跟着感觉走

航天中的机器人

什么是机器人

如果你走进一个有机器人的卡车工厂，希望能看见像电视里“变形金钢”那样神采奕奕的机器人在装配零件，你一定会大失所望。因为现代工业机器人更像普通的机器而远不像人。那我们为什么叫它“机器人”，而不称之为“自动工作机”呢？因为机器人是一种特殊的自动机器，它不仅能做设定的工作，而且可以重新调整和编程以完成很多高危环境下的工作。这种可编程性和多功能适应性正好说明为什么所有的机器人都可视为自动化机器，而并非所有的自动化机器都是机器人了。

被国际上普遍接受的工业机器人的定义只有一个，是由美国机器人工业协会的一批工业科学家于1979年提出的。他们把工业机器人定义为：“一种可改编程序的多功能操作机构，用以按照预先编制的能完成多种作业的动作程序运送材料、零件、工具或专用设备。”让我们来仔细研究这个定义，并理解其确切含义。

第一个关键词组是“可编程序”。其含义为：机器人是这样一种机器，其程序不仅可以编制一次，且可视需要编制任意次。我们日常所用的很多电子装置都带有可编程的计算机芯片。例如，在电子数字闹钟的芯片内部编一个程序，指令它演奏一曲“友谊地久天长”作为闹铃声，然而这些程序不能随意改变，也不允许主人自己输入新的程序。即使你对“友谊地久天长”已经厌烦，也不能在钟内存储另一首自己喜爱的歌曲，因为其程序是固定在内部的。而机器人的程序是可以置入的，即根据使用者的意愿，对之可以改变、增加或删除。一个机器人可具有按任意顺序做不同事情的多种程序。当然，为了可以重新编程，一个机器人必须具有一个可输入新的指令和信息的计算机。计算机可以是“随身”的，即计算机的控制板就装在机器人身上；或是“体外”的，即控制机器人的计算机在保证与机器人互通信息的情况下，可置于机器人体外的任何位置。

定义中的第二个关键词是“多功能”。其含义为：机器人是多用途的，即可完成多种工作，如用于激光切割的机器人，对其终端工具稍加改变，即可用于焊接、喷漆或装置操作等工作。

第三个关键词是“操作机构”。其含义为：机器人工作时，需要一个移动工作对象的机构。正如机器人与其他自动化机器的区别在于它的程序可重编性和万能性，机器人与计算机的区别在于它有一个操作机构。

最后，让我们研究“多种预编动作程序”的意义。其含义为：机器人工作处于动态过程中，即以连续生产活动为其主要特征。

虽然这个定义看来相当抽象，而且有些模棱两可，但它确实把工业机器人与固定程序自动化机器区别开来，与类似食品处理机那种只需要更换配件便可完成调料至绞馅的多功能机器区别开来。同时，它也使机器人远远脱离了科学幻想类小说的范畴，因为机器人能否具备任何人类特征，归根到底是依赖于人类的创造才能。

通过这一番讨论，我们可以把机器人看作自动化机械发展道路上一个合理的重大进步。我们已经把由人控制的单一功能的生产机械发展为无人控制的多功能机械。工业革命被认为是创造机器人的新纪元：我们正在研究给机器人装上“眼睛”，使它具有人工智能，会“学习”和适应环境的变化。

机器人的“种族”

机器人是科学技术发展到一定历史阶段的产物。按机器人和人工智能专家波斯佩洛夫的说法“科学始于分类”，那么，机器人又有哪些类别呢？目前，对机器人还没有统一的分类，各派专家都按自己的标准提出了各自的分类法。从事研制和使用机器人的动力机和机械手的一些单位代表建议，应根据机器人的运动学、几何学和动力学等方面的特点来分类。如按机器人的运动参数来分类的话，要依据它的移动速度；如按几何参数来分类的话，要依据它的职能器官，首先是它的机械手的尺寸，按这些器官的移动范围来归类；如按动力学来划分的话，可依据重量把它分三类：小于5公斤（人用一只手能移动的重量）的算一类；5～40公斤（人用双手能移动的重量）算一类；40公斤以上（必须在几个人的共同努力之下才能移动的重量）算一类。

研究机器人控制系统的专家却提出了另一种建议：应该根据控制过程中人的参与程度来分类。即把机器人分为以下几种：第一类是生物工程机器人，包括由根据模仿原理控制的机器人，这就是那些像虾、蟹一样露于体表的外骨骼，即直接罩在机器人身上的机械动力架。属于这一类的还有不用人靠近，而由操作员从控制台控制的机器人，以及半自动机器人，即操作员从控制台视情况仅仅改变其动作程序的机器人。这些机器人不属于完全意义上的机器人之列，因为它们的智能完全或部分地由操作人员的智能所代替。第二类才是所谓的真正的机器人。这是自主操纵的机器人，即它工作时，不需要人去参与，它是装有人工电脑的自动机。我们从这里可以看出，这种分类法是根据机器人的智力程度作出的，即是由计算机的能力以及构成控制装置基础的软件的灵活性来确定的。

不过，从事机器人应用的专家们却有自己的考虑：根据机器人的应用范围或生存环境来分类。他们认为，自然界里的动物形形色色，有的生活在地上，有的生活在地下，有的生活在空中，有的生活在海洋里；机器人也一样，它们为人类服务，有的在地上生活，有的在宇宙空中奔忙，有的忙碌于碧波荡漾的汪洋大海里，有的服役于极地冰川，有的置身在荒漠孤岛。

现在的机器人大致有：工业机器人、农业机器人、运输机器人、建筑机器人、日常生活机器人。在控制论的推动下，人们认为这一大群机器人由电脑、遥测传感器、机械控制器支撑着，它们可以分为三大类，即生产用的机器人、供研究用的机器人和供生活用的机器人。

1970年，有人就智能机器人的研究问题曾说过：机器人的进化是在动物进化达到极限，即人类出现之后开始的，在目前看来，它至少在某些领域内可以超过人类；动物的进化过程实际上是一个尝试与失误交替的过程，但机器人的进化目前则是经过人的深思熟虑的结果。

正因为这样，机器人学专家们才紧紧把握着机器人进化的时代脉搏，不同意那些狭隘的专业分类法，他们提出了按代分类法：第一代机器人是工业机器人，它们是一些具有最简单智能的操作器，它们可以训练并完成预先指定的循环作业图表；第二代机器人是所谓的感觉机器人，它们的特点是具有各种感觉器官即传感器，如机器人的手位传感器、应力传感器好像是机器人的触觉器官，光电传感器是它独特的视觉器官，微音器则是它的听觉器官，如此等等；第三代机器人是智能机器人，这种机器人的使命不仅是模仿人的机械动作，而且是解决一些复杂的智力问题：识别零件的形状和位置，组装随意摆放的部件，识图，检查产品质量。

这种分类法反应了机器人的产生和发展过程，因为它非常简明，故此书将采用这种分类法，并在以后的部分分别谈谈每一代机器人。

我们离不开机器人

机器人的万能性和可编程序性，决定了它将取代其他一些自动化机器，特别是在生产中，它与我们人类紧密相连。由于它的万能性，可以提高生产率，改进产品质量，并从多方面降低生产成本。对于一个产品经常变化的市场来说，对机器人重新调整和编程所需费用，远远低于重新调整固定化的自动化机器。如果因为货币贬值和商品竞争而引起人们对产品的需求发生变化，则机器人的万能性对于尽快对产品进行局部调整，显得尤为重要。另外由于机器人承担了很多危险或令人厌烦的工作，许多的职业病、工伤及因此需要付出的高昂代价都可以避免了。因为机器人总是以相同的方式完成其工作，所以产品质量十分稳定，这也会给制造者带来确定的效益：产品的生产率可以预测，库存量也可以得到较好的控制。产品总价值中每一项费用的节省，都将提高产品在各种市场上的竞争能力。机器人的另一优点是可用于小批量生产，而固（定）化的自动装置一般只对大批量的、标准化的生产才是有利的。

使用机器人的理由还有很多。过去几年劳动力价格显著地提高，而人的工作速度并没有什么提高。由于工人工资太高，使用机器人可否降低成本，就引起了人们的极大关注。诚然，机器人的初始投资较高，可它一旦投入使用，则可以加快节奏、延长生产时间，创造更多的价值。同时，由于机器人承担了一些危险而单调的工作，人的工作条件也得到了改善。而机器人很少会产生像人一样的疲劳和厌烦，因而就不会生产出次品来，这样就降低了生产费用。机器人还可以在从原材料加工到汽车装配等多种应用中，使产量得到提高。另外，它特别适合在战场或危险环境下工作，例如在外层空间或海底工作。最后，同机器人打交道也很有趣。它为包括业余爱好者在内到高级机器人设计师的每一个人提供了大展宏图的机会。

工业机器人已经在机械制造业得到了广泛的应用。机器人在高温、肮脏而危险的铸造过程中，把熔化的金属浇入铸模；另一个广泛应用是焊接。主要是为了连续进行点焊和缝焊，也是为了使人脱离对人有害、使人厌恶的高温和散发臭氧的环境。有害于健康的喷漆是机器人的又一个应用领域。因为机器人可以安全地均匀地喷涂极薄的漆膜，这就明显地节约了油漆的用量。繁重、危险而乏味的机器上下料，也是经常使用机器人的工作领域。在为完成一系列的工序，如机械零件加工和喷漆过程而设置的包括一组机器的自动生产单元中，机器人往往是它的中心环节。汽车、电机、计算机，以至机器人的装配是机器人崭新而有效的应用领域。

在上述应用中，多数机器人是聋、哑、瞎和不动的，所以，使用这些机器人和自动化机器并无多大差别。智能机器人的出现，开辟了机器人全新的应用领域。智能机器人是装备有某些传（递）感（觉）装置，能感知环境变化并作出反应的机器人。机器人学方面的研究表明，赋予机器人以有视觉的“眼睛”和有触觉的“手指”是完全可以办到的。人工智能是机器人特有的能力，它包括对环境的变化作出反应、适应、理解和决定。例如，在现场使用机器人最重要的问题就是安全，如果一个机器人装备了传感装置就能够探测到人的存在，当它探测到工作区内有人时，将由程序控制自动停止操作。已经成功应用的机器人具有“看”、“听”和“感觉”的能力。传感器的发展以及近年来机器人移动技术的发明，已促使机器人走出工厂，走进桔子园、养牛场或医院等各种不同的环境。

机器人还可以用于家庭娱乐。某些未来派艺术家和某些超前研究者，如美国超等机器人制造公司把机器人看作是移动的消遣品或机器哨兵。另外一些人把它看作可以驱使的奴仆。目前这类应用仍属于初始阶段，但却给未来的机器人制造业以诱人的启迪。由于机器人的创造与应用，我们预计很多新型的工业将会应运而生。这些新型机器人可能应用的范围将主要受到人类想象力和创造力的局限。

这是否意味着机器人能完成所有的工作，人们就没有工作可做了呢？虽然不是它可以做所有最困难、最危险和最令人厌烦的工作，作为始终不渝的机器人，它们可以每天工作24小时，每周工作七天，年复一年永无休止地做下去。但与人类的智能相比，机器人就相形见绌了。迄今发明的机器人中，还没有一个能完成人类做的每一项工作。人具有惊人的适应能力和创造能力；人在一生中，可以学会上千种工作；人还具有一套神秘的智力综合能力和聪颖的意识系统。所以人类的潜在能力是无限的。

另外，人有感觉、感情和生物反应，惟有人可以帮助他人。例如，与通常的说法相反，机器人很可能当不好一个临时保姆，因为孩子所需要的人类情感关怀是它所不能提供的。只要研究一下人类在如何相互帮助方面，就可以作出机器人能否承担人类所有工作的最简明的回答。显然，我们永远也不可能做尽人类要做的所有的事情——对机器人来说更是如此。

人类的梦想

每一种设想和技术都有其孕育发展期，机器人技术也不例外。远在公元前7～8千年的新石器时代，人类就开始使用最早的工具在石器上打眼。到公元前3～4千年，出现了环形陶器，它是所有现代旋床和立式车床的远祖。公元前2世纪出现了漏壶：水从容器中滴漏出来漂起浮标，浮标在直立的刻盘上指示时辰。它的发明者是亚历山大城的机械师克特西比。在古希腊罗马时期，原始机器人则是以活雕像和各种“神奇”的机器的形态存在：只要往石雕的狮身鹰头张开的大嘴里扔进八枚硬币，“圣水”便会自动从石兽的眼睛里流出来。祭司在庙宇前点燃圣火，庙宇的大门便会按照现代工程师的说法“自动”开启。亚历山大城的赫龙和希腊时代的其他机械师们制作的雕塑，常常成为迷信祭祀的偶像。用现在的说法，模仿或模拟活物的最早的自动机之一，大概是在公元前400年左右，由古希腊哲学家柏拉图的朋友创制的。这个人叫阿尔希塔斯，传说他制作的木头鸽子竟然飞起来了。在中国的春秋战国时期，传说鲁班也制作出会飞的木鸟。

对于现代工业机器人祖先们的故事，常常带有浓厚的神话传奇色彩。这与其说是在记载事实，不如说是人类的一种美妙幻想。关于机器人的“可靠”的记载，最初出现在著名的荷马史诗《伊利亚特》里。荷马在这部史诗中描绘了一个黄金做成的女人帮助炼铁神赫淮斯托斯的故事。我们发现这个女人的“后裔”——机器人正在现代工业的锻压生产中起着的积极的作用。人类掌握了“水落”和“风吹”造成的动能以后，才真正感觉到了本身能动的机器“助手”的可爱之处，于是开始生产大量的机械。19世纪创造了人类最忠实的助手，工业生产的伴侣——车床。

其他发明家集中力量研制了模仿人的动作的一种自动机。有些记载流传到我们手里，其可靠性会引起人们的怀疑。例如，有记载说，早在13世纪，雷根斯堡市大主教阿尔斯·马格努斯有一个机械“卫士”在其教堂中的卧室门口站岗。这个“卫士”是由蜂蜡、木头、金属以及皮革制成的。传说在大主教没请客人进屋之前，他会向客人致敬，打听客人来意，跟客人开玩笑。有一天，主教的弟子、青年哲学家托马斯·阿奎那向这个“卫士”提出了一些哲学难题，“卫士”答不出来，恼火万分，竟找了根棍子将阿奎那痛打一顿。

传说归传说，到16世纪时，装有发条的钟出现了。这个发条传动装置是德国钟表匠海因莱因发明的，钟的内部头一次运用了后来广泛应用于各种自动机的原理和某些机械。此时，还传说供职于西班牙的工程师胡阿涅洛·塔里阿诺，为查理王制造了小巧精致的自动机械——会击剑的玩具士兵和会弹琴的机械牧女。

到了1675年，最早的摆钟由荷兰发明家许伊根斯制造出来了。看到机械师们的成就，思想家们便跑到自动化的田野上来收获丰收的果实了。法国著名哲学家笛卡尔有一个时期迷上了自动玩意儿，甚至还制作出一个取名法尘西那娜的机械女人。1637年，他写道：“有一天，人类将制造出一帮举止与人一样，但却没有灵魂的机械来。”他最先提出模仿动物的机械设想：丝毫不用奇怪，人类凭艺术能够创造出各种各样的自动机来，但动物身上有众多的骨、肉、动脉、静脉等等器官，这些自动机使用的部件却不多。于是，科学家们就试图将力学的某些规律用来解释发生在动物体中的现象——从机械得到的启示。

17～18世纪，人们向三个方向作了探索。第一个方向是以天才数学家欧勒和贝奴利为代表用力学定律来解释某些生理现象的探索；第二个方向，是以法国医生、哲学家梅特里为代表的，他于1747年发表的著名的论文《人是机器》所表现的思索：人是机器，是一种更复杂的机器，如果有足够的条件，人可以用工具制造出这种机器来；第三个方向是机械发明家将头脑里的想法付诸实践。其中法国发明家和工程师服岗松（1709～1782年）所制作的一些完美的自动机最为著名。他因此被选进了法兰西科学院。在他的杰作中，有一个牧童会吹笛子。牧童吹笛子的时候，服岗松亲自铃鼓伴奏。这个牧童身高170厘米，会吹12首曲子。服岗松还制造了另一个玩意儿：一个机械人左手持木笛吹奏，右手击铃鼓。他设计最为完美的是一只鸭子。这只鸭子由上千个自动零件组成，它几乎会做鸭子所有的动作，如凫水、扎猛子、扑打水面、啄食，甚至借助于藏在体内的化学物质完成通常的消化过程。大诗人歌德曾见过这玩意儿，并且记在日记里。1738年，服岗松将其展览于巴黎。

此时，工业中出现了一些用以制作形状复杂的零件的复杂机械机床。18世纪20年代，俄国发明家研制出能沿着被加工零件移动车刀的自动刀架。他还设计了一种变速齿轮来加工大型螺杆的车床。1765年，俄国机械师波尔祖诺夫发明了自动保持水位的浮子形锅炉供水控制器。

顺便提一下，第一个“工业机器人”是服岗松制造的机械驴。这个驴能以真正的驴所不具有的优雅动作在普通织布机上织布。为什么做成驴形呢？原来，服岗松1742年打算制作一台自动织布机，里昂的纺织工人们知道后，害怕因此失业，便狠狠揍了这个发明家一顿。发明家一生气，便制造了一个能在普通织布机上织布的机械驴。

我们还是来谈谈那些制造人类机械的创造家吧。1774年，瑞士钟表匠皮埃尔·德罗和他的儿子制造了机械记事器、机械画师和机械女乐师。这些机械人受到了人们的注意，可是，宗教裁判所却指控他们犯了妖术罪，将他们关进了监狱，还没收了这些机械人。一般认为，机器人“antros”这个词是亨利·德罗（皮埃尔·德罗之子）的名和姓的原文头几个字母拼起来的。但这完全是巧合。这个词源于希腊文的“antros”一词，该词表示“男人”的意思，跟表示“人”的“antrop。”一词词根相同，所以，“antros”一词也表示“像人的”这个意思。

机械人，是发条时期的反映。正如伟大的哲学家马克思所说的：“正是钟表的发条使人类产生了把自动机应用到生产上的想法。”

1784年，瓦特设计出蒸汽机的离心调速器，蒸汽从此就成为驱动机床、机器和机械转动的主要能源。现在，机械师们用发动机，他们也会借助各个独立环节构成的传输网络，将轴旋转变成操作机械的任何一种复杂运动。他们开始制作更多这样的机器，这些机器用它们的机械手能在许多劳动过程中模仿人的各种动作。机械师们也能通过自动机向各种部件传达指令。他们使用的是八音盒磁鼓上的双头螺杆、穿孔的硬纸带和带小凸轮的小轴，这便是自动机的工作程序。但这种程序很原始，是固定的，对外部环境不能作出任何反应。自动机研究者的创造性活动带来了许多好处。这种创造性活动在各地普遍开始转入机器生产——即工业革命，帮助人们找到并在实践中检验发展了机械制造及自动机原理的基本数学手段和技术手段。

技术在昂首阔步地向前走着，在纺织业、金属加工业、采矿业和其他工业部门，到处都在实行机械化。

电的时代来到了。电动机和直流发电机出现之后，电为生产的自动化提供了新的可能性。1830年，俄国科学家希林格发明了磁电式继电器——电动机的主要部件之一。1872年奇科列地在第一届莫斯科综合技术展览会上首次展出了电动缝纫机。1895年，阿波斯托—别尔季切夫斯基和弗赖登贝格制造了世界上第一座电话自动交换台。20世纪初发明了电压调节器之后，电能在生产中便开始大显身手。电动机驱动机床，使自动机获得新生。20世纪30年代，出现了更多组合机器，20世纪40年代完备的组合机床自动生产线问世了。20世纪40年代末出现了智能增加器（电子计算机）和控制论。这使工业自动化的另一表现——包括工业机器人在内的许多电子自动机的出现成为可能。

这里再强调一下关于假肢器官方面的进步（前面已谈到一些）。假肢器官方面的研究对于现代机器人的发展相当重要。为设计人工肢体，科学家必须研究能使我们运动和工作的人体结构学，这也引导机械设计师们去思考人的胳膊、手和手指是如何配合完成动作的。这方面的例子在前文也举过一些，现在再略举几例。也有人认为，关于假肢的早期事例见于公元前500年Herodotus的记载。他述说了一个俘虏为挣脱其脚镣，从脚腕处割断自己的脚，而后设计了一只木制的脚来代替的事儿。大约公元前218年的第二次罗迦战争中，一位名叫MarcusSergius的罗马将军失掉了一只右手。据说后来人们为他装了一只铁制假手，打起仗来相当有力。因此，战争的伤残推动人们去发展更为精致的假肢以代替残缺的肢体。16世纪初GotzVonBerlichingen就用一只可以动作的机械手来取代他在战争中失去的手。

16世纪，人们开始研制假肢。这是因为传动与控制机原理的重大发展，达到使用者能够借助于机械手指和拇指，自如地完成诸如抓、握之类的简单动作。本世纪，人们又研制了电力驱动人工手，它借助于来自使用者断肢神经末梢的电脉冲，经放大后传输给假手以驱动其动作。这种人工手在20世纪60年代发生那场由于人工服用查里多米德镇静药带来的灾难之前，一直十分兴旺。服用这种镇静药使胎儿畸形，残废者生来肢体不全或萎缩，亦无神经末梢可与标准假肢的电极相联便无法使用假肢。于是，借助于压缩空气驱动内部活塞而动作的假肢应运而生。这类假肢能感应肌肉收缩时的隆起和硬度，其最新成就是应推肌电手臂的产生。此类假肢可由电机或压缩空气驱传，亦可靠拾取传至肌肉内的电脉冲来驱动。其金属线电极要埋入肌肉，用以拾取电动势。当肌肉将要收缩时，电极便拾取此信号并放大，使患者能够用与控制真手一样的脉冲去控制假肢。

在研制人工肢体过程中，研究传动、操纵和控制系统取得的大量成果，对机器人学作出了巨大贡献。这种建造人工手臂的设计构思，后来被用于遥控机械手以及机器人的机械手的设计之中。

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。

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。第一条原则是机械模拟人手结构。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（＜1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”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。

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像机。摄像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像机的出现开始的。物体的图像变成成千上万个点，然后这些点又构成了电视图像。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。物体的图像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。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。

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。它的惟一“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。像“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惟一来源，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。这是惟一更换程序的地方。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？

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。像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，像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。