机器人是怎么“活”起来的？

       在德国机器人世界杯的“四腿机器人”组决赛中，双方使用的都是索尼公司生产的最新一代“爱宝（AIBO)”机器狗。自从1999年投放市场以来，这种娱乐型机器人已经在全世界销售了数十万个。

       “爱宝”可以理解大约180个声音指令，完成取东西、拍照等动作，甚至在电量即将耗尽之时，它还会自己去找充电器。“爱宝”的面部配备发光屏幕，可以灯光组合来表达自己的情绪。更重要的是，工程师还能根据自己的需要对“爱宝”进行编程，让它完成像足球比赛这样的特殊工作。

       模块：机器人的大脑

       一个机器人一般由多个模块组成。它可能包括用于语音对话、语音控制的“语音模块”；用于显示机器人状态、表达感情（喜、怒、哀、乐）的“灯光表达模块”；用于决策的“控制模块”也就是机器人的大脑；用于感知外界环境的“传感器模块”；为机器人提供能源的“电源模块”；用于行走驱动的“减速电机”；帮助机器人完成各种动作的“驱动模块（伺服电机或称舵机）”；观看世界的“视频模块”；接收指令的“无线通讯模块”、“机械模块”和“控制软件”。

       我们对照来看最新一代的爱宝ERS-7型机器狗，它的语音模块就是头部的微型扬声器和两个微型立体声话筒；灯光表达模块是面部的发光屏；控制模块是工作频率576MHz的64位RISC处理器和64MB存储器；传感器模块包括了温度感应器、红外线测距感应器、加速感应器、震动感应器和压力感应器；电源模块是一个ERA-7B1锂电池，可连续工作约1.5个小时；无线通讯模块使用了IEEE802.11b规格的无线网卡。它全身总共拥有20个活动关节，在减速电机和舵机的操控下活动；视频模块是一个35万像素的CMOS摄像头，爱宝就是利用它观察世界，用色彩视觉来判断足球、目标和其他特征。

       机器人的“感性”和“知性”

       虽然这些模块听起来有些复杂，但我们也可以把它大概地表述为机器人进行感知、思考和行动的三个阶段。

       在感知环境的时候，除了声音传感器，机器人还需要多种传感器才能模拟人类的知觉。它需要使用“编码器”来测量电机的旋转角度和速度；使用“电子罗盘”或“陀螺仪”来感知自己的朝向；利用“全球卫星定位系统GPS”来确定精确的位置。

       对于高速运动的机器人，比如参加美国国防部举办的无人战车挑战赛的无人驾驶车辆，测量障碍物距离并感知周围路面状况变得非常关键。尽管“超声波传感器”和“红外线传感器”性价比很高，但是其探测范围和准确性仍无法满足汽车要求。所有无人战车大多使用“激光测距仪”、“多普勒效应雷达”和“立体摄像机”来识别地形。除此以外，无人驾驶机器人还要使用“惯性测量”和“里程表”的数据来评估车辆的状态。

       对于这些传感器获得的数据，我们可以选择进行独立的或者综合的判断，进而决定下一步的行动。这个判断需要“控制模块”和“控制软件”来完成。可以说，思考过程是机器人的核心，它决定了机器人的智能，它是个刚出生什么也不懂的婴儿，还是蹒跚学步的小孩，是冲动莽撞的年轻人，还是稳重老练的成年人，这都要看它的“大脑”究竟有多复杂。即使它像残疾人一样没有手没有脚，或者没有眼睛或者耳朵，但它却可能拥有很高的“智商”。不过这一步也是最困难的一步，毕竟要想模拟人的大脑可不是一个简单的工作。

       人脑可以对任何事物进行分析，而电脑在思考的时候，则需要先对所要执行的工作进行分类。像读报纸、走路、握手、交谈，这些人类想也不用想就能完成的工作，在电脑上则被指定给预先设计的不同模型来解决。即便如此，要想模拟人类的任何一类思维仍然非常困难。这也解释了当年“深蓝”计算机尽管拥有了当时最先进的计算能力，仍然花费了多年时间才战胜人类棋手。

       机器人怎样行动

       机器人在处理完收集的数据后，就可以生成指令采取行动了。根据不同的需要，机器人可以设计多个关节，这些关节部位在安装了减速电机或舵机之后就可以活动了。

       减速电机也就是我们常在电动玩具中拆下的带齿轮箱的小马达。它由拖动电动机与齿轮减速装置耦合而成，减速电机的作用用一句话概括，就叫做变速变扭，即增速减扭或减速增扭。由于电机输出的功率不变，其转动的角速度和扭距的乘积就是一个固定值，所以加速时扭矩就减小，减速时扭矩就增大。这种电机一般用做机器人的动力驱动，也就是机器人的腿。

       微型的伺服电机（舵机）在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，应用最为广泛。舵机主要用作运动方向的控制部件。舵机本质上是可定位的电机，其内部包括了一个直流电机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器和一块电子控制板。其中，高速转动的直流电机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。当它接受到一个位置指令，它就会运动到指定的位置。因此，个人机器人模型中也常用到它作为可控的运动关节，这些活动关节也常被称为自由度。舵机用在控制精度要求比较高的地方（比如机器人的手）。

       好了，经过这三个步骤，机器人终于“活”了起来。