智能机器人技术胥升--19920112203658.doc

胥昇：智能机器人技术

智能机器人技术
胥昇
(厦门大学物理与机电工程学院 厦门 361005)

摘要：人类运用机械学、计算机、生物学、电力学等技术研究出了机器人。现在的大部分机器人，虽然具备一定程度的人工智能，却仍然不能摆脱固定行为模式，无法自主学习来达到与时俱进的目的。本文介绍了智能机器人的发展概况、机器人的感官系统、机器人运动系统及人工智能技术在机器人中的应用,智能机器人是一个在感知-思维-效应方面全面模拟人的机器系统。未来研究的机器人将以更高程度的人工智能为核心，是具有感知、思维和行动的智能机器人，它可以获取、处理和识别多种信息，自主完成较复杂的操作任务。
关键词：机器人 人工智能 仿生

Intelligent robot technology

XU Sheng
(college of physical & mechanical and electrical engineering, Xiamen university Xiamen 361005)

Abstract：Human use of mechanics, computer, biology, electricity and other technical research out of the robot.Now, most of the robot, although have a certain degree of artificial intelligence, but still can't get rid of fixed behavior patterns, unable to autonomous learning to achieve the purpose of advancing with The Times.This paper introduces the general situation of the development of intelligent robot, sensory systems of the robot, the robot motion system and the artificial intelligence technology in the application of robots, robot is a perception - thinking - effect of comprehensive simulation machine system.The future research of the robot will be a higher degree of artificial intelligence as the core, is a perception, thinking and action of the intelligent robot, it can get, a variety of information processing and recognition, more complex operation task independently.
Key words：Robot bionic artificial intelligence

0 前言
人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身,就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器的智能分为两个层次:①具有感觉、识别、理解和判断功能;②具有总结经验和学习的功能。所以,人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人。
1 人工智能与机器人有关的研究领域
1.1 理解自然语言
自然语言处理是人工智能早期研究领域之一。已经编写出能够从内部数据可问答用英语提出问题的程序，这些程序通过阅读文本材料和建立内部数据库，能够把句子从一种语言翻译为另一种语言梦之星用易于给出的指令和获取知识等。人类一直希望研制出一些可以替代人类活动的机器人（如机器人炊事员），而使机器人能够理解自然语言是之中的关键所在，只要理解了自然语言，就可以根据这些语言执行一些具体的活动。
人工智能在语言翻译与语音理解程序方面已经取得的成就，发展为人类自然语言处理的新概念。
1.2 机器学习
学习能力无疑是人工智能研究领域上最突出最重要的一个方面。人工这能在这方面的研究近年来取得了一些进展。学习是人工智能主要标志和获得知识的基本手段。机器学习是使计算机具有智能的根本途径。真如相克所说：“一台计算机若不能学习，就不能成为具有智能的。”此外机器学习还有助于发现人类学习的机理和解释人要的奥秘。所以这是一个始终得到重视，理论正在创立，方法日臻完善，但远未达到理想境地的研究领域。
显然，机器人领域智能化的提高必须在机器学习研究领域得到长足的发展的基础下才能完成。机器学习的能力正是机器人最大的瓶颈，一些技术难关始终无法攻破，最难的领域往往是最有前景的领域。
1.3 人工神经网络
由于冯诺伊曼体系结构的局限性，数字计算机存在一些尚无法解决的问题。人们一直在寻找新的信息处理机制，神经网络计算就是其中之一。
机器人除了上述的学习能力，神经网络对于他也是一个很大的瓶颈，怎样是高智能化的机器然想人一样去感知外界的各种信息始终是一个无法逾越的鸿沟。人工神经网络研究已经证明，用神经网络处理直觉和形象思维信息具有比传统处理方式好得多的效果。神经网络有着非常广阔的科学背景，是众多学科研究的综合成果。神经生理学家、心理学家与计算机科学加的共同研究得出结论是：人脑是一个功能强大、结构异常复杂的信息处理系统，其基础是神经元及其互联关系。因此，对人脑神经元和人工神经网络的研究，可能创造新一代人工智能机器—神经计算机。
1.4 机器人学
在人工智能的众多研究领域中，已经将机器人学单独作为一个分支进行研究，其中包括对操作机器人装置程序的研究。这个领域所研究的问题，从机器人手臂的最佳移动到实现机器人目标的动作序列的规划方法，无所不包。
机器人和机器人血的研究促进了许多人工智能思想的发展。他所导致的一些技术可用来模拟世界的状态，用来描述从一种世界状态转变为另一种世界状态的过程。它对于怎样产生动作序列的规划以及怎样监督这些规划的执行有了一种较好的理解。复杂的机器人控制问题迫使我们发展一些方法，现在抽象和忽略细节的高层进行规划，然后再逐步在细节越来越重要的地层层层进行规划。机器人已在各种工业、农业、商业、旅游业、空中和海洋以及国防领域获得越来越普遍的应用。
1.5 智能调度和智慧
确定最佳调度或组合问题是我们感兴趣的又一问题。这对于提高机器人工作效率有很大的帮助。在一些制造业机器人身上智能调度已经得到广泛应用，在一些探索机器人和军事机器人，智能调度就意味着机器人的生命。他可以最高提高机器人的实用寿命和探索的准确性。
2 智能机器人的感官系统
2.1 触觉传感器
英国近几年在阵列触觉传感方面开展了相当广泛的研究。例如:Sussex大学和Shack-leton系统驱动公司研制的基于运动的介电电容传感的阵列;由威尔士大学和软件科学公司研制的采用压强技术的装在机器人夹持器上的传感器。
2.2 视觉传感
在机器人视觉方面,目前市场上销售的有以下6类传感器:①隔开物体的二维视觉:双态成像;②隔开物体的二维视觉:灰度标成像;③触觉或叠加物体的二维视觉;④二维观察;⑤二维线跟踪;⑥使用透视、立体、结构图示或范围找寻技术从隔开物体中提取三维信息。在这类系统方面,它们只能做一些很简单的操作。例如:为了使机器人具有某种程度的人眼功能,已进行大量的研究工作并向如下两类系统发展:①从一维物体中提取三维信息;②活动机器人导航、探路和躲避障碍物的现场三维分析。伦敦大学目前正在研究一种双目视觉机器人的实时图像处理机。还有正在研究机器人视觉系统的教育机构有:考文垂工业大学、爱丁堡大学、格拉斯哥大学、格温特大学;而伯明翰大学则专门研究惯性传感器。另外,还有许多从事传感系统开发的单位,都进行了传感反馈研究。如米德尔塞克斯工业大学致力于使机器人能组织和使用来自不同类型传感器的数据。这种机器人能“看”、“感”和“听”,它更接近于人。
2.3 听觉传感
目前用的最多的是麦克风与机器人的自然语言理解系统。
2.4 运动性能
机器人通常是要在周围移动物体的,例如:机器人臂到轮子或脚的运载器已有许多结构在使用,此外还有许多其他型号在研究之中。为在空间任意点以任意方式操作一个物体,机器人臂需要有6个自由度:左/右、前/后、上/下、投、卷和左右摆转。在工业中使用的坐标已有6个:圆柱形、球形、笛卡尔坐标、旋转坐标、Scara type和并行坐标。在国际机器人市场上圆柱体坐标机器人现已有售;Unimate机器人系列为球形坐标系统,手臂可移进移出,绕其坐标移动,还可以做旋转的纵向移动。当前机器人臂的研制目标是通过现有系统的组合或利用完全不同的设计思想开发更灵活、更有适应能力的坐标系统。如伯明翰大学机械工程系研制的全交接左笛卡尔坐标系机器人Locoman,它是一种装配机器人。在该机器人上用控制设备来改进其刚性和精度。在控制装置方面,首先是完善从执行机构的元件中摄取信号以把这种信号传送给电子计算机(反馈)的装置;提高小型机械移动装置电动传感器的灵敏度、精确度和寿命;完善运动程序给定、贮存和计算及整个数字程序控制的元件;研制小型而又可靠的有感知装置,主要是动力机构和执行机构等等。在机器人的计算———逻辑装置和信息装置方面,首要问题是研制专业化的微处理机。
3 机器人的应用领域
3.1 工业机器人
制造工业机器人的目的主要在于消减人员编制和提高产品质量。与传统的机器相比他有两大优点：生产过程几乎完全自动化和生产设备高适应能力。现在工业机器人主要应用于汽车工业、机电工业、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其他重型工业和轻工业部门。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛合计牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。
3.2 服务机器人
服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义。不同国家对服务机器人的认识不同。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有意于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。这里，我们把其它一些贴近人们生活的机器人也列入其中。主要类型：护士助手、脑外科机器人、口腔修复机器人、进入血管的机器人、智能轮椅、爬缆索机器人、高楼擦窗和壁面清洗机器人等等。
3.3 军用机器人
是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机。军用机器人分为地面军用机器人、无人机、水下军用机器人（有人机器人和无人机器人）等。用于直接进行战斗任务，代替一线作战的士兵，减少了人员伤亡。用于侦察和观察任务，还用于工程保障、指挥控制等。研究出的机型多种多样，有固定防御机器人、奥戴提克斯I型步行机器人、阿尔威反坦克机器人、榴炮机器人、飞行助手机器人、海军战略家机器人等。可以说无人机和其他空间机器人都可能成为空间军用机器人。微型飞机用于填补军用微型和侦察机无法到达的盲区，为前线指挥 员提供小范围内的具体敌情。
3.4 仿人机器人
模仿人的形态和行为而设计制造的机器人。仿人型机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。仿人机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域得到广泛应用。仿人机器人要能够理解，适应环境，精确灵活地进行作业，高性能传感器的开发必不可少。传感器是机器人获得智能的重要手段，如何组合传感器摄取的信息，并有效地加以运用，是基于传感器控制的基础，也是实现机器人自治的先决条件。仿人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元，基本行走能力，整体运动，动态视觉等，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的思维和学习能力，与环境的交互，躯体结构和四肢运动，体系结构等方面进行更进一步的研究。
3.5 微型机器人
这种微型机器人只有苍蝇般大小，可以像昆虫那样成群活动，并在监管、微型制造以及医药等方面进行数据收集。这些机器人尽管只有不到4平方毫米大，却装有移动、通讯、收集数据所需的所有设备，它们甚至能通过太阳能电池板来产生自身活动所需的能量。
4 智能机器人的未来发展
智能机器人的开发研究取得了举世瞩目的成果。那么,未来智能机器人技术将如何发展呢?日本工业机器人协会对下一代机器人的发展进行了预测。提出智能机器人技术近期将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。下面我们简单介绍人工智能技术、操作器、移动技术、动力源和驱动器、仿生机构等。
4.1 操作器
工业机器人手臂的设计制造已趋于成熟,因此在智能机器人操作器方面的研究,人们的兴趣主要集中在各种具有柔性和灵巧性的手爪和手臂上。机器人手臂结构要适应智能机器人高速、重载、高精度和轻质的发展趋势。其中轻质化是关键。新型高刚度、抗震结构和材料是目前国外研究的前沿。机器人的手、腕以及连接机构是引人注目的研究课题。其中手腕机构的研究注重于快速、准确、灵活性、柔顺性和结构的紧凑性。与人协调作业关系密切的一类智能机器人如医用机器人、空间机器人、危险品处理机器人、打毛刺机器人等,它们都面临着如何快速、准确地把人的意志和人手的熟练操作传送到机器人执行机构的问题。目前,要让机器人作业一个小时,其软件编制需要60个小时,费时又费工。改善这种状况,需要从软件和硬件两方面着手。如多指多关节灵巧手是一种模拟人的通用手,它能比较逼真地记录和再现人手的熟练动作,受到研究者的青睐。由于它涉及到操作力学、结构学、基于传感器的控制、传感器融和等方面的问题,研制的难度很大,因此到目前为止,还没有一种成熟的产品投放市场。
4.2 移动技术
移动功能是智能机器人与工业机器人显著的区别之一。附加了移动功能之后,机器人的作业范围大幅度增加,从而使移动机器人的概念也从陆地拓展到水下和空中。近几年来,在欧美国家的机器人研究计划中,移动技术占有重要的位置。例如在NASA空间站FREEDOM上搭载的机器人、NASA和NSF共同开发的南极Erebus活火山探测机器人、美国环保局主持开发的核废料处理机器人HA7BOT中,移动技术都被列为关键技术。移动机构与面向作业任务的执行机构综合开发是最近出现的新的倾向。因为无论何种机器人都需要通过搭载的机械手或传感器来完成特定的作业功能。另一个倾向是移动的运动控制与视觉的结合日益密切。这种倾向在美国ALV项目中已初见端倪,最近则越过了静态图像识别的框框,进入主动视觉和主动传感的阶段。显然,智能机器人在非结构环境中自主移动,或在遥控条件下移动,视觉-传感器-驱动器的协调控制不可缺少。
最近几年,在步行机构,双足步行机,轮式移动机构的开发和实用化等方面都取得了一些进展。据日本工业机器人协会预测:管内移动机器人将在2007年可达到实用化;与人具有同样步行速度的多足步行机和双足步行机以及不平整地面行走和爬楼梯与人具有相同速度的移动机器人将在2010年可达到实用化。
4.3 动力源和驱动器
智能机器人的机动性要求动力源轻、小、出力大。而现有的移动机器人无一例外地拖着“辫子”。以动力源的重量/功率之比为例,目前电池约达到60g/W(连续使用小时),汽油机约为1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性。到目前为止,尚未见到改善动力源的有效办法。电机仍然是智能机器人的主要驱动器。要使智能机器人的作业能力与人相当,它的指、肘、肩、腕各关节大致需要3-300Nm的输出力矩和30-60r/min的输出转速。传统伺服电机的重量/功率之比约为30g/W,而人在百米跑和投掷垒球时腿、肩、臂的出力大约为1g/W,相差甚大。日本在改进电机的性能方面取得了长足的进步。例如:核工业机器人臂和腿的驱动电机的重量已减轻到原来的1/10,使机器人整体自重降低到700kg,但与它只能处理20kg重的工作相比,远非令人满意。人们寄希望于新驱动器,例如:人工肌肉、形状记忆合金、氢吸附合金、压电元件、挠性轴、钢丝绳集束传动等等。虽然各有诱人的优点,但在实用性方面还达不到伺服电机的水平。日本极限作业机器人计划中,水下机器人机械手的手腕和手爪驱动采用了人工肌肉,肌肉本身的重量才5-8g,以20kg/cm2压力的高压水为工作介质,收缩力高达50kg(管径3mm)。这是新型驱动器一个成功的例子。总之,智能机器人性能指标的改进是无止境的,对驱动器的要求也越来越高。什么是客观的衡量标准呢?一个容易接受的办法就是把它与人的体能加以比较。从这个角度来看,智能机器人驱动技术目前差距还相当大。
4.4 仿生机构
智能机器人的生命在创新,开展仿生机构的研究,可以从生体机构、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合,以及感知和认知等方面多层次得到启发。目前,以驱体为构件的蛇形移动机构、人工肌肉、仿象鼻柔性臂、人造关节、假肢、多肢体动物的运动协调等等受到人们的关注。仿生机构的自由度往往比较多,建立数学模型以及基于数学模型的控制比较复杂,借助传感器获取信息加以简化可能是一条出路。
近年来,机器人出现了一个倾向是面向特定功能和作业开发专用机器人,以追求高速、高效、单一化和低成本的目的。例如美国IBM公司设计的超高速小型机器人,以50次/s的速度频繁往复于相距数毫米的两点间,实现高密度微型电子器件装配,定位精度高达一微米。这种高速运动机构的动态平衡十分重要,虽然其工作区域只有13mm×13mm×1mm,但其加速度却高达50g。IBM公司的技术人员对机器人学提出了新的问题:如何进行机构-控制-传感-驱动的一体化设计,满足机械手高速高精度定位的要求。众所周知,机器人系统的设计程序是先设计臂结构和驱动装置,然后设计控制器。实践证明,这种设计即使能达到最佳的静力学性能,也往往不能满足动力学性能。到目前为止,改进动力学性能的方法并不多见,一般是按常识、减轻构件的重量,匹配减速器的速比等等。
大批研发机器人和普遍运用人工智能机器人, 聊天机器人，做菜机器人。迎宾机器人，服务机器人，娱乐机器人， 拉车机器人等等都已经出现并应用在不同的领域，机器人智能化成为一种发展趋势。
5结论
机器人是多学科交叉的产物，集成了运动学与动力学、机械设计与制造、计算机硬件与软件、控制与传感器、模式识别与人工智能等学科领域的先进理论与技术。同时，它又是一类典型的自动化机器，是专用自动机器、数控机器的延伸与发展。当前，社会需求和技术进步都对机器人向智能化发展提出了新的要求。
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