“别动队”无人机

纵观无人机发展的历史,可以说现代战争是推动无人机发展的动力。而无人机对现代战争的影响也越来越大。一次和二次世界大战期间,尽管出现并使用了无人机,但由于技术水平低下,无人机并未发挥重大作用。朝鲜战争中美国使用了无人侦察机和攻击机,不过数量有限。在随后的越南战争、中东战争中无人机已成为必不可少的武器系统。而在海湾战争、波黑战争及科索沃战争中无人机更成了主要的侦察机种。

法国“红隼”无人机

越南战争期间美国空军损失惨重,被击落飞机2500架,飞行员死亡5000多名,美国国内舆论哗然。为此美国空军较多地使用了无人机。如“水牛猎手”无人机在北越上空执行任务2500多次,超低空拍摄照片,损伤率仅4%。AQM-34Q型147火蜂无人机飞行500多次,进行电子窃听、电台干扰、抛撒金属箔条及为有人飞机开辟通道等。

高空无人侦察机

在1982年的贝卡谷地之战中,以色列军队通过空中侦察发现。叙利亚在贝卡谷地集中了大量部队。6月9日,以军出动美制E-2C“鹰眼”预警飞机对叙军进行监视,同时每天出动“侦察兵”及“猛犬”等无人机70多架次,对叙军的防空阵地、机场进行反复侦察,并将拍摄的图像传送给预警飞机和地面指挥部。这样,以军准确地查明了叙军雷达的位置,接着发射“狼”式反雷达导弹,摧毁了叙军不少的雷达、导弹及自行高炮,迫使叙军的雷达不敢开机,为以军有人飞机攻击目标创造了条件。

鬼怪式无人机

1991年爆发了海湾战争,美军首先面对的一个问题就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隐藏的飞毛腿导弹发射器。如果用有人侦察机,就必须在大漠上空往返飞行,长时间暴露于伊拉克军队的高射火力之下,极其危险。为此,无人机成了美军空中侦察的主力。在整个海湾战争期间,“先锋”无人机是美军使用最多的无人机种,美军在海湾地区共部署了6个先锋无人机连,总共出动了522架次,飞行时间达1640小时。那时,不论白天还是黑夜,每天总有一架先锋无人机在海湾上空飞行。

为了摧毁伊军在沿海修筑的坚固的防御工事,2月4日密苏里号战舰乘夜驶至近海区,先锋号无人机由它的甲板上起飞,用红外侦察仪拍摄了地面目标的图像并传送给指挥中心。几分钟后,战舰上的406毫米的舰炮开始轰击目标,同时无人机不断地为舰炮进行校射。之后威斯康星号战舰接替了密苏里号,如此连续炮轰了三天,使伊军的炮兵阵地、雷达网、指挥通信枢纽遭到彻底破坏。在海湾战争期间,仅从两艘战列舰上起飞的先锋无人机就有151架次,飞行了530多个小时,完成了目标搜索、战场警戒、海上拦截及海军炮火支援等任务。

发射Brevel无人机

在海湾战争中,先锋无人机成了美国陆军部队的开路先锋。它为陆军第7军进行空中侦察,拍摄了大量的伊军坦克、指挥中心、及导弹发射阵地的图像,并传送给直升机部队,接着美军就出动“阿帕奇”攻击型直升机对目标进行攻击,必要时还可呼唤炮兵部队进行火力支援。先锋机的生存能力很强,在319架次的飞行中,仅有一架被击中,有4～5架由于电磁干扰而失事。

除美军外,英、法、加拿大也都出动了无人机。如法国的“幼鹿”师装备有一个“马尔特”无人机排。当法军深入伊境内作战时,首先派无人机侦察敌情,根据侦察到的情况,法军躲过了伊军的坦克及炮兵阵地。

1995年波黑战争中,因部队急需,“捕食者”无人机很快就被运往前线。在北约空袭塞族部队的补给线、弹药库、指挥中心时,“捕食者”发挥了重要的作用。它首先进行侦察,发现目标后引导有人飞机进行攻击,然后再进行战果评估。它还为联合国维和部队提供波黑境内主要公路上军车移动的情况,以判断各方是否遵守了和平协议。美军因而把“捕食者”称作“战场上的低空卫星”。其实卫星只能提供战场上的瞬间图像,而无人机可以在战场上空长时间盘旋逗留,因而能够提供战场的连续实时图像,无人机还比使用卫星便宜得多。

1999年3月24日,以美国为首的北约打着“维护人权”的幌子对南联盟开始了狂轰滥炸,爆发了震惊世界的“科索沃战争”。在持续78天的轰炸过程中,北约共出动飞机3.2万架次,投入舰艇40多艘,扔下炸弹1.3万吨,造成了二战以来欧洲空前的浩劫。

南联盟多山、多森林的地形以及多阴雨天的气候条件,大大影响了北约侦察卫星及高空侦察机的侦察效果,塞军的防空火力又很猛,有人侦察机不敢低飞,致使北约空军无法识别及攻击云层下面的目标。为了减少人员的伤亡,北约大量使用了无人机。科索沃战争是世界局部战争中使用无人机数量最多、无人机发挥作用最大的战争。无人机尽管飞得较慢,飞行高度较低,但它体积小,雷达及红外特征较小,隐蔽性好,不易被击中,适于进行中低空侦察,可以看清卫星及有人侦察机看不清的目标。

在科索沃战争中,美国、德国、法国及英国总共出动了6种不同类型的无人机约200多架,它们有:美国空军的“捕食者”(Predator)、陆军的“猎人”(Hunter)及海军的“先锋”(Pioneer)；德国的CL-289；法国的“红隼”(Crecerelles)、“猎人”,以及英国的“不死鸟”(Phoenix)等无人机。

无人机在科索沃战争中主要完成了以下一些任务:中低空侦察及战场监视,电子干扰,战果评估,目标定位,气象资料搜集,散发传单以及营救飞行员等。

科索沃战争不仅大大提高了无人机在战争中的地位,而且引起了各国政府对无人机的重视。美国参议院武装部队委员会要求,10年内军方应准备足够数量的无人系统,使低空攻击机中有三分之一是无人机；15年内,地面战车中应有三分之一是无人系统。这并不是要用无人系统代替飞行员及有人飞机,而是用它们补充有人飞机的能力,以便在高风险的任务中尽量少用飞行员。无人机的发展必将推动现代战争理论和无人战争体系的发展。

机器警察

所谓地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统,它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务,在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务,今天美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人。

英国的“手推车”机器人

在西方国家中,恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。英国由于民族矛盾,饱受爆炸物的威胁,因而早在60年代就研制成功排爆机器人。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人,已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化,研制出土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人,英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用它们探测及处理爆炸物。土拨鼠重35公斤,在桅杆上装有两台摄像机。野牛重210公斤,可携带100公斤负载。两者均采用无线电控制系统,遥控距离约1公里。

“土拨鼠”和“野牛”排爆机器人

除了恐怖分子安放的炸弹外,在世界上许多战乱国家中,到处都散布着未爆炸的各种弹药。例如,海湾战争后的科威特,就像一座随时可能爆炸的弹药库。在伊科边境一万多平方公里的地区内,有16个国家制造的25万颗地雷,85万发炮弹,以及多国部队投下的布雷弹及子母弹的2500万颗子弹,其中至少有20%没有爆炸。而且直到现在,在许多国家中甚至还残留有一次大战和二次大战中未爆炸的炸弹和地雷。因此,爆炸物处理机器人的需求量是很大的。

排除爆炸物机器人有轮式的及履带式的,它们一般体积不大,转向灵活,便于在狭窄的地方工作,操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台彩色CCD摄像机用来对爆炸物进行观察；一个多自由度机械手,用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来,并把爆炸物运走；车上还装有猎枪,利用激光指示器瞄准后,它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪,可以切割爆炸物。

德国的排爆机器人

在法国,空军、陆军和警察署都购买了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆机器人。DM公司研制的RM35机器人也被巴黎机场管理局选中。德国驻波黑的维和部队则装备了Telerob公司的MV4系列机器人。我国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安部队的行列。

美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎,白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人。在南非总统选举之前,警方购买了四台AndrosVIA型机器人,它们在选举过程中总共执行了100多次任务。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理,它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后,美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。美国空军还派出5台Andros机器人前往科索沃,用于爆炸物及子炮弹的清理。空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台AndrosVI。

我国研制的排爆机器人

排爆机器人不仅可以排除炸弹,利用它的侦察传感器还可监视犯罪分子的活动。监视人员可以在远处对犯罪分子昼夜进行观察,监听他们的谈话,不必暴露自己就可对情况了如指掌。

1993年初,在美国发生了韦科庄园教案,为了弄清教徒们的活动,联邦调查局使用了两种机器人。一种是Remotec公司的AndrosVA型和AndrosMarkVIA型机器人,另一种是RST公司研制的STV机器人。STV是一辆6轮遥控车,采用无线电及光缆通信。车上有一个可升高到4.5米的支架,上面装有彩色立体摄像机、昼用瞄准具、微光夜视瞄具、双耳音频探测器、化学探测器、卫星定位系统、目标跟踪用的前视红外传感器等。该车仅需一名操作人员,遥控距离达10公里。在这次行动中共出动了3台STV,操作人员遥控机器人行驶到距庄园548米的地方停下来,升起车上的支架,利用摄像机和红外探测器向窗内窥探,联邦调查局的官员们围着荧光屏观察传感器发回的图像,可以把屋里的活动看得一清二楚。

机器人指挥

其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义,自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富,机器人的定义也不断充实和创新。

1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”(android),它由4部分组成:

1,生命系统(平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等)；

2,造型解质(关节能自由运动的金属覆盖体,一种盔甲)；

3,人造肌肉(在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态)；

4,人造皮肤(含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等)。

1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中,卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”,“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响,引起了大家的广泛关注,被当成了机器人一词的起源。在该剧中,机器人按照其主人的命令默默地工作,没有感觉和感情,以呆板的方式从事繁重的劳动。后来,罗萨姆公司取得了成功,使机器人具有了感情,导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中,机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正,终于造反了,机器人的体能和智能都非常优异,因此消灭了人类。

但是机器人不知道如何制造它们自己,认为它们自己很快就会灭绝,所以它们开始寻找人类的幸存者,但没有结果。最后,一对感知能力优于其它机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类,世界又起死回生了。

卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象,但人类社会将可能面临这种现实。

为了防止机器人伤害人类,科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”:

1,机器人不应伤害人类；

2,机器人应遵守人类的命令,与第一条违背的命令除外；

3,机器人应能保护自己,与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上,就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的:“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发,森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人:

1,具有脑、手、脚等三要素的个体；

2,具有非接触传感器(用眼、耳接受远方信息)和接触传感器；

3,具有平衡觉和固有觉的传感器。

礼仪机器人

该定义强调了机器人应当仿人的含义,即它靠手进行作业,靠脚实现移动,由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官,使机器人能够识别外界环境,而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。这里描述的不是工业机器人而是自主机器人。

机器人的定义是多种多样的,其原因是它具有一定的模糊性。动物一般具有上述这些要素,所以在把机器人理解为仿人机器的同时,也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。

1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为:“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统,并以此系统的使用方法作为研究对象”。

1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。”

我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中,人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点,人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器,如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性,也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状,更加符合各种不同应用领域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增强,从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。

中国工程院院长宋健指出:“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化”。机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿,它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。

我国的机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前,国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和我国的分类是一致的。

古代机器人

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。

机器马车

西周时期,我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人,这是我国最早记载的机器人。

春秋后期,我国著名的木匠鲁班,在机械方面也是一位发明家,据《墨经》记载,他曾制造过一只木鸟,能在空中飞行“三日不下”,体现了我国劳动人民的聪明智慧。

公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像,它可以自己开门,还可以借助蒸汽唱歌。

1800年前的汉代,大科学家张衡不仅发明了地动仪,而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里,车上木人击鼓一下,每行十里击钟一下。

后汉三国时期,蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”,并用其运送军粮,支援前方战争。

1662年,日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶,并在大阪的道顿堀演出。

1738年,法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。

写字机器人

在当时的自动玩偶中,最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯。1773年,他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等,他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们有的拿着画笔和颜色绘画,有的拿着鹅毛蘸墨水写字,结构巧妙,服装华丽,在欧洲风靡一时。由于当时技术条件的限制,这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶,它制作于二百年前,两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐,现在还定期演奏供参观者欣赏,展示了古代人的智慧。

19世纪中叶自动玩偶分为2个流派,即科学幻想派和机械制作派,并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表了《浮士德》,塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》；1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世；1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面,1893年摩尔制造了“蒸汽人”,“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用化的机器人相继问世,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”,并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人,装有无线电发报机,可以回答一些问题,但该机器人不能走动。1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。

现代机器人

现代机器人的研究始于20世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展,以及原子能的开发利用。

自1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。

大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面,原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下,美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手。

铆接机器人

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似,但外形特征迥异,主要由类似人的手和臂组成。

1965年,MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。

机器狗

1967年日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会),同年召开了日本首届机器人学术会。

1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后,机器人的研究得到迅速广泛的普及。

1973年,辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人,它是液压驱动的,能提升的有效负载达45公斤。

到了1980年,工业机器人才真正在日本普及,故称该年为“机器人元年”。

随后,工业机器人在日本得到了巨大发展,日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。

自治潜水器

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。80年代,将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间,水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。将机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称,这也说明了机器人所具有的创新活力。

机器人的手

机器人要模仿动物的一部分行为特征,自然应该具有动物脑的一部分功能。机器人的大脑就是我们所熟悉的电脑。但是光有电脑发号施令还不行,最基本的还得给机器人装上各种感觉器官。我们在这里着重介绍一下机器人的“手”和“脚”。

机器人必须有“手”和“脚”,这样它才能根据电脑发出的“命令”动作。“手”和“脚”不仅是一个执行命令的机构,它还应该具有识别的功能,这就是我们通常所说的“触觉”。由于动物和人的听觉器官和视觉器官并不能感受所有的自然信息,所以触觉器官就得以存在和发展。动物对物体的软,硬,冷,热等的感觉就是靠的触觉器官。在黑暗中看不清物体的时候,往往要用手去摸一下,才能弄清楚。大脑要控制手,脚去完成指定的任务,也需要由手和脚的触觉所获得的信息反馈到大脑里,以调节动作,使动作适当。因此,我们给机器人装上的手应该是一双会“摸”的、有识别能力的灵巧的“手”。

机器人的手一般由方形的手掌和节状的手指组成。为了使它具有触觉,在手掌和手指上都装有带有弹性触点的触敏元件(如灵敏的弹簧测力计)。如果要感知冷暖,还可以装上热敏元件。当触及物体时,触敏元件发出接触信号,否则就不发出信号。在各指节的连接轴上装有精巧的电位器(一种利用转动来改变电路的电阻因而输出电流信号的元件),它能把手指的弯曲角度转换成“外形弯曲信息”。把外形弯曲信息和各指节产生的“接触信息”一起送入电子计算机,通过计算就能迅速判断机械手所抓的物体的形状和大小。

现在,机器人的手已经具有了灵巧的指,腕,肘和肩胛关节,能灵活自如的伸缩摆动,手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的东西的重量,可以说已经具备了人手的许多功能。

在实际情况中有许多时候并不一定需要这样复杂的多节人工指,而只需要能从各种不同的角度触及并搬动物体的钳形指。1966年,美国海军就是用装有钳形人工指的机器人“科沃”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从七百五十米深的海底捞上来。1967年,美国飞船“探测者三号”就把一台遥控操作的机器人送上月球。它在地球上的人的控制下,可以在两平方米左右的范围里挖掘月球表面四十厘米深处的土壤样品,并且放在规定的位置,还能对样品进行初步分析,如确定土壤的硬度,重量等。它为“阿波罗”载人飞船登月当了开路先锋。

机器人的眼睛

人的眼睛是感觉之窗,人有80%以上的信息是靠视觉获取,能否造出“人工眼”让机器也能象人那样识文断字,看东西,这是智能自动化的重要课题。关于机器识别的理论,方法和技术,称为模式识别。所谓模式是指被判别的事件或过程,它可以是物理实体,如文字,图片等,也可以是抽象的虚体,如气候等。机器识别系统与人的视觉系统类似,由信息获取,信息处理与特征抽取,判决分类等部分组成。

机器认字

大家知道,信件投入邮筒需经过邮局工人分拣后才能发往各地。一人一天只能分拣2-3千封信,现在采用机器分拣,可以提高效率十多倍。机器认字的原理与人认字的过程大体相似。先对输入的邮政编码进行分析,并抽取特征,若输入的是个6字,其特征是底下有个圈,左上部有一直道或带拐弯。其次是对比,即把这些特征与机器里原先规定的0到9这十个符号的特征进行比较,与哪个数字的特征最相似,就是哪个数字。这一类型的识别,实质上叫分类,在模式识别理论中,这种方法叫做统计识别法。

机器人认字的研究成果除了用于邮政系统外,还可用于手写程序直接输入,政府办公自动化,银行合计,统计,自动排版等方面。

机器识图

现有的机床加工零件完全靠操作者看图纸来完成。能否让机器人来识别图纸呢？这就是机器识图问题。机器识图的方法除了上述的统计方法外,还有语言法,它是基于人认识过程中视觉和语言的联系而建立的。把图像分解成一些直线、斜线、折线、点、弧等基本元素,研究它们是按照怎样的规则构成图像的,即从结构入手,检查待识别图像是属于哪一类“句型”,是否符合事先规定的句法。按这个原则,若句法正确就能识别出来。

机器识图具有广泛的应用领域,在现代的工业,农业,国防,科学实验和医疗中,涉及到大量的图象处理与识别问题。

机器识别物体

机器识别物体即三维识别系统。一般是以电视摄像机作为信息输入系统。根据人识别景物主要靠明暗信息,颜色信息,距离信息等原理,机器识别物体的系统也是输入这三种信息,只是其方法有所不同罢了。由于电视摄像机所拍摄的方向不同,可得各种图形,如抽取出棱数,顶点数,平行线组数等立方体的共同特征,参照事先存储在计算机中的物体特征表,便可以识别立方体了。

目前,机器可以识别简单形状的物体。对于曲面物体,电子部件等复杂形状的物体识别及室外景物识别等研究工作,也有所进展。物体识别主要用于工业产品外观检查,工件的分选和装配等方面。

机器人的鼻子

人能够嗅出物质的气味,分辨出周围物质的化学成分,这全是由上鼻道的粘模部分实现的。在人体鼻子的这个区域,在只有五平方厘米的面积上却分布有五百万个嗅觉细胞。嗅觉细胞受到物质的刺激,产生神经脉冲传送到大脑,就产生了嗅觉。人的鼻子实际上就是一部十分精密的气体分析仪。人的鼻子是相当灵敏的,就算在一升水中放进二百五十亿分之一的乙硫醇(就是一种特殊的具有异常臭味的化学物质),人的鼻子也能够闻出来。

机器人的鼻子也就是用气体自动分析仪做成的。我国已经研制成功了一种嗅敏仪,这种气体分析仪不仅能嗅出丙酮、氯仿等四十多种气体,还能够嗅出人闻不出来但是却可以导致人死亡的一氧化碳(也就是我们通常所用的煤气)。这种嗅敏仪有一个由二氧化锡,氯化钯等物质烧结而成的探头(相当于鼻粘模)。当它遇到某些种类气体的时候,它的电阻就发生变化,这样就可以通过电子线路做出相应的显示,用光或者用声音报警。同时,用这种嗅敏仪还可以查出埋在地下的管道漏气的位置。

现在利用各种原理制成的气体自动分析仪已经有很多种类,广泛应用于检测毒气,分析宇宙飞船座舱里的气体成分,监察环境等方面。

这些气体分析仪,原理和显示都和电现象有关,所以人们把它叫做电子鼻。把电子鼻和电子计算机组合起来,就可以做成机器人的嗅觉系统了。

机器人的耳朵

人的耳朵是仅次于眼睛的感觉器官,声波扣击耳膜,引起听觉神经的冲动,冲动传给大脑的听觉区,因而引起人的听觉。机器人的耳朵通常是用“微音器”或录音机来做的。被送到太空去的遥控机器人,它的耳朵本身就是一架无线电接收机。

人的耳朵是十分灵敏的。我们能听到的最微弱的声音,它对耳膜的压强是每平方厘米只有一百亿分之几公斤。这个压强的大小只是大气压强的一百亿分之几。可是用一种叫做钛酸钡的压电材料做成的“耳朵”比人的耳朵更为灵敏,即使是火柴棍那样细小的东西反射回来的声波也能被它“听”的清清楚楚。如果用这样的耳朵来监听粮库,那么在二到三公斤的粮食里的一条小虫爬动的声音也能被它准确地“听”出来。

用压电材料做成的“耳朵”之所以能够听到声音,其原因就是压电材料在受到拉力或者压力作用的时候能产生电压,这种电压能使电路发生变化。这种特性就叫做压电效应。当它在声波的作用下不断被拉伸或压缩的时候,就产生了随声音信号变化而变化的电流,这种电流经过放大器放大后送入电子计算机(相当于人大脑的听区)进行处理,机器人就能听到声音了。

但是能听到声音只是做到了第一步,更重要的是要能识别不同的声音。目前人们已经研制成功了能识别连续话音的装置,它能够以百分之九十九的比率,识别不是特别指定的人所发出的声音,这项技术就使得电子计算机能开始“听话”了。这将大大降低对电子计算机操作人员的特殊要求。操作人员可以用嘴直接向电子计算机发布指令,改变了人在操作机器的时候手和眼睛忙个不停而与此同时嘴巴和耳朵却是闲着的状况。一个人可以用声音同时控制四面八方的机器,还可以对楼上楼下的机器同时发出指令,而且并不需要照明,这样就很适宜于在夜间或地下工作。这项技术也大大加速了电话的自动回答,车票的预定以及资料查找等服务工作的自动化实现的进程。

现在人们还在研究使机器人能通过声音来鉴别人的心理状态,人们希望未来的机器人不光能够听懂人说的话,还能够理解人的喜悦,愤怒,惊讶,犹豫和暧昧等情绪。这些都会给机器人的应用带来极大的发展空间。