工博士機器人

機器人的手

機器人要模仿動物的一部分行為特征，自然應該具有動物腦的一部分功能。機器人的大腦就是我們所熟悉的電腦。但是光有電腦發號施令還不行，最基本的還得給機器人裝上各種感覺器官。我們在這里著重介紹一下機器人的“手”和“腳”。

機器人必須有“手”和“腳”，這樣它才能根據電腦發出的“命令”動作。“手”和“腳”不僅是一個執行命令的機構，它還應該具有識別的功能，這就是我們通常所說的“觸覺”。由于動物和人的聽覺器官和視覺器官并不能感受所有的自然信息，所以觸覺器官就得以存在和發展。動物對物體的軟，硬，冷，熱等的感覺就是靠的觸覺器官。在黑暗中看不清物體的時候，往往要用手去摸一下，才能弄清楚。大腦要控制手，腳去完成指定的任務，也需要由手和腳的觸覺所獲得的信息反饋到大腦里，以調節動作，使動作適當。因此，我們給機器人裝上的手應該是一雙會“摸”的、有識別能力的靈巧的“手”。

機器人的手一般由方形的手掌和節狀的手指組成。為了使它具有觸覺，在手掌和手指上都裝有帶有彈性觸點的觸敏元件（如靈敏的彈簧測力計）。如果要感知冷暖，還可以裝上熱敏元件。當觸及物體時，觸敏元件發出接觸信號，否則就不發出信號。在各指節的連接軸上裝有精巧的電位器（一種利用轉動來改變電路的電阻因而輸出電流信號的元件），它能把手指的彎曲角度轉換成“外形彎曲信息”。把外形彎曲信息和各指節產生的“接觸信息”一起送入電子計算機，通過計算就能迅速判斷機械手所抓的物體的形狀和大小。

現在，機器人的手已經具有了靈巧的指，腕，肘和肩胛關節，能靈活自如的伸縮擺動，手腕也會轉動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東西的重量，可以說已經具備了人手的許多功能。

在實際情況中有許多時候并不一定需要這樣復雜的多節人工指，而只需要能從各種不同的角度觸及并搬動物體的鉗形指。1966年，美國海軍就是用裝有鉗形人工指的機器人“科沃”把因飛機失事掉入西班牙近海的一顆氫彈從七百五十米深的海底撈上來。1967年，美國飛船“探測者三號”就把一臺遙控操作的機器人送上月球。它在地球上的人的控制下，可以在兩平方米左右的范圍里挖掘月球表面四十厘米深處的土壤樣品，并且放在規定的位置，還能對樣品進行初步分析，如確定土壤的硬度，重量等。它為“阿波羅”載人飛船登月當了開路先鋒。

機器人的眼睛

人的眼睛是感覺之窗，人有80%以上的信息是靠視覺獲取，能否造出“人工眼”讓機器也能象人那樣識文斷字，看東西，這是智能自動化的重要課題。關于機器識別的理論，方法和技術，稱為模式識別。所謂模式是指被判別的事件或過程，它可以是物理實體，如文字，圖片等，也可以是抽象的虛體，如氣候等。機器識別系統與人的視覺系統類似，由信息獲取，信息處理與特征抽取，判決分類等部分組成。

機器認字

大家知道，信件投入郵筒需經過郵局工人分揀后才能發往各地。一人一天只能分揀2-3千封信，現在采用機器分揀，可以提高效率十多倍。機器認字的原理與人認字的過程大體相似。先對輸入的郵政編碼進行分析，并抽取特征，若輸入的是個6字，其特征是底下有個圈，左上部有一直道或帶拐彎。其次是對比，即把這些特征與機器里原先規定的0到9這十個符號的特征進行比較，與哪個數字的特征最相似，就是哪個數字。這一類型的識別，實質上叫分類，在模式識別理論中，這種方法叫做統計識別法。

機器人認字的研究成果除了用于郵政系統外，還可用于手寫程序直接輸入，政府辦公自動化，銀行合計，統計，自動排版等方面。

機器識圖

現有的機床加工零件完全靠操作者看圖紙來完成。能否讓機器人來識別圖紙呢？這就是機器識圖問題。機器識圖的方法除了上述的統計方法外，還有語言法，它是基于人認識過程中視覺和語言的聯系而建立的。把圖像分解成一些直線、斜線、折線、點、弧等基本元素，研究它們是按照怎樣的規則構成圖像的，即從結構入手，檢查待識別圖像是屬于哪一類“句型”，是否符合事先規定的句法。按這個原則，若句法正確就能識別出來。

機器識圖具有廣泛的應用領域，在現代的工業，農業，國防，科學實驗和醫療中，涉及到大量的圖象處理與識別問題。

機器識別物體

機器識別物體即三維識別系統。一般是以電視攝像機作為信息輸入系統。根據人識別景物主要靠明暗信息，顏色信息，距離信息等原理，機器識別物體的系統也是輸入這三種信息，只是其方法有所不同罷了。由于電視攝像機所拍攝的方向不同，可得各種圖形，如抽取出棱數，頂點數，平行線組數等立方體的共同特征，參照事先存儲在計算機中的物體特征表，便可以識別立方體了。

目前，機器可以識別簡單形狀的物體。對于曲面物體，電子部件等復雜形狀的物體識別及室外景物識別等研究工作，也有所進展。物體識別主要用于工業產品外觀檢查，工件的分選和裝配等方面。

機器人的鼻子

人能夠嗅出物質的氣味，分辨出周圍物質的化學成分，這全是由上鼻道的粘模部分實現的。在人體鼻子的這個區域，在只有五平方厘米的面積上卻分布有五百萬個嗅覺細胞。嗅覺細胞受到物質的刺激，產生神經脈沖傳送到大腦，就產生了嗅覺。人的鼻子實際上就是一部十分精密的氣體分析儀。人的鼻子是相當靈敏的，就算在一升水中放進二百五十億分之一的乙硫醇（就是一種特殊的具有異常臭味的化學物質），人的鼻子也能夠聞出來。

機器人的鼻子也就是用氣體自動分析儀做成的。我國已經研制成功了一種嗅敏儀，這種氣體分析儀不僅能嗅出丙酮、氯仿等四十多種氣體，還能夠嗅出人聞不出來但是卻可以導致人死亡的一氧化碳（也就是我們通常所用的煤氣）。這種嗅敏儀有一個由二氧化錫，氯化鈀等物質燒結而成的探頭（相當于鼻粘模）。當它遇到某些種類氣體的時候，它的電阻就發生變化，這樣就可以通過電子線路做出相應的顯示，用光或者用聲音報警。同時，用這種嗅敏儀還可以查出埋在地下的管道漏氣的位置。

現在利用各種原理制成的氣體自動分析儀已經有很多種類，廣泛應用于檢測毒氣，分析宇宙飛船座艙里的氣體成分，監察環境等方面。

這些氣體分析儀，原理和顯示都和電現象有關，所以人們把它叫做電子鼻。把電子鼻和電子計算機組合起來，就可以做成機器人的嗅覺系統了。

機器人的耳朵

人的耳朵是僅次于眼睛的感覺器官，聲波扣擊耳膜，引起聽覺神經的沖動，沖動傳給大腦的聽覺區，因而引起人的聽覺。機器人的耳朵通常是用“微音器”或錄音機來做的。被送到太空去的遙控機器人，它的耳朵本身就是一架無線電接收機。

人的耳朵是十分靈敏的。我們能聽到的最微弱的聲音，它對耳膜的壓強是每平方厘米只有一百億分之幾公斤。這個壓強的大小只是大氣壓強的一百億分之幾。可是用一種叫做鈦酸鋇的壓電材料做成的“耳朵”比人的耳朵更為靈敏，即使是火柴棍那樣細小的東西反射回來的聲波也能被它“聽”的清清楚楚。如果用這樣的耳朵來監聽糧庫，那么在二到三公斤的糧食里的一條小蟲爬動的聲音也能被它準確地“聽”出來。

用壓電材料做成的“耳朵”之所以能夠聽到聲音，其原因就是壓電材料在受到拉力或者壓力作用的時候能產生電壓，這種電壓能使電路發生變化。這種特性就叫做壓電效應。當它在聲波的作用下不斷被拉伸或壓縮的時候，就產生了隨聲音信號變化而變化的電流，這種電流經過放大器放大后送入電子計算機（相當于人大腦的聽區）進行處理，機器人就能聽到聲音了。

但是能聽到聲音只是做到了第一步，更重要的是要能識別不同的聲音。目前人們已經研制成功了能識別連續話音的裝置，它能夠以百分之九十九的比率，識別不是特別指定的人所發出的聲音，這項技術就使得電子計算機能開始“聽話”了。這將大大降低對電子計算機操作人員的特殊要求。操作人員可以用嘴直接向電子計算機發布指令，改變了人在操作機器的時候手和眼睛忙個不停而與此同時嘴巴和耳朵卻是閑著的狀況。一個人可以用聲音同時控制四面八方的機器，還可以對樓上樓下的機器同時發出指令，而且并不需要照明，這樣就很適宜于在夜間或地下工作。這項技術也大大加速了電話的自動回答，車票的預定以及資料查找等服務工作的自動化實現的進程。

現在人們還在研究使機器人能通過聲音來鑒別人的心理狀態，人們希望未來的機器人不光能夠聽懂人說的話，還能夠理解人的喜悅，憤怒，驚訝，猶豫和曖昧等情緒。這些都會給機器人的應用帶來極大的發展空間。

來源：中國科普博覽、中國科學院