1 移动机器人的发展

人类很早就开始梦想创造出具有一定功能甚至智慧的机器人，代替人类完成各种工作。我国三国时期蜀汉丞相诸葛亮发明了类似机器人的运输工具“木牛流马”，如图1-2所示。

■ 图1-2木牛流马

史载建兴九年至十二年（231—234年）诸葛亮在北伐时所使用，其载重量为“一岁粮”，大约400斤以上，每日行程为“特行者数十里，群行三十里”，为蜀汉十万大军提供粮食。不过，当时的方式、样貌现在亦不明，对其亦有不同的解释。

此外，在汉朝就有了“记里鼓车”的记载，如图1-3所示，记里鼓车类似于当今社会汽车中的里程表，具有可以计算车辆里程的功能，上下分为二层，每层都有木制机械人手持木槌，下层木人行一里击鼓，上层木人行十里击镯。

■ 图1-3记里鼓车

1768—1774年，瑞士著名的钟表匠皮埃尔·雅克·德罗兹和他的两个儿子一起创造了人形化、栩栩如生的机器人，这些机器人被塑造成作家、艺术家和音乐家。

然而，真正的机器人是在20世纪以后有了数学、物理、机械、电子信息、计算机，尤其是在人工智能等理论和技术发展的基础上而产生的。

1949年，美国发明家William Grey Walter博士进行了关于移动自主机器人的开创性研究。他对机器人乌龟“艾尔西”和“艾尔默”的成功和启发性实验对控制论科学的产生具有重大影响。

1966—1972年，美国斯坦福国际研究所（Stanford Research Institute，SRI）研制了Shakey机器人（图1-4），它是20世纪最早的移动机器人之一。它引入了人工智能的自动规划技术，具备一定的人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务。

■ 图1-4Shakey机器人

1973—1980年，美国科学家、斯坦福大学的研究生Moravec造出了具有视觉能力可以自行在房间内导航并规避障碍物的“斯坦福车”（Stanford Cart），如图1-5所示，可谓现代无人驾驶汽车的始祖。

■ 图1-5Stanford Cart

美国麻省理工学院（MIT）人工智能实验室利用Cog工程在仿人机器人的设计中，特别是人和机器人交互、人的感知方面做出了巨大的贡献。这个项目开始于1993年，旨在开发仿人机器人Cog（图1-6），借以考察和理解人类感知，能与人类交流，能对周围环境做出反应，并具有分辨不同人类面孔的能力，可以协助人类完成很多工作。

■ 图1-6Cog机器人

1995年，卡内基·梅隆大学（CMU）的 Navlab 5（图1-7）自动驾驶车辆完成了从美国的东海岸Washington DC到西海岸的Los Angeles无人驾驶演示，Navlab 5的视觉系统可以识别道路的水平曲率和车道线。实验中，纵向控制由驾驶员实现，而转向控制则完全自动实现。在超过5000km的驾驶途中，98%的路段是由计算机自动驾驶。

■ 图1-7Navlab 5

2000年，日本本田公司开始研制双足机器人ASIMO系列，如图1-8所示，它可以实现“8”字形行走、下台阶、弯腰、握手、挥手以及跳舞等各项“复杂”动作。另外，它具备基本的记忆与辨识能力，可以依据人类的声音、手势等指令做出反应。

■ 图1-8ASIMO机器人

2002年，美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍物，自动设计行进路线，还能在电量不足时自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大的家用机器人，也是移动机器人落地化量产的最典型代表，如图1-9所示。

■ 图1-9吸尘器机器人Roomba

“大狗（Big Dog）”机器人由美国波士顿动力学工程公司于2008年研制的。这种机器狗的体型与大型犬相当，能够在战场上发挥非常重要的作用：在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。这种机器人的行进速度可达到7km/h，能够攀越35°的斜坡。它可携带质量超过150kg的武器或其他物资。“大狗”既可以自行沿着预先设定的简单路线行进，也可以进行远程控制，如图1-10所示。

■ 图1-10美国“大狗”机器人

我国移动机器人的研究和开发是从“八五”期间开始的。虽然移动机器人的研究起步较晚，但也取得了较大的进展。“八五”期间，浙江大学等国内六所大学联合研制成功了我国第一代地面自主车ALVLAB Ⅰ，其总体性能达到当时国际先进水平。“九五”期间，南京理工大学等学校联合研制了第二代地面自主车ALVLAB Ⅱ，相比第一代，第二代在自主驾驶、最高速度、正常行驶速度等方面的性能都有了很大提升，如图1-11所示。

■ 图1-11ALVLAB Ⅰ（左）和ALVLAB Ⅱ（右）

清华大学智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制THMR(Tsinghua Mobile Robot）系列机器人系统
，THMR-Ⅲ自主道路跟踪的速度达5～10km/h，避障速度达5km/h。改进后的THMR-Ⅴ（图1-12）在高速公路上的速度达到80km/h，一般道路上的车速为20km/h，图 1-12所示。

■ 图1-12清华智能车THMR-Ⅴ

1995年，由我国863计划支持的重大高科技项目CR-01 6000m无缆自治水下机器人（图1-13）在夏威夷附近海域成功地下潜到5300m，拍摄到海底锰结核矿分布情况，获得了清晰的海底录像、照片和声呐浅剖图，收集到大量珍贵数据，使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000m自治水下机器人的少数国家之一。

■ 图1-13水下机器人CR-01

2000年，国防科技大学成功独立研制出我国第一台具有人类结构特征的国产仿人机器人“先行者”，高1.4m，重20kg。先行者机器人可以像人类一样完成各种行走动作，并且还具有一定的语言功能，如图1-14所示。

■ 图1-14仿人机器人“先行者”

2002年12月，我国真正意义上的仿人机器人BHR-01诞生了，它具有1.58m身高，76kg的体重，行动灵活，具有32个关节手，脚可以完成360°的旋转，可稳步行走并且能够完成蹲起、原地踏步、打太极拳等各种复杂的动作，如图1-15所示。

■ 图1-15仿人机器人BHR01

2006年，一汽集团联合国防科技大学推出红旗HQ3型无人驾驶汽车，速度高达130km/h，于2011年7月14日首次完成从长沙到武汉286km的高速全程无人驾驶实验，标志着我国无人驾驶汽车在复杂环境识别、智能行为决策和控制等方面实现了新的技术突破，达到世界先进水平，如图1-16所示。

■ 图1-16红旗HQ3型无人驾驶汽车

2015年，在国防科技工业军民融合发展成果上，中国兵器装备集团公司展示了国产“大狗”机器人。这款机器人总重250kg，负重能力为160kg，垂直越障能力为20cm，爬坡角度为30°，最高速度为1.4m/s，续航时间为2h。这款机器人可应用于陆军班组作战、抢险救灾、战场侦察、矿山运输、地质勘探等复杂崎岖路面的物资搬运，如图1-17所示。

■ 图1-17中国“大狗”机器人

2014年，哈尔滨工业大学与当地政府合作，成立哈工大机器人集团（HRG），迎宾机器人“威尔”是其自主研发的新型智能机器人，具有人机交互、自主导航避障、安防监控等功能，可分担客服人员、迎宾人员的工作，主要运用于银行、营业厅等人流量大的场所，如图1-18所示。

■ 图1-18迎宾机器人“威尔”

2019年，在南海进行首次海试的“潜龙三号”是中国科学院沈阳自动化研究所研发的4500m级自主潜水器，实现了我国自主无人潜水器首次大西洋科考应用，是我国目前最先进的自主深海潜水器，如图1-19所示。

■ 图1-19自主潜水器“潜龙三号”

百度在2017年正式发布了Apollo计划，该计划向汽车行业及自动驾驶领域的合作伙伴提供一个开放、完整、安全的软件平台，帮助它们结合车辆和硬件系统，快速搭建一套属于自己的、完整的自动驾驶系统。百度Apollo是一个开放的数据及软件平台，将汽车、IT和电子产业连接在一起，整合了自动驾驶所需的各个方面，该套件涵盖硬件研发、软件和云端数据服务等几大部分。2019年，百度推出了Apollo 3.5版本，实现了支持包括市中心和住宅场景等在内的复杂城市道路自动驾驶，包含窄车道、无信号灯路口通行、借道错车行驶等多种路况。图1-20为搭载了Apollo系统的无人驾驶汽车。

■ 图1-20 搭载了Apollo系统的无人驾驶汽车

除此之外，还有香港城市大学的自动导航车及服务机器人，中科院自动化所开发的全方位移动机器人视觉导航系统，国防科技大学的双足机器人，南京理工大学、北京理工大学、浙江大学等多所学校联合研究的军用室外移动机器人等。

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