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第4章 第一台机器人是怎样诞生的?

提起机器人,人们很容易联想到《未来世界》、《星球大战》、《机器战警》等影视剧中的机器人。片中的机器人外型和人类没有分别,但又具有超人的力量。但实际上这仅是人们的想象和希望,机器人的水平离这一目标还有一定距离。

机器人是一项科研成果,它也与其他科研产品一样,都存在一个从构想到理论再到实践,以及改进发展的过程。人类对机器人的构想在很早的时候就有了,但真正上升到理论,则应归功于美国人乔治·大卫,他在1954年发明了一种装置——“可编程的关节型搬运装置”,并在理论上、技术上进行了论述。1958年,康第克公司采用了上述方案,开始实施工业机器人的实用计划。1962年康第克与另一家公司合并建立了联合控制公司,推出了用于模铸的第一台工业机器人,定名为“尤尼麦特”。同年,美国机器与铸造公司也推出了一台数控通用机器,商品名为“维赛特兰”,并以“工业机器人”的形象投放到市场。到这时,孕育良久的机器人才真正诞生了。当然,这种机器人与人们日常想象的机器人相距还很远,它在外形上看只是人的一只手臂。

机器人是自动化时代的宠儿,这的确是一个贴切的比喻。因为机器人就是以控制论和信息论为指导,综合了机械学、微电子技术、计算机、传感技术等学科的成果而诞生的。

18世纪,瓦特发明了蒸汽机,为工业革命带来了动力源,同样,工业中工具机器的应用成了工业革命的关键。18世纪末,纺纱和织布首先实现了机械化,当时这些发明家大都是木匠出身,有灵巧的双手。有一位名叫莫兹利的人发明了可自动进刀、走刀、切削螺纹的车床,使机床工业得到迅猛发展,也带来了工业生产的腾飞,人们尊称莫兹利“机床之父”。这种机床一直沿用了很长时间,直到20世纪50年代引进了数字控制,才使得机床产生又一次变革。

控制论是在20世纪40年代末,由美国人维纳创立的。维纳作为数学家,把数学和物理紧密地结合起来,并凭借他在电学、生物学、哲学方面都很好的理论研究的基础,开始研究自动控制系统中的稳定性问题,提出并研究了系统中的反馈概念问题,就是在解决纠正偏差时,如何做到恰到好处的问题。这个反馈概念后来成为控制论的核心问题之一。

什么是控制论呢?控制论是将人、自动机器甚至社会都看作一个系统。它由敏感装置(感觉器官)、执行装置(动作器官)、信息传递网络(神经网络)组成。一个可控制的系统,按照反馈制原理进行工作,当要使这个系统运作时,给出一个控制信号,通过信号传递网络,使之执行装置动作,而动作的结果,由敏感装置检测出来,并反馈回去与给出的控制信号进行比较。若比较结果存在偏差,说明控制任务尚未完成,继续让其执行装置动作,直到偏差为零,说明动作的结果达到了控制信号的要求。当然,控制论还有很多深奥的问题,如调节稳定性问题、动作响应的快速性问题、外界参数变化的适应性问题等。随着科学技术的发展,控制理论也有很多突破,出现与原来经典控制理论相区别的现代控制理论,但人们永远都会记得20世纪最伟大的科学家之一——控制论的创始人维纳。

与此同时,信息论的发展也取得了可喜的成果。信息科学家香农在1948年提出了著名的采样定理,也称之为香农定理,为计算机控制奠定了理论基础。

香农定理比较难以理解,同学们可以做一下了解。

香农通过研究信号在经过一段距离后如何衰减以及一个给定信号能加载多少数据后得到了一个著名的公式,叫做香农(Shannon)定理。定理描述了有限带宽,有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽,信号噪声功率比之间的关系。在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,数据传输率Rmax与信道带宽B,信噪比S/N关系为:C=Blog2(1+S/N)其中C是可得到的链路速度,B是链路的带宽,S是平均信号功率,N是平均噪声功率,信噪比(S/N)通常用分贝(dB)表示,分贝数=10×log10(S/N)。在信号处理和信息理论的相关领域中,它以比特每秒(bps)的形式给出一个链路速度的上限,表示为链路信噪比的一个函数,链路信噪比用分贝(dB)衡量。这就为机器人的发展奠定了基础。

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