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智能机器人关键技术及其发展趋势
机器人是自动实施工作机器装置。它既能够接收人类指挥, 又能够运行预先编排程序, 也能够依据以人工智能技术制订标准纲领行动。按联合国家标准准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下定义, 即为: 一个可编程和多功效, 用来搬运材料、 零件、 工具操作机; 或是为了实施不一样任务而含有可用电脑改变和可编程动作专门系统。
而智能机器人有相当发达“大脑”。在脑中起作用是中央计算机, 这种计算机跟操作它人有直接联络。它给人最深刻印象是一个独特进行自我控制“活物”。其实, 这个自控“活物”关键器官并没有像真正人那样微妙而复杂。　到现在为止, 在世界范围内还没有一个统一智能机器人定义。大多数教授认为智能机器人最少要含有以下三个要素: 一是感觉要素, 用来认识周围环境状态; 二是运动要素, 对外界做出反应性动作; 三是思索要素, 依据感觉要素所得到信息, 思索出采取什么样动作。
智能机器人依据其智能程度不一样, 又可分为三种:
传感型机器人, 又称外部受控机器人。机器人本体上没有智能单元只有实施机构和感应机构, 它含有利用传感信息（包含视觉、 听觉、 触觉、 靠近觉、 力觉和红外、 超声及激光等）进行传感信息处理、 实现控制与操作能力。受控于外部计算机, 在外部计算机上含有智能处理单元, 处理由受控机器人采集多种信息以及机器人本身多种姿态和轨迹等信息, 然后发出控制指令指挥机器人动作。现在机器人世界杯小型组比赛使用机器人就属于这么类型。
交互型机器人, 机器人经过计算机系统与操作员或程序员进行人－机对话, 实现对机器人控制与操作。即使含有了部分处理和决议功效, 能够独立地实现部分诸如轨迹计划、 简单避障等功效, 不过还要受到外部控制。
自主型机器人, 在设计制作以后, 机器人无需人干预, 能够在多种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人本体上含有感知、 处理、 决议、 实施等模块, 能够就像一个自主人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯中型组比赛中使用机器人就属于这一类型。全自主移动机器人最关键特点在于它自主性和适应性, 自主性是指它能够在一定环境中, 不依靠任何外部控制, 完全自主地实施一定任务。适应性是指它能够实时识别和测量周围物体, 依据环境改变, 调整本身参数, 调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人一个关键特点, 机器人能够与人、 与外部环境以及与其她机器人之间进行信息交流。因为全自主移动机器人包含诸如驱动器控制、 传感器数据融合、 图像处理、 模式识别、 神经网络等很多方面研究, 所以能够综合反应一个国家在制造业和人工智能等方面水平。所以, 很多国家都非常重视全自主移动机器人研究。
下面就机器人控制技术以及列举多个常见机器人对目前智能机器人关键技术进行分析。
机器人控制系统是机器人大脑, 是决定机器人功效和性能关键原因。工业机器人控制技术关键任务就是控制工业机器人在工作空间中运动位置、 姿态和轨迹、 操作次序及动作时间等。含有编程简单、 软件菜单操作、 友好人机交互界面、 在线操作提醒和使用方便等特点。关键技术包含:
(1)开放性模块化控制系统体系结构: 采取分布式CPU计算机结构, 分为机器人控制器(RC), 运动控制器(MC), 光电隔离I/O控制板、 传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒经过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)主计算机完成机器人运动计划、 插补和位置伺服以及主控逻辑、 数字I/O、 传感器处理等功效, 而编程示教盒完成信息显示和按键输入。
(2)模块化层次化控制器软件系统: 软件系统建立在基于开源实时多任务操作系统Linux上, 采取分层和模块化结构设计, 以实现软件系统开放性。整个控制器软件系统分为三个层次: 硬件驱动层、 关键层和应用层。三个层次分别面对不一样功效需求, 对应不一样层次开发, 系统中各个层次内部由若干个功效相对对立模块组成, 这些功效模块相互协作共同实现该层次所提供功效。
(3)机器人故障诊疗与安全维护技术: 经过多种信息, 对机器人故障进行诊疗, 并进行对应维护, 是确保机器人安全性关键技术。
(4)网络化机器人控制器技术: 现在机器人应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展, 机器人控制器联网技术变得越来越关键。控制器上含有串口、 现场总线及以太网联网功效。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机通讯, 便于对机器人生产线进行监控、 诊疗和管理。
激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中, 经过高精度工业机器人实现愈加柔性激光加工作业。本系统经过示教盒进行在线操作, 也可经过离线方法进行编程。该系统经过对加工工件自动检测, 产生加工件模型, 继而生成加工曲线, 也能够利用CAD数据直接加工。可用于工件激光表面处理、 打孔、 焊接和模具修复等。其关键技术包含:
(1)激光加工机器人结构优化设计技术: 采取大范围框架式本体结构, 在增大作业范围同时, 确保机器人精度;
(2)机器人系统误差赔偿技术: 针对一体化加工机器人工作空间大, 精度高等要求, 并结合其结构特点, 采取非模型方法与基于模型方法相结合混合机器人赔偿方法, 完成了几何参数误差和非几何参数误差赔偿。
(3)高精度机器人检测技术: 将三坐标测量技术和机器人技术相结合, 实现了机器人高精度在线测量。
(4)激光加工机器人专用语言实现技术: 依据激光加工及机器人作业特点, 完成激光加工机器人专用语言。
(5)网络通讯和离线编程技术: 含有串口、 CAN等网络通讯功效, 实现对机器人生产线监控和管理; 并实现上位机对机器人离线编程控制。
真空机器人是一个在真空环境下工作机器人, 关键应用于半导体工业中, 实现晶圆在真空腔室内传输。真空机械手难进口、 受限制、 用量大、 通用性强, 其成为制约了半导体装备整机研发进度和整机产品竞争力关键部件。而且国外对中国买家严加审查, 归属于禁运产品目录, 真空机械手已成为严重制约中国半导体设备整机装备制造“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。其关键技术包含:
(1)真空机器人新构型设计技术: 经过结构分析和优化设计, 避开国际专利, 设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比要求;
(2)大间隙真空直驱电机技术: 包含大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、 结构设计、 制作工艺、 电机材料表面处理、 低速大转矩控制、 小型多轴驱动器等方面。
(3)真空环境下多轴精密轴系设计。采取轴在轴中设计方法, 减小轴之间不一样心以及惯量不对称问题。
(4)动态轨迹修正技术: 经过传感器信息和机器人运动信息融合, 检测出晶圆与手指之间基准位置之间偏移, 经过动态修正运动轨迹, 确保机器人正确地将晶圆从真空腔室中一个工位传送到另一个工位。
(5)符合SEMI标准真空机器人语言: 依据真空机器人搬运要求、 机器人作业特点及SEMI标准, 完成真空机器人专用语言。
(6)可靠性系统工程技术: 在IC制造中, 设备故障会带来巨大损失。依据半导体设备对MCBF高要求, 对各个部件可靠性进行测试、 评价和控制, 提升机械手各个部件可靠性, 从而确保机械手满足IC制造高要求。
以上部分都是部分当今机器人已经实现或者基础实现工业型机器人关键技术, 不过作为智能机器人最为关键、 关键技术——人工智能系统发展并未完善。
人工智能教授指出: 计算机不仅应该去做人类指定它做事, 还应该独自以最好方法去处理很多事情。计算机所取得全部信息原因被一个相互依靠复杂系统联络在一起。计算机比起逻辑推理来, 更常常地采取类比和判定方法, 它将这些要素进行归类、 合并和综合, 逐步地发展了自己“思维”能力。一个叫图灵研究者提出了人工智能测试方法: 假如人类猜不出计算机跟她谈话时将表述何种内容——不知道它要说什么, 那么, 这台计算机已经达成了人智能水平。她这一番高论曾经引发了轰动, 给学术界添了不少忙乱。为了排除计算机言语问题, 这么对话最好是利用电传机进行。对于很多控制教授来说, 为达成图灵所说水平, 进行了大量工作。数不清多种多样电子交谈者纷纷问世。不过, 伴随控制对话理论和实践发展, 机器人言语变得越来越能表示意思了。图灵测试法开始常常性地生效了。所以怎样智能水平才够称得上是真正“智能”机器人呢？这又成了摆在智能科学家面前一个新问题。
最终, 伴随伴随含有丰重利润职业通道打开, 大量劳动力受到吸引, 机器人技术在很多应用和行业系统中将发挥越来越关键作用。大致有下面多个趋势:
1、 传感型智能机器人发展较快
作为传感型机器人基础机器人传感技术有了新发展, 多种新型传感器不停出现, 比如, 超声波触觉传感器、 静电电容式距离传感器、 基于光纤陀螺惯性测量三维运动传感器, 以及含有工件检测、 识别和定位功效视觉系统等。多传感器集成与融合技术在智能机器人上取得应用。因为单一传感信号难以确保输入信息正确性和可靠性, 不能满足智能机器人系统获取环境信息主系统决议能力。采取多传感器集成和融合技术, 利用传感信息, 取得对环境正确了解, 使机器人系统含有容错性, 确保系统信息处理快速性和正确性。
2、 微型机器人研究有所突破
微型机器和微型机器人为二十一世纪尖端技术之一。已经开发出手指大小微型移动机器人, 可用于进入小型管道进行检验作业。估计将生产出毫米级大小微型移动机器人和直径为几百微米医疗机器人, 可让它们直接进入人体器官, 进行多种疾病诊疗和诊疗, 而不伤害人健康。微型驱动器是开发微型机器人基础和关键技术之一。它将对精密机械加工、 现代光学仪器、 超大规模集成电路、 现代生物工程、 遗传工程和医学工程产生关键影响。微型机器人在上述工程中将大有用武之地。在大中型机器人和微型机器人系列之间, 还有小型机器人。小型化也是机器人发展一个趋势。小型机器人移动灵活方便, 速度快, 精度高, 适应于进入大中型工件进行直接作业。
3、 应用领域向非制造业扩展
为了开拓机器人新市场, 除了提升机器人性能和功效, 以及研制智能机器人外, 向非制造业扩展也是一个关键方向。这些非制造业包含航天、 海洋、 军事、 建筑、 医疗护理、 服务、 农林、 采矿、 电力、 煤气、 供水、 下水道工程、 建筑物维护、 社会福利、 家庭自动化、 办公自动化和灾难救护等。智能机器人在非制造业部门含有与制造业部门一样宽广和诱人应用前景。
4、 行走机器人研究已经引发大家重视
现在运行绝大多数机器人是固定式, 它们只能固定在某一位置进行操作, 所以其应用范围和功效受到限制。多年来, 对移动机器人研究受到重视, 使机器人能够移动到固定式机器人无法抵达预定目标, 完成设定操作任务。行走机器人是移动机器人一个, 包含步行机器人(二足、 四足、 六足和八足)和爬行机器人等。自主式移动机器人是研究最多一个。自主机器人能够根据预先给出任务指令, 依据已知地图信息作出全局路径计划, 并在行进过程中, 不停感知周围局部环境信息, 自主地作出决议, 引导本身绕开障碍物, 安全行驶抵达指定目标, 并实施要求动作与操作。移动机器人在工业和国防上含有广泛应用前景, 如清洗机器人、 服务机器人、 巡查机器人、 防化侦察机器人、 水下自主作业机器人、 飞行机器人等。