機械人 (10分!!!!!)

機器人(即 Robot) 一詞的出現和世界上第一台工業機器人的問世都是近幾十年的事。不過，人們對機器人的幻想與追求卻已有千年的歷史。我們的老祖先都希望製造出一種像人一樣的機器(或工具)，以便代替人類完成各種工作。

根據史載，西周時期，中國古代的偃師就研製出了能歌善舞的伶人，這也是我國最早記載的機器人。

根據「墨經」記載，中國春秋後期，著名的木匠魯班曾製造過一隻木鳥，能在空中飛行「三日不下」(大宇的「軒轅劍．四」中，動畫中不斷出現的「大鳥」，似乎也是取材於此，而「大鳥」的「製作者」也就是魯班)，而這也是屬於「機械」工藝的一種。

西元 8 年的漢朝，科學家張衡不僅發明了「地動儀」，而且發明「計鼓車」。計鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。這…是否也算是「機械人」的一種？

又1738年，法國技師傑克‧戴‧瓦克遜發明瞭一隻機器鴨，它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進食和排泄。

1662年，日本的竹田近江利用鍾錶技術發明瞭自動機器玩偶，並在大阪的道頓堀演出。 (最近日本出版了一些特集，就是將一些近代的「科技產物」(例如上述的「機械玩偶」、留聲機…)重新製作出售，有興趣不妨到百貨公司看看，可以了解一下前人工藝技術的厲害和創意))

科技日新月益，我們的生活每天都在變動，科技的變化我們永遠說不準。1999年 SONY 的第一隻機器狗「愛寶」出來，沒有人能夠預言到一年後我們會做出什麼。2004年 Carnegie Mellon University 已經將「機械臂 = 做粗活的工具」，改良到可以玩摺紙 ；2005 年的日本萬國博覽會，能做出像當時放在櫃台的「仿真機器人」、會跳日本舞的舞蹈機器人 (雖然已經被媒體報到爛)。時至 2006 年的現在呢？？不過人類有理想，才有進步。

距離手塚治蟲老師的「原子小金剛」誕生(2003.4.7)，雖然已經過了 3 年。
距離雷尼‧史考特（Ridley Scott）拍的「銀翼殺手」(2020年)，還有 15 年不到。
距離阿西莫夫(Issac Asimov)超著名的第56版的「機器人工程手冊」(2058年 (註一))出版，還有50年。
距離藤子不二雄老師的「小叮噹」誕生 (2112.9.3)，還有100年
距離Star Trek 星艦：企業號升空 (2151-2161)，還有 150年 …

因此，我們仍有很大的進步空間和無限可能。

沿用《攻殼機動隊》裡草薙素子的一個問題：「我怎能知道我自己不是 A.I.，頭骨裡頭的不是義腦一個？因為我自己看不到自己的腦袋。我可以確定自己是人，主要是因為週遭的人告訴我，和我感覺到靈魂的存在。所以，我們對自 己是人類的肯定，除了感覺外，就是間接靠人家來告訴我們。而當傀儡師說他有了生命體的自覺，有靈魂在存在，我們就面臨了重大的衝擊：我們的靈魂是否人類所 獨有？ 靈魂可不可以證明我們不是機械人？ 我們是真的有靈魂還是以為自己有靈魂？」

Is it???

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問人係冇用,自己做過先知!

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何謂傳感器呢？以人類來比喻機械人的話，傳感器正是人類的五官。過去數十年機械人技術進步神速，有自主性、具備簡單思考能力的機械人陸續出現。雖然如此，但這些機械人若要懂得自己決定執行何種任務，和如何執行任務，那還須先對自己的處境完全了解才行，這正是自動控制的概念（詳情可參閱第88期《今日校園》）。而傳感器在自動控制系統是不可或缺的一部份，因此近年傳感器的重要性日漸提高。部份工程學院更將機械人感測技術列作獨立學科。

傳感器的應用

機械人工程師的其中一個夢想，是造出跟人類一樣靈活的兩足機械人。大家有沒有想過一個兩足機械人究竟需要多少個感應裝置來達成平衡身體的目的呢？以筆者喜愛的ASIMO機械人為例，它包括關節角度感應器（Joint-angle sensor）、六軸力度感應器（6-axis force sensor）、加速度感應器（Acceleration sensor）和迴轉儀（Gyroscope，即陀螺儀）等等。關節角度感應器用來辨認關節在各個時刻的位置。六軸力度感應器安裝在手腕和腳腕，手腕的感應器用來感應手部的移動方向和力度，腿部的感應器配合攝影機拍攝得來的映像，決定ASIMO的下一個腳步的位置和方向。加速度感應器及迴轉儀用來感應身驅傾斜和加速的程度以平衡身體。



不要以為只有兩足機械人的感測系統才這麼複雜，看看美國太空總署火星探測計劃的「勇氣號」和「機遇號」號探測車便會明白。由於兩部探測車需要在火星變化多端的氣候和地勢下自動執行科學任務，因此需要在探測車上安裝兩類感應裝置。一種是導航及定位系統，包括導航攝像機、避危攝像機、慣性量測裝置（Inertial measurement unit）和距離傳感器。另一種是科學考察用傳感系統，有全景照相機（Panoramic Camera）、顯微成像器（Microscopic Imager）、微型熱發射分光計（Miniature Thermal Emission Spectrometer, Mini-TES）、穆斯堡爾分光計（Mossbauer Spectrometer）、α質子X射線分光計（Alpha Particle X-Ray Spectrometer）和磁陣列（Magnet Array）。



火星探測車上的微型熱發射分光計

火星探測車上的全景照相機

以上例子證明，傳感器對於需要應付多重任務的機械人是何等重要。跟人類不同的是，機械人傳感器不但用來了解外面的世界，同時亦用來了解機械人的內部運作情況。再加上機械人始終不及人類的器官精密細緻，往往需要設計個別的傳感器，針對性地偵測某種訊號，因此機械人的感應裝置十分多元化。簡單來說可分為內部和外部傳感器。

內部傳感器

以機械工程的角度來看，機械人就像一具以關節將多個肢體互相連接起來的活動裝置，每個關節由傳動裝置（Actuators）推動連繫著的兩個肢體，來改變它們的位置或狀態。內部傳感器（又稱「本體感受器」Proprioceptor）正是用來測量機械人的運動和動態參數，讓機械人的控制系統決定各個傳動裝置該如何驅動每個關節，從而做出所要求的動作。運動參數包括關節位置、速度和加速度；動態參數則包括力度、轉矩（Torque）和慣性。元件包括電位計、同步分析器、編碼器、變數差動變壓器、感應同步器等。

外部傳感器

外部傳感器又可稱為外受器（Exteroceptor），是相對於內部傳感器而言，探測機械人所身處環境的狀況。外部傳感器又可分為接觸式傳感器（Contact sensor）、近距傳感器（Proximity sensor）和遠距傳感器（“Far away” sensor）。右圖 : ?對值編碼器 (Absolute shaft encoder)

接觸式傳感器

接觸式傳感器又可視為末端傳動裝置傳感器，因為這種傳感器通常安裝在機械人的傳動裝置如手、腳等執行裝置。接觸式傳感器主要有兩種用途：測量末端傳動裝置施加於被抓物件的力度/轉矩，例如測力器（Load cell）和應變計（Strain gage）；另外是透過觸覺（Tactile）來收集被接觸物的相關數據，例如傳導彈性體（Conductive elastomer）、壓阻效應、電容和光電傳感器。



各種測力器

近距傳感器

近距傳感器（Proximity Sensor）是針對避開物件或探測正在接近機械人的外界物件。近距傳感器依照其運作原理，可分為磁敏（探測具磁性的物體）、電容（探測固體或液體）、超聲波和光學（透過發射脈衝並接收反射回機械人的訊號來探測物件）傳感器。

遠距傳感器

遠距傳感器可分為兩類：範圍檢測（Range sensing）傳感器量度機械人工作範圍內與其他物體的距離，通常應用於機械人巡邏、避開障礙物和彌補單目視覺（Monocular vision）機械人的視覺缺憾。範圍檢測傳感器共有兩種：飛行時間（Time-of-flight）傳感器會向目標發射脈衝，然後測量脈衝接觸到目標和返回傳感器所需的時間，聲納和激光測距器都屬這一類；而三角測量（Triangulation）傳感器，就根據簡單的三角數學方法（相信高中生也懂得固中原理），利用兩個感測器，得出兩個感測器之間的距離和每個感測器面向目標的視角（View angle），便可計算出目標與機械人本身的距離。

至於另一類遠距傳感器便是大家都擁有的視覺。機械人的視覺系統內最重要的感測元件，便是藏身於各類數碼拍攝器材和電腦掃描器的電荷耦合器件（Charged Coupled Device, CCD）。CCD會將收集得來的映像經過取樣及量化，轉換為電子訊號，然後交由微處理器進行前期處理、分段、描述、辨識、解譯等數位影像處理工序。但由於解像度降低、視差以及機械手臂造成視覺障礙等問題，令機械人視覺的可靠性受質疑。右圖: 裝有拍攝鏡頭的機械臂

http://www.ecampustoday.com.hk/robot.php?gsel=18&commonid=46