“別動隊(duì)”無人機(jī)
縱觀無人機(jī)發(fā)展的歷史,可以說現(xiàn)代戰(zhàn)爭是推動無人機(jī)發(fā)展的動力。而無人機(jī)對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的影響也越來越大。一次和二次世界大戰(zhàn)期間,盡管出現(xiàn)并使用了無人機(jī),但由于技術(shù)水平低下,無人機(jī)并未發(fā)揮重大作用。朝鮮戰(zhàn)爭中美國使用了無人偵察機(jī)和攻擊機(jī),不過數(shù)量有限。在隨后的越南戰(zhàn)爭、中東戰(zhàn)爭中無人機(jī)已成為必不可少的武器系統(tǒng)。而在海灣戰(zhàn)爭、波黑戰(zhàn)爭及科索沃戰(zhàn)爭中無人機(jī)更成了主要的偵察機(jī)種。
法國“紅隼”無人機(jī)
越南戰(zhàn)爭期間美國空軍損失慘重,被擊落飛機(jī)2500架,飛行員死亡5000多名,美國國內(nèi)輿論嘩然。為此美國空軍較多地使用了無人機(jī)。如“水牛獵手”無人機(jī)在北越上空執(zhí)行任務(wù)2500多次,超低空拍攝照片,損傷率僅4%。AQM-34Q型147火蜂無人機(jī)飛行500多次,進(jìn)行電子竊聽、電臺干擾、拋撒金屬箔條及為有人飛機(jī)開辟通道等。
高空無人偵察機(jī)
在1982年的貝卡谷地之戰(zhàn)中,以色列軍隊(duì)通過空中偵察發(fā)現(xiàn)。敘利亞在貝卡谷地集中了大量部隊(duì)。6月9日,以軍出動美制E-2C“鷹眼”預(yù)警飛機(jī)對敘軍進(jìn)行監(jiān)視,同時每天出動“偵察兵”及“猛犬”等無人機(jī)70多架次,對敘軍的防空陣地、機(jī)場進(jìn)行反復(fù)偵察,并將拍攝的圖像傳送給預(yù)警飛機(jī)和地面指揮部。這樣,以軍準(zhǔn)確地查明了敘軍雷達(dá)的位置,接著發(fā)射“狼”式反雷達(dá)導(dǎo)彈,摧毀了敘軍不少的雷達(dá)、導(dǎo)彈及自行高炮,迫使敘軍的雷達(dá)不敢開機(jī),為以軍有人飛機(jī)攻擊目標(biāo)創(chuàng)造了條件。
鬼怪式無人機(jī)
1991年爆發(fā)了海灣戰(zhàn)爭,美軍首先面對的一個問題就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隱藏的飛毛腿導(dǎo)彈發(fā)射器。如果用有人偵察機(jī),就必須在大漠上空往返飛行,長時間暴露于伊拉克軍隊(duì)的高射火力之下,極其危險(xiǎn)。為此,無人機(jī)成了美軍空中偵察的主力。在整個海灣戰(zhàn)爭期間,“先鋒”無人機(jī)是美軍使用最多的無人機(jī)種,美軍在海灣地區(qū)共部署了6個先鋒無人機(jī)連,總共出動了522架次,飛行時間達(dá)1640小時。那時,不論白天還是黑夜,每天總有一架先鋒無人機(jī)在海灣上空飛行。
為了摧毀伊軍在沿海修筑的堅(jiān)固的防御工事,2月4日密蘇里號戰(zhàn)艦乘夜駛至近海區(qū),先鋒號無人機(jī)由它的甲板上起飛,用紅外偵察儀拍攝了地面目標(biāo)的圖像并傳送給指揮中心。幾分鐘后,戰(zhàn)艦上的406毫米的艦炮開始轟擊目標(biāo),同時無人機(jī)不斷地為艦炮進(jìn)行校射。之后威斯康星號戰(zhàn)艦接替了密蘇里號,如此連續(xù)炮轟了三天,使伊軍的炮兵陣地、雷達(dá)網(wǎng)、指揮通信樞紐遭到徹底破壞。在海灣戰(zhàn)爭期間,僅從兩艘戰(zhàn)列艦上起飛的先鋒無人機(jī)就有151架次,飛行了530多個小時,完成了目標(biāo)搜索、戰(zhàn)場警戒、海上攔截及海軍炮火支援等任務(wù)。
發(fā)射Brevel無人機(jī)
在海灣戰(zhàn)爭中,先鋒無人機(jī)成了美國陸軍部隊(duì)的開路先鋒。它為陸軍第7軍進(jìn)行空中偵察,拍攝了大量的伊軍坦克、指揮中心、及導(dǎo)彈發(fā)射陣地的圖像,并傳送給直升機(jī)部隊(duì),接著美軍就出動“阿帕奇”攻擊型直升機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行攻擊,必要時還可呼喚炮兵部隊(duì)進(jìn)行火力支援。先鋒機(jī)的生存能力很強(qiáng),在319架次的飛行中,僅有一架被擊中,有4～5架由于電磁干擾而失事。
除美軍外,英、法、加拿大也都出動了無人機(jī)。如法國的“幼鹿”師裝備有一個“馬爾特”無人機(jī)排。當(dāng)法軍深入伊境內(nèi)作戰(zhàn)時,首先派無人機(jī)偵察敵情,根據(jù)偵察到的情況,法軍躲過了伊軍的坦克及炮兵陣地。
1995年波黑戰(zhàn)爭中,因部隊(duì)急需,“捕食者”無人機(jī)很快就被運(yùn)往前線。在北約空襲塞族部隊(duì)的補(bǔ)給線、彈藥庫、指揮中心時,“捕食者”發(fā)揮了重要的作用。它首先進(jìn)行偵察,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后引導(dǎo)有人飛機(jī)進(jìn)行攻擊,然后再進(jìn)行戰(zhàn)果評估。它還為聯(lián)合國維和部隊(duì)提供波黑境內(nèi)主要公路上軍車移動的情況,以判斷各方是否遵守了和平協(xié)議。美軍因而把“捕食者”稱作“戰(zhàn)場上的低空衛(wèi)星”。其實(shí)衛(wèi)星只能提供戰(zhàn)場上的瞬間圖像,而無人機(jī)可以在戰(zhàn)場上空長時間盤旋逗留,因而能夠提供戰(zhàn)場的連續(xù)實(shí)時圖像,無人機(jī)還比使用衛(wèi)星便宜得多。
1999年3月24日,以美國為首的北約打著“維護(hù)人權(quán)”的幌子對南聯(lián)盟開始了狂轟濫炸,爆發(fā)了震驚世界的“科索沃戰(zhàn)爭”。在持續(xù)78天的轟炸過程中,北約共出動飛機(jī)3.2萬架次,投入艦艇40多艘,扔下炸彈1.3萬噸,造成了二戰(zhàn)以來歐洲空前的浩劫。
南聯(lián)盟多山、多森林的地形以及多陰雨天的氣候條件,大大影響了北約偵察衛(wèi)星及高空偵察機(jī)的偵察效果,塞軍的防空火力又很猛,有人偵察機(jī)不敢低飛,致使北約空軍無法識別及攻擊云層下面的目標(biāo)。為了減少人員的傷亡,北約大量使用了無人機(jī)。科索沃戰(zhàn)爭是世界局部戰(zhàn)爭中使用無人機(jī)數(shù)量最多、無人機(jī)發(fā)揮作用最大的戰(zhàn)爭。無人機(jī)盡管飛得較慢,飛行高度較低,但它體積小,雷達(dá)及紅外特征較小,隱蔽性好,不易被擊中,適于進(jìn)行中低空偵察,可以看清衛(wèi)星及有人偵察機(jī)看不清的目標(biāo)。
在科索沃戰(zhàn)爭中,美國、德國、法國及英國總共出動了6種不同類型的無人機(jī)約200多架,它們有:美國空軍的“捕食者”(Predator)、陸軍的“獵人”(Hunter)及海軍的“先鋒”(Pioneer)；德國的CL-289；法國的“紅隼”(Crecerelles)、“獵人”,以及英國的“不死鳥”(Phoenix)等無人機(jī)。
無人機(jī)在科索沃戰(zhàn)爭中主要完成了以下一些任務(wù):中低空偵察及戰(zhàn)場監(jiān)視,電子干擾,戰(zhàn)果評估,目標(biāo)定位,氣象資料搜集,散發(fā)傳單以及營救飛行員等。
科索沃戰(zhàn)爭不僅大大提高了無人機(jī)在戰(zhàn)爭中的地位,而且引起了各國政府對無人機(jī)的重視。美國參議院武裝部隊(duì)委員會要求,10年內(nèi)軍方應(yīng)準(zhǔn)備足夠數(shù)量的無人系統(tǒng),使低空攻擊機(jī)中有三分之一是無人機(jī)；15年內(nèi),地面戰(zhàn)車中應(yīng)有三分之一是無人系統(tǒng)。這并不是要用無人系統(tǒng)代替飛行員及有人飛機(jī),而是用它們補(bǔ)充有人飛機(jī)的能力,以便在高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)中盡量少用飛行員。無人機(jī)的發(fā)展必將推動現(xiàn)代戰(zhàn)爭理論和無人戰(zhàn)爭體系的發(fā)展。
機(jī)器警察
所謂地面軍用機(jī)器人是指在地面上使用的機(jī)器人系統(tǒng),它們不僅在和平時期可以幫助民警排除炸彈、完成要地保安任務(wù),在戰(zhàn)時還可以代替士兵執(zhí)行掃雷、偵察和攻擊等各種任務(wù),今天美、英、德、法、日等國均已研制出多種型號的地面軍用機(jī)器人。
英國的“手推車”機(jī)器人
在西方國家中,恐怖活動始終是個令當(dāng)局頭疼的問題。英國由于民族矛盾,飽受爆炸物的威脅,因而早在60年代就研制成功排爆機(jī)器人。英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機(jī)器人,已向50多個國家的軍警機(jī)構(gòu)售出了800臺以上。最近英國又將手推車機(jī)器人加以優(yōu)化,研制出土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機(jī)器人,英國皇家工程兵在波黑及科索沃都用它們探測及處理爆炸物。土撥鼠重35公斤,在桅桿上裝有兩臺攝像機(jī)。野牛重210公斤,可攜帶100公斤負(fù)載。兩者均采用無線電控制系統(tǒng),遙控距離約1公里。
“土撥鼠”和“野牛”排爆機(jī)器人
除了恐怖分子安放的炸彈外,在世界上許多戰(zhàn)亂國家中,到處都散布著未爆炸的各種彈藥。例如,海灣戰(zhàn)爭后的科威特,就像一座隨時可能爆炸的彈藥庫。在伊科邊境一萬多平方公里的地區(qū)內(nèi),有16個國家制造的25萬顆地雷,85萬發(fā)炮彈,以及多國部隊(duì)投下的布雷彈及子母彈的2500萬顆子彈,其中至少有20%沒有爆炸。而且直到現(xiàn)在,在許多國家中甚至還殘留有一次大戰(zhàn)和二次大戰(zhàn)中未爆炸的炸彈和地雷。因此,爆炸物處理機(jī)器人的需求量是很大的。
排除爆炸物機(jī)器人有輪式的及履帶式的,它們一般體積不大,轉(zhuǎn)向靈活,便于在狹窄的地方工作,操作人員可以在幾百米到幾公里以外通過無線電或光纜控制其活動。機(jī)器人車上一般裝有多臺彩色CCD攝像機(jī)用來對爆炸物進(jìn)行觀察；一個多自由度機(jī)械手,用它的手爪或夾鉗可將爆炸物的引信或雷管擰下來,并把爆炸物運(yùn)走；車上還裝有獵槍,利用激光指示器瞄準(zhǔn)后,它可把爆炸物的定時裝置及引爆裝置擊毀；有的機(jī)器人還裝有高壓水槍,可以切割爆炸物。
德國的排爆機(jī)器人
在法國,空軍、陸軍和警察署都購買了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆機(jī)器人。DM公司研制的RM35機(jī)器人也被巴黎機(jī)場管理局選中。德國駐波黑的維和部隊(duì)則裝備了Telerob公司的MV4系列機(jī)器人。我國沈陽自動化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。
美國Remotec公司的Andros系列機(jī)器人受到各國軍警部門的歡迎,白宮及國會大廈的警察局都購買了這種機(jī)器人。在南非總統(tǒng)選舉之前,警方購買了四臺AndrosVIA型機(jī)器人,它們在選舉過程中總共執(zhí)行了100多次任務(wù)。Andros機(jī)器人可用于小型隨機(jī)爆炸物的處理,它是美國空軍客機(jī)及客車上使用的唯一的機(jī)器人。海灣戰(zhàn)爭后,美國海軍也曾用這種機(jī)器人在沙特阿拉伯和科威特的空軍基地清理地雷及未爆炸的彈藥。美國空軍還派出5臺Andros機(jī)器人前往科索沃,用于爆炸物及子炮彈的清理。空軍每個現(xiàn)役排爆小隊(duì)及航空救援中心都裝備有一臺AndrosVI。
我國研制的排爆機(jī)器人
排爆機(jī)器人不僅可以排除炸彈,利用它的偵察傳感器還可監(jiān)視犯罪分子的活動。監(jiān)視人員可以在遠(yuǎn)處對犯罪分子晝夜進(jìn)行觀察,監(jiān)聽他們的談話,不必暴露自己就可對情況了如指掌。
1993年初,在美國發(fā)生了韋科莊園教案,為了弄清教徒們的活動,聯(lián)邦調(diào)查局使用了兩種機(jī)器人。一種是Remotec公司的AndrosVA型和AndrosMarkVIA型機(jī)器人,另一種是RST公司研制的STV機(jī)器人。STV是一輛6輪遙控車,采用無線電及光纜通信。車上有一個可升高到4.5米的支架,上面裝有彩色立體攝像機(jī)、晝用瞄準(zhǔn)具、微光夜視瞄具、雙耳音頻探測器、化學(xué)探測器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、目標(biāo)跟蹤用的前視紅外傳感器等。該車僅需一名操作人員,遙控距離達(dá)10公里。在這次行動中共出動了3臺STV,操作人員遙控機(jī)器人行駛到距莊園548米的地方停下來,升起車上的支架,利用攝像機(jī)和紅外探測器向窗內(nèi)窺探,聯(lián)邦調(diào)查局的官員們圍著熒光屏觀察傳感器發(fā)回的圖像,可以把屋里的活動看得一清二楚。
機(jī)器人指揮
其實(shí)并不是人們不想給機(jī)器人一個完整的定義,自機(jī)器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機(jī)器人。但隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時代的到來,機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富,機(jī)器人的定義也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。
1886年法國作家利爾亞當(dāng)在他的小說《未來夏娃》中將外表像人的機(jī)器起名為“安德羅丁”(android),它由4部分組成:
1,生命系統(tǒng)(平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調(diào)節(jié)運(yùn)動等)；
2,造型解質(zhì)(關(guān)節(jié)能自由運(yùn)動的金屬覆蓋體,一種盔甲)；
3,人造肌肉(在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài))；
4,人造皮膚(含有膚色、機(jī)理、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等)。
1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》。在劇本中,卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”,“Robota”是奴隸的意思。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響,引起了大家的廣泛關(guān)注,被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。在該劇中,機(jī)器人按照其主人的命令默默地工作,沒有感覺和感情,以呆板的方式從事繁重的勞動。后來,羅薩姆公司取得了成功,使機(jī)器人具有了感情,導(dǎo)致機(jī)器人的應(yīng)用部門迅速增加。在工廠和家務(wù)勞動中,機(jī)器人成了必不可少的成員。機(jī)器人發(fā)覺人類十分自私和不公正,終于造反了,機(jī)器人的體能和智能都非常優(yōu)異,因此消滅了人類。
但是機(jī)器人不知道如何制造它們自己,認(rèn)為它們自己很快就會滅絕,所以它們開始尋找人類的幸存者,但沒有結(jié)果。最后,一對感知能力優(yōu)于其它機(jī)器人的男女機(jī)器人相愛了。這時機(jī)器人進(jìn)化為人類,世界又起死回生了。
卡佩克提出的是機(jī)器人的安全、感知和自我繁殖問題。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問題。雖然科幻世界只是一種想象,但人類社會將可能面臨這種現(xiàn)實(shí)。
為了防止機(jī)器人傷害人類,科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“機(jī)器人三原則”:
1,機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；
2,機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令,與第一條違背的命令除外；
3,機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己,與第一條相抵觸者除外。
這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開發(fā)的準(zhǔn)則。
在1967年日本召開的第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會議上,就提出了兩個有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的:“機(jī)器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機(jī)械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機(jī)器”。從這一定義出發(fā),森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機(jī)械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機(jī)器人的形象。另一個是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機(jī)器稱為機(jī)器人:
1,具有腦、手、腳等三要素的個體；
2,具有非接觸傳感器(用眼、耳接受遠(yuǎn)方信息)和接觸傳感器；
3,具有平衡覺和固有覺的傳感器。
禮儀機(jī)器人
該定義強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人應(yīng)當(dāng)仿人的含義,即它靠手進(jìn)行作業(yè),靠腳實(shí)現(xiàn)移動,由腦來完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當(dāng)于人的五官,使機(jī)器人能夠識別外界環(huán)境,而平衡覺和固有覺則是機(jī)器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機(jī)器人而是自主機(jī)器人。
機(jī)器人的定義是多種多樣的,其原因是它具有一定的模糊性。動物一般具有上述這些要素,所以在把機(jī)器人理解為仿人機(jī)器的同時,也可以廣義地把機(jī)器人理解為仿動物的機(jī)器。
1988年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為:“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng),并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。
1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義:“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能,能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。”
我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是:“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器,所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力,如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力,是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中,人們逐步認(rèn)識到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深,機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn),人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器,如移動機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性,也是機(jī)器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀,更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增強(qiáng),從而為機(jī)器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。
中國工程院院長宋健指出:“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動控制最有說服力的成就,是當(dāng)代最高意義上的自動化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果,代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿,它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國際上重新認(rèn)識機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。
我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人,包括:服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中,有些分支發(fā)展很快,有獨(dú)立成體系的趨勢,如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前,國際上的機(jī)器人學(xué)者,從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類:制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人,這和我國的分類是一致的。
古代機(jī)器人
機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機(jī)器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器,以便代替人類完成各種工作。
機(jī)器馬車
西周時期,我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人,這是我國最早記載的機(jī)器人。
春秋后期,我國著名的木匠魯班,在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家,據(jù)《墨經(jīng)》記載,他曾制造過一只木鳥,能在空中飛行“三日不下”,體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明智慧。
公元前2世紀(jì),亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動機(jī)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像,它可以自己開門,還可以借助蒸汽唱歌。
1800年前的漢代,大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀,而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。計(jì)里鼓車每行一里,車上木人擊鼓一下,每行十里擊鐘一下。
后漢三國時期,蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”,并用其運(yùn)送軍糧,支援前方戰(zhàn)爭。
1662年,日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機(jī)器玩偶,并在大阪的道頓堀演出。
1738年,法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨,它會嘎嘎叫,會游泳和喝水,還會進(jìn)食和排泄。瓦克遜的本意是想把生物的功能加以機(jī)械化而進(jìn)行醫(yī)學(xué)上的分析。
寫字機(jī)器人
在當(dāng)時的自動玩偶中,最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯。1773年,他們連續(xù)推出了自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等,他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的。它們有的拿著畫筆和顏色繪畫,有的拿著鵝毛蘸墨水寫字,結(jié)構(gòu)巧妙,服裝華麗,在歐洲風(fēng)靡一時。由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制,這些玩偶其實(shí)是身高一米的巨型玩具。現(xiàn)在保留下來的最早的機(jī)器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶,它制作于二百年前,兩只手的十個手指可以按動風(fēng)琴的琴鍵而彈奏音樂,現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞,展示了古代人的智慧。
19世紀(jì)中葉自動玩偶分為2個流派,即科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派,并各自在文學(xué)藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了《浮士德》,塑造了人造人“荷蒙克魯斯”；1870年霍夫曼出版了以自動玩偶為主角的作品《葛蓓莉婭》；1883年科洛迪的《木偶奇遇記》問世；1886年《未來的夏娃》問世。在機(jī)械實(shí)物制造方面,1893年摩爾制造了“蒸汽人”,“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。
進(jìn)入20世紀(jì)后,機(jī)器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持,一些適用化的機(jī)器人相繼問世,1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機(jī)器人“電報(bào)箱”,并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電動機(jī)器人,裝有無線電發(fā)報(bào)機(jī),可以回答一些問題,但該機(jī)器人不能走動。1959年第一臺工業(yè)機(jī)器人(可編程、圓坐標(biāo))在美國誕生,開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。
現(xiàn)代機(jī)器人
現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期,其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動化的發(fā)展,以及原子能的開發(fā)利用。
自1946年第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來,計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步,向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。
大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展,其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
另一方面,原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下,美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手,1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。
鉚接機(jī)器人
1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念,并申請了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié),利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教,機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。
作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型(示教再現(xiàn))是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似,但外形特征迥異,主要由類似人的手和臂組成。
1965年,MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
機(jī)器狗
1967年日本成立了人工手研究會(現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會),同年召開了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會。
1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議。1970年以后,機(jī)器人的研究得到迅速廣泛的普及。
1973年,辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人,它是液壓驅(qū)動的,能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。
到了1980年,工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及,故稱該年為“機(jī)器人元年”。
隨后,工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展,日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國的美稱”。
自治潛水器
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高,移動機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展,推動了機(jī)器人概念的延伸。80年代,將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人,這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用,而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間,水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世,許多夢想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)(如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等)擴(kuò)散和滲透到各個領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器——機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱,這也說明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。
機(jī)器人的手
機(jī)器人要模仿動物的一部分行為特征,自然應(yīng)該具有動物腦的一部分功能。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。我們在這里著重介紹一下機(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”動作。“手”和“腳”不僅是一個執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu),它還應(yīng)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(fā)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(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)動作,使動作適當(dāng)。因此,我們給機(jī)器人裝上的手應(yīng)該是一雙會“摸”的、有識別能力的靈巧的“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,觸敏元件發(fā)出接觸信號,否則就不發(fā)出信號。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(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,手腕也會轉(zhuǎn)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(jīng)具備了人手的許多功能。
在實(shí)際情況中有許多時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物體的鉗形指。1966年,美國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,美國飛船“探測者三號”就把一臺遙控操作的機(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)器也能象人那樣識文斷字,看東西,這是智能自動化的重要課題。關(guān)于機(jī)器識別的理論,方法和技術(shù),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(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。先對輸入的郵政編碼進(jìn)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(jī)器里原先規(guī)定的0到9這十個符號的特征進(jìn)行比較,與哪個數(shù)字的特征最相似,就是哪個數(shù)字。這一類型的識別,實(shí)質(zhì)上叫分類,在模式識別理論中,這種方法叫做統(tǒng)計(jì)識別法。
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,政府辦公自動化,銀行合計(jì),統(tǒng)計(jì),自動排版等方面。
機(jī)器識圖
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)器人來識別圖紙呢？這就是機(jī)器識圖問題。機(jī)器識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。按這個原則,若句法正確就能識別出來。
機(jī)器識圖具有廣泛的應(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別問題。
機(jī)器識別物體
機(jī)器識別物體即三維識別系統(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,參照事先存儲在計(jì)算機(jī)中的物體特征表,便可以識別立方體了。
目前,機(jī)器可以識別簡單形狀的物體。對于曲面物體,電子部件等復(fù)雜形狀的物體識別及室外景物識別等研究工作,也有所進(jìn)展。物體識別主要用于工業(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。在人體鼻子的這個區(qū)域,在只有五平方厘米的面積上卻分布有五百萬個嗅覺細(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分析儀做成的。我國已經(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,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分析儀已經(jīng)有很多種類,廣泛應(yīng)用于檢測毒氣,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,沖動傳給大腦的聽覺區(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,它對耳膜的壓強(qiáng)是每平方厘米只有一百億分之幾公斤。這個壓強(qiáng)的大小只是大氣壓強(qiáng)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(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,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(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候,就產(chǎn)生了隨聲音信號變化而變化的電流,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,更重要的是要能識別不同的聲音。目前人們已經(jīng)研制成功了能識別連續(xù)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(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(jī)器,還可以對樓上樓下的機(jī)器同時發(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回答,車票的預(yù)定以及資料查找等服務(wù)工作的自動化實(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。這些都會給機(jī)器人的應(yīng)用帶來極大的發(fā)展空間。
