機(jī)器人科普：機(jī)器人的“器官”：手、眼睛、鼻子、耳朵

工博士機(jī)器人

機(jī)器人的手

機(jī)器人要模仿動(dòng)物的一部分行為特征，自然應(yīng)該具有動(dòng)物腦的一部分功能。機(jī)器人的大腦就是我們所熟悉的電腦。但是光有電腦發(fā)號(hào)施令還不行，最基本的還得給機(jī)器人裝上各種感覺器官。我們?cè)谶@里著重介紹一下機(jī)器人的“手”和“腳”。

機(jī)器人必須有“手”和“腳”，這樣它才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”動(dòng)作。“手”和“腳”不僅是一個(gè)執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，它還應(yīng)該具有識(shí)別的功能，這就是我們通常所說的“觸覺”。由于動(dòng)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(fā)展。動(dòng)物對(duì)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(shí)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(wù)，也需要由手和腳的觸覺所獲得的信息反饋到大腦里，以調(diào)節(jié)動(dòng)作，使動(dòng)作適當(dāng)。因此，我們給機(jī)器人裝上的手應(yīng)該是一雙會(huì)“摸”的、有識(shí)別能力的靈巧的“手”。

機(jī)器人的手一般由方形的手掌和節(jié)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(diǎn)的觸敏元件（如靈敏的彈簧測(cè)力計(jì)）。如果要感知冷暖，還可以裝上熱敏元件。當(dāng)觸及物體時(shí)，觸敏元件發(fā)出接觸信號(hào)，否則就不發(fā)出信號(hào)。在各指節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器（一種利用轉(zhuǎn)動(dòng)來改變電路的電阻因而輸出電流信號(hào)的元件），它能把手指的彎曲角度轉(zhuǎn)換成“外形彎曲信息”。把外形彎曲信息和各指節(jié)產(chǎn)生的“接觸信息”一起送入電子計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算就能迅速判斷機(jī)械手所抓的物體的形狀和大小。

現(xiàn)在，機(jī)器人的手已經(jīng)具有了靈巧的指，腕，肘和肩胛關(guān)節(jié)，能靈活自如的伸縮擺動(dòng)，手腕也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jīng)具備了人手的許多功能。

在實(shí)際情況中有許多時(shí)候并不一定需要這樣復(fù)雜的多節(jié)人工指，而只需要能從各種不同的角度觸及并搬動(dòng)物體的鉗形指。1966年，美國(guó)海軍就是用裝有鉗形人工指的機(jī)器人“科沃”把因飛機(jī)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(guó)飛船“探測(cè)者三號(hào)”就把一臺(tái)遙控操作的機(jī)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(guī)定的位置，還能對(duì)樣品進(jìn)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(dāng)了開路先鋒。

機(jī)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(jī)器也能象人那樣識(shí)文斷字，看東西，這是智能自動(dòng)化的重要課題。關(guān)于機(jī)器識(shí)別的理論，方法和技術(shù)，稱為模式識(shí)別。所謂模式是指被判別的事件或過程，它可以是物理實(shí)體，如文字，圖片等，也可以是抽象的虛體，如氣候等。機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)與人的視覺系統(tǒng)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(jī)器認(rèn)字

大家知道，信件投入郵筒需經(jīng)過郵局工人分揀后才能發(fā)往各地。一人一天只能分揀2-3千封信，現(xiàn)在采用機(jī)器分揀，可以提高效率十多倍。機(jī)器認(rèn)字的原理與人認(rèn)字的過程大體相似。先對(duì)輸入的郵政編碼進(jìn)行分析，并抽取特征，若輸入的是個(gè)6字，其特征是底下有個(gè)圈，左上部有一直道或帶拐彎。其次是對(duì)比，即把這些特征與機(jī)器里原先規(guī)定的0到9這十個(gè)符號(hào)的特征進(jìn)行比較，與哪個(gè)數(shù)字的特征最相似，就是哪個(gè)數(shù)字。這一類型的識(shí)別，實(shí)質(zhì)上叫分類，在模式識(shí)別理論中，這種方法叫做統(tǒng)計(jì)識(shí)別法。

機(jī)器人認(rèn)字的研究成果除了用于郵政系統(tǒng)外，還可用于手寫程序直接輸入，政府辦公自動(dòng)化，銀行合計(jì)，統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)排版等方面。

機(jī)器識(shí)圖

現(xiàn)有的機(jī)床加工零件完全靠操作者看圖紙來完成。能否讓機(jī)器人來識(shí)別圖紙呢？這就是機(jī)器識(shí)圖問題。機(jī)器識(shí)圖的方法除了上述的統(tǒng)計(jì)方法外，還有語言法，它是基于人認(rèn)識(shí)過程中視覺和語言的聯(lián)系而建立的。把圖像分解成一些直線、斜線、折線、點(diǎn)、弧等基本元素，研究它們是按照怎樣的規(guī)則構(gòu)成圖像的，即從結(jié)構(gòu)入手，檢查待識(shí)別圖像是屬于哪一類“句型”，是否符合事先規(guī)定的句法。按這個(gè)原則，若句法正確就能識(shí)別出來。

機(jī)器識(shí)圖具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在現(xiàn)代的工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國(guó)防，科學(xué)實(shí)驗(yàn)和醫(yī)療中，涉及到大量的圖象處理與識(shí)別問題。

機(jī)器識(shí)別物體

機(jī)器識(shí)別物體即三維識(shí)別系統(tǒng)。一般是以電視攝像機(jī)作為信息輸入系統(tǒng)。根據(jù)人識(shí)別景物主要靠明暗信息，顏色信息，距離信息等原理，機(jī)器識(shí)別物體的系統(tǒng)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(jī)所拍攝的方向不同，可得各種圖形，如抽取出棱數(shù)，頂點(diǎn)數(shù)，平行線組數(shù)等立方體的共同特征，參照事先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的物體特征表，便可以識(shí)別立方體了。

目前，機(jī)器可以識(shí)別簡(jiǎn)單形狀的物體。對(duì)于曲面物體，電子部件等復(fù)雜形狀的物體識(shí)別及室外景物識(shí)別等研究工作，也有所進(jìn)展。物體識(shí)別主要用于工業(yè)產(chǎn)品外觀檢查，工件的分選和裝配等方面。

機(jī)器人的鼻子

人能夠嗅出物質(zhì)的氣味，分辨出周圍物質(zhì)的化學(xué)成分，這全是由上鼻道的粘模部分實(shí)現(xiàn)的。在人體鼻子的這個(gè)區(qū)域，在只有五平方厘米的面積上卻分布有五百萬個(gè)嗅覺細(xì)胞。嗅覺細(xì)胞受到物質(zhì)的刺激，產(chǎn)生神經(jīng)脈沖傳送到大腦，就產(chǎn)生了嗅覺。人的鼻子實(shí)際上就是一部十分精密的氣體分析儀。人的鼻子是相當(dāng)靈敏的，就算在一升水中放進(jìn)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(xué)物質(zhì)），人的鼻子也能夠聞出來。

機(jī)器人的鼻子也就是用氣體自動(dòng)分析儀做成的。我國(guó)已經(jīng)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(dǎo)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(gè)由二氧化錫，氯化鈀等物質(zhì)燒結(jié)而成的探頭（相當(dāng)于鼻粘模）。當(dāng)它遇到某些種類氣體的時(shí)候，它的電阻就發(fā)生變化，這樣就可以通過電子線路做出相應(yīng)的顯示，用光或者用聲音報(bào)警。同時(shí)，用這種嗅敏儀還可以查出埋在地下的管道漏氣的位置。

現(xiàn)在利用各種原理制成的氣體自動(dòng)分析儀已經(jīng)有很多種類，廣泛應(yīng)用于檢測(cè)毒氣，分析宇宙飛船座艙里的氣體成分，監(jiān)察環(huán)境等方面。

這些氣體分析儀，原理和顯示都和電現(xiàn)象有關(guān)，所以人們把它叫做電子鼻。把電子鼻和電子計(jì)算機(jī)組合起來，就可以做成機(jī)器人的嗅覺系統(tǒng)了。

機(jī)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(jīng)的沖動(dòng)，沖動(dòng)傳給大腦的聽覺區(qū)，因而引起人的聽覺。機(jī)器人的耳朵通常是用“微音器”或錄音機(jī)來做的。被送到太空去的遙控機(jī)器人，它的耳朵本身就是一架無線電接收機(jī)。

人的耳朵是十分靈敏的。我們能聽到的最微弱的聲音，它對(duì)耳膜的壓強(qiáng)是每平方厘米只有一百億分之幾公斤。這個(gè)壓強(qiáng)的大小只是大氣壓強(qiáng)的一百億分之幾�？墒怯靡环N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(xì)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(jiān)聽糧庫(kù)，那么在二到三公斤的糧食里的一條小蟲爬動(dòng)的聲音也能被它準(zhǔn)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(shí)候能產(chǎn)生電壓，這種電壓能使電路發(fā)生變化。這種特性就叫做壓電效應(yīng)。當(dāng)它在聲波的作用下不斷被拉伸或壓縮的時(shí)候，就產(chǎn)生了隨聲音信號(hào)變化而變化的電流，這種電流經(jīng)過放大器放大后送入電子計(jì)算機(jī)（相當(dāng)于人大腦的聽區(qū)）進(jìn)行處理，機(jī)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(shí)別不同的聲音。目前人們已經(jīng)研制成功了能識(shí)別連續(xù)話音的裝置，它能夠以百分之九十九的比率，識(shí)別不是特別指定的人所發(fā)出的聲音，這項(xiàng)技術(shù)就使得電子計(jì)算機(jī)能開始“聽話”了。這將大大降低對(duì)電子計(jì)算機(jī)操作人員的特殊要求。操作人員可以用嘴直接向電子計(jì)算機(jī)發(fā)布指令，改變了人在操作機(jī)器的時(shí)候手和眼睛忙個(gè)不停而與此同時(shí)嘴巴和耳朵卻是閑著的狀況。一個(gè)人可以用聲音同時(shí)控制四面八方的機(jī)器，還可以對(duì)樓上樓下的機(jī)器同時(shí)發(fā)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(xiàng)技術(shù)也大大加速了電話的自動(dòng)回答，車票的預(yù)定以及資料查找等服務(wù)工作的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。

現(xiàn)在人們還在研究使機(jī)器人能通過聲音來鑒別人的心理狀態(tài)，人們希望未來的機(jī)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(huì)給機(jī)器人的應(yīng)用帶來極大的發(fā)展空間。

來源：中國(guó)科普博覽、中國(guó)科學(xué)院