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2018年 5月 27日      
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機械人發展歷程

這次的科學推介我們簡述機械人之發展歷程

機械人之發展

機械人是模擬人的四肢動作和部分感覺與思维能力的機械裝置,它結合電子儀器控制及各種機械裝置,以實現預期目的。

第一代機械人是一種只能進行固定的和變換工作程序的簡單機械動作的裝置,產生於60年代。

第二代機械人有觸覺和視覺功能,能在“理解”周圍環境的情况下進行工作,它是在60年代末小型電子計算機廣泛使用和價格降低的條件下出現的。電子計算機存貯和處理周圍環境反饋的信息,進行判斷,然後按既定的要求進行操作。並且相繼出現模仿人動作或有某種感覺的機械人。

第三代機械人是具有人的簡單智力和學習功能的機械人,它能滿足兩種基本要求,一種是具有較大的自由度和靈活性能完成較複雜的任務。另一種是具有認知判别環境變化,做出正確判斷和進行工作的能力,具有進行連繫“思考”和學習的智能。

今時今日,機械人已發展到能走、能跳舞、能講話,甚至可以做出各種千奇百怪的高難度動作,它的活動和工作能力更慢慢逼近人類所及。其實,機械人的由來往往就是人類運用其無限的想像力而幻想和構思出來的,而它的歷史應該要追溯到十九世紀。


機械人的起源


1921年,捷克斯洛伐克科幻作家薩佩克寫了一個名為<<洛桑萬能機器人公司>>的劇本,在劇本中首次提出機械人的概念,自此之後,機械人便成為這劇中的靈魂人物。而現今仍通用的字-Robot,就是在那個時候出現的,意思是指機械裝置的生物。其實它是取自捷克語-Robota,原意是解作奴隸或是強迫勞動。而薩佩克所提出的機械人,它們只是一些類似人類的機器,可以幫助人類做一些辛苦的工作,亦只是任由人類差遣的奴隸,並沒有思考能力的。

到了五十年代,慢慢便有更多的科幻作家寫出各種各樣對機械人幻想的作品。在眾多的科幻作家中,最較為人熟悉的就是在俄羅斯出生的美國科學家阿西莫夫(Isaac Asimov),他在<<我,機械人>>一書中,提出了機械人的三條守則:
一. 機器人不可傷害人類 或是因為疏忽而使人類受傷。
二. 機器人必須服從人類的命令 除非與第一守則衝突。
三. 機器人必須保護自己 只要不與第一或第二守則衝突。

而這些守則更打破了大多數以「威脅人類的機器人」為題的科學文學概念。其後,阿西莫夫在<<機器人與帝國>>一書中,更補充三大守則並加入守則零:
零. 機器人不得傷害人類整體 或袖手旁觀坐視人類整體受到傷害。
一. 除非違背第0法則 機器人不得傷害人類 或袖手旁觀人類受到傷害。
二. 除非違背第1法則 機器人必須服從人類的命令。
三. 在不違背第1法則及第2法則的情況下 機器人必須保護自己。

另一方面,日本漫畫家冢治虫(Osamu Tezuka)亦在1951年,把具備超人能力和人類情感的機械人加入到其作品-鐵臂阿童木之中,而這個機械人亦大大影響了人類對機械人的看法。雖然,直至到二十世紀五十年代都沒有什麼實質的機械人製成品,但是那個時期正正就是電腦輔助製造系統、專家系統、機械臂等發展迅速的時期,所以五十年代亦都是機械人發展的起步。



直至1954年,德沃爾(George Devol)提出了工業機械人的概念,並申請了專利。目的是要借助機械人,做一些它們的能力所及的事,並用人手向機械人作出示範。而機械人亦會把其工作程序儲存,在日後,它便可以代替人類做一些簡單而重複的工作。之後,德沃爾和英格伯格(Jeseph F.Engelberger)二人就一起製作出世界上第一台工業機械人。在1959年,二人更成功研製出可重複編程及控制的”通用機器手”,代替人做一些抓放工件的工作。亦在1961年,機器手更正式加入到其公司UNIMATE服務。當時,他們的發明更為機械人寫下創新的一頁。

德沃爾(George Devol)



1954 - 世界上第一台工業機械人-通用機器手


機械人發展到六十年代,美國史丹福研究所研製出第一個可行動的機械人「搖晃者」,它能利用簡單的人工智能技術來繞過一些障礙物。到1969年,史坦福大學的Victor Scheinman研製了一個名為”Stanford Arm”的電動六軸機械臂。 它的活動性能更是十分高和準確,可以靈活地伸展來進行一些較為複雜的工作,例如裝配部件和焊接等。之後,Victor Scheinman更為麻省理工大學AI實驗室設計了第二台機械臂,它是一個具備視覺傳感器和能夠識別定位的機械人。其後,他更把設計轉賣給Unimation公司,並得到General Motors的支持和繼續進行一連串的研製。最後,終於在1978年開發了可編程的通用機械臂(Programmable Universal Manipulation Arm)。
1969 - Stanford Arm(史坦福大學Victor Scheinman)



至於在1970至1973期間,日本早稻田大學亦研製出第一個人形機械人"早稻田機械人一號(WABOT-1)",這個機關人擁有能活動的手和腳,不少得的當然是基本的視覺傳感器和聽覺系統。另一方面,在1973年,Cincinnati Milacron公司亦成功研製了第一台由小型計算機控制的工業機械人,它更可以負載達45公斤。在同一年,KUKA Robotics公司亦研發出世界首個鉸接式電動六軸工業機械人"Famulus"。

1970-1973 WABOT-1(日本早稻田大學)



1973 - Famulus(KUKA Robotics)



而在七十年代晚期,工業機械人更是發展迅速,並吸引許多企業投資在它們身上。到八十年代中期,機械人工業發展更是處於高峰時期。當時,Westinghouse Electric Corporation企業更以1.07億美金收購Unimation公司。到大約1986年,梅隆大學機械腿研究所研製出”有腿機械人”,它擁有人工智能,可奔跑、平衡自己和打空翻。機械人發展最快速的國家,可算是日本,日本亦是擁有機械人數量最多的國家。但是,日本機械人的發展其實到八十年代開始才普及。之後日本便大力推廣和發展機械人,久而久之,日本也得了“機械人王國”的稱號。

在九十年代,工業機械人的性能更是日見完善,例如搬運能力、速度、工作範圍。而它的價格亦在這個時候穩定下來和下降了不少。在1990年,於丹麥首都哥本哈根召開了一次工業機械人國際標準大會,在這次大會上,人們把機械人分為四類:
一. 順序型:擁有規定的作業程序。
二. 沿軌跡作業型:能執行受控過程。
三. 距作業型:可接受遙控,對操作者的回應可透過編程實現,並可應用在核工業、宇宙、海洋開發。
四. 智能型:具有感知、適應或學習功能。

直到1993年,美國麻省工學院實驗室研製了機械人”Cog”,它是一個能與人類和環境互動的機械人。於1996年,日本本田公司(Honda) 推了一個能走動的機械人”P2”機械人。在三年之後,美國的Sarcos公司連同日本的高級電子通訊技術研究所製作出機械人”DB”,由於機械人已發展多時,所以”DB”更可玩雜耍和模仿人的動作。

1993 - Cog(美國麻省工學院)



1996 - P2(日本Honda)


1999 - DB

踏進千禧年,機械人的發展更日漸成熟。在2003年,日本新力公司已經成為研製出一個能行能走、 能跳舞、能講話、能識別聲音的機械人”QRIO”。美國iRobot公司亦都在之後一年,更售出了一百萬個真空吸塵機械人”Roomba”。



2003 - QRIO(日本新力公司)


2004 - Roomba(iRobot)



其後,機械人更在科研及太空探險中的發展更擦出一個新突破,如幫助美國太空總署登陸火星。





機械人發展到今時今日,無論在其性能方面或是外形方面,已經大大得到改進,有些機械人的動作和樣貌更是栩栩如生,它與人類的相似程度可見於日本Kokoro公司在2006年製作的女機械人”Actroid DER2”。而現時的機械人的工作能力和範圍更是遠遠超出當時的幻想階段,因此機械人的發明和發展是大大提升了我們的生活質素。此外,它們亦可以幫助我們去完成一些危險工作,保護人類的安全,所以機械人是一項對人類、對整個世界的偉大發明。雖然,現今的機械人已發展到有相當的水平,但仍需要不斷地研究,不斷地創新,使科技發展可以踏進大大的一步。


ATR智慧機器人與通訊實驗室研製的Geminoid擬真人型男機械人(左),真人(右)


Osaka大學與Kokoro公司研製的Androids擬真人型女機器人(粉紅色衣服)





2006 - Actroid DER2(日本Kokoro公司)


機械人發展日誌


• 1920年,捷克作家卡羅•凱佩克(Karel Capek): 洛桑的萬能勞工(Rossum’s Universal Robots) 》中第一次提出「Robot」,中文譯做「機器人」。
• 40年代,美國橡樹嶺國家實驗室研製出搬運核原料的遙控式主從機械手。
• 50年代初,美國MIT發展的數控技術為機器人在控制方面做了準備。
• 1961年Unimation公司生產第一台工業機器人,取名為「Unimate」。同年通用汽車將機器人投入生產線。1962年美國機械與鑄造公司(AMF)試製出「沃薩特蘭(Versatran)」工業機器人,意思是多用途搬運機器人。 60年代到70年代:機器人技術獲得巨大發展。
• 80年代,計算機技術的發展推動了機器人技術的發展,使機器人的應用達到了新的水平。
• 90年代,由於人工智能、計算機科學和傳感器科學的迅速發展,使得機器人的研究在高水平上進行。美國太空總署的「拓荒者」號火星漫遊探測車在1997年探勘火星表面250平方米。
• 進入21世紀,未來的機器人技術將向著具有行走能力、對環境自主性強、具有多種感覺能力的智能機器人的方向發展。


機器人學


機器人學是關於機器人技術的一門綜合性學科。包括力學、機械學、規劃系統、控制論、傳感技術、計算機學、電子學以及人工智能。
美國機器人專家W•E•Snyder曾對工科大學生說:「儘管只有少數人能成為機器人的設計者,但幾乎所有的人都會成為機器人的使用者,其中很多人將作出購買和應用機器人的決策。」

 
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