有感觉的人工智能机器人如何实现

后生强于先生，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。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。

但是，当有“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，必须采取应应的措施：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，或者与断路器连在一起的隔墙，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“瞎子”，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or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。它能操作形状通过经常变化、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。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。象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，而记忆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，象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的手受到损伤。

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。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相机。摄相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。