本文介紹了智能機(jī)器人的發(fā)展概況、機(jī)器人的感官系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及人工智能技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用,智能機(jī)器人是一個(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,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)場作業(yè)等方面大顯身手。

［關(guān)鍵詞］：智能機(jī)器人;感官;仿生;人工智能

1.引言

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)器人的基礎(chǔ)上發(fā)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)物所具有的低級智能。因此機(jī)器的智能分為兩個(gè)層次:①具有感覺、識別、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。

2.智能機(jī)器人的感官系統(tǒng)

(1)觸覺傳感器

英國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)發(fā)展:①從一維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)則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)行了傳感反饋研究。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)聽覺傳感

目前用的最多的是麥克風(fēng)與機(jī)器人的自然語言理解系統(tǒng)。

(4)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)、Scara type和并行坐標(biāo)。在國際機(jī)器人市場上圓柱體坐標(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)備來改進(jìn)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)的元件中攝取信號以把這種信號傳送給電子計(jì)算機(jī)(反饋)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)。

3.智能機(jī)器人的未來發(fā)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)將如何發(fā)展呢?日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會對下一代機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測。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)方向發(fā)展。下面我們簡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)。如若把人工智能系統(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柼幚砼c數(shù)值計(jì)算,在知識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饋信息通常是數(shù)量很大的數(shù)值信息,符號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柋硎?這往往是一件很困難而又耗費(fèi)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。二是從符號層形成的命令和動(dòng)作意圖,要變成控制級可執(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。

由于這些困難,要把人工智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)器人控制器直接結(jié)合起來就很難建立實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性很好的系統(tǒng)。為了解決機(jī)器人的智能化,組成智能機(jī)器人系統(tǒng),研究者們將面臨許多困難且需要做長期努力,進(jìn)行若干課題的研究。例如:高級思維活動(dòng)應(yīng)以什么方式的機(jī)器人系統(tǒng)來模仿,是采取傳統(tǒng)的人工智能符號推理的方法,還是采用別的方法?需不需要環(huán)境模型,需要怎樣的環(huán)境模型;怎樣建立環(huán)境模型,傳統(tǒng)的人工智能主要依據(jù)先驗(yàn)知識建立環(huán)境模型。由于環(huán)境和任務(wù)的復(fù)雜性,環(huán)境的不確定性,這種建模方式遇到了挑戰(zhàn),于是出現(xiàn)了依靠傳感器建模的主張,這就引出一系列新的與傳感技術(shù)有關(guān)的課題。

人們?yōu)榱颂接懭斯ぶ悄茉跈C(jī)器人中近期的可用技術(shù),暫時(shí)拋開人工智能中的各種帶根本性的爭論,如符號主義與連接主義、有推理和無推理智能等等,把著眼點(diǎn)放在人工智能技術(shù)中較成熟的技術(shù)上。對傳統(tǒng)的人工智能來說,就是知識的符號表示和推理這部分技術(shù),看一看它對當(dāng)前的機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展會有什么貢獻(xiàn)。其主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:基于任務(wù)的傳感技術(shù),建立感知與動(dòng)作的直接聯(lián)系,基于傳感器的規(guī)劃和決策,復(fù)雜動(dòng)作的協(xié)調(diào)等。

(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)的發(fā)展趨勢。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,它能比較逼真地記錄和再現(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。

(3)移動(dòng)技術(shù)

移動(dòng)功能是智能機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人顯著的區(qū)別之一。附加了移動(dòng)功能之后,機(jī)器人的作業(yè)范圍大幅度增加,從而使移動(dòng)機(jī)器人的概念也從陸地拓展到水下和空中。近幾年來,在歐美國家的機(jī)器人研究計(jì)劃中,移動(dòng)技術(shù)占有重要的位置。例如在NASA空間站FREEDOM上搭載的機(jī)器人、NASA和NSF共同開發(fā)的南極Erebus活火山探測機(jī)器人、美國環(huán)保局主持開發(fā)的核廢料處理機(jī)器人HA7BOT中,移動(dòng)技術(shù)都被列為關(guān)鍵技術(shù)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)與面向作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)綜合開發(fā)是最近出現(xiàn)的新的傾向。因?yàn)闊o論何種機(jī)器人都需要通過搭載的機(jī)械手或傳感器來完成特定的作業(yè)功能。另一個(gè)傾向是移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制與視覺的結(jié)合日益密切。這種傾向在美國ALV項(xiàng)目中已初見端倪,最近則越過了靜態(tài)圖像識別的框框,進(jìn)入主動(dòng)視覺和主動(dòng)傳感的階段。顯然,智能機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中自主移動(dòng),或在遙控條件下移動(dòng),視覺-傳感器-驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)控制不可缺少。

最近幾年,在步行機(jī)構(gòu),雙足步行機(jī),輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的開發(fā)和實(shí)用化等方面都取得了一些進(jìn)展。據(jù)日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會預(yù)測:管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人將在2007年可達(dá)到實(shí)用化;與人具有同樣步行速度的多足步行機(jī)和雙足步行機(jī)以及不平整地面行走和爬樓梯與人具有相同速度的移動(dòng)機(jī)器人將在2010年可達(dá)到實(shí)用化。

(4)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,目前電池約達(dá)到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)力源的有效辦法。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。日本在改進(jìn)電機(jī)的性能方面取得了長足的進(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)器人計(jì)劃中,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)的改進(jìn)是無止境的,對驅(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)容易接受的辦法就是把它與人的體能加以比較。從這個(gè)角度來看,智能機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前差距還相當(dāng)大。

(5)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)的自由度往往比較多,建立數(shù)學(xué)模型以及基于數(shù)學(xué)模型的控制比較復(fù)雜,借助傳感器獲取信息加以簡化可能是一條出路。

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、單一化和低成本的目的。例如美國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)即使能達(dá)到最佳的靜力學(xué)性能,也往往不能滿足動(dòng)力學(xué)性能。到目前為止,改進(jìn)動(dòng)力學(xué)性能的方法并不多見,一般是按常識、減輕構(gòu)件的重量,匹配減速器的速比等等。

大批研發(fā)機(jī)器人和普遍運(yùn)用人工智能機(jī)器人, 聊天機(jī)器人，做菜機(jī)器人。迎賓機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人，娛樂機(jī)器人， 拉車機(jī)器人等等都已經(jīng)出現(xiàn)并應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，機(jī)器人智能化成為一種發(fā)展趨勢。

4.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)器的延伸與發(fā)展。當(dāng)前，社會需求和技術(shù)進(jìn)步都對機(jī)器人向智能化發(fā)展提出了新的要求。

（1）自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展對智能機(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)發(fā)展提升了機(jī)器人的高技術(shù)含量。 

（3）圍繞機(jī)器人的概念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新是國際科技競爭的重要方面 

（4）機(jī)器人是自動(dòng)化領(lǐng)域中富有代表性和生命力的亮點(diǎn)