机器人学的意义

在机械电子学中，最有代表性的产品就是机器人，如果把在 电子部件的作用完全丧失的情况下机械中的功能下降程度看作是 机械电子化的指标，则当今在汽车等车用电子化的公开宣传中，机 械电子化所占比重并不大，EFI 化的发动机也有相同情况。如果 把这个历史发展阶段，看作是在过去的机械部件中又加进了一些 电子部件，那将是很自然的事情。 对机器人来说，从其诞生开始，就是以计算机控制作为其先决 条件的，没有信息系统的机器人只不过是一种连杆机构。从这种 意义出发，可以说机器人的机械电子化程度实质上是非常高的，因 此，不难想象，就机器人而言，机械电子学的固有特点，不论是好的 方面还是坏的方面都将被增强，并且将极为鲜明地表现出来。正 是出于这种考虑，本书才利用了比较多的篇幅阐述有关机器人学 的问题。不过这里要稍微强调一点，那就是本书中阐述的内容，不仅适用于机器人，同样也适用于大多数其它机械电子产品，所以 是具有普遍意义的。 在机器人中，

(1)可以主动对外界产生作用，它把原来的机械 技术进行扩充，增加了执行器部分；

(2)它把原来的测量技术进行 扩充。增加了采集外界信息的传感器部分。

(3)它把原来的计算 机技术加以扩充，增加了信息处理部分。这些部分有机的结合在 一起，就构成了机器人。上述三部分缺一不可，否则机器人将不能 产生连续而平滑的动作。机器人产生于本世纪60年代后期，它的 出现绝非单纯空想的产物，而是以切切实实的技术基础作基础 的。例如当时有一种被称为万能机的装置，它在当时是一种有代 表性的机器人，从本质上说，它和现代的产业机器人大体上具有完 全相同的构造原理。不过，当时的计算机技术尚不成熟，因此还没 有达到实用的地步。 机器人技术在产业界受到广泛重视，或许是从本世纪80年代 初期开始的。正如前面谈到的那样，它是和微电子学技术的成熟 密切相关的。由于电子元件的固体化，计算机的可靠性大幅度提 高，从而使其能在生产现场安装使用。这样，在进行现场作业时， 只要提高计算机本身的信息处理能力就可以了。 通常，机器人可以按照表1.1那样进行分类。第一叫做手控 操作手，它是一种由人进行操作的机器人，机器人如何动作，由人 发出的指令决定。总之，这是一种只有执行器部分的机器人.第二 是定序机器人，如同风琴演奏那样，把某种确定的演奏程序记忆下 来，从而构成一种能反复自动进行演奏的机器人。第三是变序机 器人，这种机器人的工作程序，具有某种程度的选择范围，而且可 以在复数域内设定程序。第四是再现机器人，人预先给出(示教) 机器人的运动轨迹，然后机器人准确地重复再现这种轨迹。最后 是智能机器人，它可以实时地采集外界不断变化的信息，并且可以 自行变更其本身的运行情况，所以它是一种具有综合功能的智能 机器人。 在表1.1的分类中，粗略地说，排列顺序越往下功能越强，因而越需要采用高技术，特别是需要高性能的计算机。 现在的产业机器人，多数是程序机器人和再现机器人。由于 计算机技术和传感器技术的发展，现在已经进入了智能机器人的 研制阶段.一些智能机器人已开始逐渐投人现场应用，智能机器人 的普及推广也正在稳步进行。 但是，现在的机器人还存在一些尚未解决的问题。这里我们 要强调指出一些遗留下来的根本问题.首先，正如前面所说的那 样，现在的机器人在有关信息部分方面，可以说正在取得显著进 步、但是这方面强调得有些过分，相比之下，对于基础部分的研 究则往往被人们忽视。 例如，关于能源的供应间题，目前还没有进行充分研究。对于 采用双足或多足的机器人，怎样才能使它平稳地行走，在各个研究 机关正极积地进行着这类问题的研究，当前，有关机器人行走的算 法已经完成，但对于在外部设置能源供给部分的机器人，究竟采用 何种能源供给方式对步行有利，尚待进一步研究。顺便说一下，就 现在的机器人技术水平来说，要制造能够自己站起来的机器人，还 是一件相当困难的事情。 一般来说，当把技术内容区分为“与质量有关的内容”,“与能 量有关的内容”和“与信息有关的内容”时，前两方面的相互关系 比较容易理解，例如火箭，为了获得较大的运动能量，必须装载较 多的燃料，或者当需要提高飞机发动机的输出时，就要装配大型的 发动机。但是随着机体的改变，又会导致重量的增大和速度的降 低，诸如此类的例子；人们是不乏切身体验的。但是，在有关包含信息的讨论中，这样一些相互关系却往往被人们忽视. 总之，实际上在设计装载有计算机的机器人时，信息处理部分 必然占据一定重量，一般来说，信息处理能力越强，其重量便越 大.因此，在小型化技术尚未发展到一定水平时，信息处理部分的 安装必将导致重量的增加，因而也增加了控制方面的困难，其结 果是进一步要求增加额外的信息处理设备，这又可能招致重量进 一步增加，造成恶性循环。从另一方面说，如果机器人有可能达到 某一临界的轻量化水平，则机器人就可能开始站立起来，并且能够 自由地行走。上述讨论表明，在设计机器人时，需要以联立方程式 的形式，同时考虑信息质量与能量之间的关系。 如果从更广义的观点去看，机械电子学这一术语，确实不限于 它本来的含义。它要求将机械设计、电路设计和软件设计这样一 些本质上完全不同的设计体系融合为一体。体现这种要求的最直 接了当的实例就是机器人。 近来生产出来的机械电子部件，已经达到了非常精密的地步. 与此相比，通常的机械部件却未必能说已经达到了完善的地步.对 于机器人来说，其执行器部分与控制器部分的结构存在很大差别， 虽然它们是一些常规结构，但今后仍可望得到改进，顺便指出，这里 的机械与电气之间的关系，是在所谓强电与弱电部件范围内谈的， 对于强电部件，可以不必考虑有关大规模集成电路的注意事项， 总而言之，如果只有先进的微电子学技术，将不会有优良的 机器人，也不会有真正的机械电子学技术。如果没有先进的执行器、放大器等外围支援技术，就不能充分发挥微电子学技术的固有 潜力。 在这种意义上，当前有关机器人的研究开发工作，对于推动整 个机械电子学的发展，具有决定性作用，同时也可以预料，具有崭 新结构的机械电子学专用部件，将会不断地被开发出来。