或直觉行为的模拟，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等；二是认知智能，即对认知（Cognition）或人类深思熟虑（Deliberative）行为的模拟，包括记忆、常识、经验、理解、推理、规划、决策、知识学习、思维、意图和意识等高级智能行为；三是对行动（Action）的模拟，如灵活移动与灵巧操作功能的实现等。经过数十年的发展，从感知智能的研究中衍生出了模式识别、统计机器学习、深度学习等这些20世纪90年代之后蓬勃发展的前沿研究领域；从认知智能的研究中发展出了逻辑推理、专家系统与决策支持系统等这些20世纪60年代到80年代的主流研究方向；从对行动的模拟中产生了工业机械臂与移动机器人等研究方向。这些发展直接催生了机器人学与机器人产业的发展。
18世纪开始的工业革命，先后经历了机械化与电气化阶段，人们发明了蒸汽机车、机床、起重机、收割机、缝纫机、自行车和电动机等，这些机械与电气设备的发明仅仅是为了减轻人类简单的体力劳动负担。始于20世纪中后期的信息革命，引发了传统机械设备的升级换代，带来了诸如电冰箱、洗衣机、工业机械臂和AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引车）等机电一体化产品。与机床等传统机械设备相比，工业机械臂更具通用性，它的多关节自由度模仿了人类手臂的操作，具有多功能的特征，即一类机械臂可以从事多项不同的作业任务，如焊接、喷漆与装配等，其中的可编程示教控制器，使机械臂能够“通用地”适用于不同的产线工位或工作流程（如图1-1所示）。这些工业机器人在技术上可分为三大组成部分：一是传感器与感知智能；二是简单的认知智能；三是执行机构。这三大组成部分力图从外部角度描述功能，模拟人类的五官、大脑和四肢，正好对应智能机器人的3个主要研究方向与技术领域。其他形态的智能机器人也有与此完全相同的功能与结构划分，智能机器人根据智能程度与反馈的信息粒度同时形成多个闭环，因此是一个典型的CPS（Cyber-Physical System，信息物理系统）。
图1-1 机械臂
2.智能机器人发展历程
第一代智能机器人是以传统工业机器人和无人机为代表的机电一体化设备，关注的是操作与移动/飞行功能的实现，使用了一些简单的感知设备，如工业机械臂的关节编码器、AGV的磁条/磁标传感器等，这些设备的智能程度较低。研发重点是结构设计，以及驱动、运动控制与状态感知等。代表性产品有六自由度多关节机械臂、并联机器人、SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂）机器人和磁条AGV。非制造领域的成功案例为各种循线跟踪式的无人机。这类机器人通过编程示教或循线跟踪，仅能在具有固定路线的结构化环境（如工厂）中工作，替换某些工位或完成为特定工种设定的简单及重复的作业任务，且“机器换人”的替代率只有5%。
第二代智能机器人也称为新一代机器人或机器人2.0，其特点是具有部分环境感知、自主决策、自主规划与自主导航能力，特别是具有类人的视觉、语音、文本、触觉、力觉等模式识别能力，因而具有较强的环境适应性和一定的自主性。在结构设计方面，则需进一步发展安全、灵巧、灵活、通用、低耗以及具有自然交互能力的仿生机械臂与机械腿（足）等，其核心是基于新一代人工智能技术的感知能力的提升。在工业机器人领域，已有ABB集团的“YuMi”双臂协作机器人，以及优傲机器人公司的“UR10”等。非制造领域的成功案例是L3、L4自动驾驶汽车（具有部分环境感知能力与一定的自主决策能力）。此外，还有“达芬奇”微创外科手术机器人、波士顿动力公司的“大狗”“猎豹”“阿特拉斯”等系列仿生机器人[如图1-2（a）所示]，以及本田公司的“阿西莫”人形机器人等。
利用具有环境适应能力的第二代智能机器人，可使“机器换人”的替代率达60%以上。生产线形成全机器人闭环后，甚至可实现100%的无人全自动化智能生产车间。随着以深度学习为主要标志的弱人工智能的迅猛发展，特别是开放环境中接近于人类水平的视觉与语音识别技术的应用，面向特定制造业应用场景的大规模“机器换人”或将在未来5年内出现，其对制造业的经济贡献将是传统工业机器人的数十倍。
图1-2 （a）波士顿动力公司的机器人；（b）机器人“索菲亚”
第三代智能机器人除具有第二代智能机器人的全部能力外，还具有更强的环境感知、认知与情感交互能力，以及自学习、自繁殖乃至自进化能力，其核心是开始逐步具有认知智能。第三代智能机器人还处于研究的初期，其产品有2014年软银公司发布的第一款消费类智能人形机器人“派博”。该机器人已具有基于人工智能的语音交互、人脸追踪与识别以及初步的情感交互能力。另外，目前颇具争议的、首位被授予沙特公民身份的机器人“索菲亚”[如图1-2（b）所示]，也表现出了第三代智能机器人的一些特征，即更加重视理解判决与情感交互等认知能力，尽管“索菲亚”的表现还十分原始。
总之，随着深度学习的局限性被突破、原创性人工智能理论的发展，特别是人工智能产业落地速度不断加快，智能机器人在挤掉部分泡沫后，似乎又重新回到了炽热的主赛道。
3.智能机器人发展历程中的里程碑事件
·1920年，“Robota”（机器人）术语首次出现在作家卡雷尔·恰佩克（Karel Capek）的科幻剧本《罗素姆的万能机器人》中。
·1939年，西屋电气公司发明了能够行走、说话的人形机器人“Elektro”，并首次在同年的纽约世博会上公开展示。
·1941年，美国科幻作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）首次使用“Robotics”一词来描述、研究和应用机器人技术。
·1942年，阿西莫夫提出了著名的“机器人三定律”。
·1942年，DeVilbiss公司设计了首款“可编程”喷漆机器人。
·1951年，法国人雷蒙德·戈茨（Raymond Goertz）为法国原子能委员会设计了首款遥控关节臂。
·1954年，乔治·迪沃尔（George Devol）设计的世界上首款多用途可编程机械臂“UNIMATE”能够根据示教再现执行不同的作业任务，具有一定的通用性和灵活性。两年后，迪沃尔与约瑟夫·恩格尔伯格（Joseph Engelberger）一起创建了世界上第一家机器人公司Unimation，该公司至今仍在生产和销售该机械臂产品。恩格尔伯格因而被称为“机器人之父”。
·1956年，在达特茅斯会议上，麦卡锡、明斯基、香农和罗切斯特等提出了人工智能的概念，智能体或智能机器人被界定和深入讨论。
·1962年，AMF公司研制出物料搬运机械臂“VERSTRAN”，其与Unimation公司生产的“UNIMATE”机械臂成为世界上最早商用的工业机器人。
·1968年，首款由计算机控制的行走机器人在南加州大学问世。
·1968年，通用电气公司的拉尔夫·莫舍（Ralph Mosher）和美国陆军的罗纳德·利斯顿（Ronald Liston）联合研制了首款手动控制的四足车“Walking Truck”，其步行速度高达6.4km/h。
·1968年，美国SRI（Stanford Research Institute，斯坦福研究院）研制出世界上首款安装有视觉系统并由计算机控制的移动机器人“Shakey”，该机器人能够根据人的指令发现并抓取积木，但使用的计算机的体积达一个房间之大。
·1969年，早稻田大学的加藤一郎教授研制出全球首款具有空气气囊和人工肌肉的双足机器人“WAP-1”，之后设计的“WAP-3”甚至可以上下楼梯或斜坡。
·1973年，世界上首款全尺寸人形机器人“WABOT-1”由加藤一郎教授发明。
·1974年，辛辛那提·米拉克龙（Cincinnati Milacron）公司研制出首款由微型计算机控制的工业机器人“T3”。
·1975年，Unimation公司推出世界上首款“可编程通用机械操作臂”，标志着工业机器人技术开始走向成熟。
·1979年，“斯坦福车”（Stanfort Cart）问世。“斯坦福车”能够在摆满椅子的房间里进行基于摄像机视觉分析的避障自主行驶，这被视为自动驾驶汽车的雏形。
·1979年，山梨大学的牧野洋发明了世界上首款装配机器人“SCARA”。
·1984年，爱德普技术（Adept Technology）公司推出首款SCARA装配机器人“AdeptOne”。
·1988年，首款服务机器人“Helpmate”进入医院，为病人送饭、送药、送邮件。
·1992年，波士顿动力公司正式从麻省理工学院分离出来。在20多年的时间里，其相继推出了令世人惊叹的“大狗”“猎豹”“阿特拉斯”“Handle”等一系列仿生机器人。
·1994年，卡内基梅隆大学的八脚行走机器人“Dante”试图探索南极洲的埃里伯斯火山。
·1995年，直觉手术（Intuitive Surgical）机器人公司在加州成立，次年推出了第一代“达芬奇”微创外科手术机器人，2006年推出了第二代，2009年推出了第三代，2014年推出的第四代“达芬奇”微创外科手术机器人产品具有更好的性能，之后还开发了配套的远程诊疗系统。
·1996年，本田公司研制出首款能够进行自调节的双足步行人形机器人“P2”，一年后推出具有完全自主功能的人形机器人“P3”。这是该公司在推出人形机器人“阿西莫”前的两个重要事件。
·1997年，美国NASA（National Aeronautics and Space Administration，国家航空航天局）的“PathFinder”轮式移动机器人探测器登陆火星，并向地球成功发回照片和数据。
·1998年，乐高公司推出“Mindstorms”玩具机器人套件，可以通过搭积木式的任意拼装，“发明”出各种形态的“机器人”。
·1999年，索尼公司发布机器狗“爱宝”，成为首款商用娱乐机器人。
·1999年，世界上首款“机器鱼”在三菱公司问世。
·2001年，iRobot公司研制的救援机器人“PackBot”在纽约世界贸易中心展开搜救行动，其后续版本已成功应用于某次战争中。
·2002年，人形机器人“阿西莫”在本田公司正式问世，它身高1.3m，能够以类似于人类的步姿行走和慢跑。
·2002年，iRobot公司发布了第一代吸尘机器人“Roomba”。
·2005年，韩国科学技术院研制出移动机器人“HUBO”。
·2006年，微软公司推出“Microsoft Robotics Studio”，机器人模块化、标准化的趋势日益明显。有人曾预言，个人机器人将如同个人计算机，走进千家万户，彻底改变人类的生活方式。
·2012年，美国“发现号”航天飞机将首款人形机器人宇航员“R2”送入国际空间站。
·2012年，美国内华达州机动车辆管理局颁发了美国首张自动驾驶汽车路测牌照。
·2013年，Rethink Robotics公司推出新一代双臂工业机器人“Baxer”，两年后发布了高性能协作机器人“Sawyer”。
·2014年，软银公司发布全球首款“具有人类情感”的智能人形机器人“派博”。
·2014年，ABB集团推出首款人机协作双臂工业机器人“YuMi”。
·2015年，汉森机器人公司的机器人“索菲亚”诞生，两年后“索菲亚”被授予沙特公民身份，此举颇具争议。