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简述智能机器人及发展趋势展望

发布日期:2016-12-21   来源:智能机器人   作者:郑卫刚   浏览次数:11103
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【摘   要】: 摘要:随着技术的进步以及社会的不断发展,机器人技术在不断进步,产业在不断扩展。本文简述了机器人定义及分类,介绍了智能

       摘要:随着技术的进步以及社会的不断发展,机器人技术在不断进步,产业在不断扩展。本文简述了机器人定义及分类,介绍了智能机器人及技术的发展现状,以及世界各国智能机器人的发展水平,探讨了智能机器人发展趋势并加以展望。

关键词:一般机器人;智能机器人;发展趋势;

引言

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途[1]。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”

1.机器人分类

1.1应用环境分类

中国的机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人[2]。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和中国的分类是一致的。

1.2机器人按按功能分类

按按功能分类分为:一般机器人和智能机器人。

一般机器人是指不具有智能,只具有一般编程能力和操作功能的机器人。

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。

1.3机器人控制方法分类

1.3.1传感型机器人[3]

也称外部受控机器人。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。

1.3.2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。

1.3.3 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。

智能机器人的研究从60年代初开始,经过几十年的发展,目前,基于感觉控制的智能机器人(也称二代机器人)已达到实际应用阶段,基于知识控制的智能机器人(也称自主机器人或下一代机器人或三代机器人)也取得较大进展,已研制出多种样机。

1.4按智能程度分类

机器人现在已被广泛地用于生产和生活的许多领域,按其拥有智能的水平可以分为三个层次。

       1.4.1工业机器人

一是工业机器人,它只能死板地按照人给它规定的程序工作,不管外界条件有何变化,自己都不能对程序也就是对所做的工作作相应的调整。如果要改变机器人所做的工作,必须由人对程序作相应的改变,因此它是毫无智能的。

1.4.2初级智能机器人

二是初级智能机器人。它和工业机器人不一样,具有象人那样的感受,识别,推理和判断能力。可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序,也就是它能适应外界条件变化对自己怎样作相应调整。不过,修改程序的原则由人预先给以规定。这种初级智能机器人已拥有一定的智能,虽然还没有自动规划能力,但这种初级智能机器人也开始走向成熟,达到实用水平。

1.4.3高级智能机器人

三是高级智能机器人。它和初级智能机器人一样,具有感觉,识别,推理和判断能力,同样可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序。所不同的是,修改程序的原则不是由人规定的,而是机器人自己通过学习,总结经验来获得修改程序的原则。所以它的智能高出初级智能机器人。这种机器人已拥有一定的自动规划能力,能够自己安排自己的工作。这种机器人可以不要人的照料,完全独立的工作,故称为高级自律机器人。这种机器人也开始走向实用。

2.机器人的发展历史

 

人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别。

零代机器人——受控机器人,不具备任何智力性能,是由人来掌握操纵的机械手;

一代机器人——可以训练的机器人,拥有存储器,由人操作,动作的计划和程序由人指定,它只是记住 (接受训练的能力)和再现出来;

二代机器人——感觉机器人,机器人记住人安排的计划后,再依据外界这样或那样的数据 (反馈)算出动作的具体程序;

三代机器人——智能机器人,人指定目标后,机器人独自编制操作计划,依据实际情况确定动作程序,然后把动作变为操作机构的运动。因此,它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置(周围情况及自身——机器人的意识和自我意识)。智能的发达是三代机器人的一个重要特征。

在各国的智能机器人发展中,美国的智能机器人技术在国际上一直处于领先地位,其技术全面、先进,适应性也很强,性能可靠、功能全面、精确度高,其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策,各类机器人包括智能机器人的发展迅速。欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位[5]。中国起步较晚,而后进入了大力发展的时期,以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变,推动整个高技术产业的壮大[4]

智能机器人具有广阔的发展前景,目前机器人的研究正处于三代智能机器人阶段,尽管国内外对此的研究已经取得了许多成果,但其智能化水平仍然不尽人意。未来的智能机器人应当在以下几方面着力发展:面向任务,由于目前人工智能还不能提供实现智能机器的完整理论和方法,已有的人工智能技术大多数要依赖领域知识,因此当我们把机器要完成的任务加以限定,及发展面向任务的特种机器人,那么已有的人工智能技术就能发挥作用,使开发这种类型的智能机器人成为可能;传感技术和集成技术,在现有传感器的基础上发展更好、更先进的处理方法和其实现手段,或者寻找新型传感器,同时提高集成技术,增加信息的融合;机器人网络化,利用通信网络技术将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制;智能控制中的软计算方法,与传统的计算方法相比,以模糊逻辑、基于概率论的推理、神经网络、遗传算法和混沌为代表的软计算技术具有更高的鲁棒性、易用性及计算的低耗费性等优点,应用到机器人技术中,可以提高其问题求解速度,较好地处理多变量、非线性系统的问题;机器学习,各种机器学习算法的出现推动了人工智能的发展,强化学习、蚁群算法、免疫算法等可以用到机器人系统中,使其具有类似人的学习能力,以适应日益复杂的、不确定和非结构化的环境;智能人机接口,人机交互的需求越来越向简单化、多样化、智能化、人性化方向发展,因此需要研究并设计各种智能人机接口如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等,以更好地适应不同的用户和不同的应用任务,提高人与机器人交互的和谐性; 多机器人协调作业,组织和控制多个机器人来协作完成单机器人无法完成的复杂任务,在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决策和操作[5]

科学家们认为,智能机器人的研发方向是,给机器人装上“大脑芯片”,从而使其智能性更强,在认知学 习、自动组织、对模糊信息的综合处理等方面将会前进一大步。虽然有人表示担忧:这种装有“大脑芯片”的智能机器人将来是否会在智能上超越人类,甚至会对人类造成威胁?但不少科学家认为,这类担心是完全没有必要的。就智能而言,目前机器人的智商相当于4岁儿童的智商,而机器人的“常识”比起正常成年人就差得更远了。美国科学家罗伯特·斯隆教授日前说:“我们距离能够以8岁儿童的能力回答复杂问题的、具有常识的人工智能程序仍然很遥远。”日本科学家广濑茂男教授也认为:即使机器人将来具有常识并能进行自我复制,也不可能对人类造成威胁。值得一提的是,机器人并非无所不能;它在工作强度、运算速度和记忆功能方面可以超越人类,但在意识、推理等方面不可能超越人类。另外,机器人会越来越“聪明”,但只能按照制定的原则纲领行动,服务人类、造福人类。

3.总结

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。

 

参考文献

[1]王凡,王思文,郑卫刚.现代控制理论概述及实际应用意义[J]. 网友世界,2012,13:59-61.

[2]李玉珠,郑卫刚.浅谈一流大学工程训练中心软实力及巧实力建设[J]. 网友世界,2012,12:56-58.

[3]余磊,郑卫刚.机器人自动控制中的问题研究综述[J]. 伺服控制,2015,Z2:43-45.

[4]恽为民.中国机器人发展之我见[J].读者之声.1995.02.30

[5].张钹.智能机器人的现状及发展[J].科学导报.1992.06.42-46

 
 
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