智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢

1、智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢對于“機(jī)器人”，美國機(jī)器人協(xié)會曾有過定義，即“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)”。概括說來，機(jī)器人是一種自動(dòng)的機(jī)器，它可以依靠自身的控制和行動(dòng)完成各種功能。而“智能機(jī)器人”，則應(yīng)該是建立在一般機(jī)器人的基礎(chǔ)上，自身具備環(huán)境感知能力，并能通過獨(dú)立思考將感知和行動(dòng)聯(lián)系起來，可以根據(jù)外部環(huán)境做出恰當(dāng)行動(dòng)，是一種更接近人與動(dòng)物智能的機(jī)器人。智能機(jī)器人發(fā)展至今，已有很多優(yōu)秀的成果，如波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司專門為美國軍隊(duì)研究設(shè)計(jì)的“大狗”（Bigdog）機(jī)器人，四足可以像動(dòng)物四肢一樣運(yùn)動(dòng)，即可自動(dòng)調(diào)整

2、姿態(tài)躲避障礙，又可負(fù)重行走，被稱為“當(dāng)前世界上最先進(jìn)適應(yīng)崎嶇地形的機(jī)器人”；有如日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研制的“HRP-4C”美女機(jī)器人，既可自由行走，又可以模仿人類的各種表情；還有德國費(fèi)斯托公司研制的“空中水母”，在空中飄浮時(shí)就好像水中浮動(dòng)的水母一樣，它的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能方面的研究成果，并將在海底勘探和航空航天等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。從不同的角度，我們可以對智能機(jī)器人進(jìn)行不同的分類。根據(jù)智能程度的不同，可分為三種，一是傳感型機(jī)器人，其本身無智能單元，只具備感知和行動(dòng)的能力，受控于外部計(jì)算機(jī)；二是交互性機(jī)器人，具有簡單的思考和判斷的能力，但仍需要操作人員在外部進(jìn)行控制；三是自主型機(jī)

3、器人，具有較強(qiáng)的自主性和適應(yīng)性，可以不依賴外部控制，根據(jù)環(huán)境變化，完全自主地做出正確的思考和調(diào)整，并可以和人或其他機(jī)器人進(jìn)行信息交流。而按照工作場所的不同，智能機(jī)器人又可以分為管道、水下、空中、地面機(jī)器人等；按照用途的不同，可分為家用、醫(yī)療、軍事機(jī)器人等。由已有的各類智能機(jī)器人來看，其關(guān)鍵技術(shù)可以從五方面考慮，分別是傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)和材料技術(shù)。首先，傳感技術(shù)可以使智能機(jī)器人擁有視覺、聽覺乃至觸覺，讓智能機(jī)器人可以對周圍環(huán)境和行動(dòng)目標(biāo)的進(jìn)行信息采集和檢測，再對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，使之成為可以被利用的信息。傳感器的種類很多，既有測量距離的數(shù)字激光傳感器，判斷物體存

4、在與否的接近傳感器，也有檢測物體顏色的顏色光電傳感器，測量壓力的壓力傳感器，甚至還有監(jiān)測機(jī)器人姿態(tài)角度變化的陀螺儀。這些傳感器所起的作用不同，應(yīng)用的原理也不同，但傳感技術(shù)的關(guān)鍵基本在于兩點(diǎn)，一是新型傳感器的研制和開發(fā)，二是對已有傳感器的高效合理的利用。一方面，新型傳感器開發(fā)的著重點(diǎn)不僅是開發(fā)新的傳感器種類，更是努力改善已有傳感器的精度、可靠度和成本。新型傳感器一般會應(yīng)用更加高效的感性元件，或是開發(fā)全新的檢測方式和更加快速準(zhǔn)確的信號處理方法，從而大幅提高傳感器的性能。日本基恩士公司便始終致力于高性能傳感器的開發(fā)，其開發(fā)的數(shù)字激光傳感器應(yīng)用先進(jìn)CMOS感光材料，測量精度亦可達(dá)到0.5mm，并且基本

5、不受被測物體表面材質(zhì)的影響，使智能機(jī)器人能更加容易的準(zhǔn)確定位目標(biāo)物體。另一方面，新進(jìn)的傳感器應(yīng)用技術(shù)可以使機(jī)器人更高效地獲得有用信息。其中，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(jì)相結(jié)合，為機(jī)器人在各種復(fù)雜、動(dòng)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。多傳感器信息融合就是指綜合來自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息。經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測對象的特性，消除信息的不確定性，提高信息的可靠性1。其次，控制技術(shù)為智能機(jī)器人可以將感知和行動(dòng)聯(lián)系起來提供了可能，是智能機(jī)器人能夠自主獨(dú)立的完成

6、各項(xiàng)任務(wù)的基礎(chǔ)。智能機(jī)器人的控制技術(shù)主要指基于自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)使機(jī)器人的行動(dòng)可以更加靈活方便、復(fù)雜多樣，并能夠有效克服隨即擾動(dòng)，增加機(jī)器人的自由獨(dú)立性。現(xiàn)階段的控制技術(shù)由傳統(tǒng)控制理論發(fā)展而來，并已經(jīng)有了很大的進(jìn)步與突破。 “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的課程就提到了很多先進(jìn)高效的智能控制技術(shù)。比如立足于連續(xù)系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的“數(shù)字PID控制技術(shù)”，在工業(yè)工程中應(yīng)用最為廣泛，也可以應(yīng)用于機(jī)器人的路徑和動(dòng)作調(diào)整；由美國加利福尼亞大學(xué)Zadeh.L.A教授提出的“模糊控制理論”，現(xiàn)已形成應(yīng)用技術(shù)，由模糊數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、知識工程等多學(xué)科相互滲透，在機(jī)器人的建模、控制、對柔性臂的

7、控制、模糊補(bǔ)償控制以及移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用；還有“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)”和“基于遺傳算法的控制技術(shù)”，分別借鑒了生物領(lǐng)域的相關(guān)理論，并由此不斷發(fā)展完善，解決了許多其它控制理論很難解決的問題，為智能機(jī)器人人工智能的實(shí)現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步增添了力量。再次，“人機(jī)交互技術(shù)”是智能機(jī)器人又一關(guān)鍵技術(shù)。由于智能機(jī)器人的研究目的是使機(jī)器人能夠像擁有“大腦”一樣智能化地工作、為人類服務(wù)，這當(dāng)中就必然存在人類對機(jī)器人的指揮控制和檢測維護(hù)，以及機(jī)器人對行動(dòng)結(jié)果的反饋。由此，適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互就顯得尤為必要。目前，人機(jī)交互技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識別、語音合成與識別、圖像識別與處理、機(jī)器翻譯等

8、技術(shù)已經(jīng)開始實(shí)用化2 。通過人機(jī)交互，人類可以隨時(shí)根據(jù)需要改變機(jī)器人的狀態(tài)和任務(wù)，兩者之間的相互協(xié)調(diào)和相互配合得以實(shí)現(xiàn)，智能機(jī)器人的適應(yīng)性也得以提高。此外，在機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)中，動(dòng)力技術(shù)為機(jī)器人的行動(dòng)提供了力量來源。智能機(jī)器人的動(dòng)力可基本分為三類，即電機(jī)、液壓和氣壓。其中，電機(jī)技術(shù)在智能機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)在主要為微特電機(jī)技術(shù)。微特電機(jī)技術(shù)融合了電機(jī)、計(jì)算機(jī)、電子電力、自動(dòng)控制、精密機(jī)械、新型材料等多種高新技術(shù)，微特電機(jī)體積較小，精度、功率和穩(wěn)定性等各方面性能都于傳統(tǒng)電機(jī)，種類繁多，如步進(jìn)電機(jī)、直流空心杯伺服電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)等都已得到廣泛應(yīng)用。微特電機(jī)應(yīng)用于智能機(jī)器人，使得機(jī)器人能夠

9、更好地完成各種靈活多變的動(dòng)作，與傳感器相配合，在控制系統(tǒng)的指揮下做出更快更準(zhǔn)確的反應(yīng)，也使機(jī)器人體積更小，在形態(tài)上可以更接近人類。具有良好穩(wěn)定性的微特電機(jī)，增加了機(jī)器人行動(dòng)的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力。但微特電機(jī)也有其局限性，這便是它能提供的動(dòng)力有限，在這方面，液壓和氣壓動(dòng)力無疑要優(yōu)于微特電機(jī)。液壓與氣壓系統(tǒng)雖然所占體積和重量都要更大，但其能提供強(qiáng)大動(dòng)力的特點(diǎn)，使得它們成為需要許多負(fù)重機(jī)器人的動(dòng)力選擇。發(fā)展至今，液壓和氣壓動(dòng)力系統(tǒng)，也在靈活性和小巧性上有了很大的進(jìn)步，此外還具有無級調(diào)速，傳動(dòng)平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁換向，操作控制方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)，這些都使液壓和氣壓系統(tǒng)成為智能機(jī)

10、器人動(dòng)力系統(tǒng)的重要選擇。微特電機(jī)技術(shù)和流體傳動(dòng)技術(shù)，在“微特電機(jī)及系統(tǒng)”和“流體傳動(dòng)與控制”兩門課程中，有所介紹，這也是我興趣所在，我希望在這兩門課程的學(xué)習(xí)中對相應(yīng)技術(shù)有所了解和理解，并且不斷加深相應(yīng)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。最后，“材料技術(shù)”也是影響智能機(jī)器人發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。與智能機(jī)器人相關(guān)的材料既包括機(jī)械材料，又包含著電子材料。一方面，機(jī)械材料，關(guān)乎機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，先進(jìn)的機(jī)械材料可以增加機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和壽命，提高穩(wěn)定性和可靠性，讓一些特殊零件和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工和使用成為可能，新型材料的應(yīng)用也使得機(jī)器人的重量減小，環(huán)境適應(yīng)能力增強(qiáng)，制造成本降低。另一方面，電子材料的不斷革新，大大提高了計(jì)

11、算機(jī)硬件系統(tǒng)的集成度，促進(jìn)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和運(yùn)作穩(wěn)定性不斷提升，這些無疑對智能機(jī)器人的發(fā)展都具有十分重要的意義。經(jīng)過對“工程材料”和“電子材料導(dǎo)論”兩門課程的學(xué)習(xí)，我相信我會對材料領(lǐng)域的知識擁有初步的了解。“智能機(jī)器人”經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但起很多技術(shù)還有極為廣闊的發(fā)展空間。首先，便是智能控制理論，隨著智能機(jī)器人系統(tǒng)和應(yīng)對問題的復(fù)雜化，更加高效、科學(xué)的，可以處理處理多變量、非線性系統(tǒng)問題的控制理論及技術(shù)也會應(yīng)運(yùn)而生。其次，各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)推動(dòng)了人工智能的發(fā)展,強(qiáng)化學(xué)習(xí)、蟻群算法、免疫算法等可以用到機(jī)器人系統(tǒng)中，使其具有類似人的學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)日益復(fù)雜的、不確定和非結(jié)構(gòu)

12、化的環(huán)境3。再次，人機(jī)交互技術(shù)會在智能機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，人與機(jī)器人將會得以更加和諧的共處與合作。最后，在先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)和智能控制技術(shù)的促進(jìn)下，智能機(jī)器人個(gè)體之間將可以相互協(xié)調(diào)合作，組成龐大的智能機(jī)器人隊(duì)伍甚至是多機(jī)器人系統(tǒng)?？傊诮窈蟮膸资陜?nèi)，“智能機(jī)器人”必會得到更多更快的發(fā)展，智能機(jī)器人必定會深入工業(yè)、軍事、醫(yī)療、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，成為21世紀(jì)世界發(fā)展的強(qiáng)大助力。參考文獻(xiàn)：1孫華，陳俊風(fēng)，吳林。多傳感器信息融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用J 。 傳感器技術(shù)，2003，22 (9)：124。2Li Tsai2Yen，Hsu Shu2Wei. An Intelligent 3D User Interface Adapt