有感覺的人工智能機器人如何實現(xiàn)

后生強于先生，隨著科學技術的飛速發(fā)展，機器人技術也發(fā)生了巨大的變化，在短短的一段時間，其基本部件就發(fā)生了重大變化，出現(xiàn)了新的功能，擴大了使用范圍，改變了使用特點。第二代機器人出現(xiàn)了：有感覺的機器人。

它的前一代機器人，即工業(yè)機器人，是程序控制機器人。它們是按照人們預先硬性編制好的程序去完成操作的，其工作條件是嚴格的、固定的。盡管應用廣泛，工作有效，但卻是“笨蛋”加“瞎子”。它們僅僅能完成有關指令，不能應付意外情況，不管是發(fā)生了微小故障還是廠房倒塌，房頂砸到它們頭上時，它們還是不會躲開或停止工作，依然照著老樣子干活。

但是，當有“感覺”的機器人出現(xiàn)以后，機器人的能力就不再那么有限了。這種感覺機器人便是第二代機器人。比如，工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)，實際上常常在機器人手臂自身重量、被移動的物件的重量和在運動過程中產生的慣性負載的重量的作用下，發(fā)生精確度降低的變形。機器人手臂的承壓部件甚至在傳動裝置相當準確地停止的條件下，由于機械系統(tǒng)變形也要經受強烈的動力慣力負載。慣力負載造成的變形會導致不斷衰減的機械振動，這種機械振動會降低準確度并增加定位本身的時間。這種變形在運動量和運動方向的變化加速時（手臂起動開始和手臂起動結束，制動開始和制動結束）尤其劇烈。

為了減少這個現(xiàn)象的有害后果，必須采取應應的措施：減少手臂的重量和長度，增加加強筋（它好像是附加的“骨骼架”），安上限速止推軸承，等等。不過，還必須要考慮溫度變形。所以配有位置控制系統(tǒng)和1．5～2米手臂的現(xiàn)代機器人（“尤尼梅特型”），其定位精度達到一毫米看來已是最大可能了。

然而，這在某些情況下是不夠的?！案杏X”機器人利用另外的控制原理，可以用新方式來解決這一問題。這樣既有了更高的精確度，又省了錢。又如，第一代機器人有其公認的缺陷——驚人的不變性、一致性。如果生產過程中一旦發(fā)生哪怕是最微小的變化（如電壓下降或零件從傳送帶上掉下來），第一代機器人便會在這種操作小事面前顯得束手無策。它頂多會停下來，張開大手，好像局外人似的看熱鬧。最糟糕的是它會繼續(xù)工作，揮動著空手，根本不知道它的努力是在白費勁。它不會適應周圍變化的情況。因此為使工作成功，周圍的情況不得不去適應機器人。這就出現(xiàn)了這樣的問題：機器人為生產服務還是生產為機器人服務？

所以，為了使機器人為生產服務，第二代機器人出現(xiàn)了。它不僅僅是像電子計算機一代替換一代的那種自然更替，而且是由于生活所迫，即它要在急劇復雜化的生產環(huán)境中“爭取生存”的條件。這樣，就涉及到了提高機器人智能水平的問題，因為它們第一代家族“明智”，沒有提出更高的要求。實際上，它們的智能并不比低級昆蟲高。想象一下，汽車裝配線上出現(xiàn)了一些傾斜，機器人并沒有覺察到這個誤差。它們事先被調整好在汽車車門上鉆眼，可是這時它們卻把孔鉆到油箱上。制品位置的不對，絲毫沒有使機器人“不安”。此外，假如它們的電子管線路一旦出現(xiàn)某種毛病，自動機便會“盲目狂怒地”用它強壯的鋼爪胡亂敲打。這樣，就出現(xiàn)了完全不同的一些問題。代替人去干有害和危險的工作——這是事情的一個方面，有時這本身又會給人造成危險——這是事情的另一個方面。

怎樣才能制服不聽話的“鐵奴隸”呢？讓機器人通人性，不傷害人（比如監(jiān)督它干活的工人、維修它的機械師），已經成了一個迫切需要解決的問題。為確保使用機器人的車間里人的安全，人們采取了各種手段：在機器人工作區(qū)內的地板上設置有彈力的踏板，或者與斷路器連在一起的隔墻，隔墻一打開就會發(fā)出“停止”指令，用光線圍住機器人工作區(qū)。

還有一種機器人，當人出現(xiàn)在工作區(qū)時，它就停止不動。這種機器人已經不是“瞎子”，但還是不會“看東西”，它有的是“感覺”。第一代機器人的身上就已出現(xiàn)了最簡單的感覺：如果在夾具的指頭之間被指定的地方沒有需要的零件，機器便會停止不動。這時全部的感覺只是：“有or沒有”。對情況的最簡單適應能保障機器人最大的動作能力，它只要一觸及物品，便有感覺，甚至能識別零件的尺寸和重量，并用相應的動作移動零件。此外，具有各種感覺的機器人比第一代機器人更安全、方便、準確。它們還具有許多特殊的優(yōu)點。它能操作形狀通過經常變化、方位不確定的工件，或者是操作正在傳送帶上移動的零件。它能感覺到作用力，比如感覺到螺釘往圓孔中擰入的力，否則，圓孔或螺絲勢必被擰壞。

一句話，第二代機器人能干一些第一代機器人連“做夢”（假如它會做夢的話）也夢不到的事。跟著感覺走人的感覺有5種：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。有時，敏感的人還有更多的“感覺”。但是人的感覺器官是十分有限的，生物界的感覺元件才豐富多彩哩。象海豚有聲響視覺系統(tǒng)，蝙蝠有超聲波測位器，蛇有熱視能，某些動物有靜電場、電磁場、熱能場、紫外線磁場和在其他磁場中識別方位的能力。比如，狗的嗅覺靈得出奇，老鼠能聽見超聲波，蛇對振動敏感，等等。

現(xiàn)代感覺機器人借用了人和生物界的一些東西，加上人類的發(fā)明，擁有了不少敏感元件。它的這些敏感元件叫傳感器，分為兩大類：內部的和外部的。前一類用來監(jiān)督機器人自身的動作，這類傳感器安裝在操作機器的傳動裝置里。后一類用來監(jiān)督工業(yè)機器人操作的那些物體的情況，借助這類傳感器確定零件、半成品和成品部件的位置、形狀及其它特征。

內部信息傳感器——機器人的獨特的自我監(jiān)督器，用來確定位置、轉動角度、速度以及手、臂、肩和其它機械的力矩。如果機器人的控制是在“接通——斷開”原理的限制開關基礎上進行的話，那么這種限制開關本身就成了這樣的內部傳感器：將機器人的手擺放在開關生效的位置上。如果情況太復雜，就運用反饋隨動機構——電位計、自動同步機、分解器、摸擬數(shù)字轉換器，等等。

機器人手的狀態(tài)傳感器大都配置成這樣：能將各種各樣的位移變?yōu)殡娒}沖。這些“神經”脈沖就會使機器人“有感覺”。機器人傳感器有多種：電磁傳感器、電容傳感器、感應傳感器、阻力傳感器（電阻）、光電傳感器。比如，電位計是在改變轉角情況下，在線繞電阻或薄膜電阻改變的基礎上進行工作的。電位計的可靠性由于有觸點，一般都不高，最大使用期限在200萬轉左右。在自動同步機結構中運用的是變壓器的工作原理。初級線圈用單相電壓，次級線圈內產生感應的電壓決定于旋轉角。自動同步機作為基于電磁感應的無接觸裝置，具有高度可靠性、抗擾性。不過，自動同步機的準確性以半個度數(shù)值為界限。分解器是在自動同步機之后研制出來的，原理相同。但是，分解器的定子和轉子上各纏有兩組線圈，彼此移成90°。因此，分解器的準確性高于自動同步機。

感應傳感器的構造跟自動同步機一樣，這樣的傳感器精度為一個毫米左右。模擬數(shù)字轉換器被當作脈沖發(fā)生器來使用。光電發(fā)生器連接回轉軸的電阻片有透明和不透明兩個部分。它使用電子管或其他元件為光源，而記憶元件則是用光電晶體管、氦元件和其他裝置。有許多計算型的傳感器，其中編碼片的傳導和絕緣部件機相當于1和0的值。接點的存在決定了它的使用壽命受到一定限制。也有許多其他的傳感器。比如，象電動機一般的積分速度傳感器、磁性電表等。機器人的這些自我監(jiān)督傳感器大多數(shù)早就應用在第一代機器人的身上。到第二代機器人時，這些內在的“感覺”變得豐富多彩了。

不過，第二代機器人感覺器官發(fā)展的重點還是集中在外部。最簡單和最通行的外部信息傳感器是“接觸”傳感器——工業(yè)機器人的觸覺。在夾具——機器人手的末端裝有專門開關，這些開關記錄跟零件或機床接觸的情況，并以脈沖輸入“大腦”。安裝在機器人夾具里側和外側（上、下、左、右）的10個這種開關幫助機器人用“手摸”方式判定零件的位置或是出現(xiàn)障礙的位置。然而，要判斷手接觸的物體的重量和堅固程度，需要設計另一種傳感器。這種傳感器是置于金屬薄板間的導電泡沫聚氨脂層。薄板的間隔根據(jù)壓力而變化，并且適當改變電路電阻。具有壓力反饋的手的握力控制機構能防止物體和人的手受到損傷。

傳感器中光電傳感器、電磁傳感器、超聲傳感器、射流傳感器等無接觸傳感器尤其方便，因為不直接接觸用不著擔心會造成對物體的碰撞或接觸不良。此外，這樣的傳感器預先“感覺”到物體，它們在接觸之前已能判明物體。這是機器人獨特的視覺“習性”。電磁傳感器在幾毫米至幾厘米距離內起作用。它是通過磁場或電阻效應起作用的，其感覺具有高精度和可靠性的特點。

當然，只有在操作金屬物時才有用。光電傳感器太像視覺了。如果使用燈泡和光電二極管作光源，用光電管、光電二極管和光電晶體管作光接收器，可以用物體對光流的阻斷或從物體折射回來的光脈沖來發(fā)現(xiàn)零件并確定其位置。這個并不復雜的“眼睛”由兩個透鏡組成，這兩個透鏡的焦距已調在幾十毫米外的一個點上。在這個點沒有顯示任何平面以前，光電二極管便收不到光敏二極管的信號。

為使傳感器對外界的爆光不產生反應，光敏二極管射出的是固定頻率的光線，光電二極管也調到這個頻率上。超聲傳感器是由信號傳感器和接收器組成的一個系統(tǒng)。借助于反射回來的聲響信號，可以發(fā)現(xiàn)物體并測出離該物體的距離，它們的優(yōu)點是：能發(fā)現(xiàn)透明的物體（含非金屬物體）；振蕩器可無限期作用；在無光、有干擾條件下讀數(shù)；灰塵、蒸汽對它們無影響；可以在水下工作。其工作原理是利用脈沖反射信號的時間測出物體和夾具的距離。它除了測量距離外，還能解決更復雜的問題，如將夾具的軸線對準物體的軸線。遺憾的是，它只有用顯微鏡才看得見物體，有時看不見，因為超聲波的長度比較大。

還有一種傳感器，可用來做無接觸開關器。其方法是把氣流充當光束使用。這樣，能夠測量出大約超出噴嘴直徑50倍的距離，這就是射流傳感器。以上所述的傳感器只是傳感器中的一個小部分，因為傳感器太多太多。機器人也是根據(jù)工作需要來配備相應的傳感器的。有些工作僅用觸覺就可以了，但在有的工作中卻必須要有“視覺”；另一些工作，則需要氣動傳感器的“柔和的氣流”；有時，則需要用紅外測位器。機器人就是這樣，裝備有形形色色的傳感器來傳遞感覺。

例如有一個機器人的夾具——兩個手指，上面安有一系列的觸覺傳感器。這些傳感器是一些有彈性的金屬薄片。傳感器以“魚鱗狀”組合排列，將手指表面全覆蓋了。每個指頭的表面排列著12個這樣的傳感器。所以，指頭表面任何位置的接觸都會導致傳感器動片相應的接觸，于是，接觸點的信息數(shù)據(jù)便會傳遞給機器人控制系統(tǒng)。除了觸覺接觸傳感器之外，夾具指頭上還排列著12個光線測位傳感器，這些傳感器能在夾具距離物體2～3厘米的時候發(fā)出接近的信號。這些傳感器位于指頭的尖端、側面、端面。由于光線測位傳感器的工作是基于發(fā)現(xiàn)物體折射回的光流，所以為了消除外界光亮對傳感器的影響，便采用了特殊方式對光流的強度進行了調整。

機器人在工作過程中，不僅必須得到有關接近或觸及物體的信息，而且還要得到有關指頭間物體的信息。為此，指頭里側的表面還置放著四個光電傳感器。這些光電傳感器不是靠折射回來的光工作，而是靠光線直接透過指頭空間來工作。它們監(jiān)督夾具虎口間是否存在物體，同時，還能根據(jù)截斷光線射來的數(shù)量來判斷出物體的大體存在位置。這種敏感的感覺賦予第二代機器人從未有過的尋找物體、輕柔地操作零件，以及裝配各種復雜結構的能力。機器人的眼睛人類通過眼睛來接受很多信息，然后通過視覺神經傳遞給大腦；由大腦進行工作，最后就“看到”了東西。

看到這里，也許有些讀者馬上就會問：“機器人又是怎樣‘看到’東西的？它們又沒有腦袋！”其實，機器人用不著把眼睛安在腦袋上，比如說，我們可以把機器人的眼睛安在它的“手掌”上。這是很有意思的。比如說吧，對于焊接機器人來說，它的工作是把金屬零件安放在不同的位置上。如果它的手掌上長上“眼睛”，那么，機器人就會看見，該在什么地方焊，應該怎樣焊了。

目前，在一般的巧克力糖果廠，女工們坐在工作臺的后面，運送糖塊盒的流水線在它們面前緩緩移動。女工們每秒鐘往盒里裝兩塊糖。現(xiàn)在計劃在生產流水線旁邊安裝兩個不大的機械手和一臺電視相機。攝相機告知這兩個機械手如何運用它們的“手指”包裝巧克力糖。在這種情況下，機械手便具備了某種萌芽狀態(tài)的“視覺”。不過這工作是極其簡單的——黑色的巧克力糖塊是放在淺色的背景上的。如果對這個機器人說：“請你去拿一束白色的百合花來?！彼褪譄o策了。