站上解剖台 深入探索机器人内部机密

    尽管是在当前十分严峻的经济形势中，机器人技术仍不断地出现在各种新应用领域。在制造业方面，机器人的数量正因资金挹注而持续增加中。此外，针对医疗、服务、航空与军事等领域的机器人市场也正在成长。同时，在清扫机器人Roomba问世后，曾经是科幻小说题材的消费性机器人时代正开始改变我们的日常居家生活。

    目前的成长趋势并非仅是一时风行。许多枯燥、污脏和危险的工作最终将由机器人来完成，不过，技术应该如何发展才能满足未来的需求呢？

    在机器人真正能够普及于人类生活以前，我们必须在以下几方面取得技术的进展：

• 缩短实时系统响应的总时间(从传感器到致动器)，以增强机器人的性能；

• 研发先进的人工智能，强化机器人更自主的决策能力;

• 开发小巧且轻便的传感器与致动器，实现更小型且更具能效的机器人；

• 使机器人具有能量监测与自我发电的能力，以延长自主运作的时间。

    为了能够一窥未来的发展前景，最佳的办法就是探究机器人技术的现况。透过研究机器人技术的现状，有助于窥探或展望机器人技术的未来。那么，还有什么比将具有代表性的机器人送上解剖台上认真且仔细地审视其"解剖结构’(anatomy)还要更好的办法呢？

图文：为了能够一窥机器人的发展前景，把机器人送上解剖台认真且仔细地审视其"解剖结构’无疑是最佳办法。

    任何一位好医生都知道解剖学的研究应该从器官的分类开始。因此，我们在此首先针对机器人的"器官’进行分类。根据电子工程学的功能分类，构成机器人的组成要件可分为5大类：传感器、传输通讯、控制、致动器与电源。

传感器

    除了作业程序以外，对于机器人的输入绝大部份来自于其内建的传感器。就像我们拥有五官一样，这些传感器为机器人提供有关外在世界的信息。举例来说，自主行走型机器人必须了解周遭环境以便能顺利走动，而以感知环境信息为主要目标的机器人则需把信息反馈给远程的操作人员(Mars Rover火星车就是一个特别著名的例子)。无论哪一种情况，传感器在机器人解剖结构中都是重要的组成部份。

    业界已经为科学研究与工程社群设计出种类繁多的传感器，其中有许多传感器可透过电气接口整合于机器人中。对于机器人应用而言，CMOS成像器、红外线测距仪、压力传感器与加速度计等均为相当普遍的传感器。

    在目前现有的众多传感器基础上，机器人感测技术的未来将朝向更小、更轻、性价比更高且更易于整合的方向发展。

通讯

    对于机器人而言，内部与外部通讯都是至关重要的。内部通讯直接决定了操作的实时性。犹如人类的神经系统一样，内部通讯可将信息从传感器馈送至处理器或机器人的控制部份。内部通讯协议的速度对于系统响应也十分重要。

    而外部通讯则并不一定必须具有实时性，例如下载程序或数据文件就不需要实时的响应。但在某些情况下，例如在控制远程遥控型机器人的运动时，外部通讯的实时性就具有至关重要的作用，因为任何的延迟都可能导致意外。

    无论是内部通讯还是外部通讯，未来都将要求机器人能够实现“更快速”的通讯。特别是专为其它产业开发的更高频宽与高速协议，将受到机器人设计者的欢迎与利用。

表1：一般机器人所用的传感器类型与其功能。

    机器人系统的“大脑”就是控制或处理节点。不过，这种能够处理大量来自传感器数据的能力，也可能限制了机器人以更先进方式运作的可能。

    机器人领域不仅需要更高的处理能力，某些控制方面的功能对于机器人也至关重要。由于机器人必须移动，为了保护机器人及其周遭对象免于破坏，机器人必须具备实时中断的处理能力。在某些情况下，碰撞侦测与避障处理会由一个接近机械装置的处理器完成，而且该处理器与主控制节点有区隔。这种类型的外围设备控制可分担主处理器的处理负载，并且对于刺激表现出如同"潜意识’般的反应。

    软件正成为机器人领域中最重要且广泛的研发范畴。研究人工智能，特别是神经网络，其目的在于使计算机能够更有效地自行学习如何完成任务，从而推动机器人的智能化发展。此外，对于控制算法方面也已有长足的进展。

    在谈到Mobile Robots公司中的硬件/软件工程人员比例时，该公司执行长Jeanne Dietsch表示：“我们是一家软件公司。”事实上，Mobile Robots公司也生产自有的硬件机器人平台，而且是少数几家拥有这项能力的公司之一，但该公司的创新主要仍在软件方面。

    某种程度上，机器人技术的进步可比喻为人类物种的进化过程。成对生长的拇指和其它实体的进展都必须借助大脑功能的改善，才会发挥最佳作用。

    因此，控制与处理基础设备的进步才是机器人取得实质进化的必要条件。

表2：一般机器人所用的致动器类型与其功能。

致动器

    机器人系统之所以有别于其它电子系统，主要原因之一就是可移动的概念。只有具有移动能力的系统才可被归类成机器人。为了使机器人能够移动，就必须提供致动器。最常见的致动器是电动马达(包括直流、步进或伺服马达)，不过，有时也会使用气动式和液压式的非电磁类致动器。

    电动马达技术的创新、更好的材料以及更先进的制造能力已逐渐减少马达尺寸，并提高效率。然而，致动器技术的真正创新将来自于其它领域，例如可电弯曲的合金。这些名为“nanomuscle”的微型马达将改变机器人的移动方式，协助机器人设计者仿真人类和动物的动作。这种微小的形状记忆合金很轻，其机械性能也类似于我们自己的肌肉。

    材料领域的研究正逐渐导向研发反应速度更快、力量更大、重量更轻且可充当肌型(muscle-type)致动器合金的趋势。

电源

    由于有线电源不适用于自主移动的机器人，因而电池就成了机器人最常见的电源应用。但电池显然是机器人长期现场部署的限制因素，而且，众所周知，机器人的运动还会消耗更快、更多的能源。另外，电池也是机器人系统中最占空间和且最重的一部份，对于要求体积小且机动性强的机器人来说，这将为机构设计带来许多问题。

    因此，电池技术的任何进展，机器人产业都会迅速加以利用。

    预期未来对于可自行发电的机器人需求将会增加。目前，有些机器人已能利用太阳能和其它能源收集方法，以增加其能量供给。电源领域最近的创新之一是Robotic Technology公司的Eatr机器人(强动力自主战术机器人)，它能够收集并实行生质燃烧以增加能量供给。

未来

    在开发机器人技术方面，目前还有很多创新尚待完成。如果该技术继续沿着目前的道路前进，我们将会看到内建成千上万甚至上百万颗传感器的机器人，这些传感器均连接到一些较小的处理节点，再连接到更大的中央处理节点，并透过远程链路连接至中心站以及其它机器人进行通讯。这些传感器可为机器人提供反馈信息，机器人再利用这些信息驱动轻巧的致动器，以迅速高效地完成指派的任务，并在此过程中透过自主学习如何改善的方法。

    不要怀疑这一切是否将会发生，而是何时将可实现。