21世纪的机器人

走向标准化 　　目前生产的机器人（因为生产厂家的不同），其外部设备、控制装置、传感器和其他配件在各个制造商之间，差别很大，配套的机器人系统极少其原因是多方面的。 　　首先，每个机器人生产厂家理所当然地希望自己成为某些特定系统的独家经营者；其次，很多机器人用户希望机器人能与已有的，有时甚至是陈旧的设备配套使用。而这些设备需要专门设计和特殊安装的机器人；再次，到现在为止，还没有出现公认的最好的机器人是什么样子和结构，所以大家还在摸索中前进，无法统一制造机器人。但无论如何，你准化的不足已成为人们采用机器人的一大障碍。它使得机器人价格持续昂贵、安装周期过长、能够全面熟悉机器人学的人很少。例如，即使对机器人这个定义，工业专家们也曾经长期激烈地争论过。其他名词，包括我们曾经在本书中使用过的很多名词，也引起过激热的争辩。由于标准化不足，教师和训练人必须把许多机器人公司的不同型式的机器人系统都熟悉起来，这也使得机器人技术人员的培训工作变得困难起来。 　　未来的机器人标准化问题的解决有赖于我们的工程师、设计师、机器人生产者和重要用户之间的共同努力。我们相信，尽管现在机器人制造商之间的竞争会造成合作的障碍，但随着机器人需求量的增长，不同机器人之间互相接近 （标准化）的程序必将日益提高。另外，随着旧的设备或自动化机械的报废，一批机器人的新面孔将出现，并且取而代之。这种集成的可能性势必要求更高的标准化程度。因此，走向标准化是未来机器人发展的一个重要趋势。 　　高智能趋势 　　未来机器人的一个最大特点将是它的智能化。当机器人具有能感知周围环境的某些事物且能作出反应的传感器时，它将完成现在不能完成的许多工作。它们将像人一样地完成某些作业。虽然目前机器人在工业中执行的很多作业并不需要传感器，但用上传感器必定会对上述功能有所改进。像前面曾举过的例子，现代喷漆机器人并不能识别它面前的待喷漆零件。这是全自动作业线或皮带传送线上需要的一个功能。但是，如果给这些机器人装备一套传感装置，例如光电二极管，它就可以识别作业线中的空隙。另一个例子是弧焊，做这种焊接的机器人不能预先确切知道待焊的缝或接头在什么地方。同样地，清除铸件毛刺也是一种应用。因为毛刺的出现是无规律可言的，触觉传感器可以给予机器人以极大的便利，它可以“感觉”到毛刺，并清除之。迫切需要传感器反馈的应用还包括服装、鞋袜和橡胶工业。这些机器人配上一个可延伸的机械手臂即可用于军事、家庭或困难而危险的环境中，完成作业和维护工作。当然，这些机器人已经出现，但其应用广度还不够，智力程度也达不到理想的要求，从这里可以看出，智力化是计算机发展的一大趋势。 　　无人工厂 　　不久的将来，机器人可能对工厂和仓库的设计发生较大的影响。采用传感系统、自动传送系统以及分层控制技术，整个生产过程都可自动化，人们就不用去干那些不安全和劳累的工作了。有一些工厂，现在已经实现了全面的自动化。在这些自动化工厂中，整个生产操作皆由移动式和固定式机器人以及其他自动化装置操纵。在日本甚至还建立了一些装配机器人的机器人工厂，因此，多数机械制造厂最后都可能要完全自动化。当机器人系统在未来变得更为精确，动态性能得到进一步改进，传感系统、分层控制和知识库管理系统得到进一步发展时，就会达到这个目标。 　　人类的奴隶和朋友 　　智能机器人最令人向往的应用之一，就是让它做家务，充当家庭奴隶、保姆和管家、保卫者。人们研讨了若干种可能的应用，如擦窗户玻璃、递送烟、酒、菜、安全巡逻、为花园除去杂草、喂养牲畜、清洗澡盆、存取家用物品、为小孩讲故事、修理工具、修饰发型、看护病人、充当宠物、作下棋的伙伴、陪伴老人等。这些想法看起来好像是异想天开，其实如果不考虑机器人从事这些作业价格较贵、效率较低的话，有一些项目完全是可行的，可能在最近十多年就可以成为现实。因为现在的生活节奏快，我们没有多少空闲时间，财力雄厚的人就有可能花高价去购买一些机器人，让它们承担相当一部分既浪费时间又令人厌倦的家务，这个领域是很值得人们去尝试的。一些国家商业界的许多人都注意到了机器人潜在的市场。例如在美国，假定可用30万美元买到一个省工设备，现在估计会有三千万人去买这个设备。这样每年销售总额可达10亿美元。一个10亿美元的潜在市场是相当有吸引力的。这样，未来将有更多最优秀的机器人研究者热衷于发展家用机器人，例如，有个机器人专家发明了一个轮式可移动的关节式机械手。他在办公室做了一次公开实验，让那个机械手打开厨柜，取出一个大杯子，倒入咖啡，然后打铃招呼人们：咖啡已经准备好了。另一个机器人研究者发明了一个会擦窗户的机器人：它沿着附 　　在窗户框上的磁铁清洗窗户。 　　我们还可以去找机器人做伴。你也对认为这是愚蠢的想法。然向，事实上一个机器人伴侣可以成为年老、残疾或有缺陷的人的非常有用的伴具。例如一个带长臂和卡爪的机器人可以在架子上存放或取下物件，而有时用别的方法可能很难做到这一点。又如一个机器人警戒系统可以在你的房子失火、漏气或陌生人撞入时发出警报，自动报警营救或报告警察局，可以解除许多被困在家里的残疾老人的后顾之忧。巴特在美国加州海军研究院攻读学位时，曾发明了这样一个机器人哨兵。这个机器人可以担当家庭保卫者，一旦发现烟、火、气、漏水、地震、漏雨或入侵者时，它就即刻报警。头脑里有300个单词及词汇，可以同老人进行一般性的对话，使老人解除烦闷。传说日本科学家也在研究这类机器人。他们想让它们在未来直接照顾老年人和残疾人，免去这些人的生活之苦，减轻子女和社会的负担。 　　形形色色的机器人已经或者即将走入人们的生活。例如美国，已经研制了一种在草地上自己割草的机器人样机，工业和家用皆可，预计数年内即可成为商品。此外还有几种个人用机器人，“行走电脑”即是其中之一。它有三英尺高，装有红外线传感器，利用与人体热场调频，可以在一个房间内找到和跟踪人。当然，它是移动式的，可回转和躲避障碍物，装有两台内存为三兆的微处理器；它还有一个声音合成器，当电池用完时，它可由程序控制自动充电。由于有程序控制，主人可以让它说、唱自己想听的任何事物。此外，“夜间歼击机”的出版者曾得到一个由朋友馈赠的机器人，他用这个机器人迎客、送饮料和招待客人。这个机器人带有彩色电视机、录象机、彩色照相机和一个饮料托盘。更有趣的是，佛罗里达州的一个警察局曾购置了一个机器人，用它对外联络和教学，它是一个名副其实的机器人警察。而机器人Redford，在马里兰州某学院发表毕业典礼致词时，同时发出广播摘要。它在试映和展览中，用唱歌、跳舞和发表幽默的评论吸引着广大的观众，每天可为主人赚1200美元。 　　服务机器人通常就是简单的遥控机器人，用以吸引观众并为之服务。一种通用的机器人就是 Denby，是机器人世界公司建造的推销机器人。服务机器人时常得到人们意想不到的应用。最近几年出现了一种机器人，用作精神病患者和孤独症患者的医疗用具。据报导，这个机器人在从纽约到洛杉矶的一次航班上，用储蓄卡付了自己的机票费，订了一份饭，当问它要允许吸烟的座位还是要不允许吸烟的坐位时，它回答“我只吸晶体管”。这个机器人能讲好几种语言，而且能使反应“带有感情色彩”。 　　早在1981年圣诞节，美国的一家公司就推出了ComRol型机器人，它可以开门，带着狗去散步、清除垃圾，为植物浇水、拖地板，其价格为15，000美元。科罗拉多州的RB机器人公司制造了另一个机器人，它为家庭和教育使用而设计，且包括自备的微处理机。此外，还有其他公司制造的很多机器人。这些机器人的出现标志着从过去的遥控机器人玩具向着真实的机器人跨进了一大步。 　　这些不同类型的机器人制造者希望家用机器人市场能像家用计算机市场一样地扩展开来。能由家用计算机控制的机器人很可能是第一个找到广阔市场的机器人。理由很简单，因为这些机器人便宜。无论如何，前面说到的机器人在不到几年的时间里，价格从几万美元降到几千美元，这说明机器人正成为一般人买得起的东西。使用机器人是人们一直向往的，但价格可能是推广应用的最大障碍。一旦家用机器人价格降低到人们可以承受的程度，它将像微机一样逐步进入家庭生活。另外，技术问题也有待于人们去解决。比如说，目前家用机器人的电池是一个亟待解决的技术问题，即需要一种可以更快地充电的电池。今天的电池放电和充电速度大致相同，理想的电池最好放电速度慢而充电速度快。这好比让机器人“工间休息”，而不是在你计划大宴群宾需要它出场之时，它却还没有充足电，让大家扫兴。总之，实际应用中要求技术操作简易却有很高的效率。在未来，这一切必定会大有提高，机器人会真正走入我们的生活。 　　越来越像入了 　　在机器人制造业比较发达的美国，各个机器人研究单位的研究重点，将预示着机器人在未来的某种发展方向。现在，美国的很多研究中心，比如斯坦福大学、卡内基—麦隆大学、辛辛那提大学等正在研究不仅可以进行作业，还可以控制移动轨迹，且可以导向绕过障碍的移动式机器人。可运送零件和材料的工业机器人运输车，是正在作为商品应用的一种。很多其他应用可望在未来的 21世纪达到商品阶段。行走的机器人是一种重要而特殊的移动机器，例如在本书的前一部分谈到的那些正在设计中的行走机器人。美国俄亥俄州州立大学已经发明了其中的一种，并使之跨出了实验室，走进了市场。总部设在加州的Odetics公司，前几年曾推出一个六足行走机器人。它不仅可以行走，还可以做如下表演：爬进一个运货卡车，然后趴下，再后抬起和拖运这个卡车。公司预期其机器人将得到很多应用，例如搬运货物、储存、灌溉、收获、田地监视、矿冶应用如冶炼和液面控制、核反应堆应用如监控和紧急作业，以及军事方面，等等。总之，机器人如能真正地像人一样灵活而稳定地行走，其应用范围将更加广泛；同时，它将成为21世纪机器人中很特别的一员。 　　险处谋生 　　未来的机器人可能具有的一个最为激动人心的能力就是：在那些我们无法进入或十分危险的环境里，起到人眼和人手的作用。这些环境可以是外层空间、海底、深矿以及充满可燃气体和正在燃烧的建筑等。水下机器人可以用来建造或修理海上建筑如海上采油平台、采集海底样品、钻探、或进行搜集营救作业。这些机器人的大小不必像它们水上的同类机器人那样受到严格的限制，它们还可以用水或气喷嘴作为动力源。目前这一领域的研究工作正在进行。 　　向机器人开放的另一个环境是宇宙空间。前面我们已经谈到了航天飞机机械手的发展。这种机械手可能成为建造空间站、空间工厂或制造在地球上无法有效制成的产品的那些机器人的先驱。有些研究人员预测机器人将同样被用于月球和行星的探测和开矿、维护空间轨道站、修理宇宙航行车、甚至制造更多的机器人。 　　日本的研究员正在研究一种在充满可燃气体和正在燃烧的建筑物里，进行抢救作业、搜索和救护的机器人。这个机器人将利用最尖端的机器人成果，如视觉和对话系统 （见第三代机器人部分）、可移动、可传感机械手等。它还将具有自救系统，例如具有使自己冷却的喷头，并会使用水龙头或化学灭火器。 　　本书开头曾提到的许多危险环境，如煤矿、放射性环境、化学污染环境以及北极和沙漠地区等，也将是下一代机器人工作的重要区域。 　　耐心的护士 　　把机器人用于医疗看护方面，以帮助有缺陷或残疾的人做他们力所不能及的事情，这是机器人事业的一个重要发展。日本的研究人员报告说，他们正在试图研制一种机器人，它可用作盲人的向导。它们比带路的狗具有更多的优点：机器人无需喂食，也不用像对待活的动物一样去照看它。另外，它们也不会排泄或弄脏环境，而清除掉这些东西，对老年人来说是件很烦的事情。日本在1975年就发明了一种名为Wabot-I型的双腿机器人，他们还在不断地改进其设计。虽然这个机器人被设计成自控机器人，但行动不便的人完全可以直接控制这种机器人作为自己的运动装置。 　　另外，日本已发明了一种可以帮助卧床患者的机器人。它包括一套集成控制装置、一个电视摄象机和监控器、一个指令装置、一个关节式机械手、一个方便支架和一个自动传送车。那个方便的支架就像一个书架或敞开的柜子，其中装有患者一天当中需要用的食物、水和书等各种物品。支架上的物品都可以在电视显示器上显示出来，患者可以从清单上选出需要的物品。然后，患者指令小车从自己身边移向支架。小车上的机械手作为大型工业机械手的小尺寸变型，它有九个接点可以抓住选中的物品。然后，小车返回患者身边，拿回一本书，或取出患者的食物或饮料。如果这类机器人可以成功地设计出来，并且达到一个较高的水平，那么人类在看护病人方面将出现一个重大突破。到了那一天，护士们就可以去从事他们必须经过教育和训练才能从事的那些复杂而细致的工作，真正体现人生的价值。因为，为患者取些物品并不需要取得学位的人去做。 　　勤劳的农民 　　在世界各国，特别是美国，正在发展农用机器人。在这个领域内发展机器人的动力是劳动的季节性特点和劳动力成本在农产品成本中的比重过大。通常农民的劳动受天气和气侯等条件限制，并且劳动力成本构成了农产品生产成本的主要部分。因此，国际市场上的农产品竞争胜利者，通常是农产品竞争中劳动力相对便宜的国家。 　　现在世界各地的机器人应用于农业方面的数量正逐年上升。它们从事的农业工作包括：稻田自动收割、剪羊毛、联合收割等。使用机器人以前，很多农业工作都使用了具有反馈控制系统的设备。但是，加上传感器和微处理机，智能机器人系统出现了，它可用来完成有选择性的收获工作和对付活的动物。例如，美国佛罗里达州大学农业工程系的研究人员研制了一种柑桔收获机器人。它不仅能够移动，有一个通用的机械手，而且还有一个视觉传感器来分辨已熟和未熟的水果。另外，树与水果的位置和方位是各不相同的，因此依靠复杂的计算机程序，机器人识别出桔子树，找到水果，采下已成熟的水果。这部机器人是部多机械手样机，它一旦投入市场，将免去目前收获柑桔的劳动之苦。如果得到推广，那么这种经济上的合算和技术上的可行将为农业的发展作出贡献。 　　智能联合收割机和拖拉机是农用机器人的另一个方面的发展。促使这种机器人发展的原因很多，最主要的原因是要求人们驾驶农业设备的每一次运动都相当一致是非常困难的。然而，恰好是在某些应用如耕种或收获过程中，希望行与行之间不要有变动，以期得到较高的收成。即使有变动，其量最好是特别小。为达到这个目标，人们试验了自动导向系统，并已取得成功，它使行与行间的变动量小于几个毫米。 　　当然，农业机器人系统中最为先进、堪称奇观的还不是上述这些。西澳大利亚大学的一群科研人员发明了一个剪羊毛机系统，这是较为先进的。这个系统包括一套传感器，使切削羊毛的刀头恰好处于动物的皮肤上面，并由动物的呼吸等因素调节其变化量，从而使伤害率降到最低程度。这是一个巨大的进步，是机器人在活的动物身上进行作业的第一个著名应用。如果机器人技术进一步发展的话，在不久的将来，就可以让机器人来为我们理发喽！ 　　忠实的士兵 　　机器人的出现，不仅对工农业生产、人们的日常生活服务有着不可估量的重要价值，而且对未来的战争必将产生深远的影响。外军是这样评论的： 　　“未来战争的主角可能是机器人”、“靠机械装置维持生命的人将被派往战场”、“机器人是21世纪战争巨大兵力的补充来源”等等。 　　目前各国研制的军队机器人士兵，虽已有自己的肌体（头、身、手、足等）、大脑 （电脑）和感觉器官（听觉、视觉），但其大脑还不够发达，五官不健全，五官的素质比大脑还差，只能算是“原始”智能机器人，少数能算“蒙昧”智能机器人。 　　美国研究部门以奥德克斯公司制造的Ⅰ型（功能式）机器人为基础，研究执行各种不同作战任务的机器人士兵。这种机器人有六条腿，行走时，抬起前三条腿，另三条腿支撑地面，交替进行，走起来“轻快灵活”。能登高，也能从高处往低处走。抬脚时脚离地面83.82厘米。它可以全方向运动，抬腿后也能改变行走方向，甚至可以旋转身体。它能在崎岖的地形上行走，还能负重。静止时，能负担953.4公斤重的物资、弹药 （相当于其体重的5.6倍）。行走时搬运近408.6公斤重的弹药。它能像士兵一样越过障碍，爬上车辆，走浅滩或泥泞地，还能到士兵无法接近的地方，如核、生、化污染地区。该公司在这种机器人的基础上，还能因执行作战任务的不同，制造出“高大”型、“正常”型、“矮子”型、“瘦子”型机器人士兵。 　　各国目前正在研制的机器人士兵大体有八种类型： 　　机器人步兵。它能值勤与警戒；能欺骗敌人迷惑敌人，为突然袭击对方创造有利条件；它本身还具有攻击力。美军研制的“先锋”机器人步兵，主要用于值勤放哨，它能发现任何敌人，并将情况报告给班长。由于它配有武器，在步兵班投入战斗前的短时间内，还能先进行还击，顶住进攻之敌。美军还有一种名为“激战哨兵”的机器人步兵，除装备有对付敌装甲车辆用的传感器和反坦克武器外，还配有近距离用的轻武器。当它探测到敌装甲目标时，能自动抢占有利地形进行射击。美国还研制成了机器人警卫，它装备有机关枪和手榴弹，可以用于看守监狱、输油管、机场和军事设施。还有一种机器人士兵，能模仿部队的电子器材，在不同的阵地上来回运动；模拟一支战斗小分队，给敌以完整的“信号”，欺骗敌人。 　　机器人侦察兵。它可以在未来的战场观察、监视和搜集情报等方面大显神通。有的机器人侦察兵能自动深入敌前沿阵地内执行侦察任务，它能根据要求，拟制潜入敌阵地途中和抵达特定目标时的详细行动计划，能观察和收集小型目标资料，并能实施火力侦察。有的机器人侦察兵，主要用于特定地区的观察，发现特定目标即向派遣者报警，并能按指示使用激光为使用寻的弹头武器的突击指示目标。它能在预定几点之间独立变换位置，观察效果好，且有一定的战场生存能力。 　　机器人防化兵。目前它只能施行放烟幕，进行核、生、化污染区侦察。施放烟幕的机器人，装有发烟设备，能自行运动至预定地点，按指令施放烟幕。这种机器人防化兵，主要用于进攻部队的侧翼和前方。数个机器人配合行动，足以构成一道烟障。核、生、化机器人防化兵，能对核、生、化污染区进行侦测、鉴别，将侦检结果绘在图上，作出报告，而且还能取回样品。 　　机器人工兵。它可自行设置标准雷场，它根据使用者的要求，从附近弹药补给所装运地雷，在预设雷场挖坑，安装引信，打开保险，埋设地雷。它装有传感器和毁雷装置，能避开地雷行走，也能将地雷销毁，按要求迅速开辟道路，并加以标志。还有一种机器人工兵，可排除爆炸物，能根据位于安全距离以内的操纵人员的指令，对爆炸物进行处理。另外，有一种机器人工兵，如英国的“轮桶”机器人，可以搜查排除炸弹和地雷，并能独自前往侦察放在汽车里或大楼里的炸弹。它工作时能使操纵者通过电视摄象机看到埋藏着的炸弹，指挥其把爆炸物拆除或引爆。如果炸弹在汽车里，“轮桶”在操纵人员指挥下，会打破汽车玻璃，取出炸弹，把它转移到安全地带使之爆炸，英国军队已装备了这种机器人。 　　机器人修理工。在战场上进行抢修损坏车辆、武器的任务。它可以在抢修车乘员的控制下，为损坏的车辆或武器装备接通电缆、换装损坏的零配件。若机器人修理工具有坦克操纵和修理专家知识库系统，或火炮操纵与修理专家知识库系统，将能完成复杂的战场损坏坦克和火炮的抢修任务。 　　机器人搬运工。可在战斗地域前沿或比较危险的条件下，运送桥梁构件、油桶，或搬运、装填弹药，送给养、送伤员…… 　　天基反导弹系统留空机器人。可以长期在空间运行，根据目标探测跟踪、识别系统分析的参数，作出准确判断，适时发出预警，并选择和使用武器拦击来袭导弹。 　　机器人潜水员。既能测定水雷位置，又能适时将其摧毁。进行作业时，迅速而可靠。排雷时，扫雷舰上声纳的侦察到水雷后，机器人即潜入水中，在扫雷舰的声纳指引下，潜至水雷附近并将之击毁。如果水雷由电线或链条系于海底，机器人将用切割装置切断电线或链条，使水雷浮出水面，而后由舰艇上的火器将水雷击毁。如水雷装有磁性装置，舰船发动机的声响、震动或钢制舰船的磁场会引起水雷爆炸。这时，扫雷舰先离开布雷区，到安全水域，然后由机器人将小型定时炸弹投放到声响水雷附近，并发出仿效舰船发动机音响的声频引爆水雷。 　　目前研制的机器人士兵，虽属原始，却描绘出未来的前景。今后，机器人士兵越来越向人机对话的方向发展，能听懂指挥员下达的简单口令，按其指示执行任务。它将具有更高的智能，能够按作战的具体条件计划自己的活动，能够按诸兵种协同作战要求进行作战。但要使这种机器人士兵问世，尚需科研和设计人员长期的艰苦努力。 　　总之，机器人正向拟人化、仿生（物）化、小型化、多样化的方向发展。人工智能方面的研究人员正在苦攻很多课题，如游戏，论证定理，解决一般性问题 （如感受能力——视觉和语言），理解书面语言，解决高度专业性问题 （如抽象数学运算、医学诊断、化学分析、以及工程设计）。有的机器人科学研究与设计机构，在集中人力、财力研究机器人的专门装置——拟人感觉器官装置，首先是提高视觉、触觉能力来扩大机器人的技术性能。据说，人对外界进行判断的时候，其信息量的70％是从眼睛进入的。正因为如此，人工智能专家们正在大力研究视觉。到21世纪时，这方面的研究将取得惊人的进展，真正出现第四代机器人（有人认为现在已出现的只是第四代机器人的雏形）。它们具有拟人的感觉器官、发达的大脑，可以同人“谈话”，会 　　“摸”、“看”、“听”。亲爱的朋友们，请您耐心地等待它们的诞生吧！