机器人的划界

工业机器人 　　灵活的手 　　第一代机器人，它的伟大之处，是它具有这样的能耐：成功地模拟人的运动能力。比如，它们会拿取、举起、拆除、翻转一些东西，会自己进行这些运动。特别是在现代工业中，它们学会了喷漆、磨削、焊接、切割、包装、打印商标、对物品分类、拣出废品，有的机器人甚至能修剪、绘画、弹竖式钢琴和雕刻某些图像。 　　它们当然是在向人类学习啦。人手臂上有52对筋肉，腿脚上有62对筋肉，颈部有15条筋肉，因此人能够做出各种极其复杂的动作。仅就手臂而言，人就有27个自由度。但模仿人运动的机器人，它们不需要这么多的运动功能。现代的机械手总共有6～8个自由度。 　　每一个工业机器人都由两个主要部分组成：机械手和程控器。机械手完成全部必需的动作，程控器则进行全部必需的控制。前者是机器人的“身躯”和“手”，后者是它的“大脑”。其身躯一般是粗大的基座，或称机架；机器人的手则是多节杠杆机械——机械手。要让手能够作出预先规定的动作，它就要有肌肉——传动机构。肌肉的作用是将大脑发出的信号转换为手的机械动作。机械的手、臂或抓取器的终端是夹具。 　　大部分工业机器人仅有一只手，但也有的有两三只或更多的手。但其作用几乎相同，重复人或动物的上肢动作或完成其动作。一般说来，机械手是依据三条原则安装设计的。第一条原则——机械模拟人手结构。其关节有：下臂、肘、腕，均是根据轴向或活关节接合原理做成的。机器人的液压或电动筋肉保证这些关节能活动自如，同动物的关节一样；第二条原则是一些专门的杆可做成水平、垂直和角形的各种线性移动动作，这些移动可确保机器人手具有必要的灵活性；第三条原则是将上述两原则结合起来。 　　设计机器人的手需要解决大量异常复杂的问题。这里并非仅是考虑模仿人手所具有的功能；有时还考虑让机器人去完成人做不来的事儿。比如，工人用手工加工半成品无法精确到一个微米，但机器人却能顺利地完成这种任务。目前使用的工业机器人具有从几十公斤到三吨以上的起重力，移动自由度2～6个以上，定位准确度0.05～5毫米，服务区域范围0.01～10立方米。不过，这些性能取的都是平均值。比如英国制造了将12吨重的轴辊安装在磨床上的机器人。 　　机器人要运动就需要使其“筋肉”运动。机器人的气动“筋肉”是由气压传动筒组和气动发动机构成的，气压传动筒组用来创造直线运动，气压发动机组用来创造旋转运动。它们利用特殊的气动阀来控制、调整移动速度和使活塞停止做功。这种传动机构相当简单。作用于气压传动筒活塞杆上的力取决于压缩空气的压力，借助于专门阀这个作用力很容易控制。气动肌肉的优点是工作中不出现故障，需要的工作面积小 （因为传动机构一般都直接位于机械组合件的结合处），造价低，维修容易。 　　液压传动机构的运动原理同气动机构相类似。不过是使用液体代替压缩空气罢了。液压传动机构的功率更大，它一般用在最有力量的机器人手臂上 　　（举重力达数吨）。但是，它要求的保养条件高，否则一旦发生液体泄漏，就会污染周围环境。 　　不久以前，电力驱动的机器人数量不是太多；而近来，用电力筋肉的机器人越来越多了。电动驱动提供了启动、停止、转向的优良动力特性，提高了定位精确度（小于一毫米），保证了广泛的机动性。电动传动机构装配和调整容易、方便，维修保护简单，没有噪音。它也用于大多数第二代感觉机器人，这是其优点和实现自调控制算法之间的灵活性决定的。 　　怎样从机器人的“手相”看出它是干什么职业的呢？很简单。瞧，三钩抓钳，那是吊钩大型铸件用的；吸盘，是吸拿玻璃板用的；铲斗，是装散物质用的；钻头、喷漆枪、自动螺帽扳手……器械直接固定在手上，而不是固定在现在已经不需的夹具中。 　　人类的双手无所不能，机器人“双手”的终端装置同样也是形形色色的。最流行的是像鸟嘴或蟹螯虫一样的“二趾爪”，它可以完成抓取和移送大多数零件。如果要求更牢固地抓住零件，尤其是圆形零件，就要使用三趾爪；如果零件又粗又长，那就改用多爪抓钩——用几个二趾爪或三趾爪从许多地方同时抓住长管子；输送液体使用斗勺，抓取散体物使用三爪小斗勺；如果零件是很大的平板形的，那就使用类似章鱼身上的吸盘；如果抓取钢件或白铁件，还可以用磁性抓具。如果要抓管型的或空心圆柱体件，则可以用张合的抓爪、特殊的梨状充气器、穿进管子去的小棒子。 　　除了灵巧之外，机器人的“手”大小也不同：有用以抓取好几吨重的轴辊的大爪子，也有用来同微电子产品和钟表齿轮打交道用的小镊子。有些像胡须一样细的手指需要用显微镜来看，才知道它如何同小小的零件打交道。 　　总之，机器人的“手”可能模仿一切动物的手、爪，甚至为了美观，有时可能“发育”得更加优雅。但就目前而言，还是仅以实用为主要目的。 　　学会走路 　　人们习惯于把机器人所进行的动作分为三类：局部动作、区域动作、总体动作。局部动作——是我们借助于手而进行的各种操作，如抓、放、翻转、插入、取出。区域动作——是运用整条手臂的机械能力来进行的。机器人在基座不动的情况下，将零件从一个地方移到另一个地方。总体动作——是机器人的自身移动。 　　我们现在来谈谈机器人的整体动作。我们知道，人要整体动作就要有脚，车子要整体动作也要有“脚”——车轮。机器人要完成总体动作，同样要有 　　“脚”。 　　给机器人制造脚的历史可以追溯到19世纪中叶。俄罗斯数学家切贝绍夫设计出了著名的“百足机器人”。这是由四个希腊字母“λ’形机械结合成的一种机器人。机器人的脚踩到地面时，它就向前平移；脚离开地面，它就在空中沿曲线运动，好像步行者的脚步在空中划出的轨迹。切贝绍夫的后继者使机器人的“脚”模仿人脚或动物蹄爪的动作。前苏联的阿尔托夫斯基在理论上解决了机器人脚的关键性问题。最后，列宁格勒仪表制造研究所的专家们制造出了前苏联最早的步行机器人。这个步行机器人有六只脚，脚上布满了传感器，所以脚在空间的位置以及脚接触平面的情况等数据便能不断地输入机器人的电脑。 　　“六脚人”走路能快能慢，但始终处于稳定状态。这使四脚机器人保持稳定的问题已变得更加迫切了。美国工程师利斯顿研制的装配着控制器的“四脚马”，在冶金中是能派上用场的，比如，可以将大块的钢坯从热处理车间送到锻压工段和冲压工段。它需要有300公斤的起重力。这个机器人靠自整步电动机驱使脚运动，让脚移动的思维借助于现代化的微机。美国宇宙勘探国家管理局为勘查月球表面积，积极研制八脚和六脚运输机械：四只或三只脚用来保持平衡，其余的四只或三只脚用来移动身体。这些机械的外形好像两个联结在一块儿的立着的手提箱。每一个手提箱里都有一个发动机和一些四只脚的铰链机构，迈步时两条腿膝盖朝前，而另外两条腿膝盖朝后，跟动物走路的动作完全一样。此外，较著名的四脚机器人有以下两种：美国通用电器公司制造的运输机械和模仿马的动作的马格结构。 　　但也有人将目光转向了两脚机器人。如通用电器公司制造的运输模型；日本早稻田大学伊藤博士正在研制的仿人步行两脚机器人。在这个类人步行机器人身上，采用了专门研制的人造筋肉：这些筋肉是一些柔韧的橡皮软管，这些橡皮软管联结成一些不大的嘟噜，分成三组。处于通常的松驰状态时，这些筋肉无力地下垂着。要让筋肉绷紧，只要向里注放压缩空气，这三组筋肉便鼓成圆球。筋肉收缩时，附在筋肉上的腿、脚骨骼就会举起来迈步。 　　现在，许多国家制造了各种各样的机器人，特别是会步行的机器人。不过，他们的步姿却千姿百态，大异于人类。人在狂奔时忽然被一个东西拦住，将会被拌倒；而目前的机器人，无论什么时候都处于平衡状态。它们如此稳定，以致于不太灵活。而要让两脚机器人真正成为步行者，却又要帮助它们解决不稳定的问题。美国麻省理工学院的一批研究者正致力于解决这一问题。他们研制出了独立的能跳跃的自控腿。这条腿还装备了微型电子计算机和电源。它的唯一“关节”是膝盖。“脚掌”是一个十字架，十字架可以使脚不歪倒。这条1.5米的腿能站立、伸直、朝前迈进并重新抬起来。研究者们想使它朝任意方向跳跃移动。目前，独腿机器人正处于训练阶段。它的计算机自己编制程序，用试验和失误的方法编制出最佳的跳跃方式。脚通过不断发生失误并“记住”自己的失误从而取得经验，步子便会越来越稳。有时它的坚韧不拔很令人感动：它开始是躺在地板上，然后站立起来，缓缓前倾，做好准备跳跃的姿势。随后“脚掌”一蹬，跳了起来，落地后站立不稳，受到惯性吸引，又向前倾斜，这时它又做好了朝前跳跃的准备。 　　按规定程序行动 　　人的手是十分灵巧的。轻、重、冷、热它都可以感觉到并做出相应的动作。为什么呢？就保持身体的平衡而言，内耳前庭发挥了重要的作用。但机器人没有内耳前庭，它怎么会保持平衡呢？如果拿起薄薄的灯泡或精巧的微电子制品，机械手会轻拿轻放吗？ 　　机械手的操作性能是多方面的，动作也特别多。机器人要拿起处于不同距离和不同高度的零件或装配完毕的部件，拐弯抹角地避开障碍物，穿过一些狭窄的孔洞，把一些零件固定在机床、夹子和炉底的需要位置上。机器人需要在生产环节中经常变化的情形下，快速地转来转去。“这有什么呢？给机器造成强壮的身体就是干这些活儿的嘛”，也许有人会这么说。但在机器人学家看来，这是个复杂的“心理学”问题。也就是说，除了一定的力量属性外，机器人应当便于控制，它们的筋肉能准确地完成“大脑”发出的指令：放松、收缩、用力。这样，这些筋肉产生的作用力应恰到好处：既能举起物品，又不会弄碎诸如灯泡、电子显象管和微型组件之类的易碎品。如此，就要求机器人的动力传动装置，必须首先是万能而可控的。 　　人们通过观察自己得到了启发。机器人与人有相似之处。工业机器人是作为能够完成人的某些功能的机器而出现于生产中的。首先，它的任务或者是按照事先规定的路线运送零件和半成品，或者是把零件和半成品从一个指定的空间点运到另一个指定的空间点。观察人在把手伸到一个确定位置的类似动作，可以将这种动作分解成两个主要阶段：动态阶段——动作快速向目标靠近；静态阶段——急剧减速和更准确地协调方向，通常这种协调伴随着小幅度的摆动动作。运动方向是在不间断的视觉监督和运动学监督下进行的，而最终结果却以触觉与听觉来检验。 　　第一代现代化工业机器人进行操作时具有上述两个阶段，不过在稳定阶段没有像人在接近端点时的那种搜索摆动动作。这种目标位置坐标要严格固定和准确复制，操作对象应准确地置于程序所规定的位置，并且处于机器人能够拿起的状态。因为第一代机器人是“瞎子”，不会反馈。象“起身”、 　　“闭合直至接触”或“迈右脚”这样的一些指令，每个指令本身就是一套程序。然后，需要把这些指令变成有关筋肉的气脉冲或电脉冲，再由气、电脉冲变成相应的位移、角度和转矩。这一切都是极其精确地完成的。第一代的现代工业机器人定位精度可以达到0.1毫米。它们达到这个水平的发展过程是困难的，因为操作者是信息的唯一来源，就像瞎子的向导。如果信息作为工作程序输入机器人的存储器中，机器人便在自动工作状态下完成指定的任务，不需要外界再补充信息了。那么，编制并向机器人存储器中输入程序有几种基本方法呢？ 　　第一，可以把动作程序划分成一些单独的指令和镜头，计算好后，将程序输入机器人的存储器中。第二，可以通过按电钮或摇手柄的方法，从操作台上用手控制机器人“示范地”完成一次任务。第三，抓着机器人的机械手，领着它经过轨迹上所有必须经过的点，教会机器人需要做的动作。按照第一种原理设计的程序，很像电子计算机的程序。不过，电子计算机的数据地址和数字运算、逻辑运算指令换成空间点“地址”和“操作工序”指令，如：手向右（左）转，伸出——收回，举起——放下，打开夹具——夹紧，手向左右转动，等等。程序就是这样一套指令，并周期地完成必要的次数。按照第二种原理进行训练，是“实时程序设计”。操作人借助于机器人控制台上的手柄和按钮，迫使机器人完成这些或那些动作。这些动作统统存入机器人的存储器中，需要重新做多少次就重新做多少次。第三种训练方法有点像训练小孩。有经验的焊接工人可以拿着固定在机器人手上的焊枪教机器人沿焊缝的最佳线进行焊接。机器人把动作存储在存储器里，兴致勃勃地干起来。受过训练的机器人在大脑控制下独立工作，因为动作程序已经存在它的存储器里了。 　　最简单的机器人运用循环控制系统。动作是“从支点到支点”来实现的。这种控制系统的程序携带者是布满插头的特殊磁鼓。需要重复动作的时候，磁鼓就转过来，插头接通传动装置，传动装置就“开动”整个系统。这种控制系统叫做“位置式”。位置式的控制系统是凭借磁带录音机，全部的电磁脉冲都录在磁头上。这些脉冲发出传动，机器人的手便沿着规定的路线活动。 　　但上述方法中的第一种，是机器人程序设计的“先进”方法，编制机器人的程序像编制电子计算机的程序一样。问题在于机器人这种程序编制可以交给另一个电子计算机来进行。如果编制程序是“批量生产”的话，这样做效益是相当高的。 　　真有能耐 　　第一代机器人能做点什么呢？这个问题看起来不怎么好回答，实际上却又是一个比较容易找到答案的问题。 　　第一代机器人具有经济效益，其应用范围是十分广阔的。它们能卓有成效地照看机床、熔炉、冲床、生产线、焊机、铸造机等。它们还能有效地安装、运输、包装、焊接、装配、加工 （热加工、机械加工）产品，在机械制造业和冶金业中的应用尤为广泛。 　　现在大概没有任何一个工业生产部门没有用过机器人的。一经使用它们，该行业定会声名大震。不过，第一代机器人在汽车工业中的使用量是最多的。如前苏联的伏尔加汽车厂、利哈乔夫汽车厂、列宁共青团汽车厂，不仅使用机器人，而且还自己制造工业机器人和全套自动化设备。欧洲的菲亚特公司，从 1973年开始从事研究在焊接作业中使用机器人的问题——焊接132型汽车车体。由于使用机器人证明经济效益显著，1975年建成131型汽车的焊接生产线。试验结果表明，使用机器人进行焊接的废品率大大低于通常的万能焊机。不过，使用机器人要求装配准备阶段的工作相当精确。车体在“定位焊”之后，立即通过自动检验处进行检验。在131型汽车车体制造完成工段，有23个“尤尼梅特”型焊接机器人，它们一小时内在50个汽车车体上完成620个焊接点，也就是说每个机器人一小时完成一个工人一个班内的工作量。装配四个门或两个门的车体是在一个传送线上完成的。这是唯一更换程序的地方。如果在一条传送线上进行两三种不同形状的车体的生产，机器人必须具备相应的能力。但是，在菲亚特公司暂时还没有这种机器人。 　　这条焊接生产线的23个机器人中有两个起初是备用的。以便工作机器人中有哪个损坏不能使用时好替换。这两台机器人都编制了按任何一种程序进行工作的程序。 　　公司的专家们认为，机器人的平均效率达到94％，而“多枪焊接”自动机的效率为80％左右。虽然后者在单位时间内的工作效率比机器人高，但当它们出现故障时，整条流水线便会中断。而某个机器人受损停止工作时，流水线却照样能继续工作，因为退出工作的机器人的工作可以由旁边的机器人承担。 　　菲亚特公司的专家们进一步指出，“尤尼梅特”型机器人具有非常高的可靠性。在整个五年的使用期限内没有更换过一台机器人。不过这里必须强调一下，不更换的条件之一是因为对机器人的保修好。机器人程序的可编性，使公司的产品能够迅速适应市场的变化。公司进一步注意到使用机器人了的好处。到1976年时，公司已使用90个机器人，其中23个用于焊接，67个基本上用于机械运输。为扩大机器人的使用范围，进行了成对使用机器人进行焊接的试验。其中一个机器人把待焊接的钢板拼在一起，另一个机器人急忙进行点焊。 　　在日本，各大汽车垄断企业也广泛地使用工业机器人。在美国，通用动力公司使用机器人制造飞机机身，通用电力公司则用机器人生产冰箱。这种机器人也用于原子工业中，它们跟放射性材料打交道，使人摆脱了这种危险的工作。 　　在前苏联，机器人还有一个十分古怪的工作，比如烤面包。莫斯科第十面包厂就使用机器人烤面包。……车间里“黑面包河”旁边是“鲍罗季诺”面包河，再远一点是“奥廖尔”面包河，在成为三条面包“河”发源“地”的车间里安装了一个自动化综合体，这个综合体为另一条面包河——“新乌克兰”面包河奠定了基础，机器人在这里找到了自己的第一个工作岗位。这个机器人跟自动化综合体一样，是同一个单位研制的。我们来看它如何干活吧。操作员检查烤炉里的温度，仪表显示：热烘机组做好了接受包模的准备。接通起动器，复杂的自动化综合体的众多部件便运转起来。喷油嘴便将乳状油液喷在包模上。继电器“啪”地响了一声，面包模传送带立即停下。机器人好像在等待这个瞬间。它用14秒钟装填和好的面，然后发出启动传送带的指令。接着将称好的面包填进新的面包模里，然后向传送带再一次发出指令。两个小时后，从烤炉中送出来了第一批“机器人”面包。运用机器人带来了显著的经济效益：在同样的生产面积上，面包的产量一昼夜可以增加10吨；降低了植物油的消耗，劳动条件也得到了改善。 　　总之，机器人正逐渐地走进我们的生活，还有些活儿，也是机器人干的，我们还没有全说到呢！但这里由于篇幅有限，我们就不说了。但也许有人会问：“这些铁家伙这么能干，难道就没有它们干不了的事情么？”——当然有！要么人们为什么要去发展第二、第三代机器人呢？。 　　感觉机器人 　　后生强于先生 　　随着科学技术的飞速发展，机器人技术也发生了巨大的变化，在短短的一段时间，其基本部件就发生了重大变化，出现了新的功能，扩大了使用范围，改变了使用特点。我们说，第二代机器人出现了：有感觉的机器人。 　　它的前一代机器人，即工业机器人，是程序控制机器人。它们是按照人们预先硬性编制好的程序去完成操作的，其工作条件是严格的、固定的。尽管应用广泛，工作有效，但却是“笨蛋”加“瞎子”。它们仅仅能完成有关指令，不能应付意外情况，不管是发生了微小故障还是厂房倒塌，房顶砸到它们头上时，它们还是不会躲开或停止工作，依然照着老样子干活。但有“感觉”的机器人出现以后，机器人的能力就不再那么有限了。这种感觉机器人便是第二代机器人。 　　比如，工业机器人的机械系统，实际上常常在机器人手臂自身重量、被移动的物件的重量和在运动过程中产生的惯性负载的重量的作用下，发生精确度降低的变形。机器人手臂的承压部件甚至在传动装置相当准确地停止的条件下，由于机械系统变形也要经受强烈的动力惯力负载。惯力负载造成的变形会导致不断衰减的机械振动，这种机械振动会降低准确度并增加定位本身的时间。这种变形在运动量和运动方向的变化加速时（手臂起动开始和手臂起动结束，制动开始和制动结束）尤其剧烈。 　　为了减少这个现象的有害后果，必须采取机应的措施：减少手臂的重量和长度，增加加强筋 （它好像是附加的“骨骼架”），安上限速止推轴承，等等。不过，还必须要考虑温度变形。所以配有位置控制系统和1.5～2米手臂的现代机器人 （“尤尼梅特型”），其定位精度达到一毫米看来已是最大可能了。然而，这在某些情况下是不够的。“感觉”机器人利用另外的控制原理，可以用新方式来解决这一问题。这样既有了更高的精确度，又省了钱。 　　又如，第一代机器人有其公认的缺陷——惊人的不变性、一致性。如果生产过程中一旦发生哪怕是最微小的变化 （如电压下降或零件从传送带上掉下来），第一代机器人便会在这种操作小事面前显得束手无策。它顶多会停下来，张开大手，好像局外人似的看热闹。最糟糕的是它会继续工作，挥动着空手，根本不知道它的努力是在白费劲。它不会适应周围变化的情况。因此为使工作成功，周围的情况不得不去适应机器人。这就出现了这样的问题：机器人为生产服务还是生产为机器人服务？所以，为了使机器人为生产服务，第二代机器人出现了。它不仅仅是像电子计算机一代替换一代的那种自然更替，而且是由于生活所迫，即它要在急剧复杂化的生产环境中“争取生存”的条件。 　　这样，就涉及到了提高机器人智能水平的问题，因为它们第一代家族“明智”，没有提出更高的要求。实际上，它们的智能并不比低级昆虫高。想象一下，汽车装配线上出现了一些倾斜，机器人并没有觉察到这个误差。它们事先被调整好在汽车车门上钻眼，可是这时它们却把孔钻到油箱上。制品位置的不对，丝毫没有使机器人“不安”。此外，假如它们的电子管线路一旦出现某种毛病，自动机便会“盲目狂怒地”用它强壮的钢爪胡乱敲打。这样，就出现了完全不同的一些问题。代替人去干有害和危险的工作——这是事情的一个方面，有时这本身又会给人造成危险——这是事情的另一个方面。 　　怎样才能制服不听话的“铁奴隶”呢？让机器人通人性，不伤害人（比如监督它干活的工人、维修它的机械师），已经成了一个迫切需要解决的问题。为确保使用机器人的车间里人的安全，人们采取了各种手段：在机器人工作区内的地板上设置有弹力的踏板，或者与断路器联在一起的隔墙，隔墙一打开就会发出“停止”指令，用光线围住机器人工作区。还有一种机器人，当人出现在工作区时，它就停止不动。这种机器人已经不是“瞎字”，但还是不会“看东西”，它有的是“感觉”。第一代机器人的身上就已出现了最简单的感觉：如果在夹具的指头之间被指定的地方没有需要的零件，机器便会停止不动。这时全部的感觉只是：“有——没有”。对情况的最简单适应能保障机器人最大的动作能力，它只要一触及物品，便有感觉，甚至能识别零件的尺寸和重量，并用相应的动作移动零件。此外，具有各种感觉的机器人比第一代机器人更安全、方便、准确。它们还具有许多特殊的优点。它能操作形状尺过经常变化、方位不确定的工件，或者是操作正在传送带上移动的零件。它能感觉到作用力，比如感觉到螺钉往圆孔中拧入的力，否则，圆孔或螺丝势必被拧坏。 　　一句话，第二代机器人能干一些第一代机器人连“做梦”（假如它会做梦的话）也梦不到的事。 　　跟着感觉走 　　人的感觉有5种：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。有时，敏感的人还有更多的“感觉”。但是人的感觉器官是十分有限的，生物界的感觉元件才丰富多彩哩。象海豚有声响视觉系统，蝙蝠有超声波测位器，蛇有热视能，某些动物有静电场、电磁场、热能场、紫外线磁场和在其他磁场中识别方位的能力。比如，狗的嗅觉灵得出奇，老鼠能听见超声波，蛇对振动敏感，等等。 　　现代感觉机器人借用了人和生物界的一些东西，加上人类的发明，拥有了不少敏感元件。它的这些敏感元件叫传感器，分为两大类：内部的和外部的。前一类用来监督机器人自身的动作，这类传感器安装在操作机器的传动装置里。后一类用来监督工业机器人操作的那些物体的情况，借助这类传感器确定零件、半成品和成品部件的位置、形状及其它特征。内部信息传感器——机器人的独特的自我监督器，用来确定位置、转动角度、速度以及手、臂、肩和其它机械的力矩。如果机器人的控制是在“接通——断开”原理的限制开关基础上进行的话，那么这种限制开关本身就成了这样的内部传感器：将机器人的手摆放在开关生效的位置上。如果情况太复杂，就运用反馈随动机构——电位计、自动同步机、分解器、摸拟数字转换器，等等。 　　机器人手的状态传感器大都配置成这样：能将各种各样的位移变为电脉冲。这些“神经”脉冲就会使机器人“有感觉”。机器人传感器有多种：电磁传感器、电容传感器、感应传感器、阻力传感器 （电阻）、光电传感器。比如，电位计是在改变转角情况下，在线绕电阻或薄膜电阻改变的基础上进行工作的。电位计的可靠性由于有触点，一般都不高，最大使用期限在200万转左右。在自动同步机结构中运用的是变压器的工作原理。初级线圈用单相电压，次级线圈内产生感应的电压决定于旋转角。自动同步机作为基于电磁感应的无接触装置，具有高度可靠性、抗扰性。不过，自动同步机的准确性以半个度数值为界限。 　　分解器是在自动同步机之后研制出来的，原理相同。但是，分解器的定子和转子上各缠有两组线圈，彼此移成90°。因此，分解器的准确性高于自动同步机。感应传感器的构造跟自动同步机一样，这样的传感器精度为一个毫米左右。 　　模拟数字转换器被当作脉冲发生器来使用。光电发生器连接回转轴的电阻片有透明和不透明两个部分。它使用电子管或其他元件为光源，而自记元件则是用光电晶体管、氦元件和其他装置。有许多计算型的传感器，其中编码片的传导和绝缘部件机相当于1和0的值。接点的存在决定了它的使用寿命受到一定限制。 　　也有许多其他的传感器。比如，象电动机一般的积分速度传感器、磁性电表等。机器人的这些自我监督传感器大多数早就应用在第一代机器人的身上。到第二代机器人时，这些内在的“感觉”变得丰富多彩了。不过，第二代机器人感觉器官发展的重点还是集中在外部。 　　最简单和最通行的外部信息传感器是“接触”传感器——工业机器人的触觉。在夹具——机器人手的末端装有专门开关，这些开关记录跟零件或机床接触的情况，并以脉冲输入“大脑”。安装在机器人夹具里侧和外侧（上、下、左、右）的10个这种开关帮助机器人用“手摸”方式判定零件的位置或是出现障碍的位置。 　　然而，要判断手接触的物体的重量和坚固程度，需要设计另一种传感器。这种传感器是置于金属薄板间的导电泡沫聚氨脂层。薄板的间隔根据压力而变化，并且适当改变电路电阻。具有压力反馈的手的握力控制机构能防止物体和人造手受到损伤。 　　传感器中光电传感器、电磁传感器、超声传感器、射流传感器等无接触传感器尤其方便，因为不直接接触用不着担心会造成对物体的碰撞或接触不良。此外，这样的传感器预先“感觉”到物体，它们在接触之前已能判明物体。这是机器人独特的视觉“习性”。 　　电磁传感器在几毫米至几厘米距离内起作用。它是通过磁场或电阻效应起作用的，其感觉具有高精度和可靠性的特点。当然，只有在操作金属物时才有用。 　　光电传感器太像视觉了。如果使用灯泡和光电二极管作光源，用光电管、光电二极管和光电晶体管作光接收器，可以用物体对光流的阻断或从物体折射回来的光脉冲来发现零件并确定其位置。这个并不复杂的“眼睛”由两个透镜组成，这两个透镜的焦距已调在几十毫米外的一个点上。在这个点没有显示任何平面以前，光电二极管便收不到光敏二极管的信号。为使传感器对外界的爆光不产生反应，光敏二极管射出的是固定频率的光线，光电二极管也调到这个频率上。 　　超声传感器是由信号传感器和接收器组成的一个系统。借助于反射回来的声响信号，可以发现物体并测出离该物体的距离，它们的优点是：能发现透明的物体 （含非金属物体）；振荡器可无限期作用；在无光、有干扰条件下读数；灰尘、蒸汽对它们无影响；可以在水下工作。其工作原理是利用脉冲反射信号的时间测出物体和夹具的距离。它除了测量距离外，还能解决更复杂的问题，如将夹具的轴线对准物体的轴线。遗憾的是，它只有用显微镜才看得见物体，有时看不见，因为超声波的长度比较大。 　　还有一种传感器，可用来做无接触开关器。其方法是把气流充当光束使用。这样，能够测量出大约超出喷嘴直径50倍的距离，这就是射流传感器。 　　以上所述的传感器只是传感器中的一个小部分，因为传感器太多太多。机器人也是根据工作需要来配备相应的传感器的。有些工作仅用触觉就可以了，但在有的工作中却必须要有“视觉”；另一些工作，则需要气动传感器的“柔和的气流”；有时，则需要用红外测位器。机器人就是这样，装备有形形色色的传感器来传递感觉。例如有一个机器人的夹具——两个手指，上面安有一系列的触觉传感器。这些传感器是一些有弹性的金属薄片。传感器以“鱼鳞状”组合排列，将手指表面全覆盖了。每个指头的表面排列着12个这样的传感器。所以，指头表面任何位置的接触都会导致传感器动片相应的接触，于是，接触点的信息数据便会传递给机器人控制系统。除了触觉接触传感器之外，夹具指头上还排列着12个光线测位传感器，这些传感器能在夹具距离物体2～3厘米的时候发出接近的信号。这些传感器位于指头的尖端、侧面、端面。由于光线测位传感器的工作是基于发现物体折射回的光流，所以为了消除外界光亮对传感器的影响，便采用了特殊方式对光流的强度进行了调整。机器人在工作过程中，不仅必须得到有关接近或触及物体的信息，而且还要得到有关指头间物体的信息。为此，指头里侧的表面还置放着四个光电传感器。这些光电传感器不是靠折射回来的光工作，而是靠光线直接透过指头空间来工作。它们监督夹具虎口间是否存在物体，同时，还能根据截断光线射来的数量来判断出物体的大体存在位置。这种敏感的感觉赋予第二代机器人从未有过的寻找物体、轻柔地操作零件，以及装配各种复杂结构的能力。 　　机器人的眼睛 　　人类通过眼睛来接受很多信息，然后通过视觉神经传递给大脑，由大脑进行工作，最后就“看到”了东西。看到这里，也许有些读者马上就会问： 　　“机器人又是怎样‘看到’东西的？它们又没有脑袋！” 　　其实，机器人用不着把眼睛安在脑袋上，比如说，我们可以把机器人的眼睛安在它的“手掌”上。这是很有意思的。比如说吧，对于焊接机器人来说，它的工作是把金属零件安放在不同的位置上。如果它的手掌上长上“眼睛”，那么，机器人就会看见，该在什么地方焊，应该怎样焊了。目前，在一般的巧克力糖果厂，女工们坐在工作台的后面，运送糖块盒的流水线在它们面前缓缓移动。女工们每秒钟往盒里装两块糖。现在计划在生产流水线旁边安装两个不大的机械手和一台电视摄象机。摄象机告知这两个机械手如何运用它们的“手指”包装巧克力糖。在这种情况下，机械手便具备了某种萌芽状态的“视觉”。不过这工作是极其简单的——黑色的巧克力糖块是放在浅色的背景上的。如果对这个机器人说：“请你去拿一束白色的百合花来。”它就束手无策了。 　　我们知道，要在任何金属装置上配上视觉是几乎不可能的。然而，计算机技术的发展，却使一切都成为可能了。机器人视频系统的研制工作是从电视摄象机的出现开始的。物体的图象变成成千上万个点，然后这些点又构成了电视图象。这些黑白两色的点以二进制码数字信息形成输入控制机器人的电子计算机。数字1代表黑点，数字0代表白点。物体的图象在计算机的电子存储器中被变换成了一组0和1数字。现在，计算机能够“看见”东西了，也就是说，它能将数字代码图示同存储器中的数字组进行比较了；机器人能够“认出”东西了，也就是说，能确定这个东西属于什么类的了。在0变成1的地方，计算机标出物体的轮廊和方位，然后，计算机立即将它们的许多特征计算出来，比如：面积、周长、直径等，并将它们跟计算机存储器里的物体特征进行比较。电子计算机在其存储器中找到了类似的数字组以后，机器人才能认出眼前所见的究竟是什么东西。机器人用电子语言说声“好啦”，便向自己的“手指”发出对物体进行必要操作的指令，比如，抓住物体的边缘啦，把物体翻过去啦。 　　机器人有个缺点，它分辨不出灰颜色的许多细微差别来，所以必须用颜色差别大的光亮来使它辨别。但装在输送带上移动的制品怎么办呢？目前，科学家们正在研制更加完善的系统，这些系统能分辨色度的许多细微差别。如正在制造借助所谓“灰度等级”形成的仪表；具有仪表上所载等级的计算机，就能分辨最细微的变化 （指亮度），并能准确地识别物体。不过，这个系统太复杂了，即使对功率较大的计算机而言，识别物体所需的时间也是很长的。这样，具有“视觉”系统的未来既取决于计算机技术的继续进步，也取决于能否制造出更好的识别装置来。然而，要使机器人的“眼睛”也能像人的眼睛那样有效，它应该依靠计算机的相应智能，这种计算机的运算速度要比现代任何计算机都快百万倍。虽然某些人并不认为这是幻想，特别是考虑到微电子学令人目眩的进步的时候。甚至计算技术的现状也允许作出十分乐观的预测。归根结底，机器人的“视力”就是在今天也比人强得多，因为人的眼睛只能接收电磁波谱的光学部分。而相应的电子装置却不像生物那样受限制，可以使它对红外线和紫外线都灵敏。如果把雷达和声纳跟电眼联在一起，它便能在黑暗中或者在熔炉中的超亮度的光线下像望远镜或显微镜似的看东西，能判定很快或很慢的流程。那时，人的视力“做梦也想不到”的东西将变为可能。 　　东京大学的感觉机器人试验正在进行。人们给机器人配备“电视机上的视力”，这使它能十分精确地确定物件的坐标。以微机为基础的控制器把工作区坐标系统换算成机械手坐标系统，编制出对机械手传动机构的控制作用来。控制是在所谓实时内完成的。例如，一个小球正在工作场地中滚动着，机器人会把它抓起来，干净利索地放入在输送带上移动的小杯中。为了减轻机器人眼睛对所有物体进行目视监督的负担，机器人眼睛所监督的铁杯，机器人夹具都涂上了鲜明的白色，跟灰色的背景形成强烈的对比。 　　一丝不苟的检测员 　　因为第二代机器人有了极强的“感觉”能力，它们就又可以干一些新活儿了，比如说检验。这个检验员工作可耐心了，特别是它们中间的熟练者——所谓的检测中心。它们配备了触觉——精细的感觉手指系统，沿着被测量物体表面移动时，能向机器人大脑传递关于被摸曲线的全部尺寸和参数极其精确的信息。用触摸这种方式检验物体，可以既快又准确地检验出任何奇形怪状的东西形状与尺寸。 　　它的构成情况如何呢？这样的机器人通常具有笨重的机座和雄伟的龙门式结构。笨重的机座可以避免对测量的精度产生影响的振动和其他干扰，龙门式的结构可以比较理想地接触零件的各个点。它还有测量插座，每个可接大约五个朝各个方向伸出的触头。测量的结果输入计算机，电子计算机运算后在显示器的荧光屏上显示给使用者。此外，大量的专用程序使机器人具有多种功能。这些专用程序包含专用几何计算程序、公差和余量计算程序、设计数控机床自身零件的自动设计程序，等等。 　　这个检验中心的自动化特征是灵活性。它能设计进行任何形状和尺寸零件的操作程序，能提供检测所要求的精度和允许的速度，能告知被测零件的所有偏差，甚至能根据刀具位置的调整来控制数控程序的机床。运用这个检测中心，可以使这项作业从几天缩短到几小时。不过，除触摸外，它还有别的方法进行检查。例如，有个汽车制造厂建立了一个这样的机器人系统：它能“嗅出”新造汽车车体上是否有孔洞。工人们向汽车中压入少量氦气，机器人则将传感器顺着一定路线移动，可以捕捉到任何漏气的现象，出现漏气现象可能是由于缝隙焊接不好或是汽车的门窗关闭不严。这是现代工艺和最新的即将问世的工艺条件下能做到的最完善的检验。以前进行这种精确的工作，传送带总是需要在机器人的面前停下来，车体也需处于一定位置。这个工厂用一种新方法解决了这个问题：把一个老式传送带用现代的方法改造了，一些专门装置固定汽车的精度能达到1.5毫米。这样，机器人第一次应用于不断移动的传送带上，并被“迫使”非常精确地进行操作。 　　另外，感觉工业机器人又增加了一种新本领：品尝自来水并进行分析。如在柏林，安装了好几台这样的机器人，它们定时从供水管中取出水样进行品尝，几秒钟内得出分析结果，并立即通知自来水公司的调度室。 　　那么，有感觉的机器人还可以干什么呢？前面我们曾经谈过，第一代机器人不会拿起杂堆的毛坯，除非将这些毛坯按顺序摆放好。如此，则需手工进行整理，降低了劳动生产率的总水平。此外，在为此使用的带网状的特殊容器中，容器一般只能摆一层，这样就需要扩大容器和仓库的容量。若能使机器人识别生产零件，那该有多好啊！请看法国的一家公司是如何解决这个问题的吧。他们进行了如下实验：挑选汽车悬架零件的坯料——一些形状复杂的铸件，经验表明，任何这样的零件在工作台上只能有五种放置方式，而且荧光屏显示说明，每种放置状态占据着不同的面积；得到这些图像之后，根据物体所占面积的大小，计算机立即就能“辨认出”零件放置方式；然后，计算机拿取了那个相应的零件。所以，我们说，第二代机器人具有更强的智能。其表现为：第一，在很广泛的范围内，在不降低工作精度和质量的前提下，完成它“出生”时就具备的功能；第二，它在任何情况下都在最有利、最佳状态下完成工作。我们还可以来看焊接部门的例子。第一代机器人按照固定的程序来操作，焊接起来比人快得多，但它不会改变工程规程。如果运来等待焊接的零件厚度有了些变化，机器人由于缺少相应的感受元件，就干脆“不知道”这些变化。因此，操作速度增加了，但产品质量却下降了。但第二代机器人却不会犯这样的错误。第二代机器人焊接时，借助于专门装置检查零件，估算零件外部参数的变化，然后自动调整到保证最高质量的焊接工作规程。具有检验员专门技能的另一个机器人检验“焊工”的工作。二者互相配合，效果良好。工艺规程的“弱点”在受到强烈干扰时，便将暴露出来。比如，电路电压改变时，产品质量将明显下降，会出现废品——这是相对第一代机器人而言的。第二代机器人能“排除”这种干扰。不过，为此它配有预先警告出现这样或者那样偏差的传感器，配有处理所获信息和改变工作规程的逻辑装置。 　　还有一个出现废品、甚至造成工艺流程中断的根源——系统出现故障。发生故障的系统有时会变得十分不听话，变得很危险，甚至可引起事故发生。设立并联备用系统可以减少这种危险，专门逻辑装置发现故障后接通备用系统。 　　人们为了进一步发展机器人事业，为了研究采用机器人进行安装的程序，使用了装有超声传感器夹具的机器人。这个简易的超声“视力”使机器人能看见工作台上的零件，能自动将夹具移向零件，将夹具对准零件的中心线以便拿起来，根据零件的特征尺寸确定零件类型，正确将其夹起。看，这是它的工作过程：机器人发现了工作台上依次出现的一组零件。它十分麻利地拿起其中的一个零件，根据夹具夹零件所用的宽度，“认出”该零件的类型，将它安装在正在装配的组合件上，或者将它放在中间的存储器里，以便根据装配程序，在需要时能顺手拿起这类零件。至于有关信息，如装配顺序、零件尺寸标准、工作区“固定”点坐标——所有这些都用电位计提供并记录下来。这种机器人是用来研究能轻易改编程序设计的简单装配自动机工作流程的。 　　因此，第二代电子机械机器人日益普及。为了让它们尽快适应各种操作，在用标准部件组装它们的同时，还为它们装备了一套万能装置。法国的索美尔公司的工程技术人员还提出了一个无线电电子工业使用的独特结构。这个结构是八个不同用途的嵌入式插头，由存储在计算机中的程序确定这些插头是否接通并协同动作。可以用这个结构把一些小零件装配成产品，这些小零件以毫米为单位，重量只有一克的几分之几。总之，第二代机器人装备了功率如此大的感觉传感器组和相应的计算机，在性能上大大优于第一代机器人。他们能操作形状不熟悉的任何零件，能从事装配和安装操作，能收集不熟悉的和变化着的环境信息。尽管如此，它们不会在所有领域都把第一代机器人换下来。一、二代机器人是“父子”关系，两代“人”互相配合，将组成一个十分灵活的系统，使生产领域的绝大部分的手工操作实现自动化。这是它们对人类的巨大贡献。 　　控制原理 　　有些读者会问：“第二代机器人是如何进行控制的呢？”是的，这是一个很重要的问题。人的手在触及灼热的东西时，会本能地缩回去；而智能远远不及人类的机器人，它会这样做吗？我们知道，随便一个机械手，在工作过程中是由传感器来适应千变万化的环境的。因此，这种适应也是千姿百态的，归根到底，它们的控制原理是什么呢？ 　　感觉机器人的控制是建立在反馈原理之上的，这也是控制论最基本的原理。第一代机器人的控制是一种单向联系，机器人作用于操作的客体，并没有反馈有关信息；第二代机器人由于具有感觉便具有反馈的本事，操作的客体也“作用”于机器人。感觉机器人的控制规律是机器人的节前状态和外界状态的功能。感觉机器人的控制系统解决了前一代没有解决的新问题：处理和分析来自人造感觉器官的信息，并根据这些信息动用反馈原理控制执行任务的传动机构。这里所描述的反馈控制略图很像非生物和生物共有的属性——比如说动物的条件反射的略图。举个例子说，如果你天天把碗往地上一放，然后离开，让狗吃从碗里倒出的饭的话，过了一段时间，狗便养成了一种习惯，或者说是一种反射——一见你把碗往地上放，就兴冲冲地跑来“吃饭”。如果这个例子还说不清楚，请再看一例：老鼠被猫追得满屋跑，吓破了胆。有一天老鼠正在睡懒觉，一只猫坐在它身边看着它；老鼠做了一个梦，醒来，猛然看见了身边的猫，顿时吓得两腿直打罗嗦，飞也似地逃走了。这两例说的就是动物条件反射的事，它们通过刺激养成了这种反射。生物和非生物的这种共性，是控制论的基本原理之一。我们也可以把这一原理用来发展机器人的能力：一部分通过感觉器官进入机器人“大脑”的外界感觉信号，可看作是跟无条件刺激类似的信号。比方说，这就是有关机器人应与之“打交道”的零件存在的信号。另一部分信号是“有条件刺激物”，比如，一定的听觉信号、视觉信号和其他信息信号。 　　训练机器人是把无条件刺激物和有条件刺激物按一定方式结合起来进行的。（在这里必须向读者说明，感觉机器人不是生来就有知识的，它仅仅具有依靠自身感官进行学习的能力），某种反应由此便相应地建立起来了。这样，内部反射联系“情况——反应”便形成了。这种联系在机器人对外界及对它自身跟外界相互作用的能力的认识方面起作用，仅仅是起作用，而不是这种认识本身。训练机器人，也就是使它形成“情况——反应”的全部联系，并由人来进行。我们所说的情况，就是感觉系统形成的全部信号的含义。各种类型的情况具有共同的特点，引起相同的反应，这样正确选出的反应称为跟情况等同的反应。感觉机器人控制系统的结构和作用有三个步骤。第一步是对情况的识别和分析。反应的计划编制取决于情况属于哪类，机器人是否对这种情况进行等同的“思索”；第二步在输入端获得所期望的反应，并且形成相应的程序动作和做出计划——根据可能出现的障碍和限制，制定出所期望的改变操作机构坐标的规则；第三步是保证实现所选择的动作。如此， 　　“情况——反应”控制结构使感觉机器人能灵活地使自己的行为适应正在形成的 （有时变化剧烈的）环境。但是，这种“反应”联系的范围只是那样一些动作，即只是那些一开始就为其规定好了的、有条件刺激物或无条件刺激物的动作。对于复杂的情况和复杂的感觉而形成的动作，是另一种独立的、复杂的问题。 　　对于答案非一一对应的问题 （有多种算法和多种结果），是不可能运用这个规则系统中的“情况——反应”进行联系的。