第一节智定一生——机器人
1.智能仿生——机器人
相信看过电影《变形金刚》的朋友对机器人都不会陌生，它们有着惊人的智能和巨大的破坏力。
那么在现实中，机器人到底是一种什么物体呢？
人们一般认为，机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如工业生产、建筑施工，或是危险的工作。
机器人可以说是整合了控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、农业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。
现在，国际上对机器人的概念逐渐趋近一致。一般说来，人们都接受的说法是：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
联合国标准化组织则采纳了美国机器人协会给机器人下的定义，认为：机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。
因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器，是地球上的“新人类”。
2.以小见大-机器人的结构组成
机器人的结构也是很复杂的，一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。
执行机构
执行机构就是机器人的本体，它的臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常作为机器人的自由度数。
根据关节配置运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。
出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。
驱动装置
驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。
机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有的采用液压、气动等驱动装置。
检测装置
检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。
作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。
另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使机器人达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。
控制系统
控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机来完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通信、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU（计算机的核心，负责处理、运算计算机内部的所有数据），进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。
根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
3.变形金刚-机器人的“身体”部件
（1）万能机械手-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和执行器官。
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、热等的感觉靠的就是触觉器官。人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。当碰到物体时，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“科夫”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从深海里捞了上来。
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。它在地球上人的控制下，可以在两平方米左右的范围里挖掘月球表面40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。
（2）智慧视窗-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”让机器也能像人那样识文断字、看东西，这是智能自动化的重要课题，也就是机器人的识别系统。
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。
1.机器认字
日常生活中，信件投入邮筒需经过邮局工人分拣后才能发往各地。一人一天只能分拣两千到三千封信，现在采用机器分拣，可以提高效率10多倍。机器认字的原理与人认字的过程大体相似。
机器人先对输入的邮政编码进行分析，并抽取特征。若输入的是个“8”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、银行审计、统计、自动排版等方面。
2.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。它是利用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，涉及大量的图像处理与识别问题。
3.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。
（3）人造嗅觉-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，这全是由上鼻道的黏膜部分实现的。在人体鼻子的这个区域，在只有5平方厘米的面积上却分布有500万个嗅觉细胞。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。
