AI之Robot：機器人Robot的簡(jiǎn)介、發(fā)展歷史、案例應用之詳細攻略

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機器人Robot的簡(jiǎn)介

? ? ? ? 機器人（Robot）是一種能夠半自主或全自主工作的智能機器。歷史上最早的機器人見(jiàn)于隋煬帝命工匠按照柳抃形象所營(yíng)造的木偶機器人，施有機關(guān)，有坐、起、拜、伏等能力。機器人具有感知、決策、執行等基本特征，可以輔助甚至替代人類(lèi)完成危險、繁重、復雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量，服務(wù)人類(lèi)生活，擴大或延伸人的活動(dòng)及能力范圍。
? ? ? ??機器人廣義上包括一切模擬人類(lèi)行為或思想以及模擬其他生物的機械（如機 ?器狗，機器貓等）。狹義上對機器人的定義還有很多分類(lèi)法及爭議，有些電腦程 ?序甚至也被稱(chēng)為機器人（例如爬蟲(chóng)機器人）。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器 ?人協(xié)會(huì )給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執行不同 ?的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統。一般由執行機構、驅動(dòng)裝 ?置、檢測裝置和控制系統和復雜機械等組成”。機器人是綜合了機械、電子、計 ?算機、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多種學(xué)科的復雜智能機械。 ?
? ? ? ? 目前，智能機器人已成為世界各國的研究熱點(diǎn)之一，成為衡量一國工業(yè)化水 ?平的重要標志。機器人是自動(dòng)執行工作的機器裝置，因此，它既可以接受人類(lèi)指 ?揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行 ?動(dòng)。在當代工業(yè)中，機器人指能自動(dòng)執行任務(wù)的人造機器裝置，用以取代或協(xié)助 ?人類(lèi)工作，一般會(huì )是機電裝置，由計算機程序或電子電路控制。機器人的范圍很 ?廣，可以是自主或是半自主的，從本田技研工業(yè)的 ASIMO 或是 TOSY 的 TOPIO ?等擬人機器人到工業(yè)機器人，也包括多臺一起動(dòng)作的群機器人，甚至是納米機器 ?人。借由模仿逼真的外觀(guān)及自動(dòng)化的動(dòng)作，理想中的高仿真機器人是高級整合控 ?制論、機械電子、計算機與人工智能、材料學(xué)和仿生學(xué)的產(chǎn)物。機器人可以作一 ?些重復性高或是危險，人類(lèi)不愿意從事的工作，也可以做一些因為尺寸限制，人 ?類(lèi)無(wú)法作的工作，甚至是像外太空或是深海中，不適人類(lèi)生存的環(huán)境。機器人在 ?越來(lái)越多方面可以取代人類(lèi)，或是在外貌、行為或認知，甚至情感上取代人類(lèi)。 ?
? ? ? ? 機器人技術(shù)最早應用于工業(yè)領(lǐng)域，但隨著(zhù)機器人技術(shù)的發(fā)展和各行業(yè)需求的 ?提升，在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、MEMS 技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，近年來(lái)， ?機器人技術(shù)正從傳統的工業(yè)制造領(lǐng)域向醫療服務(wù)、教育娛樂(lè )、勘探勘測、生物工 ?程、救災救援等領(lǐng)域迅速擴展，適應不同領(lǐng)域需求的機器人系統被深入研究和開(kāi) ?發(fā)。過(guò)去幾十年，機器人技術(shù)的研究與應用，大大推動(dòng)了人類(lèi)的工業(yè)化和現代化 ?進(jìn)程，并逐步形成了機器人的產(chǎn)業(yè)鏈，使機器人的應用范圍也日趨廣泛。

1、“機器人三原則”

為了防止機器人傷害人類(lèi)，1950年科幻作家阿西莫夫（Asimov）在《我是機器人》一書(shū)中提出了“機器人三原則”： [3]?

• ①機器人必須不傷害人類(lèi)，也不允許它見(jiàn)人類(lèi)將受到傷害而袖手旁觀(guān)；
• ②機器人必須服從人類(lèi)的命令，除非人類(lèi)的命令與第一條相違背；
• ③機器人必須保護自身不受傷害，除非這與上述兩條相違背。

這三條原則，給機器人社會(huì )賦以新的倫理性。至今，它仍會(huì )為機器人研究人員、設計制造廠(chǎng)家和用戶(hù)提供十分有意義的指導方針。

2、機器人的發(fā)展階段

• ①第一代機器人：示教再現型機器人。1947年，為了搬運和處理核燃料，美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室研發(fā)了世界上第一臺遙控的機器人。1962年美國又研制成功PUMA通用示教再現型機器人，這種機器人通過(guò)一個(gè)計算機，來(lái)控制一個(gè)多自由度的機械，通過(guò)示教存儲程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來(lái)，然后發(fā)出指令，這樣機器人可以重復地根據人當時(shí)示教的結果，再現出這種動(dòng)作。比方說(shuō)汽車(chē)的點(diǎn)焊機器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過(guò)程示教完以后，它總是重復這樣一種工作。
• ②第二代機器人：感覺(jué)型機器人。示教再現型機器人對于外界的環(huán)境沒(méi)有感知，這個(gè)操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊接的好與壞，它并不知道，因此，在20世紀70年代后期，人們開(kāi)始研究第二代機器人，叫感覺(jué)型機器人，這種機器人擁有類(lèi)似人在某種功能的感覺(jué)，如力覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等，它能夠通過(guò)感覺(jué)來(lái)感受和識別工件的形狀、大小、顏色。
• ③第三代機器人：智能型機器人。20世紀90年代以來(lái)發(fā)明的機器人。這種機器人帶有多種傳感器，可以進(jìn)行復雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。

3、控制方式

• ①操作型機器人：能自動(dòng)控制，可重復編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統中。
• ②程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動(dòng)作。
• ③示教再現型機器人：通過(guò)引導或其他方式，先教會(huì )機器人動(dòng)作，輸入工作程序，機器人則自動(dòng)重復進(jìn)行作業(yè)。
• ④數控型機器人：不必使機器人動(dòng)作，通過(guò)數值、語(yǔ)言等對機器人進(jìn)行示教，機器人根據示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。
• ⑤感覺(jué)控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動(dòng)作。
• ⑥適應控制型機器人：機器人能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。
• ⑦學(xué)習控制型機器人：機器人能“體會(huì )”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。
• ⑧ 智能機器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機器人。

機器人Robot的發(fā)展歷史

1、19世紀20年代—概念的出現

? ? ? ? ?“機器人”一詞最早出現在 1920 年捷克斯洛伐克劇作家 Karel Capek 的科幻 ?情節劇《羅薩姆的萬(wàn)能機器人》中。 ?機器人從幻想世界真正走向現實(shí)世界是從自動(dòng)化生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展需 ?要出發(fā)的。1939 年，紐約世博會(huì )上首次展出了由西屋電氣公司制造的家用機器 ?人 Elektro，但它只是掌握了簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，能行走、抽煙，并不能代替人類(lèi)做家務(wù)。

2、19世紀40年代—遙控機械手誕生

? ? ? ? ?現代機器人的起源則始于二十世紀 40-50 年代，美國許多國家實(shí)驗室進(jìn)行了 ?機器人方面的初步探索。二次世界大戰期間，在放射性材料的生產(chǎn)和處理過(guò)程中 ?應用了一種簡(jiǎn)單的遙控操縱器，使得機械抓手就能復現人手的動(dòng)作位置和姿態(tài)， ?代替了操作人員的直接操作。在這之后，橡樹(shù)嶺和阿爾貢國家實(shí)驗室開(kāi)始研制遙 ?控式機械手作為搬運放射性材料的工具。1948 年，主從式的遙控機械手正式誕 ?生于此，開(kāi)現代機器人制造之先河。美國麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗室（MIT Radiation ?Laboratory）1953 年研制成功數控銑床，把復雜伺服系統的技術(shù)與最新發(fā)展的數 ?字計算機技術(shù)結合起來(lái)，切削模型以數字形式通過(guò)穿孔紙帶輸入機器，然后控制 ?銑床的伺服軸按照模型的軌跡作切削動(dòng)作。 ?

3、19世紀50年代—實(shí)用機器人

? ? ? ? ?上世紀 50 年代以后，機器人進(jìn)入了實(shí)用化階段。1954 年，美國的 GeorgeC. ?Devol 設計并制作了世界上第一臺機器人實(shí)驗裝置，發(fā)表了《適用于重復作業(yè)的 ?通用性工業(yè)機器人》一文，并獲得了專(zhuān)利。GeorgeC. Devol 巧妙地把遙控操作器 ?的關(guān)節型連桿機構與數控機床的伺服軸連接在一起，預定的機械手動(dòng)作一經(jīng)編程 ?輸入后，機械手就可以離開(kāi)人的輔助而獨立運行。這種機器人也可以接受示教而 ?能完成各種簡(jiǎn)單任務(wù)。示教過(guò)程中操作者用手帶動(dòng)機械手依次通過(guò)工作任務(wù)的各 ?個(gè)位置，這些位置序列記錄在數字存儲器內，任務(wù)執行過(guò)程中，機器人的各個(gè)關(guān) ?節在伺服驅動(dòng)下再現出那些位置序列。因此，這種機器人的主要技術(shù)功能就是“可 ?編程”以及“示教再現”。

4、19世紀60年代—工業(yè)機器人

? ? ? ? ?上世紀 60 年代，機器人產(chǎn)品正式問(wèn)世，機器人技術(shù)開(kāi)始形成。1960 年，美 ?國的 Consolidated Control 公司根據 GeorgeC. Devol 的專(zhuān)利研制出第一臺機器人 ?樣機，并成立 Unimation 公司，定型生產(chǎn)了 Unimate（意為“萬(wàn)能自動(dòng)”）機器 ?人。同時(shí)，美國“機床與鑄造公司”（AMF）設計制造了另一種可編程的機器人Versatran（意為“多才多藝”）。這兩種型號的機器人以“示教再現”的方式在 ?汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上成功地代替工人進(jìn)行傳送、焊接、噴漆等作業(yè)，它們在工作中表現 ?出來(lái)的經(jīng)濟效益、可靠性、靈活性，使其它發(fā)達工業(yè)國家為之傾倒。于是 Unimate ?和 Versatran 作為商品開(kāi)始在世界市場(chǎng)上銷(xiāo)售，日本、西歐也紛紛從美國引進(jìn)機 ?器人技術(shù)。這一時(shí)期，可實(shí)用機械的機器人被稱(chēng)為工業(yè)機器人。
? ? ? ? ?在機器人嶄露頭角于工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，機器人技術(shù)研究不斷深入。1961 年， ?美國麻省理工學(xué)院 Lincoln 實(shí)驗室把一個(gè)配有接觸傳感器的遙控操縱器的從動(dòng)部 ?分與一臺計算機連結在一起，這樣形成的機器人可以憑觸覺(jué)決定物體的狀態(tài)。隨 ?后，用電視攝像頭作為輸入的計算機圖像處理、物體辯識的研究工作也陸續取得 ?成果。1968 年，美國斯坦福人工智能實(shí)驗室（SAIL）的 J. McCarthy 等人研究了 ?新穎的課題——研制帶有手、眼、耳的計算機系統。于是，智能機器人的研究形 ?象逐漸豐滿(mǎn)起來(lái)。 ?

5、19世紀70~80年代—汽車(chē)制造業(yè)的流水線(xiàn)中的工業(yè)機器人

? ? ? ? ?上世紀 70 年代以來(lái)，機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術(shù)發(fā)展為專(zhuān)門(mén)的學(xué)科。 ?1970 年，第一次國際工業(yè)機器人會(huì )議在美國舉行。工業(yè)機器人各種卓有成效的 ?實(shí)用范例促成了機器人應用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴展；同時(shí)，又由于不同應用場(chǎng)合的特 ?點(diǎn)，導致了各種坐標系統、各種結構的機器人相繼出現。而隨后的大規模集成電 ?路技術(shù)的飛躍發(fā)展及微型計算機的普遍應用，則使機器人的控制性能大幅度地得 ?到提高、成本不斷降低。于是，導致了數百種類(lèi)的不同結構、不同控制方法、不 ?同用途的機器人終于在 80 年代以來(lái)真正進(jìn)入了實(shí)用化的普及階段。進(jìn)入 80 年代 ?后，隨著(zhù)計算機、傳感器技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)具備了初步的感知、反饋 ?能力，在工業(yè)生產(chǎn)中開(kāi)始逐步應用。工業(yè)機器人首先在汽車(chē)制造業(yè)的流水線(xiàn)生產(chǎn) ?中開(kāi)始大規模應用，隨后，諸如日本、德國、美國這樣的制造業(yè)發(fā)達國家開(kāi)始在 ?其他工業(yè)生產(chǎn)中也大量采用機器人作業(yè)。

6、19世紀80年代—智能機器人

? ? ? ? ?上世紀 80 年代以后，機器人朝著(zhù)越來(lái)越智能的方向發(fā)展，這種機器人帶有 ?多種傳感器，能夠將多種傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應變化的環(huán) ?境，具有很強的自適應能力、學(xué)習能力和自治功能。智能機器人的發(fā)展主要經(jīng)歷 ?了三個(gè)階段，分別是可編程試教、再現型機器人，有感知能力和自適應能力的機 ?器人，智能機器人。其中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有多傳感器信息融合、導航與定位、 ?路徑規劃、機器人視覺(jué)智能控制和人機接口技術(shù)等。
? ? ? ? ?進(jìn)入 21 世紀，隨著(zhù)勞動(dòng)力成本的不斷提高、技術(shù)的不斷進(jìn)步，各國陸續進(jìn) ?行制造業(yè)的轉型與升級，出現了機器人替代人的熱潮。同時(shí)，人工智能發(fā)展日新 ?月異，服務(wù)機器人也開(kāi)始走進(jìn)普通家庭的生活。世界上許多機器人科技公司都在 ?大力發(fā)展機器人技術(shù)，機器人的特質(zhì)與有機生命越來(lái)越接近。 ?

7、波士頓動(dòng)力機器人→機器人學(xué)

? ? ? ? ?最近，波士頓動(dòng)力公司在機器人領(lǐng)域的成就已經(jīng)成為人們的焦點(diǎn)，其產(chǎn)品機 ?器狗 Spot 和雙足人形機器人 Atlas 都讓人大為驚嘆。Spot 的功能十分先進(jìn)，可以 ?前往你告訴它要去的目的地，避開(kāi)障礙，并在極端情況下保持平衡。Spot 還可以 ?背負多達四個(gè)硬件模塊，為公司提供其他多款機器人完成特定工作所需的任何技 ?能；Atlas 已經(jīng)掌握了倒立、360 度翻轉、旋轉等多項技能，繼表演跑酷、后空翻 ?等絕技之后，Atlas 又掌握了一項新技能—體操，再次讓我們大開(kāi)眼界。
? ? ? ? ?經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，機器人技術(shù)終于形成了一門(mén)綜合性學(xué)科——機器人學(xué) ?（Robotics）。一般地說(shuō)，機器人學(xué)的研究目標是以智能計算機為基礎的機器人 ?的基本組織和操作，它包括基礎研究和應用研究?jì)煞矫鎯热?#xff0c;研究課題包括機械 ?手設計、機器人動(dòng)力和控制、軌跡設計與規劃、傳感器、機器人視覺(jué)、機器人控 ?制語(yǔ)言、裝置與系統結構和機械智能等。由于機器人學(xué)綜合了力學(xué)、機械學(xué)、電 ?子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計算機、人工智能、系統工程等多種學(xué)科領(lǐng)域的知識， ?因此，也有人認為機器人學(xué)實(shí)際上是一個(gè)可分為若干學(xué)科的學(xué)科門(mén)類(lèi)。同時(shí)，由 ?于機器人是一門(mén)不斷發(fā)展的科學(xué)，對機器人的定義也隨著(zhù)其發(fā)展而變化，目前國 ?際上對于機器人的定義紛繁復雜，RIA、JIRA、NBS、ISO 等組織都有各自的定 ?義，迄今為止，尚沒(méi)有一個(gè)統一的機器人定義。

AI時(shí)代下的機器人

? ? ? ? 在A(yíng)I興起的時(shí)代，機器人擁有了一種新型的學(xué)習方式：深度強化學(xué)習。這一新方式借助通用化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )表示，處理復雜的傳感器輸入，來(lái)讓機器人從自己的經(jīng)驗活動(dòng)中直接學(xué)習行為。相比傳統方式，它解放了工程設計人員們的雙手，不再需要程序員們手動(dòng)設計機器人每一個(gè)動(dòng)作的每一項精確參數。但是，現有的強化學(xué)習算法都還不能夠適用于有復雜系統的機器人，不足以支撐機器人在短時(shí)間內就學(xué)習到行為，另外在安全性上也難以保障。針對這種困境，2019年初，谷歌AI與UC伯克利大學(xué)合作研發(fā)了一種新的強化學(xué)習算法：SAC（Soft Actor-Critic）。SAC非常適應真實(shí)世界中的機器人技能學(xué)習，可以在幾個(gè)小時(shí)內學(xué)會(huì )解決真實(shí)世界的機器人問(wèn)題，而且它的一套超參數能夠在多種不同的環(huán)境中工作，效率十分之高。SAC的開(kāi)發(fā)基于最大熵強化學(xué)習這個(gè)框架。此框架?chē)L試讓預期回報最大化，同時(shí)讓策略的熵最大化。一般而言，熵更高的策略具有更高的隨機性。從直覺(jué)上看，這意味著(zhù)，最大熵強化學(xué)習能取得高回報策略中具有最高隨機性的那個(gè)策略。SAC學(xué)習一個(gè)隨機策略，這個(gè)策略會(huì )把狀態(tài)映射到動(dòng)作，也映射到一個(gè)能夠估計當前策略目標價(jià)值的Q函數，這個(gè)Q函數還能通過(guò)逼近動(dòng)態(tài)編程來(lái)優(yōu)化它們。SAC通過(guò)這樣的方式，來(lái)讓經(jīng)過(guò)熵強化的回報最大化。此過(guò)程中，目標會(huì )被看作一個(gè)絕對真的方法，來(lái)導出更好的強化學(xué)習算法，它們有足夠高的樣本效率，且表現穩定，完全可以應用到真實(shí)世界的機器人學(xué)習中去。

1、機器人應用—倉庫機器人Pegasus

? ? ? ? 2019年6月，亞馬遜在MARS人工智能大會(huì )上最新發(fā)布的倉庫機器人Pegasus，該機器人已正式加入亞馬遜Kiva機器人行列。Pegasus是一種新型包裹分揀機器人，外觀(guān)上看，Pegasus機器人十分類(lèi)似亞馬遜既有的Kiva機器人，外觀(guān)還是橙色不變，2英尺高，3英尺寬，約相當于一個(gè)手提包的大小。Pegasus機器人更像是對原有Kiva機器人的改良版，在原有機器人底座上增加了一個(gè)載貨平臺+皮帶傳送帶對各個(gè)包裹進(jìn)行分類(lèi)和移動(dòng)，有助于最大限度地減少包裹損壞并縮短交貨時(shí)間。Pegasus機器人可以自主將右側盒子放在正確的位置。倉庫作業(yè)人員將包裹掃描完放到Pegasus機器人上，Pegasus機器人載著(zhù)包裹到指定地點(diǎn)。機器人配備的攝像機可以感知任何意外障礙。到了指定地點(diǎn)，機器人載貨平臺上的傳送帶將包裝從機器人上移開(kāi)，然后包裹沿著(zhù)滑槽向下移動(dòng)，準備送出。機器人在大約2分鐘內完成整個(gè)包裹運送過(guò)程。據亞馬遜介紹，Pegasus機器人具有與Kiva機器人驅動(dòng)器相同的容量。Pegasus機器人目前已經(jīng)在在丹佛分揀中心上線(xiàn)的六個(gè)多月，行駛約200萬(wàn)英里，經(jīng)測試，它能將當前系統的包裹分揀錯誤率大幅降低50%。本次MARS人工智能大會(huì )上，除了推出Pegasus機器人，亞馬遜還發(fā)布了一種大型模組化運輸機器人Xanthus。依據上方安裝的模組，執行多種不同的任務(wù)Xanthus擁有透過(guò)改變上方配備，勝任不同任務(wù)的能力。相較過(guò)去使用的系統，Xanthus不僅用途更為廣泛，體積也只有前輩的1/3，成本甚至直接砍半。

2、機器人平臺—波士頓動(dòng)力

? ? ? ? 如何將機器人技術(shù)落地、實(shí)踐商業(yè)化一直是備受關(guān)注的問(wèn)題。波士頓動(dòng)力的策略是要希望其成為平臺公司，通過(guò)授權或開(kāi)源方式，使其技術(shù)能被廣為被使用。2018年這個(gè)傳言似乎得到了證實(shí)，在《連線(xiàn)》雜志舉辦的峰會(huì )上，波士頓動(dòng)力創(chuàng )始人暨首席執行官Marc Raibert指出，他們的定位是成為平臺公司，讓生態(tài)圈包括第三方伙伴、客戶(hù)，一起來(lái)找到技術(shù)真正適合使用的地方。Marc Raibert表示波士頓動(dòng)力在開(kāi)發(fā)機器人時(shí)是以“平臺”的概念來(lái)出發(fā)，客戶(hù)可以增加硬件，例如手臂及其他組件，“當然，我們也可以針對單一領(lǐng)域打造一個(gè)有特殊應用的機器人方案，但我們不知道哪一個(gè)領(lǐng)域合適，所以我們從平臺的角度出發(fā)，希望生態(tài)圈幫我們一起來(lái)找到技術(shù)真正可落地之處”、“我們要打造的是'通用用途的平臺’（general purpose platform），讓第三方伙伴、客戶(hù)、波士頓動(dòng)力自己的應用開(kāi)發(fā)團隊，可以一同來(lái)設計產(chǎn)品以符合定制化需求。

機器人Robot的案例應用

1、波士頓動(dòng)力，新Atlas——在座的各位都是“垃圾”

參考文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/31128005