智能機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用前景

智能機(jī)器人的開展與應(yīng)用前景陳昊1091101602摘要:機(jī)器人是一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。智能機(jī)器人那么是一個(gè)在感知-思維-效應(yīng)方面全面模擬人的機(jī)器系統(tǒng)，外形不一定像人。它是人工智能技術(shù)的綜合試驗(yàn)場(chǎng)，可以全面地考察人工智能各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，研究它們相互之間的關(guān)系。還可以在有害環(huán)境中代替人從事危險(xiǎn)工作、上天下海、戰(zhàn)場(chǎng)作業(yè)等方面大顯身手。關(guān)鍵詞:智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿生人工智能人們通常把機(jī)器人劃分為三代。第一代是可編程機(jī)器人。這種機(jī)器人一般可以根據(jù)操作人員所編的程序,完成一些簡(jiǎn)單的重復(fù)性操作。這一代機(jī)器人是從60年代后半葉開始投入實(shí)際使用的,目前在工業(yè)界已得到廣泛應(yīng)用。第二代是“感知機(jī)器人”,又叫做自適應(yīng)機(jī)器人,它在第一代機(jī)器人的根底上開展起來的,能夠具有不同程度的“感知”周圍環(huán)境的能力。這類利用感知信息以改善機(jī)器人性能的研究開始于70年代初期,到1982年,美國(guó)通用汽車公司為其裝配線上的機(jī)器人裝配了視覺系統(tǒng),宣告了感知機(jī)器人的誕生,在80年代得到了廣泛應(yīng)用。第三代機(jī)器人將具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制,它可以把感知和行動(dòng)智能化結(jié)合起來,因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè),稱之為智能機(jī)器人。智能機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的根本區(qū)別在于,智能機(jī)器人具有感知功能與識(shí)別、判斷及規(guī)劃功能。而感知本身,就是人類和動(dòng)物所具有的低級(jí)智能。因此機(jī)器的智能分為兩個(gè)層次:①具有感覺、識(shí)別、理解和判斷功能;②具有總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。所以,人們通常所說的第二代機(jī)器人可以看作是第一代智能機(jī)器人。1.智能機(jī)器人的感官系統(tǒng)(1)觸覺傳感器英國(guó)近幾年在陣列觸覺傳感方面開展了相當(dāng)廣泛的研究。例如:Sussex大學(xué)和Shack-leton系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)公司研制的基于運(yùn)動(dòng)的介電電容傳感的陣列;由威爾士大學(xué)和軟件科學(xué)公司研制的采用壓強(qiáng)技術(shù)的裝在機(jī)器人夾持器上的傳感器。(2)視覺傳感在機(jī)器人視覺方面,目前市場(chǎng)上銷售的有以下6類傳感器:①隔開物體的二維視覺:雙態(tài)成像;②隔開物體的二維視覺:灰度標(biāo)成像;③觸覺或疊加物體的二維視覺;④二維觀察;⑤二維線跟蹤;⑥使用透視、立體、結(jié)構(gòu)圖示或范圍找尋技術(shù)從隔開物體中提取三維信息。在這類系統(tǒng)方面,它們只能做一些很簡(jiǎn)單的操作。例如:為了使機(jī)器人具有某種程度的人眼功能,已進(jìn)行大量的研究工作并向如下兩類系統(tǒng)開展:①?gòu)囊痪S物體中提取三維信息;②活動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航、探路和躲避障礙物的現(xiàn)場(chǎng)三維分析。倫敦大學(xué)目前正在研究一種雙目視覺機(jī)器人的實(shí)時(shí)圖像處理機(jī)。還有正在研究機(jī)器人視覺系統(tǒng)的教育機(jī)構(gòu)有:考文垂工業(yè)大學(xué)、愛丁堡大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)、格溫特大學(xué);而伯明翰大學(xué)那么專門研究慣性傳感器。另外,還有許多從事傳感系統(tǒng)開發(fā)的單位,都進(jìn)行了傳感反應(yīng)研究。如米德爾塞克斯工業(yè)大學(xué)致力于使機(jī)器人能組織和使用來自不同類型傳感器的數(shù)據(jù)。這種機(jī)器人能“看”、“感”和“聽”,它更接近于人。(3)運(yùn)動(dòng)性能機(jī)器人通常是要在周圍移動(dòng)物體的,例如:機(jī)器人臂到輪子或腳的運(yùn)載器已有許多結(jié)構(gòu)在使用,此外還有許多其他型號(hào)在研究之中。為在空間任意點(diǎn)以任意方式操作一個(gè)物體,機(jī)器人臂需要有6個(gè)自由度:左/右、前/后、上/下、投、卷和左右擺轉(zhuǎn)。在工業(yè)中使用的坐標(biāo)已有6個(gè):圓柱形、球形、笛卡爾坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)、Scaratype和并行坐標(biāo)。在國(guó)際機(jī)器人市場(chǎng)上圓柱體坐標(biāo)機(jī)器人現(xiàn)已有售;Unimate機(jī)器人系列為球形坐標(biāo)系統(tǒng),手臂可移進(jìn)移出,繞其坐標(biāo)移動(dòng),還可以做旋轉(zhuǎn)的縱向移動(dòng)。當(dāng)前機(jī)器人臂的研制目標(biāo)是通過現(xiàn)有系統(tǒng)的組合或利用完全不同的設(shè)計(jì)思想開發(fā)更靈活、更有適應(yīng)能力的坐標(biāo)系統(tǒng)。如伯明翰大學(xué)機(jī)械工程系研制的全交接左笛卡爾坐標(biāo)系機(jī)器人Locoman,它是一種裝配機(jī)器人。在該機(jī)器人上用控制設(shè)備來改良其剛性和精度。在控制裝置方面,首先是完善從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的元件中攝取信號(hào)以把這種信號(hào)傳送給電子計(jì)算機(jī)(反應(yīng))的裝置;提高小型機(jī)械移動(dòng)裝置電動(dòng)傳感器的靈敏度、精確度和壽命;完善運(yùn)動(dòng)程序給定、貯存和計(jì)算及整個(gè)數(shù)字程序控制的元件;研制小型而又可靠的有感知裝置,主要是動(dòng)力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等等。在機(jī)器人的計(jì)算———邏輯裝置和信息裝置方面,首要問題是研制專業(yè)化的微處理機(jī)。日本新型跑步機(jī)器人2.智能機(jī)器人的未來開展智能機(jī)器人的開發(fā)研究取得了舉世矚目的成果。那么,未來智能機(jī)器人技術(shù)將如何開展呢?日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)對(duì)下一代機(jī)器人的開展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。提出智能機(jī)器人技術(shù)近期將沿著自主性、智能通信和適應(yīng)性三個(gè)方向開展。下面我們簡(jiǎn)單介紹人工智能技術(shù)、操作器、移動(dòng)技術(shù)、動(dòng)力源和驅(qū)動(dòng)器、仿生機(jī)構(gòu)等。(1)人工智能技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用把傳統(tǒng)的人工智能的符號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人中存在哪些困難呢?一般的工業(yè)機(jī)器人的控制器,本質(zhì)是一個(gè)數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)。如假設(shè)把人工智能系統(tǒng)(如專家系統(tǒng))直接加到機(jī)器人控制器的頂層,能否得到一個(gè)很好的智能控制器?并不那么容易。因?yàn)榉?hào)處理與數(shù)值計(jì)算,在知識(shí)表示的抽象層次以及時(shí)間尺度上的重大差距,把兩個(gè)系統(tǒng)直接結(jié)合起來,相互之間將存在通信和交互的問題,這就是組織智能控制系統(tǒng)的困難所在。這種困難表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是傳感器所獲取的反應(yīng)信息通常是數(shù)量很大的數(shù)值信息,符號(hào)層一般很難直接使用這些信息,需要經(jīng)過壓縮、變換、理解后把它轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)表示,這往往是一件很困難而又消耗時(shí)間的事。而信息來自分布在不同地點(diǎn)和不同類型的多個(gè)傳感器。從不同角度,以不同的測(cè)量方法得到不同的環(huán)境信息。這些信息受到干擾和各種非確定性因素的影響,難免存在畸變、信息不完整等缺陷,因此使上述的處理、變換更加復(fù)雜和困難。二是從符號(hào)層形成的命令和動(dòng)作意圖,要變成控制級(jí)可執(zhí)行的指令(數(shù)據(jù)),也要經(jīng)過分解、轉(zhuǎn)換等過程,這也是困難和費(fèi)時(shí)的工作。它們同樣受到控制動(dòng)作和環(huán)境的非確定性因素的影響。(2)操作器工業(yè)機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)制造已趨于成熟,因此在智能機(jī)器人操作器方面的研究,人們的興趣主要集中在各種具有柔性和靈巧性的手爪和手臂上。機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)要適應(yīng)智能機(jī)器人高速、重載、高精度和輕質(zhì)的開展趨勢(shì)。其中輕質(zhì)化是關(guān)鍵。新型高剛度、抗震結(jié)構(gòu)和材料是目前國(guó)外研究的前沿。機(jī)器人的手、腕以及連接機(jī)構(gòu)是引人注目的研究課題。其中手腕機(jī)構(gòu)的研究注重于快速、準(zhǔn)確、靈活性、柔順性和結(jié)構(gòu)的緊湊性。與人協(xié)調(diào)作業(yè)關(guān)系密切的一類智能機(jī)器人如醫(yī)用機(jī)器人、空間機(jī)器人、危險(xiǎn)品處理機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人等,它們都面臨著如何快速、準(zhǔn)確地把人的意志和人手的熟練操作傳送到機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的問題。目前,要讓機(jī)器人作業(yè)一個(gè)小時(shí),其軟件編制需要60個(gè)小時(shí),費(fèi)時(shí)又費(fèi)工。改善這種狀況,需要從軟件和硬件兩方面著手。如多指多關(guān)節(jié)靈巧手是一種模擬人的通用手,它能比擬逼真地記錄和再現(xiàn)人手的熟練動(dòng)作,受到研究者的青睞。由于它涉及到操作力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、基于傳感器的控制、傳感器融和等方面的問題,研制的難度很大,因此到目前為止,還沒有一種成熟的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手(3)動(dòng)力源和驅(qū)動(dòng)器智能機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性要求動(dòng)力源輕、小、出力大。而現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人無一例外地拖著“辮子”。以動(dòng)力源的重量/功率之比為例,目前電池約到達(dá)60g/W(連續(xù)使用小時(shí)),汽油機(jī)約為1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性。到目前為止,尚未見到改善動(dòng)力源的有效方法。電機(jī)仍然是智能機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。要使智能機(jī)器人的作業(yè)能力與人相當(dāng),它的指、肘、肩、腕各關(guān)節(jié)大致需要3-300Nm的輸出力矩和30-60r/min的輸出轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)伺服電機(jī)的重量/功率之比約為30g/W,而人在百米跑和投擲壘球時(shí)腿、肩、臂的出力大約為1g/W,相差甚大。日本在改良電機(jī)的性能方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如:核工業(yè)機(jī)器人臂和腿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量已減輕到原來的1/10,使機(jī)器人整體自重降低到700kg,但與它只能處理20kg重的工作相比,遠(yuǎn)非令人滿意。人們寄希望于新驅(qū)動(dòng)器,例如:人工肌肉、形狀記憶合金、氫吸附合金、壓電元件、撓性軸、鋼絲繩集束傳動(dòng)等等。雖然各有誘人的優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)用性方面還達(dá)不到伺服電機(jī)的水平。日本極限作業(yè)機(jī)器人方案中,水下機(jī)器人機(jī)械手的手腕和手爪驅(qū)動(dòng)采用了人工肌肉,肌肉本身的重量才5-8g,以20kg/cm2壓力的高壓水為工作介質(zhì),收縮力高達(dá)50kg(管徑3mm)。這是新型驅(qū)動(dòng)器一個(gè)成功的例子?？傊?智能機(jī)器人性能指標(biāo)的改良是無止境的,對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求也越來越高。什么是客觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)呢?一個(gè)容易接受的方法就是把它與人的體能加以比擬。從這個(gè)來看,智能機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前差距還相當(dāng)大。焊接機(jī)器人(4)仿生機(jī)構(gòu)智能機(jī)器人的生命在創(chuàng)新,開展仿生機(jī)構(gòu)的研究,可以從生體機(jī)構(gòu)、移動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)機(jī)理、能量分配、信息處理與綜合,以及感知和認(rèn)知等方面多層次得到啟發(fā)。目前,以驅(qū)體為構(gòu)件的蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)、人工肌肉、仿象鼻柔性臂、人造關(guān)節(jié)、假肢、多肢體動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)等等受到人們的關(guān)注。仿生機(jī)構(gòu)的自由度往往比擬多,建立數(shù)學(xué)模型以及基于數(shù)學(xué)模型的控制比擬復(fù)雜,借助傳感器獲取信息加以簡(jiǎn)化可能是一條出路。近年來,機(jī)器人出現(xiàn)了一個(gè)傾向是面向特定功能和作業(yè)開發(fā)專用機(jī)器人,以追求高速、高效、單一化和低本錢的目的。例如美國(guó)IBM公司設(shè)計(jì)的超高速小型機(jī)器人,以50次/s的速度頻繁往復(fù)于相距數(shù)毫米的兩點(diǎn)間,實(shí)現(xiàn)高密度微型電子器件裝配,定位精度高達(dá)一微米。這種高速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡十分重要,雖然其工作區(qū)域只有13mm×13mm×1mm,但其加速度卻高達(dá)50g。IBM公司的技術(shù)人員對(duì)機(jī)器人學(xué)提出了新的問題:如何進(jìn)行機(jī)構(gòu)-控制-傳感-驅(qū)動(dòng)的一體化設(shè)計(jì),滿足機(jī)械手高速高精度定位的要求。眾所周知,機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序是先設(shè)計(jì)臂結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置,然后設(shè)計(jì)控制器。實(shí)踐證明,這種設(shè)計(jì)即使能到達(dá)最正確的靜力學(xué)性能,也往往不能滿足動(dòng)力學(xué)性能。仿生機(jī)器人電子狗3.結(jié)論機(jī)器人是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，集成了運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)硬件與軟件、控制與傳感器、模式識(shí)別與人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)理論與技術(shù)。同時(shí)，它又是一類典型的自動(dòng)化機(jī)器，是專用自動(dòng)機(jī)器、數(shù)控機(jī)器的延伸與開展。當(dāng)前，社會(huì)需求和技術(shù)進(jìn)步都對(duì)機(jī)器人向智能化開展提出了新的要求?！?〕自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展對(duì)智能機(jī)器人及系統(tǒng)提出了新的需求。〔2〕信息技術(shù)與機(jī)器人的互動(dòng)開展