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世界科技全景百卷书: 机器人从哪里来
人类的梦想 每一种设想和技术都有其孕育发展期，机器人技术也不例外。远在公元前7～8千年的新石器时代，人类就开始使用最早的工具在石器上打眼。到公元前3～4千年，出现了环形陶器，它是所有现代旋床和立式车床的远祖。公元前二世纪出现了漏壶：水从容器中滴漏出来漂起浮标，浮标在直立的刻盘上指示时辰。它的发明者是亚历山大城的机械师克特西比。在古希腊罗马时期，原始机器人则是以活雕像和各种“神奇”的机器的形态存在：只要往石雕的狮身鹰头张开的大嘴里扔进八枚硬币，“圣水”便会自动从石兽的眼睛里流出来。祭司在庙宇前点燃圣火，庙宇的大门便会按照现代工程师的说法 “自动”开启。亚历山大城的赫龙和希腊时代的其他机械师们制作的雕塑，常常成为迷信祭祀的偶像。用现在的说法，模仿或模拟活物的最早的自动机之一，大概是在公元前400年左右，由古希腊哲学家柏拉图的朋友创制的。这个人叫阿尔希塔斯，传说他制作的木头鸽子竟然飞起来了。在中国的春秋战国时期，传说鲁班也制作出会飞的木鸟。 对于现代工业机器人祖先们的故事，常常带有浓厚的神话传奇色彩。这与其说是在记载事实，不如说是人类的一种美妙幻想。关于机器人的“可靠”的记载，最初出现在著名的荷马史诗《伊利亚特》里。荷马在这部史诗中描绘了一个黄金做成的女人帮助炼铁神赫淮斯托斯的故事。我们发现这个女人的“后裔”——机器人正在现代工业的锻压生产中起着的积极的作用。人类掌握了“水落”和“风吹”造成的动能以后，才真正感觉到了本身能动的机器“助手”的可爱之处，于是开始生产大量的机械。19世纪创造了人类最忠实的助手，工业生产的伴侣——车床。 其他发明家集中力量研制了模仿人的动作的一种自动机。有些记载流传到我们手里，其可靠性会引起人们的怀疑。例如，有记载说，早在13世纪，雷根斯堡市大主教阿尔斯·马格努斯有一个机械“卫士”在其教堂中的卧室门口站岗。这个“卫士”是由蜂蜡、木头、金属以及皮革制成的。传说在大主教没请客人进屋之前，他会向客人致敬，打听客人来意，跟客人开玩笑。有一天，主教的弟子、青年哲学家托马斯·阿奎那向这个“卫士”提出了一些哲学难题，“卫士”答不出来，恼火万分，竟找了根棍子将阿奎那痛打一顿。 传说归传说，到16世纪时，装有发条的钟出现了。这个发条传动装置是德国钟表匠海因莱因发明的，钟的内部头一次运用了后来广泛应用于各种自动机的原理和某些机械。此时，还传说供职于西班牙的工程师胡阿涅洛·塔里阿诺，为查理王制造了小巧精致的自动机械——会击剑的玩具士兵和会弹琴的机械牧女。 到了1675年，最早的摆钟由荷兰发明家许伊根斯制造出来了。 看到机械师们的成就，思想家们便跑到自动化的田野上来收获丰收的果实了。法国著名哲学家笛卡尔有一个时期迷上了自动玩意儿，甚至还制作出一个取名法尘西那娜的机械女人。1637年，他写道：“有一天，人类将制造出一帮举止与人一样，但却没有灵魂的机械来。”他最先提出模仿动物的机械设想：丝毫不用奇怪，人类凭艺术能够创造出各种各样的自动机来，但动物身上有众多的骨、肉、动脉、静脉等等器官，这些自动机使用的部件却不多。于是，科学家们就试图将力学的某些规律用来解释发生在动物体中的现象——从机械得到的启示。 17～18世纪，人们向三个方向作了探索。第一个方向是以天才数学家欧勒和贝奴利为代表用力学定律来解释某些生理现象的探索；第二个方向，是以法国医生、哲学家梅特里为代表的，他于1747年发表的著名的论文《人是机器》所表现的思索：人是机器，是一种更复杂的机器，如果有足够的条件，人可以用工具制造出这种机器来；第三个方向是机械发明家将头脑里的想法付诸实践。其中法国发明家和工程师服岗松 （1709～1782）所制作的一些完美的自动机最为著名。他因此被选进了法兰西科学院。在他的杰作中，有一个牧童会吹笛子。牧童吹笛子的时候，服岗松亲自铃鼓伴奏。这个牧童身高170厘米，会吹12首曲子。服岗松还制造了另一个玩意儿：一个机械人左手持木笛吹奏，右手击铃鼓。他设计最为完美的是一只鸭子。这只鸭子由上千个自动零件组成，它几乎会做鸭子所有的动作，如凫水、扎猛于、扑打水面、啄食，甚至借助于藏在体内的化学物质完成通常的消化过程。大诗人歌德曾见过这玩意儿，并且记在日记里。1738年，服岗松将其展览于巴黎。 此时，工业中出现了一些用以制作形状复杂的零件的复杂机械机床。18世纪20年代，俄国发明家研制出能沿着被加工零件移动车刀的自动刀架。他还设计了一种变速齿轮来加工大型螺杆的车床。1765年，俄国机械师波尔祖诺夫发明了自动保持水位的浮子形锅炉供水控制器。 顺便提一下，第一个“工业机器人”是服岗松制造的机械驴。这个驴能以真正的驴所不具有的优雅动作在普通织布机上织布。为什么做成驴形呢？原来，服岗松1742年打算制作一台自动织布机，里昂的纺织工人们知道后，害怕因此失业，便狠狠揍了这个发明家一顿。发明家一生气，便制造了一个能在普通织布机上织布的机械驴。 我们还是来谈谈那些制造人类机械的创造家吧。1774年，瑞士钟表匠皮埃尔·德罗和他的儿子制造了机械记事器、机械画师和机械女乐师。这些机械人受到了人们的注意，可是，宗教裁判所却指控他们犯了妖术罪，将他们关进了监狱，还没收了这些机械人。一般认为，机器人“antros”这个词是亨利·德罗（皮埃尔·德罗之子）的名和姓的原文头几个字母拼起来的。但这完全是巧合。这个词源于希腊文的“antros”一词，该词表示“男人”的意思，跟表示“人”的“antrop。”一词词根相同，所以，“antros”一词也表示“像人的”这个意思。 机械人，是发条时期的反映。正如伟大的哲学家马克思所说的：“正是钟表的发条使人类产生了把自动机应用到生产上的想法。” 1784年，瓦特设计出蒸汽机的离心调速器，蒸汽从此就成为驱动机床、机器和机械转动的主要能源。现在，机械师们用发动机，他们也会借助各个独立环节构成的传输网络，将轴旋转变成操作机械的任何一种复杂运动。他们开始制作更多这样的机器，这些机器用它们的机械手能在许多劳动过程中模仿人的各种动作。机械师们也能通过自动机向各种部件传达指令。他们使用的是八音盒磁鼓上的双头螺杆、穿孔的硬纸带和带小凸轮的小轴，这便是自动机的工作程序。但这种程序很原始，是固定的，对外部环境不能做出任何反应。自动机研究者的创造性活动带来了许多好处。这种创造性活动在各地普遍开始转人机器生产——即工业革命，帮助人们找到并在实践中检验发展了机械制造及自动机原理的基本数学手段和技术手段。 技术在昂首阔步地向前走着，在纺织业、金属加工业、采矿业和其他工业部门，到处都在实行机械化。 电的时代来到了。电动机和直流发电机出现之后，电为生产的自动化提供了新的可能性。1830年，俄国科学家希林格发明了磁电式继电器——电动机的主要部件之一。1872年奇科列地在第一届莫斯科综合技术展览会上首次展出了电动缝纫机。1895年，阿波斯托—别尔季切夫斯基和弗赖登贝格制造了世界上第一座电话自动交换台。20世纪初发明了电压调节器之后，电能在生产中便开始大显身手。电动机驱动机床，使自动机获得新生。20世纪30年代，出现了更多组合机器，40年代完备的组合机床自动生产线问世了。40年代末出现了智能增加器 （电子计算机）和控制论。这使工业自动化的另一表现——包括工业机器人在内的许多电子自动机的出现成为可能。 这里再强调一下关于假肢器官方面的进步 （前面已谈到一些）。假肢器官方面的研究对于现代机器人的发展相当重要。为设计人工肢体，科学家必须研究能使我们运动和工作的人体结构学，这也引导机械设计师们去思考人的胳膊、手和手指是如何配合完成动作的。这方面的例子在前文也举过一些，现在再略举几例。也有人认为，关于假肢的早期事例见于公元前 500年Herodotus的记载。他述说了一个俘虏为挣脱其脚镣，从脚腕处割断自己的脚，而后设计了一只木制的脚来代替的事儿。大约公元前218年的第二次罗迦战争中，一位名叫Marcus Sergius的罗马将军失掉了一只右手。据说后来人们为他装了一只铁制假手，打起仗来相当有力。因此，战争的伤残推动人们去发展更为精致的假肢以代替残缺的肢体。16世纪初 Gotz VonBerlichingen就用一只可以动作的机械手来取代他在战争中失去的手。 16世纪，人们开始研制假肢。这是因为传动与控制机原理的重大发展，达到使用者能够借助于机械手指和拇指，自如地完成诸如抓、握之类的简单动作。本世纪，人们又研制了电力驱动人工手，它借助于来自使用者断肢神经末梢的电脉冲，经放大后传输给假手以驱动其动作。这种人工手在本世纪60年代发生那场由于人工服用查里多米德镇静药带来的灾难之前，一直十分兴旺。服用这种镇静药使胎儿畸形，残废者生来肢体不全或萎缩，亦无神经末梢可与标准假肢的电极相联便无法使用假肢。于是，借助于压缩空气驱动内部活塞而动作的假肢应运而生。这类假肢能感应肌肉收缩时的隆起和硬度，其最新成就是应推肌电手臂的产生。此类假肢可由电机或压缩空气驱传，亦可靠拾取传至肌肉内的电脉冲来驱动。其金属线电极要埋入肌肉，用以拾取电动势。当肌肉将要收缩时，电极便拾取此信号并放大，使患者能够用与控制真手一样的脉冲去控制假肢。 在研制人工肢体过程中，研究传动、操纵和控制系统取得的大量成果，对机器人学作出了巨大贡献。这种建造人工手臂的设计构思，后来被用于遥控机械手以及机器人的机械手的设计之中。 机器人的近代演变 干危险工作和作为玩具用的机器人发展最快，最早使用遥控机械手的一个领域便是搬移放射性物质。本世纪40年代，应研究工作需要，建立了保存放射性元素的屏蔽间“热室”，放射性物资置于铅制容器内，可以安全地储存和运输。但在热室内如何搬动这些材料供使用却成了一个难题。因为材料对人体有害，需要用某种无须人类直接接触材料的方法进行搬运，这就导致 “主—从”机械手的发展。在这个系统中，处在放射环境中的“从”机械手模拟热室外面的“主”机械手而运动。 第一只主—从机械手是雷·哥茨等人于1944年在美国国家实验室中研制的。在这个系统中，热室内外的主—从手之间由机械联结。操作者直接操纵主手，使之运动，从而驱动从手运动。然而，这种机械手联动时，常常只能使从手做出笨拙而困难的动作，因为操作者无法感知从手与障碍物或对象的碰撞。 1946年，伯格塔按照美国的第一颗原子弹试验计划——曼哈顿计划的要求，改进了雷·哥茨的设计。1949年，机械手能够反馈信息，取得巨大的进步。这样，从手所承受的撞击力通过反推主手而传递给操作者，使他“感知”手与障碍物的碰撞，从而实施更佳的控制。后来，用电气联结取代机械联结，是机械手又一重大进步。这样用变阻器检验主关节的运动，并将所得的信号传给伺服马达，由马达驱动机械手关节。 机械手的下一个重大进步是有了通讯设备。这种被称为“远程操作器”的装置终于使外层空间遥控机械手出现了。喷气发动机的实验人员根据美国国家宇航局空间实验的需要，在探索制造一种灵巧且通用的机器的过程中，对远程操作器的内容作了巨大的扩展。他们认为，这种机器必须对极远距离提供精确的控制。他们最后制造了一种装置，控制者可借控制器和显示器的帮助对其发布指令。此设备可安装在一个遥远的环境中，有执行指令的致动器和反馈信息的传感器。这种传感器可以是电视机，也可以是有听觉、触觉的东西。人和设备之间的距离可以很近，也可以很远。 美国第一个登上月球和火星的机器就是一种远程传感器，它为宇航员登上月球提供了可靠的球面环境信息。然而，在人类操作者和远程操作器之间传递信息所需的时间滞后却成了一个问题。即使对登月舱而言，时间滞后也显得过长，以致某些本来可以进行的试验也无法完成。纵然是1.3秒的滞后也会给操作者带来困难和失控，所以有必要扩充计算机用量。例如让宇宙飞船具备当其陷入绝境时能够自动停止飞行的性能。这就需给遥控装置增设计算机与传感器，从而实现所需要的“现场反射”能力。 我们还是以登月试验中的控制问题为例。如果登月舱即将掉进月球上的一个火山口（月球表面布满火山口），而传达停止指令的时间过长，登月舱就可能来不及止步而陷入火山口。为解决这个问题，加州的喷气发动机实验室的科学家们为他们的远程操作器设计出“现场反射”或自律反应环节，这在机器人发展史上是一大进步。正如人类行路时所需的反应多来自脊髓神经的现场反射、而非来自大脑一样，今天智能机器人方面的很多工作就是企图在机器中建立这类现场反应 （反射）。由于科技的不断进步，进一步增设了声控传感器，使得今天的远程操作进一步发展了，比如，采用了移动底盘、双臂、力反馈、声反馈、立体视觉、计算机控制和声指令等。 总之，早期机械人的操作机构是相当简单的，它们的运动必须由人来控制。后来，在这些操作机构上增添了计算机控制，扩展了它们的功能，计算机成为这类机械人“机身”的“大脑”。计算机和机械手技术的共同发展，最终实现了能满足许多困难工作所需的精确运动。但今天的遥控机械手依然很重要，因为有些工作完全可以自动操作，但有的工作人参与部分操作。另外，对于某些工作很难由人进行全部操作，还需要复杂的控制站。 下面，我们将总结一下机器人学近代史中的重要事件。大家都知道，20世纪40年代，第二次世界大战促成了美国、英国、前苏联等国政府和企业、科研单位前所未有的紧密合作，其成果也令人惊叹。这是历史发展的一个辉煌时期，因为正是这些合作，发明了现代通讯技术、雷达、声纳、汽车、飞机和船舶，或者使它们有了重大进步。更令人惊叹不已的是，计算机和原子弹出现了。 1940～1942年，美国哈佛大学制成了第一个自动控制器。1943～1948年，宾夕法尼亚大学建造了第一台电子计算机。它完全不像今天我们看到的计算机那么精致，而是装满整整一个房间的硬件，因此它在很多方面的应用极不方便。在这个时候 （1948），贝尔电话实验室发明了晶体管。同一年，英国剑桥大学制成第一台可储存程序的计算机。 此时把计算机的功能引进机器已成为可能，所以一些著名科学家便设想将计算机的智能同机器的机械功能结合起来。沙能便是这些科学家中的一员。1952年，他发明了一只机械鼠，它可以学会做迷宫游戏。 1952年，美国国际商用机器公司 （IBM）的新型计算机问世，宣告了计算机时代的到来。1956年，数控机床出现了。这种机床采取脱机编程方式，用穿孔纸带存储对机床的指令。穿孔带上的指令读入机床后，即可执行程序操作。1959年，美国制造了第一台商品工业机器人，这是一台用凸轮和限位开关控制的提卸装置。1961年，美国又生产了第一台伺服控制工业机器人。同年，塑料及电子方面的工作成就又把假肢技术推进了一步，在美国林肯实验室里，人们把一个装有触觉传感器的远程操作器的从手同一个计算机联接起来。这个早期试图联接计算机和机械手的探讨为后来的机器人的发展铺平了道路。 1963年，美国机器和铸造公司（AMF）制出产业机器人。从这一年开始，又出现了为机器人配备各种手臂的设计。 在此期间，其他国家 （特别是日本）也认识到工业机器人的重要性。从1968年开始，日本的机器人制造业取得了惊人的进步。 1969年，美通用电气（GE）公司为美陆军建造的实验行走车是机器人一项非同凡响的发展。其控制难度实非人力所能及，从而促进了自动控制研究的深入发展。该行走车的四腿装置所要求的为数极多的自由度是控制的主要课题。同年波士顿机械臂出现了。第二年又有斯坦福机械臂问世，后来还装备了摄像机和计算机控制器。而且，随着这些机械被用作机器人的操作机构，机器人学开始取得若干重大进展。1970年，美国第一次全国性的机器人学术会议召开。1971年，日本成立工业机器人协会以推动机器人的应用。随后推出第一台计算机控制机器人。它被誉为“未来工具”，即T型的机器人，可 3力举超过100磅重的物体，并可追踪在装配线上的工件。 仅美国而言，在短短的二十几年内，机器人的拥有量就从0增加到6000台。如小河奔腾汇入大江，机械、电气和工业技术的高度发展与融合，终于形成了现代化的工业机器人群体。由于智能机器人的发展将赋予这类机器更为广泛的通用性和超人的功能，今后机器人的拥有量会以惊人的速度持续增长。科学终于把古人的幻想变为现实。可以有把握地推测，机器人在未来的发展，将超出我们的想象。计算机正在逐年地向小型、新颖和廉价方向发展。随着时间的推移，机器人会不会也走这条路呢？现在，电子学、计算机、控制和能源系统方面的新成果将为机器人的设计提供更为有效的手段。专用机器人在机械工程方面的应用将是永无止境的。机器人将在人类认识自然、改造自然的斗争中发挥巨大的作用。 |
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