在匹兹堡卡内基 · 梅隆大学的机器人研究所，机器人专家拉尔夫 · 霍利斯（Ralph Hollis）正在设计新一代的机器人，其大小不超过咖啡杯，它们能在空气垫上浮动，并且可以在几乎小到可以安装在一张桌面上的生产流水线中操作自如。每个机器人集中做一项单—的工作，而且多达40个的一趴机器人配合起来，以闻所未闻的高精度装配电子产品。由于电子设备有一种特点，即它们更新的周期以周而不是以年计。因此，霍利斯正在设计他的机器人，以使未来的桌上工厂能在几小时内重新改装成生产另一种新产品的流水线。

惯用的机器人虽然是一种给人深刻印象的机器，但它们却有严重的缺点。由于往往要求它们装配几种部件，因此机器人都由有复杂的手状抓爪，能够应付各种不同的形状。这些抓爪安装在同样复杂的“手臂”上，它们必须长而且灵活，以便能伸进部件仓中，然后将组件带回到生产流水线上。“生产流水线上的机器人，可以在几乎所有的方向上移动，因为它们带有肩和肘接，”霍利斯说。

但是，这些能使机器人灵活自如地动作的接头，也产生了问题。没有一个接头会是完美无缺的，正如像一个滚珠绝不可能完全精确地适合它的轴承一样。这样就会限制它使臂定位的精确度。许多接头在一起就会使不定性增大。肩头的不精确性，会增加抓手、肘节或手指的偏差。随着接头的磨损，不免使误差进一步增大。“没有一个工程师知道如何才能校正这些误差"，霍利斯说。

当加工变得更加精细时，问题就会变得更加严重。霍利斯发现，愈来愈小以产品开始在高价值加工业中占优势。“但是，装配这些小组件的机器人，不能缩小的适合这种工作”。经常会看到用100公斤重的机器人来装配只有几克重的组件。“这样做是不行的，”霍利斯说。其结果是，从机器人生产线上生产出的10个电子元件中就有1个不符合质量标准。重新装配那些装配不当的产品，要花掉制造厂商成百万的美元。

因此，霍利斯提出，不再采用程序控制的机器人臂和它们有问题的肘节。“这样，我们就可以达到高精确度，而遇到的困难却要小得多，”他说。霍利斯未来的工厂将采用许多协同工作的简单机器人来取代少数几个复杂的机器人。这些简单机器人的大小只有目前在自动生产流水线上工作的机器人的1/10。“采用这种方法，我们就可望提高精确度约100倍。而缩小机器人的尺寸就可以使由它们构成的工厂的规模也缩小相应的倍数，”他说。

一年前，霍利斯和他在卡内基 · 梅隆大学的13人研究小组，发起了一项为期4年的计划，来验证这种构想。资金主要来自国家科学基金会的200万美元资助。研究小组的目标是建立一条有限的样板生产流水线。“我们将研制7或8种机器人，足以用来验证精确的程度，显示机器人之间的协调性，并且还要研制工厂设计和程控用软件，”他说。霍利斯希望在90年代末，能建成一座微型示范工厂，它能装配一种小而复杂的产品的一个部件，如象一种硬磁盘驱动器。

开始时，这种样板工厂将使用两种类型的机器人。第一种是传送机器人，它能够拿取和传送部件，并且将部分装配好的产品从桌面上的一处传送到另一处。桌面底下有一个由彼此间留有1毫米间隔的极细小的正方形细钢柱构成的小钢台。传送机器人可以置于一种空气垫上在小钢台上空浮动，并用一种安装在它上面的磁性推冲器对其进行操纵。这种过程所需之能源和空气，通过一根电缆供给，电缆也起一种与工厂范围内的互联网络的通信联络作用。这种互连网络可以使所有的机器人联系在一起。

第二种机器人，也是与网络联系在一起的，它是一种固定的操纵器，可以在一个部件仓和传送机器人之间旋转。操纵器只是简单地拾起一块组装件，并在携带着部分装配好的产品的传送机器人上方转动，然后将组装件放下安装在它应处的位置上。为了使误差减至最小，它只带有一个肘节。

每个部件放置在待装配产品上的精度，取决于传送机器人能够精确地将自己置于操纵器下面。因此，传送机器人必须准确地知道它在台面上所处的位置。霍利斯研究小组正在试验两种能做到这一点的方法。第一种方法是依靠一种内建磁性探测器，当它在装配台上滑动时能感知细金属柱。“机器人只要数这些细柱的数目，就像在公路上行驶时数防护柱的数目那样，”霍利斯说：“便可使它们在1毫米范围内监控它们自己所处的位置”。为了达到更精确的定位，机器人测量每根细钢柱之间的磁场强度如何变化，这样便可以使它们能在千分之一毫米范围内计算出它们所处的位置。

荧光分子法

第二种方法是将荧光材料嵌进细金属柱之间的环氧树脂中，形成一种光滑的表面。安装在传送机器人一种发光二极管可使材料分子发荧光。这种荧光通过机器人底部许多狭缝而被拾起。当装在机器人身上的计算机移动时，通过读出这些狭缝在细柱上方滑过时产生的光的图形，便可以计算出它的位置。“这些细柱全部地或部分地挡住，或者完全不能挡住这些狭缝”，霍利斯说，传说机器人可以利用这种光的图形来更精确地确定它的位置。

这两种技术中的任一种都能使机器人将自己定位在距预期达到的位置仅千分之一毫米的精度范围以内。霍利斯说：“这样的精度对制造加工业来说，完全是一种革命性的。”事实上，使用镊子和显微镜的技术人员才能接近达到这样高的精度。

每个机器人还有其他的任务：它必须对准部件，确定好自己的位置，并且与别的机器人建立联系。这些都不需要新的技术。“从概念上讲，它们是相当简单的，”霍利斯说：“但是，要求一种更精巧得多的工艺。”每种机器人都需要特别的设计，以使它们能抓住某一特定的部件或组件，保证实际上完全对准。为了保证它们能准确地抓住部件并使其精确定位，这些定制的机器人将采用流行的机器人观测系统。

当一个传送机器人移动时，它还不断抖动以同其他机器人“同伴”保持一定的距离。例如，当两个机器人发现它们自己在行进过程中处于相冲撞状态时，它们将利用信息网络进行协商，并决定谁有先行权。“这类操作问题可用一种中央调控方式加以处理，但他们并没有这样做”，霍利斯说 :“我们想避免会变得非常复杂的庞大的程序。”当一条生产线变得更加复杂，因而中央程控系统也不得不变得更加庞大时，这一点显得尤为重要。霍利斯正在研究一种样板装置，以使每个机器之间能通过彼此“协商”而作出决定。他把这种安排比作城市交通。“智能容纳在每辆汽车之中，而不是在主控制室，”他解释说，但是，道路也有它自己的规则，使驾驶员知道如何处理好彼此之间的关系'

虚拟冲突

研究小组近来正在通过采用一种能模拟47个正在装配一种有34种部件的假想产品的机器人的计算机模型，来处理这些问题。在这方面，还有一些问题有待解决。例如，当两个传送机器人已发生了冲突时，这种模型还没有显示出来。“目前，在我们的模型中，这些机器人还只是正常运作，彼此之间没有冲突发生，”霍利斯说。他还希望能够通过用一种鼠标进行对准和调谐，来对这些机器人重定线路，“我们也还不能做到这点，”他说。但他预计在下一年将会实现这些控制。

霍利斯正在开发的软件，在他对制造业的未来的想象中占有重要的地位。在未来的制造业中，装配式工厂将雨后春笋般涌现，它们可以按照市场需要的变化和产品设计的突然改变而进行重新组合和拆除。“产品的寿命周期现在以月或周来进行计算，”他指出：“为了适应竞争的需要，工厂应能够改变得像产品设计那么快。”设计者在建设工厂之前，将能够在计算机上对整个工厂进行模拟。生产厂家甚至不必拥有自己的机器人，而可以从专门的推销商那里租用。

霍利斯说，再过不到10年制造工程师就可以先确定一种产品设计，然后利用互联网络跟踪装配这些产品所需要的机器人。“这些机器人星星点点地分布在全国各地，在各种小贩的商品目录中均可查到，”他预言。工程师们将利用互联网络来识别哪一种机器人可以适合这种工作，并卸下（download）每个机器人的显示程序，然后对各种不同的机器人组件的相互作用进行模拟。这样做的结果，工程师们就可以挑选和调配出最有效的组合。

“小型工厂概念可以重塑民用电子工业经济”，霍利斯研究小组的一名研究人员克莱德（Marx Knyder）说。他举了一个计算机磁盘驱动器的例子，它每年的市场价值高达250亿美元。“尽管它的规模巨大而且增长迅速，但磁盘驱动器工业却遭到利润很低的困扰，因为这些企业不能足够快地改变它们的工艺流程来跟上不断变化的市场需要，”克莱德说。其他领域的情况也一样。据民用电子公司“卡西欧”计算，它的产品在退出生产之前只能典型地保持不到6个月的时间。

“为了这些原因，欧洲和美国的生产厂家对这种新概念表示出强烈的兴趣，”霍利斯说。他希望他们终究会对一种完整的示范工厂提供资助。“但是，更小的机器人并不一定意味着价格更便宜，”他提醒说 :“这些机器人虽然更简单，但我们所用的计算机台数却要加倍。”但是，他相信，因精确度提高节省下来的钱会证明这种投资的合理性。

有一个设计因子霍利斯和他的研究小组是不会改变的，即在构成工厂和使它们运转的工作中,人将继续发挥他们的重要作用。“我们提出的只不过是一种小型而简单的机器人组合，它们能帮助人很快地建成一种为特定目的而定做的工厂，”他说 :“但这并非是朝向无人生产流水线发展的第一步。因为人的智慧是无法被取代的。”

[New Scientist，1997年1月］