作为系统的机器人

创造一个与人一样具有灵巧动作的智能机械，很早以来，就是一个对人们有很大诱惑力的梦幻。在空想世界中，曾经出现过各种各样的机器人，不少能工巧匠设计了很多巧妙的机构，制造出操纵偶人或自动偶人。计算机的发明，使对机械进行复杂控制或赋于机械以思考能力成为可能，机器人作为工程对象被提了出来。60年代初，开始了用计算机控制机械手臂的研究和把电视摄像机与计算机相连接，实现人工视觉的研究，70年代初，开发出将视觉与手组合到一起的智能机器人样机。这些研究成果给面向产业应用的产业机器人以极大的影响。70年代后期，微处理机的急速发展，向工程技术人员提供了廉价而强有力的智能“芯片”,并成为迅速推动面向实用化机器人研究开发的原动力。就在这个时期，作为机械与电子的合成语——机械电子这个词被创造出来，机器人

作为机械电子技术的象征，引起了一项新技术的发展及其产业的形成。

工程技术人员制造出来的机器人与小说家或工匠们所制作的机器人不同，它在外形上与人不同。工程技术人员只是希望通过模仿人的功能制作出某种有用的机械，机器人所必要的功能，可归结为以下四种：第一，操纵物体，进行有用的作业、自身运动、回转操作，并具有移动功能。第二，具有识别外部环境处于怎样的状态的视觉、触觉、力觉等的感觉、认识功能。第三，规划为了达到由人给出的作业目的的动作顺序，并具备控制其执行的思考、判断功能，第四，具有人与机器人之间进行圆满通讯对话的功能。通过这四项功能的综合，就可以造出机器人，20年来，通过所进行的种种研究，实现上述各功能的技术已稳定于某种水平上。但是，目前所能实现的机器人功能，无论取出哪一种来看，也都远远不及人的功能。特别是把种种功能综合在一起，从整体看，作为一个统一的柔性系统，其工作性能仍然差得很远很远。造物主创造的人类实在是太巧妙了。当然，工程技术人员，并不是想用机械造出一个与人完全相似的东西，而是想学习人的优秀功能，并以其为样板，制造出在人类社会中有用的机械。由微电子技术支持的机械电子技术，果真能在某种程度上接近人的功能吗?一个丰富而又有趣的课题在我们的眼前展示了广阔而深远的前景。

翻开有关机器人工程学的书籍，诸如机器人的机构、操纵手的控制、视觉信息处理、机器人语言、人工智能、产业中的应用等等，关于构成机器人的基本要素和专题都有详尽的叙述。种种关键技术都是机器人的必要条件，但是，为了实现能够完成种种作业的智能机械这一机器人的理想，仅仅那些内容是不够的。从作为系统而综合这一观点来看，把这种种功能统一起来形式化是很必要的。

在想完成一个机器人系统的设计工作时，有两种相辅相成的方法。第一，是目的志向形的方法。这是让机器人的用途或目的符合特定的需要而进行的系统设计方法，而且需要具备在机器人方面的通用性。否则，就和过去的自动机械没什么区别。在目的志向形的方法中，是按照需要，根据对给与机器人的通用性所加的某种程度的限制，来取得系统的平衡。以装配机器人为例，如果我们的设想是，只要能够对被系列化的某种范围内的产品类进行装配作业就行，那么这就是对通用性加上了某种程度的限制。这样，在明确了装配机器人的设计目标之后，应该力求对系统的单元功能加以整理，省去多余的功能，而完成一个与目的一致的最优化系统构造，在考虑产业中应用的机器人时，几乎都是按照这种方法来设计制造机器人的。第二，是通用性追求形的方法。这是以一般性与扩展性为优先条件而构成系统的理论体系的方法，这两种方法是相辅相成的。在目的志向形的方法中，因是从目标的具体化开始，所以是实际的，系统能够稳妥实现。但是，由于进行的是以不同作业为对象的最优化，所以往往难于适用于其它作业。从根据目的志向形的方法而完成的很多实例中，归纳提取出一般性的某种机器人的基本功能是很重要的，如果在被归纳的基本功能的集合上，作为富于一般性和扩展性的理论体系，能够构成一个机器人的话，则作为一种重要应用，各种不同作业将都能在此通用系统上展开，因此，在此通用系统的基础之上，满足各种不同要求的机器人的开发工作，必将更有效地得到实现，计算机可以说是在人们迄今为止制造的机械中，最具通用性的系统。它还是一种设计者本身能够不断地掌握其功能范围的系统，让少数经过认真选择的指令集，通过各种不同的组合使用，则不仅仅是数值计算，雨且连文字、符号和图形的处理，以及机械的控制等各种工作，实际上都可以经计算机编程之后执行。计算机的硬件，从理论上看，是被凝缩在这些指令集之中的。组合这些指令，进行编程，具体实现不同用途的系统，正是软件的作用。若认真考虑一下计算机的通用性，则可以归结为被认真选择了的指令体系及由其组合而成的程序体系。

具备能够执行不同作业的手，能够认识环境的眼，能够自行决定作业顺序并控制其执行的智能，以及具备与命令者一—人的自然对话手段的通用机械系统，就是机器人的一种理想形象，如果系统整体能被集中在一个本体上，且能自由动作回转的话，则为一完美无瑕的系统。计算机自身只是一个在理论世界中工作的系统，并不具备直接执行对于物理环境的手的操作和眼的功能的命令体系、但是，如果使用计算机控制机械手，并且接上电视摄像机实现视觉的话，则可以给计算机加上手或眼的功能，从而制作出完成与现实环境相互作用的系统，机器人的理想形象，可以看成是认识和行动功能有机结合的一种计算机。正像计算机自身的通用性是由指令体系和程序体系所组合而成那样，机器人的通用性，是否也可以看成是由认识和行动的基本功能的集合，与在其集合上构成的具有扩展性的丰富程序体系组合而成的呢?恐怕机器人的指令比计算机的指令更加宏观，而且以感觉和行动的基本功能为单位的指令，也许是更为合适的一种抽象。

本章将按照上述观点，把机器人看作是对认识与行动进行智能结合的通用机械系统，并尽可能将其构造化之后进行描述。首先，在5.2节中，我们假定一个具备手、触觉、力觉、视觉等所有基本功能的假想机器人，并将它们定义为功能集。在5.3节中，为了把这些基本功能作为并行动作的有机活动体，并进行编程；引人并行过程的概念和实时监控的结构。在5.4节中，以实用价值较高的具有代表性的基本动作为例，给出几个感觉与行动相互作用的具体程序示例，在并行过程与监控的结构之上，根据功能集的逻辑结合，构成机器人系统，而其外部性能指标则可以整理为具有通用性和扩展性的机器人语言。