奇妙的机器人世界15（一）

1、机器人名字的由来

　　机器人是20世纪才出现的新名词。1920年，捷克剧作家Capek在他的《罗萨姆万能机器人公司（R.U.R）》剧本中，第一次提出了机器人（robot）这个词。robot是从古代斯拉夫语robota一词演变而来的。robota本是强制劳动的意思，Capek在二十世纪工业革命后技术和生产快速发展的背景下，根据它造出具有"奴隶机器"含义的新词robot。它反映着人类希望制造出象人一样会思考，有劳动的机器代替自己工作的愿望。但在当时，机器人一词也仅仅具有科幻意义，并不具备现实意义，真正使机器人成为现实是20世纪工业机器人出现以后。

　　2、认识工业机器人

　　机器人是20世纪人类的伟大发明之一，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣的工作环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性，它在原子能利用、海洋开发、宇宙探测及社会生活等方面也具有重要的应用价值，机器人的研制和应用充分反映了机器进化和生产系统的发展方向，并将对人类的生产和生活方式产生深远的影响。

　　我们在科幻影片、书本中看到的机器人无所不能，会说话、会思考，能走、能跑、能飞行、能解决所面对的任何问题，似乎具有无穷的能力。可实际运用中机器人并没有那么大的本领。它们通常是由程序控制来移动物体和操纵工具，从而完成各种工作。真正具有多功能的机器人还有待科学工作者们的进一步研究。

　　3、第一台机器人的故事

　　人类发展到20世纪，随着社会分工的细化，从事简单重复工作的人们强烈渴望有某种能代替自己工作的机器出现，在这方面的研究，美国的英格伯格和德沃尔走在了前面。

　　1954年，电子学家德沃尔获得了一项"可编程序机械手"的专利，这是一种象人手臂的机械手，它按程序进行工作，这种程序可以根据不同工作需要来编制，因此，具有通用性和灵活性，由此，热衷于机器人研究的物理学家英格伯格想到，如果能制造出这种机器，可象人一样学习别人干活的动作，之后便能自动重复进行操作。于是，在1958年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台真正实用的工业机器人，并很快得到了应用。

　　随后，他们成立了世界上第一家机器人制造工厂--尤尼梅逊公司，并将第一批机器人称为"尤尼梅物"，意思是"万能自动"，英格伯格因此被称为"工业机器人之父"，1984年，他还预言："我要使机器人擦地板，做饭，洗刷我的汽车和检查安全"。

　　4、机器人的发展史

　　中外许多历史资料中都有关于机器人的描述：如古希腊的青铜人"太罗斯"，日本的自动灌溉玩偶等，但真正实用的机器人，是美国生产的第一台工业机器人（尤尼梅特），后来，1962年美国机器与铸造公司又生产出"沃萨特兰"（意思是万能搬运）工业机器人，接着，日本、前苏联及西欧各国也相继研制成功多种工业机器人，到70年代末，机器人技术才得到巨大发展。

　　80年代，计算机技术和传感器的发展推动了机器人的发展。第一代有感觉的机器人陆续研制成功。如：美国1989年出现的能为老人和病人服务的机器人；能拨打电话、打印文件的秘书机器人。它们都具有一定的识别判断能力。

　　进入90年代，小型轻型机器人开始出现，1991年日本生产出一种擦窗玻璃机器人，它仅有410毫米长，200毫米宽，125毫米高，而前苏联则生产出一种很轻的自由移动机器人，这类机器人能在特殊的环境中完成给定的任务。

　　目前世界机器人数量已超过75万台。21世纪，人们需求的变化和技术的发展必将加快更多、更先进机器人的诞生，而机器人研究开发工作将更具吸引力和挑战性。

　　5、机器人发展的三个发展阶段

　　随着人们对机器的研究，机器人也在进步，按其发展过程机器人可分为三代：

　　第一代是示教再现型机器人："尤尼梅特"和"沃尔萨特兰"这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。

　　第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。

　　第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。日本研制的能演奏数首曲目?quot;瓦伯特"2号机器人，已达到5岁儿童的智能水平。目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。

　　6、机器人系统的构成

　　机器人系统的结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分组成。机器人的外貌有的像人，有的却并不具有人的模样，但其组成与人很相似。机构部分包括机械手和移动机构，机械手相当于人手一样，可完成各种工作；移动机构相当于人的脚，机器人靠它来"走路"。感知机器人自身或外部环境变化信息的传感器是它的感觉器官，相当于人的眼、耳、皮肤等，它包括内传感器和外传感器。电脑是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动作；信息处理装置（电子计算机），是人与机器人沟通的工具，可根据外界的环境变化、灵活变更机器人的动作。

　　7、机器人语言

　　目前，机器人还不能用自然语言与人进行交谈，那么，机器人与人怎样进行信息交流呢？这就要仿造机器人语言。

　　机器人语言是由二进制数表示的机器码。二进制数是由"0"和"1"组成的字串。如：0100110、011101等字串，每个字串相当于一个机器码，表示一个意思，若干字串就构成一个动作过程，机器人正是按这些字串描述的意思完成不同的动作。但这种机器码写起来非常复杂，除专业人员外，一般人很难阅读。人们希望能用自然语言与机器人对话，因此科学家们开发了种种高级语言。

　　高级语言较接近人类语言，易学，易懂，易写，易让人接受。我们用高级语言将自己的意图输入电脑时，电脑会将它译为机器人能识别"0"和"1"组成的机器码。如：用键盘向机器人发出"前进"的指令时，电脑接收到信息后，会将它译为"010001、0011001......"一样的机器码，机器人就会执行"前进"动作。

　　随着人们的需求，机器人工作越来越多样化，与其相适应的机器人语言也越来越多，机器人语言日益成为人们研究的一个活跃领域。

　　8、机械手大显身手

　　机械手是机器人的重要组成部分，它能模仿人手的动作，完成各种各样的工作。

　　机械手由手臂和手爪组成。工业机器人的手爪主要有钳爪式、磁吸式、气吸式三种。钳爪式的手爪与人手最为相似，它具有两个、三个或多个机械手指，能抓取不同形状的物体；电磁式吸附手爪是靠通电线圈产生的电磁力吸住物体的，像磁铁能吸住铁钉等金属一样；气吸式手抓则靠大气压力把吸附头与物体压在一起，实现物体的抓取。

　　机械手正在工业生产的各个领域大显身手。它们被用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。而且让机械手处理高温、有毒产品等，它比人手更能适应工作。

　　机器人技术发展到智能化阶段，机械手也越来越灵巧了，它们已能完成握笔写字、弹奏乐器、抓起鸡蛋、甚至穿针引线等精细复杂的工作。

　　9、机器人的脚

　　机器人的脚"五花八门"，有的像汽车一样依靠轮子滚动来前进；有的像一辆坦克；有四条腿走路的，也有靠身体蠕动而前进的……。

　　让机器人走动起来，给它装上轮子是最简单的办法。这种车轮式"脚"能高速稳定地运动，结构简单，操作方便，适用于平坦地面行走。

　　在野外凹凸不平或松软地面工作时，车轮式"脚"就显得非常吃力。这时我们可以在轮子外面装上履带，增大"脚"与路面的接触面积，机器人就能平稳运动了，军用机器人和那些使用场所不固定的机器人常采用这种方式。

　　人的双脚可走、跑、跳，适用于多种路面行走，我们称具有这种行走装置的机器人为步行机器人。步行机器人特别是两足步行机器人，行走时很难保持身体平衡，在制作和控制方面还具有相当大的难度。多足步行机器人可保持身体平稳运动，但很难协调脚之间的动作，现在实用性较高的主要有四足、六足、八足步行机器人。

　　另一种生物中常见的形态是躯干形，如蚯蚓、蛇、毛毛虫等，它们靠身体的蠕动实现移动。这类机器人多用于石油管道等狭窄空间的工作。

　　10、传感器

　　传感器是机器人的感觉器官，机器人工作时，电脑根据传感器获得的信息控制机器人动作。它主要分为内部传感器和外部传感器两大类：

　　内部传感器：用于检测机器人自身的状态，它安装在驱动装置内，用以测量手臂、手爪等的运动位置和速度，以控制机器人定位精确和运动平稳，如角度传感器、关节传感器。

　　外部传感器：用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激。如：视觉传感器是机器人的"眼睛"，它可测量物体的距离和位置，识别物体的形状、颜色等特性；温度传感器相当于人的皮肤，机器人通过它感知环境温度的变化；移动机器人在工作时，采用距离传感器检测障碍物的位置，告诉机器人及时躲避，确保工作安全，如果这种传感器用于汽车上，将可大大提高汽车的安全系数。其它还有嗅觉、听觉、味觉传感器等。

　　传感器的优劣是机器人技术进步的关键，实现未来的高智能机器人，一定要依赖于传感器技术的提高。

　　11、机器人的肌肉--驱动器

　　人和动物之所以能维持生命和运动，是因为肌肉系统能收缩并产生能量的原因。驱动器相当于机器人的"肌肉"。机器人身上主要采用电动驱动器（电机）、流体（液体或气体）驱动器。根据机器人上使用的驱动器的不同可分为三类：

　　电动驱动器从80年代开始被应用于机器人上，它由电能产生动能，驱动机器人各关节动作。电动机器人能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点，在现代工业生产中已基本普及。

　　液压机器人具有精度高，反应速度快的优点，但液压机构维护复杂，成本高，现已基本被电动机器人取代。

　　气动机器人由气动机构产生动力驱动关节运动。气动方式受空气可压缩性影响，稳定性差，定位精度低，目前应用较少。

　　现在，科学家们正智力研制一种聚合物的肌肉组织。这种肌肉材料能把化学能转化为机械能，靠自身的伸缩实现人工肌肉的功能。我们称为特殊驱动器。比如一种由形状记忆元件组成的特殊驱动器，无论形状记忆元件变形到什么形状，加热后都能完全恢复到原来的形状，目前用于机器人驱动器上的只限于Ti和Ni组成的形状记忆合金。

　　12、传动机构

　　传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个关节和动作部位，实现机器人平稳运动。常见的传动机构有以下几种：

　　1）齿轮传动：它通过均匀分布在轮边缘的齿的直接接触传递动力。它主要用于改变力的大小、方向和速度。

　　2）丝杠传动机构：丝杠是具有螺纹的杆，通过丝杠转动把旋转的运动改变为直线运动。丝杠传动机构主要有滚珠丝杠、行星轮式丝杠。

　　3）皮带传动和链传动机构：它利用皮带或链条传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。它主要有齿形带传动。及滚子链传动。

　　4）流体传动：分为液压和气压传动，即利用液体和气体为媒介传递能量。液压传动驱动精度高，功率大，适用于搬运笨重物品的机器人上；气压传动成本低，容易达到高速，多用于完成简单工作机器人。

5）连杆传动：它利用一根杆的形式把力传递到被动机械，在传递过程中改变力的大小、方向，连轩可长可短，使被动机械可移动很大的距离，这种传动机构多用于完成简单工作的机器人上。