机器人的前世今生

机器人，已然不在陌生，在现代化的大型工厂里，各种工业机器人快速准确地进行着焊接、抓取、组装、配送等工作，迎宾机器人、陪护机器人、清洁机器人、导购机器人等新型智能化机器人也越来越走进人们的日常生活。机器人专业作为我国新设立的专业，受到许多学生的热捧。那么，机器人究竟是什么？机器人专业究竟学些什么？本文将通过介绍机器人的发展历史、机器人专业的诞生，使人们更好地认识机器人，以及认识机器人工程这个专业。

无论是在现代化智能工厂的流水线上，还是在抗击疫情的工作现场，或者是在现代战争的战场上，各种各样的机器人大显身手，作为人类的工作伙伴，它们不知疲倦、不怕危险、毫无怨言地工作着、战斗着。当前机器人已经逐步进入我们的生活，未来机器人一定也会成为我们人类最重要的伙伴。

机器人的历史

几千年以来，人们一直幻想着利用某些机构代替人的工作。如图1所示，春秋时期鲁班的木制飞鸟、东汉张衡的指南车、三国时期诸葛亮的木牛流马都是对此进行的努力，虽然能够在某种程度上减轻人的劳动强度，但是，由于缺乏动力源，这些机构并不能真正地自动运行。直到工业革命以后，蒸汽机、电力驱动等革命性动力源的出现才使得自动机构代替人类工作的愿望成为可能。1893年，加拿大的摩尔设计的能够走行的机器人“安德罗丁”就是以蒸汽机为动力的。直到1959年，美国的英格伯格（Joseph Engelberger）和得沃尔（Geoge Devol）才制造出世界上第一台真正意义上的机器人Unimate，能够应用于工业领域代替人自动进行某些工作[1]。

什么是机器人

1920年，捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本《Rossum’s Universal Robots》，故事的主要情节是：带感情的机器人消灭了人类，一对男女机器人相爱，世界又起死回生。科幻剧中将捷克词语“Robota”写成了“Robot”，作为机器人的名字(“Robota”是“苦力”、“奴隶”的意思)。该科幻剧引起了人们的广泛关注，流传到日本以及欧洲各国，从此Robot就成为机器人的英文单词[2]。

机器人主要是用于代替人工作的，首先它是一个机器。对于传统的机器，被使用者设计制造出来后，它的工作步骤、路径都是确定的。机器的设计也是根据它所应用的工作而进行的。一旦工作要求发生变化，要么对机器进行改造，要么重新设计新的机器。为了适应不同的工作要求，工业机器人应运而生，它的工作步骤或路径并非在设计制造阶段确定的，而是使用者根据需要自行指定，设计制造者仅仅需要确定机器人的工作空间即可，而不需要知道它具体做什么工作。机器人与机器的最大区别就在于它的工作步骤或路径是可变的。

机器人在工作前，首先需要使用者将工作步骤或路径用特定的手段提供并告知机器人，机器人将这些步骤或路径保存起来，这个过程称为示教，也就是先教给机器人如何工作。以后只需要选择某个示教的内容，机器人就能够按照示教的过程自动进行工作，而不需要人工干预。对于一台机器人而言，可以对其进行多次不同的示教，意味着一台机器人可以做多种不同的工作。早期的机器人都是这种示教类型的机器人，主要应用于工业领域。虽然能够改变工作步骤或路径，但不是自主改变的，需要人们提前示教告诉它，并且工作过程也不能改变。

随着科技的发展，新型的智能感知技术和人工智能控制技术应用到机器人系统中，机器人可以通过智能感知技术，了解到它所处的环境和状态，并利用智能控制算法，自主地改变工作步骤或路径，这就是智能机器人的诞生。

世界各国对机器人有多种不同的定义。根据国际标准化组织的定义，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务[1]。这里所提到的“编程”与普通的计算机编程不同，指的是机器人的示教编程，即教会机器人工作路径的方式。这个定义是针对示教机器人的。对于现在的智能机器人，这个定义忽略了机器人的感知环节，并不完全准确，更加通用性的定义是：机器人是一种计算机控制的可编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。这个定义突出了现代机器人的几个特点：计算机控制、感知、学习。

从《Rossum’s Universal Robots》开始，世界各国出现了很多以机器人为主角的电影，例如《变形金刚》、《黑客帝国》、《机器人总动员》等，这些影视作品中的机器人往往具有超凡的能力，甚至可以控制人类、毁灭地球，这也引起了人们的普遍忧虑，人类会不会有一天真的被机器人所控制。为此，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了著名的机器人三原则：1）机器人不应该伤害人类，也不能坐视人类受到伤害而袖手旁观；2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这三条原则一直作为机器人开发必须遵守的准则[1]。

为什么要发展机器人

发展机器人的最初动力就是替代人从事劳动强度比较大的工作。随着社会的发展，对机器人的要求也越来越高，机器人应用的领域也越来越多（图2）。

发展机器人的主要原因包括：1)提高劳动生产效率降低人的劳动强度。现代化的生产流水线上，如大量的电子厂、汽车组装厂等，每个工人往往在一个岗位连续不断地重复某一项单调枯燥的动作，容易引起疲劳，甚至出现幻觉，造成安全事故，并且这样的流水线作业也引发了多种职业病。因而，现代化的流水生产线非常适合机器人操作，不仅可以减少劳动强度，也能够保证产品的质量。2)让机器人做人不愿意做或做不好的事。人类生产活动中有些工作依靠人往往做不好或者处于危险、有毒、高温环境下人不愿意去做。例如：汽车车身的焊接虽然也可以由人去做，但是焊接质量受工人的水平制约，不能满足汽车车身的要求。另外，像排雷、消防救援、产品喷漆等操作人员生命安全受到威胁的场合也非常适合采用机器人去工作。3)让机器人做人做不了的事情。在探测太空、深海时，由于客观条件的限制，人可能暂时不能亲自去做某些事，可以利用机器人先去获取必要的数据，为后续的人类活动提供基础。

近年来，随着我国生产力水平的提高，对劳动力的需求也越来越大，导致经济发达的长三角、珠三角等地区出现较为严重的用工荒现象，也迫使这些企业升级换代，大量采用机器人替代人工劳动。

机器人的发展现状

随着1959年第一台工业机器人的问世，机器人在全球范围内得到了迅速的发展，美国、日本和欧洲各国起步早，许多机器人制造公司研制了大量的机器人产品，如：日本安川机器人、日本FUNUC机器人，德国KUKA机器人、瑞典ABB机器人、美国波士顿动力机器人等，在工业领域和其他领域得到广泛的应用。如图3所示，波士顿动力公司最新研制的四足机械狗具有跑、跳、开门、翻滚、跳舞、做俯卧撑等功能，可谓是才艺满满，售价高达7.45万美元[3]。

我国的机器人产业起步较晚，但这些年进步很快，特别是在智能机器人方面。国内最早从事机器人研究的主要有中科院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、上海交通大学等，现在的新松机器人（起源于沈阳自动化所）、博实机器人（起源于哈尔滨工业大学）是国内机器人制造的佼佼者，他们的产品在工业领域得到了应用。近年来，以百度、阿里为首的新型计算机信息化企业，也将目光转向智能服务机器人的研制。著名房地产企业碧桂园也在大力发展机器人，2020年6月22日，碧桂园的机器人餐厅开业，采用了其研制的迎宾、送餐、煎炸、甜点、汉堡、调酒等各种机器人[4]。

在全球范围内，由于信息技术和各种新应用的拉动，给机器人的发展带来了很大的动力。中国经济发展已经进入了新的转型期，正在从制造大国向制造强国转换，机器人在自动化方面会对制造业转型有巨大的带动作用，这也是机器人在中国发展迅速的重要因素。

2015年5月，我国发布了“中国制造2025”，围绕重点制造领域的关键环节，明确将机器人与高档数控机床列为大力推动的十大重点领域之一，要求围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。“2015年世界机器人大会”指出以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起，成为当代科技创新的一个重要标志。

2016年4月，“机器人产业发展规划（2016—2020年）”明确提出2020年自主品牌工业机器人年产量达到10万台，服务机器人年销售收入超过300亿元。

2019年我国机器人销售额近608亿元，主要以工业机器人为主，工业机器人比例达66%，市场规模近401亿元。服务机器人比例为25%，特种机器人比例为9%。我国工业机器人连续7年成为全球第一大应用市场。

机器人工程专业

机器人涉及到机械设计、自动化控制、环境感知等多方面的知识，而传统的工科专业配置往往是针对某一个方面，如机械专业只培养机械设计方面的能力，而自动化专业则只培养自动控制方面的能力，以往机器人制造与应用则是多个专业人才的相互配合。随着机器人的迅速发展，对机器人的设计与制造人才需求越来越大。根据中国工信部的规划，2020年工业机器人装机量要达到100万台，机器人专门人才需求量达到20万人（图4）。

图6 2017—2020年工业机器人装机量和人才需求量

机器人工程专业的诞生

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，新工科是针对例如机器人这样的新兴产业，将原先单一的多个专业整合形成新的工科专业，以适应新形势下新的人才需求。机器人工程专业就是教育部倡导的新工科之一，融合机械、自动化、计算机等多专业知识，培养适应机器人的综合性人才。

2016年，全国第1个机器人工程专业（东南大学）获批。2017年，东北大学、湖南大学等25所高校机器人工程专业获批。2018年，北京航空航天大学、北京工业大学等60所高校机器人工程专业获批。2019年，北京科技大学、北京大学、浙江大学等101所高校机器人工程专业获批。2020年又有一批高校机器人工程专业获批。

机器人工程专业学习什么

机器人工程专业集合了传统的机械、自动化、计算机等多个专业的知识，并增加了机器人方面的专门知识。主要的课程体系分成四个部分：1）机械方面的专业课程，主要学习机械制图、机械设计、机械原理、工程力学等课程，通过这些课程学习，掌握工程图纸的绘制、机械结构与机械零件的设计、以及力学强度分析技能，为设计分析机器人本体结构奠定基础；2）自动化方面的专业课程，主要学习电子技术、自动控制理论、信号与测试技术、人工智能基础等课程，通过这些课程学习，掌握自动控制方法、信号感知、控制电路设计、智能控制等技能，为机器人的运动控制奠定基础；3）计算机方面的专业课程，主要学习微机原理与应用、嵌入式系统、计算机软件技术、计算机语言程序设计、机器视觉等课程，通过这些课程学习，掌握利用计算机知识编写机器人感知与控制程序的技能；4）机器人方面的专业课程，主要学习机器人控制技术、机器人学，通过这些课程学习，掌握构建机器人控制系统、研究机器人运动规律的技能。

跟传统专业不同的是，机器人工程专业是个实践性很强的专业，课程学习之外还需要提供大量的实践环节，如工业机器人综合实训、机器人课程设计、智能机器人创新设计与综合实践、机器人检测与控制实验等。实践环节有利于提高学生的实操能力，真正做到学以致用。

审核编辑：黄飞