机器人的进化

机器人的进化

干危险工作和作为玩具用的机器人发展最快，最早使用遥控机械手的一个领域便是搬移放射性物质。20世纪40年代，应研究工作需要，建立了保存放射性元素的屏蔽间“热室”，放射性物资置于铅制容器内，可以安全地储存和运输。但在热室内如何搬动这些材料供使用却成了一个难题。因为材料对人体有害，需要用某种无须人类直接接触材料的方法进行搬运，这就导致“主—从”机械手的发展。在这个系统中，处在放射环境中的“从”机械手模拟热室外面的“主”机械手而运动。

第一只主—从机械手是雷·哥茨等人于1944年在美国国家实验室中研制的。在这个系统中，热室内外的主—从手之间由机械联结。操作者直接操纵主手，使之运动，从而驱动从手运动。然而，这种机械手联动时，常常只能使从手做出笨拙而困难的动作，因为操作者无法感知从手与障碍物或对象的碰撞。

1946年，伯格塔按照美国的第一颗原子弹试验计划——曼哈顿计划的要求，改进了雷·哥茨的设计。1949年，机械手能够反馈信息，取得巨大的进步。这样，从手所承受的撞击力通过反推主手而传递给操作者，使他“感知”手与障碍物的碰撞，从而实施更佳的控制。后来，用电气联结取代机械联结，是机械手又一重大进步。这样用变阻器检验主关节的运动，并将所得的信号传给伺服马达，由马达驱动机械手关节。

机械手的下一个重大进步是有了通讯设备。这种被称为“远程操作器”的装置终于使外层空间遥控机械手出现了。喷气发动机的实验人员根据美国国家宇航局空间实验的需要，在探索制造一种灵巧且通用的机器的过程中，对远程操作器的内容作了巨大的扩展。他们认为，这种机器必须对极远距离提供精确的控制。他们最后制造了一种装置，控制者可借控制器和显示器的帮助对其发布指令。此设备可安装在一个遥远的环境中，有执行指令的致动器和反馈信息的传感器。这种传感器可以是电视机，也可以是有听觉、触觉的东西。人和设备之间的距离可以很近，也可以很远。

美国第一个登上月球和火星的机器就是一种远程传感器，它为宇航员登上月球提供了可靠的球面环境信息。然而，在人类操作者和远程操作器之间传递信息所需的时间滞后却成了一个问题。即使对登月舱而言，时间滞后也显得过长，以致某些本来可以进行的试验也无法完成。纵然是1．3秒的滞后也会给操作者带来困难和失控，所以有必要扩充计算机用量。例如让宇宙飞船具备当其陷入绝境时能够自动停止飞行的性能。这就需给遥控装置增设计算机与传感器，从而实现所需要的“现场反射”能力。

我们还是以登月试验中的控制问题为例。如果登月舱即将掉进月球上的一个火山口（月球表面布满火山口），而传达停止指令的时间过长，登月舱就可能来不及止步而陷入火山口。为解决这个问题，加州的喷气发动机实验室的科学家们为他们的远程操作器设计出“现场反射”或自律反应环节，这在机器人发展史上是一大进步。正如人类行路时所需的反应多来自脊髓神经的现场反射、而非来自大脑一样，今天智能机器人方面的很多工作就是企图在机器中建立这类现场反应（反射）。由于科技的不断进步，进一步增设了声控传感器，使得今天的远程操作进一步发展了，比如，采用了移动底盘、双臂、力反馈、声反馈、立体视觉、计算机控制和声指令等。

总之，早期机械人的操作机构是相当简单的，它们的运动必须由人来控制。后来，在这些操作机构上增添了计算机控制，扩展了它们的功能，计算机成为这类机械人“机身”的“大脑”。计算机和机械手技术的共同发展，最终实现了能满足许多困难工作所需的精确运动。但今天的遥控机械手依然很重要，因为有些工作完全可以自动操作，但有的工作人参与部分操作。另外，对于某些工作很难由人进行全部操作，还需要复杂的控制站。

下面，我们将总结一下机器人学近代史中的重要事件。大家都知道，20世纪40年代，第二次世界大战促成了美国、英国、前苏联等国政府和企业、科研单位前所未有的紧密合作，其成果也令人惊叹。这是历史发展的一个辉煌时期，因为正是这些合作，发明了现代通讯技术、雷达、声纳、汽车、飞机和船舶，或者使它们有了重大进步。更令人惊叹不已的是，计算机和原子弹出现了。

1940～1942年，美国哈佛大学制成了第一个自动控制器。1943～1948年，宾夕法尼亚大学建造了第一台电子计算机。它完全不像今天我们看到的计算机那么精致，而是装满整整一个房间的硬件，因此它在很多方面的应用极不方便。在这个时候（1948年），贝尔电话实验室发明了晶体管。同一年，英国剑桥大学制成第一台可储存程序的计算机。

此时把计算机的功能引进机器已成为可能，所以一些著名科学家便设想将计算机的智能同机器的机械功能结合起来。沙能便是这些科学家中的一员。1952年，他发明了一只机械鼠，它可以学会做迷宫游戏。

1952年，美国国际商用机器公司（IBM）的新型计算机问世，宣告了计算机时代的到来。1956年，数控机床出现了。这种机床采取脱机编程方式，用穿孔纸带存储对机床的指令。穿孔带上的指令读入机床后，即可执行程序操作。1959年，美国制造了第一台商品工业机器人，这是一台用凸轮和限位开关控制的提卸装置。1961年，美国又生产了第一台伺服控制工业机器人。同年，塑料及电子方面的工作成就又把假肢技术推进了一步，在美国林肯实验室里，人们把一个装有触觉传感器的远程操作器的从手同一个计算机联接起来。这个早期试图联接计算机和机械手的探讨为后来的机器人的发展铺平了道路。

1963年，美国机器和铸造公司（AMF）制出产业机器人。从这一年开始，又出现了为机器人配备各种手臂的设计。

在此期间，其他国家（特别是日本）也认识到工业机器人的重要性。从1968年开始，日本的机器人制造业取得了惊人的进步。

1969年，美通用电气（GE）公司为美陆军建造的实验行走车是机器人一项非同凡响的发展。其控制难度实非人力所能及，从而促进了自动控制研究的深入发展。该行走车的四腿装置所要求的为数极多的自由度是控制的主要课题。同年波士顿机械臂出现了。第二年又有斯坦福机械臂问世，后来还装备了摄像机和计算机控制器。而且，随着这些机械被用作机器人的操作机构，机器人学开始取得若干重大进展。1970年，美国第一次全国性的机器人学术会议召开。1971年，日本成立工业机器人协会以推动机器人的应用。随后推出第一台计算机控制机器人。它被誉为“未来工具”，即T3型的机器人，可力举超过100磅重的物体，并可追踪在装配线上的工件。

仅美国而言，在短短的二十几年内，机器人的拥有量就从0增加到6000台。如小河奔腾汇入大江，机械、电气和工业技术的高度发展与融合，终于形成了现代化的工业机器人群体。由于智能机器人的发展将赋予这类机器更为广泛的通用性和超人的功能，今后机器人的拥有量会以惊人的速度持续增长。科学终于把古人的幻想变为现实。可以有把握地推测，机器人在未来的发展，将超出我们的想象。计算机正在逐年地向小型、新颖和廉价方向发展。随着时间的推移，机器人会不会也走这条路呢？现在，电子学、计算机、控制和能源系统方面的新成果将为机器人的设计提供更为有效的手段。专用机器人在机械工程方面的应用将是永无止境的。机器人将在人类认识自然、改造自然的斗争中发挥巨大的作用。

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。它能操作形状尺寸经常变化、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。