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浅谈智能机器人

供稿:中国工控网 2016/9/12 10:44:40

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  • 关键词: 智能机器人
  • 摘要:智能机器人是近年来比较热门的一个研究,涉及机械、电子、感应器、计算机、多媒体、网络技术等多种先进技术,还涉及反应式行为的感知和编程技术,以及多智能体群体之间的协调和控制等问题。特别是随着计算机技术的发展进步,使得机器人智能化程度逐步增强。


  引言

  到目前为止,在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素: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;三是思考要素,根据感觉要素所得到的信息,思考出采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。这些要素实质上就是相当于人的眼、鼻、耳等五官。它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传成器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。对运动要素来说,智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构,以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制,这种控制不仅要包括有位置控制,而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键,也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程,而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。智能机器人作为运用到多方面前沿知识的高科技领域,将在我们的生活中发挥越来越大的作用。

  1 关键技术

  智能机器人是近年来比较热门的一个研究,涉及机械、电子、感应器、计算机、多媒体、网络技术等多种先进技术,还涉及反应式行为的感知和编程技术,以及多智能体群体之间的协调和控制等问题。特别是随着计算机技术的发展进步,使得机器人智能化程度逐步增强。

  1.1 人工智能

  人工智能是智能机器人的核心技术。人工智能在计算机上实现时有2种不同的方式。一种是采用传统的编程技术:使系统呈现智能的效果,而不考虑所用方法是否与人或动物机体所用的方法相同。这种方法叫工程学方法(Engineeringapproach),它已在一些领域内作出了成果,如文字识别、电脑下棋等。另一种是模拟法(Modelingapproach)它不仅要看效果,还要求实现方法也和人类或生物机体所用的方法相同或相类似。本书介绍的遗传算法GenericAlgorithm,简称GA。和人工神经网络ArtificialNeuralNetwork,简称ANN均属后一类型。遗传算法模拟人类或生物的遗传-进化机制,人工神经网络则是模拟人类或动物大脑中神经细胞的活动方式。为了得到相同智能效果,两种方式通常都可使用。采用前一种方法,需要人工详细规定程序逻辑,如果游戏简单,还是方便的。如果游戏复杂,角色数量和活动空间增加,相应的逻辑就会很复杂,按指数式增长。人工编程就非常繁琐,容易出错。而一旦出错,就必须修改原程序,重新编译、调试,最后为用户提供一个新的版本或提供一个新补丁,非常麻烦。采用后一种方法时,编程者要为每一角色设计一个智能系统(一个模块)来进行控制。这个智能系统(模块)开始什么也不懂,就像初生婴儿那样,但它能够学习,能渐渐地适应环境,应付各种复杂情况。这种系统开始也常犯错误,但它能吸取教训,下一次运行时就可能改正,至少不会永远错下去,用不到发布新版本或打补丁。利用这种方法来实现人工智能,要求编程者具有生物学的思考方法,入门难度大一点。但一旦入了门,就可得到广泛应用。由于这种方法编程时无须对角色的活动规律做详细规定,应用于复杂问题,通常会比前一种方法更省力。

  1.2 传感器

  传感器在智能机器人中有着极其重要的作用,它用来作为机器人与外界沟通的关键技术。它是指那些被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能,并是指按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑,把通信系统比喻为传递信息的神经系统,那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。

  1.3 计算机

  智能机器人之所以能够智能,是与计算机的工作所分不开的。是用计算机模拟人的智能,特别是模拟思维活动。由于人的思维活动离不开语言,而且人对于某一类问题进行思索和探索解法时,总是需要以关于这一类问题的基本知识(专业知识或常识)作为出发点。于是,知识表示和机器对自然语言的理解就构成人工智能的两个重要领域。所谓知识表示,是指将原来用自然语言表示的知识转换成用符号语言表示的,从而可以储存在机器内供机器使用的知识。人工智能的研究角度有探索法的角度和算法的角度。通常所说的解题算法是指机械的和总是有结果的方法,而这里所说的算法却是广义的,包括那些机械的而在使用时不一定有结果的算法。这种方法时常称作半可判定的方法。人在解决问题时,时常采用探索法。这种方法具有试错法的性质,也就是说,试验若干条途径,一条路走不通时再试另一条,直到问题得到解决时为止。这便是计算机解决问题的典型办法。

  2 分类

  2.1按智能程度分类

  1)传感型机器人

  又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构。它具有利用传感信息(包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等)进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机,在外部计算机上具有智能处理单元,处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息,然后发出控制指令指挥机器人的动作。目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。

  2)交互型机器人

  机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话,实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能,能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能,但是还要受到外部的控制。

  3)自主型机器人

  在设计制作之后,机器人无需人的干预,能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块,可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性,自主性是指它可以在一定的环境中,不依赖任何外部控制,完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体,根据环境的变化,调节自身的参数,调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点,机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究,所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因此,许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。

  2.2 按用途分类

  在用途上,智能机器人与普通机器人在用途上有许多相似之处,但因其智能性使得它能做更复杂的工作,完成更高级的任务。

  1)工业智能机器人

  工业智能机器依据具体应用的不同,通常又可以分成焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人、码垛机器人、搬运机器人等多种类型。作为具有智能的工业机器人,他们在很多方面超越了传统机器人。焊接机器人,包括点焊(电阻焊)和电弧焊机器人,用途是实现自动的焊接作业。装配机器人,比较多地用于电子部件电器的装配。喷漆机器人,代替人进行喷漆作业。码垛、上下料、搬运机器人的功能则是根据一定的速度和精度要求,将物品从一处运到另一处。在工业生产中应用机器人,可以方便迅速地改变作业内容或方式,以满足生产要求的变化。比如,改变焊缝轨迹,改变喷漆位置,变更装配部件或位置等等。随着对工业生产线柔性的要求越来越高,对各种机器人的需求也就越来越强烈。

  2)农业智能机器人

  随着机器人技术的进步,以定型物、无机物为作业对象的工业机器人正在向更高层次的以动、植物之类复杂作业对象为目标的农业机器人发展,农业机器人或机器人化的农业机械的应用范围正在逐步扩大。农业机器人的应用不仅能够大大减轻以致代替的人们的生产劳动、解决劳动力不足的问题,而且可以提高劳动生产率,改善农业的生产环境,防止农药、化肥等对人体的伤害,提高作业质量。但由于农业机器人所面临的是非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和工作对象,所以与工业机器人相比,其研究开发的难度更大。农业机器人的研究开发目前主要集中耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面。日本是机器人普及最广泛的国家,目前已经有数千台机器人应用于农业领域。

  3)探索智能机器人

  机器人除了在工农业上广泛应用之外,还越来越多地用于极限探索,即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如在水下(海洋)、太空以及在放射性(有毒或高温等环境中进行作业。人类借助潜水器具潜人到深海之中探秘,已有很长的历史。然而,由于危险很大、费用极高,所以水下机器人就成了代替人在这一危险的环境中工作的最佳工具。空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人,包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人,到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。

  4)服务智能机器人

  机器人技术不仅在工农业生产、科学探索中得到了广泛应用,也逐渐渗透到人们的日常生活领域,服务机器人就是这类机器人的一个总称。尽管服务机器人的起步较晚,但应用前景十分广泛,目前主要应用在清洁、护理、执勤、救援、娱乐、和代替人对设备维护保养等场合。国际机器人联合会给服务机器人的一个初步定义是,一种以自主或半自主方式运行,能为人类的生活、康复提供服务的机器人,或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。

  2.3 按形态分类

  1)拟物智能机器人

  仿照各种各样的生物,日常使用物品,建筑物,交通工具等做出的机器人,采用非智能或智能的系统来方便人类生活的机器人。比如:机器宠物狗爱宝(Aibo),六脚机器昆虫,轮式、履带式机器人。

  2)仿人智能机器人

  模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人,一般分别或同时

  具有仿人的四肢和头部。机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状和功能,如步行机器人、写字机器人、奏乐机器人、玩具机器人等。而仿人机器人研究集机械,电子,计算机,材料,传感器,控制技术等多门科学于一体,代表着一个国家的高科技发展水平。

  3 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。

  3.1 人工智能技术在机器人中的应用

  把传统的人工智能的符号处理技术应用到机器人中存在哪些困难呢?一般的工业机器人的控制器,本质是一个数值计算系统。如若把人工智能系统(如专家系统)直接加到机器人控制器的顶层,能否得到一个很好的智能控制器?并不那么容易。因为符号处理与数值计算,在知识表示的抽象层次以及时间尺度上的重大差距,把两个系统直接结合起来,相互之间将存在通信和交互的问题,这就是组织智能控制系统的困难所在。这种困难表现在两个方面:一是传感器所获取的反馈信息通常是数量很大的数值信息,符号层一般很难直接使用这些信息,需要经过压缩、变换、理解后把它转变为符号表示,这往往是一件很困难而又耗费时间的事。而信息来自分布在不同地点和不同类型的多个传感器。从不同角度,以不同的测量方法得到不同的环境信息。这些信息受到干扰和各种非确定性因素的影响,难免存在畸变、信息不完整等缺陷,因此使上述的处理、变换更加复杂和困难。二是从符号层形成的命令和动作意图,要变成控制级可执行的指令(数据),也要经过分解、转换等过程,这也是困难和费时的工作。它们同样受到控制动作和环境的非确定性因素的影响。

  由于这些困难,要把人工智能系统与传统机器人控制器直接结合起来就很难建立实时性和适应性很好的系统。为了解决机器人的智能化,组成智能机器人系统,研究者们将面临许多困难且需要做长期努力,进行若干课题的研究。例如:高级思维活动应以什么方式的机器人系统来模仿,是采取传统的人工智能符号推理的方法,还是采用别的方法?需不需要环境模型,需要怎样的环境模型;怎样建立环境模型,传统的人工智能主要依据先验知识建立环境模型。由于环境和任务的复杂性,环境的不确定性,这种建模方式遇到了挑战,于是出现了依靠传感器建模的主张,这就引出一系列新的与传感技术有关的课题。

  人们为了探讨人工智能在机器人中近期的可用技术,暂时抛开人工智能中的各种带根本性的争论,如符号主义与连接主义、有推理和无推理智能等等,把着眼点放在人工智能技术中较成熟的技术上。对传统的人工智能来说,就是知识的符号表示和推理这部分技术,看一看它对当前的机器人技术的发展会有什么贡献。其主要贡献体现在以下几个方面:基于任务的传感技术,建立感知与动作的直接联系,基于传感器的规划和决策,复杂动作的协调等。

  3.2 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。

  3.3 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。

  3.4 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。

  3.5 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13mm13mm1mm,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。

  4 论述和讨论

  关于智能机器人,既然是项高科技的技术,便会有许多不同的声音,早在很早的科幻小说中便有了关于智能机器人和人类安全的讨论很著名的是科幻小说家阿西莫夫的机器人三定律一、机器人不得伤害人,也不得见人受到伤害而袖手旁观;二、机器人应服从人的一切命令,但不得违反第一定律;三、机器人应保护自身的安全,但不得违反第一、第二定律机器人学三大法则的提出。人们关心智能机器人既然有了智能,那是否会对人类产生敌对,甚至反抗人类,以及一些伦理问题,比如智能机器人的克隆问题等等。当然,这些问题的前提是机器人具有足够高的智能和智能机器人的足够普及,所以现在考虑还为时过早,但任何一项科技都应以不损害人类安全为第一位,所以智能机器人的发展必须要向着安全的方向。

  5 结束语

  智能机器人作为一种包含相当多学科知识的技术,几乎是伴随着人工智能所产生的,而智能机器人在当今社会变得越来越重要,越来越多的领域和岗位都需要智能机器人参与,这使得智能机器人的研究也越来越频繁。虽然我们现在仍很难在生活中见到智能机器人的影子,但在不久的将来,随着智能机器人技术的不断发展和成熟,随着众多科研人员的不懈努力,智能机器人必将走进千家万户,更好的服务人们的生活让人们的生活更加舒适和健康。

审核编辑(王静)
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