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第45章 机器人的器官

第五章第二节机器人的器官

 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。我们在这里着重介绍一下机器人的“手”和“脚”。

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

都装有带有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。当触及物体时,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的物体的形状和大小。

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。

 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。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。

 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,在只有五平方厘米的面积上却分布有五百万个嗅觉细胞。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二百五十亿分之一的

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。

机器人的鼻子就是用气体自动分析仪做成的。我国已经研制成功了一种嗅敏仪,这种气体分

析仪不仅能嗅出丙酮、氯仿等四十多种气体,还能够嗅出人闻不出来但是却可以导致人死亡

的一氧化碳(也就是我们通常所用的煤气)。这种嗅敏仪有一个由二氧化锡、氯化钯等物质

烧结而成的探头(相当于鼻黏膜)。当它遇到某些种类气体的时候,它的电阻就发生变化,

这样就可以通过电子线路做出相应的显示,用光或者用声音报警。同时,用这种嗅敏仪还可

以查出埋在地下的管道漏气的位置。

现在利用各种原理制成的气体自动分析仪已经有很多种类,广泛应用于检测毒气,分析

宇宙飞船座舱里的气体成分,监察环境等方面。

这些气体分析仪的原理和显示都和电现象有关,所以人们把它叫做电子鼻。把电子鼻和电子

计算机组合起来,就可以做成机器人的嗅觉系统了。

 机器人的耳朵

人的耳朵是仅次于眼睛的感觉器官,声波叩击耳膜,引起听觉神经的冲动,冲动传给大

脑的听觉区,因而引起人的听觉。机器人的耳朵通常是用“微音器”或录音机来做的。被送

到太空去的遥控机器人,它的耳朵本身就是一架无线电接收机。

人的耳朵是十分灵敏的。我们能听到的最微弱的声音,它对耳膜的压强是每平方厘米只

有一百亿分之几公斤。这个压强的大小只是大气压强的一百亿分之几。可是用一种叫做钛酸

钡的压电材料做成的“耳朵”比人的耳朵更为灵敏,即使是火柴棍那样细小的东西反射回来

的声波也能被它“听”的清清楚楚。如果用这样的耳朵来监听粮库,那么在两到三公斤的粮

食里的一条小虫爬动的声音也能被它准确地“听”出来。

用压电材料做成的“耳朵”之所以能够听到声音,其原因就是压电材料在受到拉力或者

压力作用的时候能产生电压,这种电压能使电路发生变化。这种特性就叫做压电效应。当它

在声波的作用下不断被拉伸或压缩的时候,就产生了随声音信号变化而变化的电流,这种电

流经过放大器放大后送入电子计算机(相当于人大脑的听区)进行处理,机器人就能听到声

音了。

但是能听到声音只是做到了第一步,更重要的是要能识别不同的声音。目前人们已经研

制成功了能识别连续话音的装置,它能够以百分之九十九的比率,识别不是特别指定的人所

发出的声音,这项技术就使得电子计算机能开始“听话”了。这将大大降低对电子计算机操

作人员的特殊要求。操作人员可以用嘴直接向电子计算机发布指令,改变了人在操作机器的

时候手和眼睛忙个不停而与此同时嘴巴和耳朵却是闲着的状况。一个人可以用声音同时控制

四面八方的机器,还可以对楼上楼下的机器同时发出指令,而且并不需要照明,这样就很适

宜于在夜间或地下工作。这项技术也大大加速了电话的自动回答,车票的预定以及资料查找

等服务工作的自动化实现的进程。

现在人们还在研究使机器人能通过声音来鉴别人的心理状态,人们希望未来的机器人不光能

够听懂人说的话,还能够理解人的喜悦、愤怒、惊讶、犹豫等情绪。这些都会给机器人的应

用带来极大的发展空间。

 机器认字

大家知道,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2千~3千

封信,现在采用机器分拣,可以提高效率十多倍。机器认字的原理与人认字的过程大体相

似。先对输入的邮政编码进行分析,并抽取特征,若输入的是个6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,银行合计,统计,自动排版等方面。

 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,它是基于人认识过程

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

的图你处理与识别问题。

 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。

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