機器人，已然不在陌生，在現代化的大型工廠里，各種工業機器人快速準確地進行著焊接、抓取、組裝、配送等工作，迎賓機器人、陪護機器人、清潔機器人、導購機器人等新型智能化機器人也越來越走進人們的日常生活。機器人專業作為我國新設立的專業，受到許多學生的熱捧。那么，機器人究竟是什么？機器人專業究竟學些什么？本文將通過介紹機器人的發展歷史、機器人專業的誕生，使人們更好地認識機器人，以及認識機器人工程這個專業。

無論是在現代化智能工廠的流水線上，還是在抗擊疫情的工作現場，或者是在現代戰爭的戰場上，各種各樣的機器人大顯身手，作為人類的工作伙伴，它們不知疲倦、不怕危險、毫無怨言地工作著、戰斗著。當前機器人已經逐步進入我們的生活，未來機器人一定也會成為我們人類最重要的伙伴。

機器人的歷史

幾千年以來，人們一直幻想著利用某些機構代替人的工作。如圖1所示，春秋時期魯班的木制飛鳥、東漢張衡的指南車、三國時期諸葛亮的木牛流馬都是對此進行的努力，雖然能夠在某種程度上減輕人的勞動強度，但是，由于缺乏動力源，這些機構并不能真正地自動運行。直到工業革命以后，蒸汽機、電力驅動等革命性動力源的出現才使得自動機構代替人類工作的愿望成為可能。1893年，加拿大的摩爾設計的能夠走行的機器人“安德羅丁”就是以蒸汽機為動力的。直到1959年，美國的英格伯格（Joseph Engelberger）和得沃爾（Geoge Devol）才制造出世界上第一臺真正意義上的機器人Unimate，能夠應用于工業領域代替人自動進行某些工作[1]。

什么是機器人

1920年，捷克作家卡雷爾卡佩克發表了科幻劇本《Rossum’s Universal Robots》，故事的主要情節是：帶感情的機器人消滅了人類，一對男女機器人相愛，世界又起死回生。科幻劇中將捷克詞語“Robota”寫成了“Robot”，作為機器人的名字(“Robota”是“苦力”、“奴隸”的意思)。該科幻劇引起了人們的廣泛關注，流傳到日本以及歐洲各國，從此Robot就成為機器人的英文單詞[2]。

機器人主要是用于代替人工作的，首先它是一個機器。對于傳統的機器，被使用者設計制造出來后，它的工作步驟、路徑都是確定的。機器的設計也是根據它所應用的工作而進行的。一旦工作要求發生變化，要么對機器進行改造，要么重新設計新的機器。為了適應不同的工作要求，工業機器人應運而生，它的工作步驟或路徑并非在設計制造階段確定的，而是使用者根據需要自行指定，設計制造者僅僅需要確定機器人的工作空間即可，而不需要知道它具體做什么工作。機器人與機器的最大區別就在于它的工作步驟或路徑是可變的。

機器人在工作前，首先需要使用者將工作步驟或路徑用特定的手段提供并告知機器人，機器人將這些步驟或路徑保存起來，這個過程稱為示教，也就是先教給機器人如何工作。以后只需要選擇某個示教的內容，機器人就能夠按照示教的過程自動進行工作，而不需要人工干預。對于一臺機器人而言，可以對其進行多次不同的示教，意味著一臺機器人可以做多種不同的工作。早期的機器人都是這種示教類型的機器人，主要應用于工業領域。雖然能夠改變工作步驟或路徑，但不是自主改變的，需要人們提前示教告訴它，并且工作過程也不能改變。

隨著科技的發展，新型的智能感知技術和人工智能控制技術應用到機器人系統中，機器人可以通過智能感知技術，了解到它所處的環境和狀態，并利用智能控制算法，自主地改變工作步驟或路徑，這就是智能機器人的誕生。

世界各國對機器人有多種不同的定義。根據國際標準化組織的定義，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執行各種任務[1]。這里所提到的“編程”與普通的計算機編程不同，指的是機器人的示教編程，即教會機器人工作路徑的方式。這個定義是針對示教機器人的。對于現在的智能機器人，這個定義忽略了機器人的感知環節，并不完全準確，更加通用性的定義是：機器人是一種計算機控制的可編程的自動機械電子裝置，能感知環境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學習功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進化，能計劃其操作程序來完成任務。這個定義突出了現代機器人的幾個特點：計算機控制、感知、學習。

從《Rossum’s Universal Robots》開始，世界各國出現了很多以機器人為主角的電影，例如《變形金剛》、《黑客帝國》、《機器人總動員》等，這些影視作品中的機器人往往具有超凡的能力，甚至可以控制人類、毀滅地球，這也引起了人們的普遍憂慮，人類會不會有一天真的被機器人所控制。為此，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了著名的機器人三原則：1）機器人不應該傷害人類，也不能坐視人類受到傷害而袖手旁觀；2）機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3）機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。這三條原則一直作為機器人開發必須遵守的準則[1]。

為什么要發展機器人

發展機器人的最初動力就是替代人從事勞動強度比較大的工作。隨著社會的發展，對機器人的要求也越來越高，機器人應用的領域也越來越多（圖2）。

發展機器人的主要原因包括：1)提高勞動生產效率降低人的勞動強度。現代化的生產流水線上，如大量的電子廠、汽車組裝廠等，每個工人往往在一個崗位連續不斷地重復某一項單調枯燥的動作，容易引起疲勞，甚至出現幻覺，造成安全事故，并且這樣的流水線作業也引發了多種職業病。因而，現代化的流水生產線非常適合機器人操作，不僅可以減少勞動強度，也能夠保證產品的質量。2)讓機器人做人不愿意做或做不好的事。人類生產活動中有些工作依靠人往往做不好或者處于危險、有毒、高溫環境下人不愿意去做。例如：汽車車身的焊接雖然也可以由人去做，但是焊接質量受工人的水平制約，不能滿足汽車車身的要求。另外，像排雷、消防救援、產品噴漆等操作人員生命安全受到威脅的場合也非常適合采用機器人去工作。3)讓機器人做人做不了的事情。在探測太空、深海時，由于客觀條件的限制，人可能暫時不能親自去做某些事，可以利用機器人先去獲取必要的數據，為后續的人類活動提供基礎。

近年來，隨著我國生產力水平的提高，對勞動力的需求也越來越大，導致經濟發達的長三角、珠三角等地區出現較為嚴重的用工荒現象，也迫使這些企業升級換代，大量采用機器人替代人工勞動。

機器人的發展現狀

隨著1959年第一臺工業機器人的問世，機器人在全球范圍內得到了迅速的發展，美國、日本和歐洲各國起步早，許多機器人制造公司研制了大量的機器人產品，如：日本安川機器人、日本FUNUC機器人，德國KUKA機器人、瑞典ABB機器人、美國波士頓動力機器人等，在工業領域和其他領域得到廣泛的應用。如圖3所示，波士頓動力公司最新研制的四足機械狗具有跑、跳、開門、翻滾、跳舞、做俯臥撐等功能，可謂是才藝滿滿，售價高達7.45萬美元[3]。

我國的機器人產業起步較晚，但這些年進步很快，特別是在智能機器人方面。國內最早從事機器人研究的主要有中科院沈陽自動化所、哈爾濱工業大學、上海交通大學等，現在的新松機器人（起源于沈陽自動化所）、博實機器人（起源于哈爾濱工業大學）是國內機器人制造的佼佼者，他們的產品在工業領域得到了應用。近年來，以百度、阿里為首的新型計算機信息化企業，也將目光轉向智能服務機器人的研制。著名房地產企業碧桂園也在大力發展機器人，2020年6月22日，碧桂園的機器人餐廳開業，采用了其研制的迎賓、送餐、煎炸、甜點、漢堡、調酒等各種機器人[4]。

在全球范圍內，由于信息技術和各種新應用的拉動，給機器人的發展帶來了很大的動力。中國經濟發展已經進入了新的轉型期，正在從制造大國向制造強國轉換，機器人在自動化方面會對制造業轉型有巨大的帶動作用，這也是機器人在中國發展迅速的重要因素。

2015年5月，我國發布了“中國制造2025”，圍繞重點制造領域的關鍵環節，明確將機器人與高檔數控機床列為大力推動的十大重點領域之一，要求圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業機器人、特種機器人，以及醫療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用需求，積極研發新產品，促進機器人標準化、模塊化發展，擴大市場應用。“2015年世界機器人大會”指出以機器人科技為代表的智能產業蓬勃興起，成為當代科技創新的一個重要標志。

2016年4月，“機器人產業發展規劃（2016—2020年）”明確提出2020年自主品牌工業機器人年產量達到10萬臺，服務機器人年銷售收入超過300億元。

2019年我國機器人銷售額近608億元，主要以工業機器人為主，工業機器人比例達66%，市場規模近401億元。服務機器人比例為25%，特種機器人比例為9%。我國工業機器人連續7年成為全球第一大應用市場。

機器人工程專業

機器人涉及到機械設計、自動化控制、環境感知等多方面的知識，而傳統的工科專業配置往往是針對某一個方面，如機械專業只培養機械設計方面的能力，而自動化專業則只培養自動控制方面的能力，以往機器人制造與應用則是多個專業人才的相互配合。隨著機器人的迅速發展，對機器人的設計與制造人才需求越來越大。根據中國工信部的規劃，2020年工業機器人裝機量要達到100萬臺，機器人專門人才需求量達到20萬人（圖4）。

圖6 2017—2020年工業機器人裝機量和人才需求量

機器人工程專業的誕生

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，新工科是針對例如機器人這樣的新興產業，將原先單一的多個專業整合形成新的工科專業，以適應新形勢下新的人才需求。機器人工程專業就是教育部倡導的新工科之一，融合機械、自動化、計算機等多專業知識，培養適應機器人的綜合性人才。

2016年，全國第1個機器人工程專業（東南大學）獲批。2017年，東北大學、湖南大學等25所高校機器人工程專業獲批。2018年，北京航空航天大學、北京工業大學等60所高校機器人工程專業獲批。2019年，北京科技大學、北京大學、浙江大學等101所高校機器人工程專業獲批。2020年又有一批高校機器人工程專業獲批。

機器人工程專業學習什么

機器人工程專業集合了傳統的機械、自動化、計算機等多個專業的知識，并增加了機器人方面的專門知識。主要的課程體系分成四個部分：1）機械方面的專業課程，主要學習機械制圖、機械設計、機械原理、工程力學等課程，通過這些課程學習，掌握工程圖紙的繪制、機械結構與機械零件的設計、以及力學強度分析技能，為設計分析機器人本體結構奠定基礎；2）自動化方面的專業課程，主要學習電子技術、自動控制理論、信號與測試技術、人工智能基礎等課程，通過這些課程學習，掌握自動控制方法、信號感知、控制電路設計、智能控制等技能，為機器人的運動控制奠定基礎；3）計算機方面的專業課程，主要學習微機原理與應用、嵌入式系統、計算機軟件技術、計算機語言程序設計、機器視覺等課程，通過這些課程學習，掌握利用計算機知識編寫機器人感知與控制程序的技能；4）機器人方面的專業課程，主要學習機器人控制技術、機器人學，通過這些課程學習，掌握構建機器人控制系統、研究機器人運動規律的技能。

跟傳統專業不同的是，機器人工程專業是個實踐性很強的專業，課程學習之外還需要提供大量的實踐環節，如工業機器人綜合實訓、機器人課程設計、智能機器人創新設計與綜合實踐、機器人檢測與控制實驗等。實踐環節有利于提高學生的實操能力，真正做到學以致用。

審核編輯：黃飛

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