機器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機器人在當(dāng)前生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛,正在替代人發(fā)揮著日益重要的作用。隨著計算機、微電子、信息技術(shù)的快速進步,機器人技術(shù)的開發(fā)速度越來越快,智能度越來越高,應(yīng)用范圍也得到了極大的擴展。在海洋開發(fā)、宇宙探測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域,機器人都有著廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。機器人正朝著智能化和多樣化等方向發(fā)展。

一、智能機器人的定義

智能機器人之所以叫智能機器人,這是因為它有相當(dāng)發(fā)達的“大腦”。在腦中起作用的是中央處理器,這種計算機跟操作它的人有直接的聯(lián)系。最主要的是,這樣的計算機可以進行按目的安排的動作。正因為這樣,我們才說這種機器人才是真正的機器人,盡管它們的外表可能有所不同。

廣泛意義上理解所謂的智能機器人,它給人的最深刻的印象是一個獨特的進行自我控制的“活物”。其實,這個自控“活物”的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器,如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外,它還有效應(yīng)器,作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉,或稱自整步電動機,它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。

二、智能機器人要具備的主要要素

1、是感覺要素,用來認識周圍環(huán)境狀態(tài);感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實質(zhì)上就是相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官,它們的功能可以利用諸如攝像機、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關(guān)等機電元器件來實現(xiàn)。

2、是運動要素,對外界做出反應(yīng)性動作;對運動要素來說,智能機器人需要有一個無軌道型的移動機構(gòu),以適應(yīng)諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構(gòu)來完成。在運動過程中要對移動機構(gòu)進行實時控制,這種控制不僅要包括有位置控制,而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等

3、是思考要素,根據(jù)感覺要素所得到的信息,思考出采用什么樣的動作。智能機器人的思考要素是三個要素中的關(guān)鍵,也是人們要賦予機器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質(zhì)上是一個信息處理過程,而計算機則是完成這個處理過程的主要手段。

三、智能機器人關(guān)鍵技術(shù)

1、多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)是近年來十分熱門的研究課題,它與控制理論、信號處理、人工智能、概率和統(tǒng)計相結(jié)合,為機器人在各種復(fù)雜、動態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了一種技術(shù)解決途徑。

2、導(dǎo)航與定位

在機器人系統(tǒng)中,自主導(dǎo)航是一項核心技術(shù),是機器人研究領(lǐng)域的重點和難點問題。

3、路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準(zhǔn)則(如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等),在機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。

4、機器人視覺

視覺系統(tǒng)是自主機器人的重要組成部分,一般由攝像機、圖像采集卡和計算機組成。機器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示,核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識。

5、智能控制

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,對于無法精確解析建模的物理對象以及信息不足的病態(tài)過程,傳統(tǒng)控制理論暴露出缺點,近年來許多學(xué)者提出了各種不同的機器人智能控制系統(tǒng)。

6、人機接口技術(shù)

智能機器人的研究目標(biāo)并不是完全取代人,復(fù)雜的智能機器人系統(tǒng)僅僅依靠計算機來控制目前是有一定困難的,即使可以做到,也由于缺乏對環(huán)境的適應(yīng)能力而并不實用。智能機器人系統(tǒng)還不能完全排斥人的作用,而是需要借助人機協(xié)調(diào)來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。因此,設(shè)計良好的人機接口就成為智能機器人研究的重點問題之一。

四、智能機器人的主要分類

1、按功能分類

(1)傳感型機器人

也外部受控機器人。機器人的本體上沒有智能單元只有執(zhí)行機構(gòu)和感應(yīng)機構(gòu),它具有利用傳感信息(包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等)進行傳感信息處理、實現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外部計算機,目前機器人世界杯的小型組比賽使用的機器人就屬于這樣的類型。

(2)自主型機器人

在設(shè)計制作之后,機器人無需人的干預(yù),能夠在各種環(huán)境下自動完成各項擬人任務(wù)。自主型機器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊,可以就像一個自主的人一樣獨立地活動和處理問題。許多國家都非常重視全自主移動機器人的研究。智能機器人的研究從60年代初開始,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前,基于感覺控制的智能機器人(又稱第二代機器人)已達到實際應(yīng)用階段,基于知識控制的智能機器人(又稱自主機器人或下一代機器人)也取得較大進展,已研制出多種樣機。

(3)交互型機器人

機器人通過計算機系統(tǒng)與操作員或程序員進行人-機對話,實現(xiàn)對機器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能,能夠獨立地實現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能,但是還要受到外部的控制。

2、按智能程度分類

(1)工業(yè)機器人

只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作,不管外界條件有何變化,自己都不能對程序也就是對所做的工作作相應(yīng)的調(diào)整。如果要改變機器人所做的工作,必須由人對程序作相應(yīng)的改變,因此它是毫無智能的。

(2)初級智能機器人

具有象人那樣的感受,識別,推理和判斷能力。可以根據(jù)外界條件的變化,在一定范圍內(nèi)自行修改程序,也就是它能適應(yīng)外界條件變化對自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整。不過,修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定,這種初級智能機器人已擁有一定的智能。

(3)高級智能機器人

具有感覺,識別,推理和判斷能力,同樣可以根據(jù)外界條件的變化,在一定范圍內(nèi)自行修改程序。所不同的是,修改程序的原則不是由人規(guī)定的,而是機器人自己通過學(xué)習(xí),總結(jié)經(jīng)驗來獲得修改程序的原則。所以它的智能高出初能智能機器人。這種機器人已擁有一定的自動規(guī)劃能力,能夠自己安排自己的工作。這種機器人可以不要人的照料,完全獨立的工作,故稱為高級自律機器人。這種機器人也開始走向?qū)嵱谩?/p>

五、當(dāng)今智能機器人的主要類型

1、工業(yè)生產(chǎn)型機器人

現(xiàn)階段,“機器換人”觀念已經(jīng)越來越多的獲得生產(chǎn)、加工型企業(yè)的青睞,工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)工成,是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動,而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置,既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物,它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備,也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。

2、日本擬在特殊災(zāi)害現(xiàn)場使用機器人

該技術(shù)主要針對核電站事故、NBC(核、生物、化學(xué))恐怖襲擊等情況。遠程操控機器人裝有輪帶,可以跨過瓦礫測定現(xiàn)場周圍的輻射量、細菌、化學(xué)物質(zhì)、有毒氣體等狀況并將數(shù)據(jù)傳給指揮中心。指揮者可以根據(jù)數(shù)據(jù)選擇污染較少的進入路線?，F(xiàn)場人員將攜帶測定輻射量、呼吸、心跳、體溫等數(shù)據(jù)的機器開展活動。這些數(shù)據(jù)將即時傳到指揮中心,一旦發(fā)現(xiàn)有中暑危險或測定精神壓力、發(fā)現(xiàn)危險性較高時可立刻指揮撤退。

3、醫(yī)用膠囊內(nèi)鏡機器人

外形與普通膠囊無異的“膠囊內(nèi)鏡機器人”,由上海安翰醫(yī)療技術(shù)有限公司和安翰光電技術(shù)(武漢)有限公司研發(fā),采用了國際首創(chuàng)的遙控膠囊內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)。通過這個系統(tǒng),醫(yī)生可以通過軟件來控制膠囊機器人在胃內(nèi)的運動,改變膠囊姿態(tài),按照需要的角度對病灶重點拍攝照片,從而達到全面觀察胃黏膜并做出診斷的目的。在這個過程中,圖像被無線傳輸至便攜記錄器,數(shù)據(jù)導(dǎo)出后,還可繼續(xù)回放以提高診斷的準(zhǔn)確率。這與傳統(tǒng)胃鏡相比,具有數(shù)據(jù)采集更加精確、完全無痛苦、一次性使用無交叉感染等優(yōu)勢。截至目前,共有321位患者志愿同意并參與磁控膠囊內(nèi)鏡臨床研究。通過對研究結(jié)果的初步分析,證明了遙控膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)使用安全,診斷準(zhǔn)確率達到92.8%,這對提高百姓消化道健康檢查和消化道早期疾病發(fā)現(xiàn)比例,降低惡性消化道疾病的晚期發(fā)病率具有重要意義。

4、達芬奇高清晰三維成像機器人

“達芬奇”機器人全稱為達芬奇高清晰三維成像機器人手術(shù)系統(tǒng)。達芬奇手術(shù)機器人是目前世界范圍應(yīng)用廣泛的最先進的微創(chuàng)外科手術(shù)系統(tǒng),適合普外科、泌尿外科、心血管外科、胸外科、婦科、五官科、小兒外科等進行微創(chuàng)手術(shù)。這是當(dāng)今全球唯一獲得FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于外科臨床治療的智能內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。自2000年開始投入臨床應(yīng)用,我國于2006年由北京解放軍總醫(yī)院率先引入。500多年前,達芬奇就設(shè)計了機器人的雛形。共有三大組成部分:1.按人體工程學(xué)設(shè)計的醫(yī)生操作系統(tǒng);2.擁有3個器械臂和1個鏡頭臂組成的4臂床旁機械臂系統(tǒng);3.高清晰三維視頻成像系統(tǒng)。

5、“阿爾法”智能人形機器人

2014年9月下旬,一場在北京工人體育館進行的足球比賽,讓一對機器人球迷借此走紅,而它們也擁有一個別具深意的名字,即“阿爾法”。其為深圳優(yōu)必選科技有限公司研發(fā)的機器人產(chǎn)品之一,公司內(nèi)部稱其為“阿爾法”,而這款機器人具有編輯動作等智能化的擴展學(xué)習(xí)能力,是一款不折不扣的智能型機器人。

總結(jié):機器人是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物,集成了運動學(xué)與動力學(xué)、機械設(shè)計與制造、計算機硬件與軟件、控制與傳感器、模式識別與人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的先進理論與技術(shù)。同時,它又是又是一類典型的自動化機器,是專用自動機器、數(shù)控機器的延伸與發(fā)展。當(dāng)前,社會需求和技術(shù)進步都對機器人向智能化發(fā)展不斷提出了新的要求。