机器人概论.

南京工业大学公选课
机器人概论
机器人(Robot 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 .现在, 国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。

一般说来, 人们都可以接受这种说法, 即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。

随着高新技术的发展, 各种类型的军用机器人已经大量涌现, 一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用广泛的军用机器人。

目前军用机器人主要是作为作战武器和保障武器使用。

在恶劣的环境下, 机器人的承受能力大大超过载人系统, 并且能完成许多载人系统无法完成的工作, 如运输机器人可以在核化条件下工作, 也可以在炮火下及时进行战场救护。

在地面上,机器人为联合国维和部队排除爆炸物、扫除地雷;在波黑战场上, 无人机大显身手;在海洋中,机器人帮助人清除水雷、探索海底秘密;在宇宙空间,机器人成了火星考察的明星。

机器人的历史并不算长, 1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人,机器人的历史才真正开始。

英格伯格在大学攻读伺服理论, 这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。

德沃尔曾于 1946年发明了一种系统,可以“重演”所记录的机器的运动。

1954年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利, 这种机械手臂按程序进行工作, 可以根据不同的工作需要编制不同的程序, 因此具有通用性和灵活性, 英格伯格和德沃尔都在研究机器人, 认为汽车工业最适于用机器人干活,因为是用重型机器进行工作,生产过程较为固定。

1959年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。

机器人分类 :
关于机器人如何分类, 国际上没有制定统一的标准, 有的按负载重量分, 有的按控制方式分,有的按自由度分,有的按结构分,有的按应用领域分。

一般的分类方式:
1. 示教再现型机器人
通过引导或其它方式, 先教会机器人动作, 输入工作程序, 机器人则自动重复进行作业。

2. 数控型机器人
不必使机器人动作, 通过数值、语言等对机器人进行示教, 机器人根据示教后的信息进行作业。

3. 感觉控制型机器人
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

4. 适应控制型机器人
机器人能适应环境的变化,控制其自身的行动。

5. 学习控制型机器人
机器人能“体会” 工作的经验, 具有一定的学习功能, 并将所“学” 的经验用于工作中。

6. 智能机器人
以人工智能决定其行动的机器人。

我国的机器人专家从应用环境出发, 将机器人分为两大类, 即工业机器人和特种机器人。

所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水
下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。

在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。

目前, 国际上的机器人学者, 从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和我国的分类是一致的。

随着高新技术的发展 , 人们逐渐在思考, " 机器人 " 最终是机器还是人?机器人会不会全面超越人类, 机器人会不会成为人类的颠覆者, 机器人科学的发展对人类是祸还是福?这些问题早已超越了机器人科学工作者思考的范畴。

随着机器人科学的发展, 有关伦理的、社会的、哲学的思考越来越多。

虽然现在机器人都还只是工具, 但我们不能永远把机器人简单地当作是一种工具,因为他有其他工具所不具备的人类特征:智能性。

或许有一天, 人类必须思考:" 没有机器人, 人将变为机器; 有了机器人, 人仍然是主人 " 这句话是不是仍然可以说得那么理直气壮。

是时候对机器人问题展开全面的哲学思考了!
一、机器人会成为生物吗?
关于机器人的定义, 现在还没有准确的说法。

不过,从现有的机器人来看, 机器人肯定还只是机器。

现有的机器人都只是仿人的机器。

比如说,汽车生产流水线上的焊接机器人, 它虽然可以比人还有效率, 但它终究还是个机器, 就跟洗衣机或是电风扇一样, 代替了人们某些方面的工作。

按照恩格斯的说法, 工具就是人的某种器官的延伸。

现有的机器人也只是人的某种或某几种器官的延伸,因而也只是工具。

不管人的定义是怎样的, 起码有一点是肯定的, 人首先是生物, 这是人之所以成其为人的物质基础。

机器人会不会是生物呢?现有的机器人大都是金属、导线和硅晶体的产物, 肯定不是生物, 以后的机器人会不会是呢?我们现在无从判断。

从物质成份上来说, 人体所包含的元素、比例、结构方式等或许有一天都可以被复制。

不过,我想,有一个问题是,即使人工可以制造出肌肉、神经、骨骼、血液、皮毛等,但是不是可以把这些东西组合在一起成为一个人呢?这首先是一个问题。

在这方面,灵长的猿猴最接近, 猪狗、虫鱼甚至花草都比机器人更接近人。

克隆人当然是生物, 但克隆人还是有人类母体的, 他具有母体的基因特征。

我们所讨论的机器人, 显然不应该具有人类母体的基因等特征, 否则, 将会在伦理上陷入与克隆人同样的困境。

克隆人, 不在我们要讨论的机器人范畴内, 机器人也绝对不能通过对人类克隆的方式来制造。

二、机器人会在综合能力上超过人吗?
不过, 即使是现有的科技水平还比较低下的机器人, 也与螺丝刀等纯粹意义上的工具有着本质区别。

因为机器人首先必须是有智能的, 他的任何行动都是需要经过其 " 大脑 " 进行信息加工后做出的, 这就具有了显著的人类特征。

如果我们能把电脑的运算过程也看作是一种思维的话, 机器人在很大程度上就像人一样, 做事是经过了脑子的, 而螺丝刀显然是没有脑子的。

智能性,是机器人与普通工具最大的区别。

还有一个不容忽视的地方, 现有的机器人即使也只是一种工具, 但他与普通工具不同的地方是, 机器人不是人类某几种器官的简单延伸, 从其设计原理上说, 机器人从思维到做出反应的方式上是完全仿人的。

谁也不知道, 随着机器人科技的发展, 机器人会不会完全具有人的所有能力?如果真有那么一天的话, 机器人即使不是生物, 比如说他的思维载体仍是集成电路而不是生物神经元,他的外部器官仍是金属、橡胶等,那又有什么关系呢?
从单个器官的能力来说,机器人肯定是要超过人类的,比如说电脑智力具有可延续性、可集中性、可输入性、思维的高速度等特性, 机械手可以在非常恶劣的环境下工作。

人类之所以能够控制机器人, 非常重要的一点就在于人类没有或者说还没能力赋予机器人全面的能力,人类的综合能力还是要强于机器人的。

例如, 电脑再发达,但是在没有外部器官去实现其思维的时候也是白搭。

但是如果机器人具有了人类的全面能力, 甚至在综合能力上超过人
类,事情就会变得非常复杂了。

三、机器人会有感情吗?
如果机器人的综合能力超过了人类, 后果会怎么样呢?阿西莫夫提出了机器人忠于人类的三大定律 (1. 机器人绝不能伤害任何真人。

2. 机器仍要服从人的指挥。

除非违反第一定律。

3. 绝不能伤害自己, 除非违反第一 . 二定律。

但里面有一个关键问题值得探讨:机器人会不会有自主意识?如果机器人没有自主意识, 能力再强也仍然只是忠顺的奴仆, 对于完全忠顺的奴仆, 我们是不用害怕他的能力的, 能力越强
对主人越有用。

但是如果机器人有自主意识, 那么能力强就将是一件非常危险的事情了。

要有自主意识,首要的一点是要有感情,或者说,要有欲望,例如,求生欲、占有欲、统治欲等。

阿西莫夫在《我,机器人》中并没有探讨这个问题,而是把机器人的感情和欲望当作整部小说展开的前提。

感情和欲望在生物界中是一种本能, 这种本能不是靠思维来完成的,例如刚出生的婴儿就会吃奶,就有求生欲。

机器人没有这些生物基因, 光靠思维是不是就会产生感情和欲望呢?这些还有待科学去进一步解决。

四、机器人能进行自我繁殖吗?
机器人的寿命或许要比人类长, 综合能力超过人类的机器人在遇到故障的时候要进行自我修复也许也只是小 CASE ,但任何东西都不可能长生不老,机器人也不能例外。

在这方面, 人有一个作为生物的基本优势, 那就是具有自我繁殖的能力, 可以通过繁殖下一代进行种群延续。

这是生物的本能, 机器人就算在综合能力上强过人类, 但在这方面却没有任何优势可言。

机器人会有自我繁殖能力吗?
这里面所说的自我繁殖能力, 显然不是指那种由人类控制的, 完全由机器人操作的机器人工厂的生产方式, 在这种复制或者说繁殖的过程中起主导作用的仍然是人。

我们要说的是机器人具有的不受外来因素控制的繁殖能力。

有报道说英国人工智能和机器人权威专家安东尼·王尔德博士自称有一种名为SRBAs("自我复制战斗机器人 " 的缩写的新型机器人样机正在研制中, 这种机器人内置了可以进行自我复制的程序。

据称, 只需造出这种 " 雌 "" 雄 " 机器人各一具, 他们就可以迅速开始复制下一代。

这种机器人在复制前需要 " 交配 " , " 雌雄 " 机器人通过胸部来进行复制程序的对接, 30分钟后 " 雌 " 体机器人就可以把一个球状的复制机器人从体内弹射出来, 在一周内新的机器人便发育成熟。

这一过程实际上是由机器人体内无数微型机器人所完成的, 它们的功能类似单细胞器官, 但是效率惊人。

每个 " 雌 " 体机器人一天可以 " 产 " 下 12个新机器人, 而且它们的 " 交配 "
根本不需要感情因素介入。

而且, 机器人之间的 " 交配 " 是非常冷静的过程, " 就像插入一把车钥匙一样 " 。

雌雄交配并产生后一代, 是生物所特有的有性生殖方式, 现有的机器人根本就不是生物, 靠一个自我复制程序就能解决吗?且不说别的, 他们进行繁殖的物质基础在哪里呢?报道说是靠机器人体内的微型机器人来完成, 那也就是说在造这两个机器人的时候已经在其体内植入了微型机器人, 但植入的微型机器人本身就是人类制造的, 只不过把这两个机器人当作一种生产工具罢了。

如果说是这两个机器人具有自动产生微型机器人的能力, 那么我想知道的是,产生这些微型机器人的物质基础又在哪里呢?我们知道,构成机器人的材料诸如金属、橡胶、硅晶体等物质并不像生物机体那样具有可生长性, 除非是这两个机器人把自己体内的物质分给这些微型机器人, 但这种物质分割能称之为繁殖吗?否则, 连基本的物质守衡定理都违反了, 可能吗?还有一个疑点, 他们生产出来的小机器人又是怎么一个生长发育法呢? 难道这些机器人也具备了生物机体一样的生长性吗?
五、机器人会有想像力吗?
人类的发展进步, 想像力是最基本的进步源动力。

想像力向来是人类智力最重要的部分, 因为它决定信息组合和构造的各种可能性。

有限的信息被输入人类个体时, 人们使用想像力
从这些信息推得世界的全貌。

当天马行空的想像力运行的时候, 一切事物的细微联系被挖掘出来, 一切信息组合的方式被一一考察, 一切新知识从不可能处冒出来, 想像力令人类智力可以向无限拓展延伸, 也使天才与平庸最重要的区别。

正是因为追求梦想的实现, 人类才有了前进的方向和进步的动力,如果没有想像力,人类也许还住在山洞里与蛇蝎为伍。

那么, 机器人会具有想像力吗?或者换一个更容易为大家所接受的问题:机器人会做梦吗?关于做梦的物质基础, 现在还没谁能够说的清楚, 但起码有一点我想是可以肯定的, 现有的电脑的这种严格的逻辑运算方式是产生不了想像力的, 也是肯定不会做梦的。

今后会不会产生会做梦的电脑?谁也不知道。

如果不能的话, 机器人
的能力再强大, 也只不过是对现有的东西进行补充完善而已。

换句通俗的话说, 补锅匠的手艺再好,也做不出电饭锅来。

如果机器人没有想像力, 那么就算能够自我繁殖, 也只不过是一种简单的自我复制罢了, 这个群体永远无法进化。

所以,我们可以乐观地说:" 当机器人变得比人类更能干的时候,最少, 我们有梦想! " 而这,就是人类控制机器人的钥匙
近年来 , 采用 MEMS 技术的微型卫星、微型飞行器和进入狭窄空间的微机器人展示了诱人的应用前景和军民两用的战略意义。

因此 , 作为微机电系统技术发展方向之一的基于精密机械加工微机器人技术研究已成为国际上的一个热点 , 这方面的研究不仅有强大的市场推动 , 而且有众多研究机构的参与。

以日本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究 , 重点是发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。

微型机器人发展中面临的问题
(1 驱动器的微型化
微驱动器是 MEMS 最主要的部件 , 从微型机器人的发展来看 , 微驱动技术起着关键作用 , 并且是微机器人水平的标志 , 开发耗能低、结构简单、易于微型化、位移输出和力输出大 , 线性控制性能好 , 动态响应快的新型驱动器 (高性能压电元件、大扭矩微马达是未来的研究方向。

(2 能源供给问题
许多执行机构都是通过电能驱动的 , 但是对于微型移动机器人而言 , 供应电能的导线会严重影响微型机器人的运动 , 特别是在曲率变化比较大的环境中。

微型机器人发展趋势应是无缆化 , 能量、控制信号以及检测信号应可以无缆发送、传输。

微型机器人要真正实用化 , 必须解决无缆微波能源和无缆数据传输技术 , 同时研究开发小尺寸的高容量电池。

(3 可靠性和安全性
目前许多正在研制和开发的微型机器人是以医疗、军事以及核电站为应用背景 , 在这些十分重要的应用场合 , 机器人工作的可靠性和安全性是设计人员必须考虑的一个问题 , 因此要求机器人能够适应所处的环境 , 并具有故障排除能力。

(4 新型的微机构设计理论及精加工技术
微型机器人和常规机器人相比并不是简单的结构上比例缩小 , 其发展在一定程度上和微驱动器和精加工技术的发展是密切相关的。

同时要求设计者在机构设计理论上进行创新 , 研究出适合微型机器人的移动机构和移动方式。

(5 高度自治控制系统
微机器人要完成特定的作业 , 其自身定位和环境的识别能力是关键 , 开发微视觉系统 , 提高微图象处理速度 , 采用神经网络及人工智能等先进的技术来解决控制系统的高度自治难题是最终实现实用化的关键。

3 结论
微机器人还处于实验室理论探索时期 , 离实用化还有相当的距离。

存在许多关键的技术没有得到解决 , 这些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科的发展。

只有当这些问题解决以后 , 微型机器人的实用化才会成为可能。

我们要勇于创新 , 抓住这个前沿课题 , 将微型
机器人技术应用到国民经济建设发展影响较大的领域。