人工智能技術(shù)及應(yīng)用 課件 第六章 智能機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用

6.1智能機(jī)器人的發(fā)展歷程6.2智能機(jī)器人的類別與功能6.3智能機(jī)器人的基本技術(shù)簡(jiǎn)介6.4智能機(jī)器人的應(yīng)用6.1智能機(jī)器人的發(fā)展歷程智能機(jī)器人是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，具備了與人或其他生物一些相似的智能能力。隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云平臺(tái)等的深度融合，在超強(qiáng)計(jì)算能力的支撐下，智能機(jī)器人開(kāi)始具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和自主能力，以便適用于更加復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景。與此同時(shí)，智能機(jī)器人的應(yīng)用范圍從制造業(yè)不斷擴(kuò)展到外星探測(cè)、空天、陸地、水面、海洋、極地、核化、微納操作等特種與極限領(lǐng)域，并開(kāi)始滲透到人們的日常生活。智能機(jī)器人如圖6.1所示。機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作用越來(lái)越突出，甚至有研究發(fā)現(xiàn)“機(jī)器人對(duì)于勞動(dòng)生產(chǎn)力的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)與蒸汽機(jī)出現(xiàn)時(shí)對(duì)于勞動(dòng)生產(chǎn)力的影響是同一個(gè)級(jí)數(shù)”。與此同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)也在快速進(jìn)步，在相關(guān)學(xué)科技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，機(jī)器人領(lǐng)域在醞釀著技術(shù)突破。6.1.1智能機(jī)器人的定義1946年，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”誕生于美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)。十年之后的1956年，McCarthy，Minsky，Shannon和Rochester等在美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院發(fā)起召開(kāi)的夏季研討會(huì)上，創(chuàng)立了“人工智能”的概念，并將人工智能界定為“研究與設(shè)計(jì)智能體(Agent)”。智能體被定義為：“能夠感知環(huán)境，并采取行動(dòng)使成功機(jī)會(huì)最大化的系統(tǒng)”。因此，理想的智能體應(yīng)該就是一臺(tái)能夠以類似人類智能行為的方式進(jìn)行反應(yīng)、具有環(huán)境適應(yīng)性的自主機(jī)器，或稱之為智能機(jī)器人。根據(jù)這些設(shè)想，智能體或智能機(jī)器人一直沿著以下三個(gè)方向發(fā)展：一是感知智能，即對(duì)感知或直覺(jué)行為的模擬，如視聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、運(yùn)動(dòng)覺(jué)等；二是認(rèn)知智能，即對(duì)認(rèn)知或人類深思熟慮行為的模擬，包括記憶、常識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、理解、推理、規(guī)劃、決策、知識(shí)學(xué)習(xí)、思維、意圖和意識(shí)等高級(jí)智能行為；三是對(duì)行動(dòng)的模擬，如靈活移動(dòng)與靈巧操作功能的實(shí)現(xiàn)等。我國(guó)科研人員對(duì)智能機(jī)器人定義是：一種具備一些與人類有著相似的感知能力、動(dòng)作能力、協(xié)同能力和規(guī)劃能力的高度靈活的自動(dòng)化機(jī)器系統(tǒng)，其主要特征為：能夠感知多種信息，并將多種感知的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，快速適應(yīng)環(huán)境變化，具有自適應(yīng)自學(xué)習(xí)和自治能力[5]。6.1.2智能機(jī)器人的誕生與發(fā)展歷程“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家卡雷爾·恰佩克發(fā)表的科幻劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，該劇講述了羅薩姆公司將機(jī)器人推向市場(chǎng)，讓它充當(dāng)勞動(dòng)力代替人類勞動(dòng)的故事。作者根據(jù)捷克文Robota(意為“勞役、苦工”)和波蘭文Robotnik(意為“工人”)，創(chuàng)造了“機(jī)器人”這個(gè)詞。之后，人類在機(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)始了卓有成效的探索，機(jī)器人從想象進(jìn)入實(shí)踐，功能和種類不斷豐富，智能化程度越來(lái)越高。按照技術(shù)演進(jìn)過(guò)程，智能機(jī)器人的發(fā)展大致可以按電氣時(shí)代、數(shù)字時(shí)代、智能時(shí)代三個(gè)階段來(lái)劃分。1.第一代機(jī)器人第一代機(jī)器人，稱之為電氣時(shí)代機(jī)器人或機(jī)器人1.0，發(fā)展于20世紀(jì)40年代至70年代。正如“機(jī)器人”一詞的起源，它只是為了代替人類勞動(dòng)。嚴(yán)格講第一代機(jī)器人并不具有“智能”，工作模式為可編程示教，再現(xiàn)型機(jī)器人，它是根據(jù)事先設(shè)定好的程序進(jìn)行重復(fù)操作。以傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人和無(wú)人機(jī)為代表的機(jī)電一體化設(shè)備，關(guān)注的是操作與移動(dòng)/飛行功能的實(shí)現(xiàn)，使用了一些簡(jiǎn)單的感知設(shè)備，如工業(yè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)編碼器，自動(dòng)導(dǎo)引車的磁條/磁標(biāo)傳感器等，智能程度較低。其研發(fā)重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制與狀態(tài)感知等。代表性產(chǎn)品是六自由度多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、并聯(lián)機(jī)器人、應(yīng)用于裝配作業(yè)的機(jī)器人手臂、平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人和磁條導(dǎo)引式自動(dòng)增益控制或AGV。非制造領(lǐng)域的成功案例為各種循線跟蹤式的無(wú)人機(jī)。這類機(jī)器人通過(guò)編程示教或循線跟蹤，僅能在工廠或沿固定路線等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，替換某些工位或特定工種設(shè)定的簡(jiǎn)單及重復(fù)性作業(yè)任務(wù)。“機(jī)器換人”的替代率只有5%。世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate如圖6.2所示。2.第二代智能機(jī)器人第二代智能機(jī)器人，稱之為數(shù)字時(shí)代機(jī)器人或機(jī)器人2.0，發(fā)展于20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期，其特點(diǎn)是具有部分環(huán)境感知、自主決策、自主規(guī)劃與自主導(dǎo)航能力，特別是具有類人的視覺(jué)、語(yǔ)音、文本、觸覺(jué)、力覺(jué)等模式識(shí)別能力，因而具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和一定的自主性，這一代機(jī)器人具有一定的類似人的智能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，則進(jìn)一步發(fā)展了安全、靈巧、靈活、通用、低耗以及具有自然交互能力的仿生機(jī)械臂與機(jī)械腿(足)等。第二代智能機(jī)器人在制造業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，已有瑞士ABBYuMi雙臂協(xié)作機(jī)器人，美國(guó)Rethink機(jī)器人公司的Baxer和Sawyer機(jī)械臂以及丹麥Universal公司的UR10等。非制造領(lǐng)域的成功案例是L3、L4自動(dòng)駕駛汽車(具有部分環(huán)境感知能力與一定的自主決策能力)，達(dá)芬奇微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人，波士頓動(dòng)力公司的大狗、獵豹、阿特拉斯、Handle(輪腿式)等系列仿生機(jī)器人，以及日本本田公司著名的ASIMO人形機(jī)器人(見(jiàn)圖6.3)等。利用具有環(huán)境適應(yīng)能力的第二代智能機(jī)器人，“機(jī)器換人”的可替換工序高達(dá)60%以上。生產(chǎn)線形成全機(jī)器人閉環(huán)后，甚至可實(shí)現(xiàn)100%無(wú)人的全自動(dòng)化智能生產(chǎn)車間。隨著以深度學(xué)習(xí)為主要標(biāo)志的弱人工智能的迅猛發(fā)展，特別是開(kāi)放環(huán)境中接近于人類水平的視覺(jué)與語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用落地及其實(shí)用化，面向特定制造業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的大規(guī)?！皺C(jī)器換人”，或?qū)⒃谖磥?lái)5年之內(nèi)出現(xiàn)，其對(duì)制造業(yè)的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)將是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的數(shù)十倍。3.第三代智能機(jī)器人第三代智能機(jī)器人，稱之為智能時(shí)代或機(jī)器人3.0，發(fā)展于2010年至今[8]。除具有第二代智能機(jī)器人的全部功能外，還具有更強(qiáng)的環(huán)境感知、認(rèn)知與情感交互功能，以及自學(xué)習(xí)、自繁殖乃至自進(jìn)化能力。其關(guān)鍵核心技術(shù)是開(kāi)始逐步具有認(rèn)知智能的能力。目前這方面一些初期的典型產(chǎn)品，如2014年日本軟銀集團(tuán)公司發(fā)布的第一款消費(fèi)類智能人形機(jī)器人Pepper，已具有基于人工智能的語(yǔ)音交互、人臉追蹤與識(shí)別以及初步的情感交互能力。2017年，漢森機(jī)器人公司制造的機(jī)器人索菲亞獲得沙特阿拉伯公民身份，成為第一個(gè)獲得國(guó)家公民身份的機(jī)器人，可識(shí)別和復(fù)制各種各樣的人類面部表情。除此之外，2017年還有很多讓人驚訝的智能機(jī)器人出現(xiàn)，如全球首款社交機(jī)器人Jibo和堪稱世界上最先進(jìn)軍事機(jī)器人之一的Atlas機(jī)器人(見(jiàn)圖6.4)。2019年，麻省理工學(xué)院新推出的獵豹(Cheetah)機(jī)器人，彈性十足，腳部輕盈，可與體操運(yùn)動(dòng)員媲美。第三代智能機(jī)器人主要特征是：它們更加重視理解判決與情感交互等認(rèn)知功能的模擬和探索。6.1.3智能機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)智能機(jī)器人的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)不僅限于做簡(jiǎn)單的重復(fù)工作。智能機(jī)器人的智能化和群體協(xié)作解決問(wèn)題的能力已成為機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵。在工業(yè)應(yīng)用上，很多智能機(jī)器人和人是在重疊的空間協(xié)同工作的，這就要求機(jī)器人有一定的感知、智能控制能力，實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合。智能機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，甚至在太空、軍事、醫(yī)療、勘探、服務(wù)、農(nóng)業(yè)和交通等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。這對(duì)智能機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)、自主控制、人機(jī)融合等都提出了更高的要求。目前，現(xiàn)代智能機(jī)器人還處于簡(jiǎn)單化意識(shí)階段，對(duì)于未來(lái)更加智能化的機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)，可概括為如下幾個(gè)方面：1.語(yǔ)言交流功能越來(lái)越完美——智能人機(jī)接口智能機(jī)器人，既然已經(jīng)被賦予“人”的特殊含義，那就需要有比較完美的語(yǔ)言功能，這樣才能與人類進(jìn)行一定的，甚至完美的語(yǔ)言交流。所以智能機(jī)器人語(yǔ)言功能的完善是一個(gè)非常重要的課題。未來(lái)智能機(jī)器人人機(jī)交互的需求越來(lái)越向簡(jiǎn)單化、多樣化、智能化、人性化方向發(fā)展，這是一個(gè)必然性趨勢(shì)，因此需要研究并設(shè)計(jì)各種智能人機(jī)接口如多語(yǔ)種語(yǔ)音、自然語(yǔ)言理解、圖像、手寫體字識(shí)別等，以更好地適應(yīng)不同用戶和不同應(yīng)用場(chǎng)景，提高人與機(jī)器人交互的和諧性。2.各種動(dòng)作的完美化我們知道人類能做的動(dòng)作是極其多樣的，招手、握手、走、跑、跳等各種動(dòng)作，都是人類慣用的動(dòng)作?，F(xiàn)代智能機(jī)器人雖也能模仿人的部分動(dòng)作，但是相對(duì)是有點(diǎn)僵化的感覺(jué)，或者動(dòng)作是比較緩慢的。未來(lái)機(jī)器人柔軟性是智能機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵特性，通過(guò)柔體可提高智能機(jī)器人末端或本體的可達(dá)性和靈活性，使其動(dòng)作更像人類，模仿人的所有動(dòng)作，甚至可能做出一些普通人很難做出的動(dòng)作，如平地翻跟斗、倒立等。3.外形越來(lái)越酷似人類智能機(jī)器人是主要以人類自身形體為參照對(duì)象的，自然需要有一個(gè)很仿真的人形外表。對(duì)于未來(lái)機(jī)器人，仿真程度很有可能達(dá)到即使你近在咫尺細(xì)看它的外在，你也真會(huì)把它當(dāng)成人類，很難分辨是真人還是機(jī)器人，這種狀況就如美國(guó)科幻大片《終結(jié)者》中的機(jī)器人物造型具有極致完美的人類外表一樣。4.超強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力智能機(jī)器人在面對(duì)動(dòng)態(tài)變化、復(fù)雜和未知的外部環(huán)境時(shí)，能結(jié)合環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等功能，在無(wú)人干預(yù)的情況下，自主控制自己的動(dòng)作，確保智能機(jī)器人規(guī)避危險(xiǎn)保護(hù)自己，保證完成預(yù)定的任務(wù)。5.體內(nèi)能量?jī)?chǔ)存越來(lái)越大智能機(jī)器人的一切活動(dòng)都需要體內(nèi)持續(xù)的能量支持。機(jī)器人動(dòng)力源多數(shù)使用電能，供應(yīng)電能就需要大容量的電池。現(xiàn)代蓄電池的蓄電量都是較有限的，滿足不了機(jī)器人的長(zhǎng)久動(dòng)力需求，而且電池容量越大，充電時(shí)間往往也需越長(zhǎng)。針對(duì)能量?jī)?chǔ)存供應(yīng)問(wèn)題，未來(lái)應(yīng)該會(huì)有多種解決方式，最理想的能源是可控核聚變能，微不足道的質(zhì)量就能持續(xù)釋放非常巨大的能量，機(jī)器人若以聚變能為動(dòng)力，永久性運(yùn)行將得以實(shí)現(xiàn)。另外，還可能制造出一種超級(jí)能量?jī)?chǔ)存器，能量?jī)?chǔ)存器基本可永久保持儲(chǔ)能效率，且充電快速高效，單位體積儲(chǔ)存能量相當(dāng)于傳統(tǒng)大容量蓄電池的百倍以上。也許這將成為智能機(jī)器人的理想動(dòng)力供應(yīng)源。6.具備越來(lái)越多樣化功能——人機(jī)融合人類制造智能機(jī)器人的目的是為人類所服務(wù)的，人機(jī)融合不是簡(jiǎn)單的機(jī)器人與人工操作的融合，而是機(jī)器人與人的融合。通過(guò)仿生學(xué)、神經(jīng)學(xué)、腦科學(xué)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的結(jié)合，使人與機(jī)器有機(jī)結(jié)合在一起。人機(jī)融合是機(jī)器人發(fā)展的理想階段，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信不久的將來(lái)一定能實(shí)現(xiàn)。6.2智能機(jī)器人的類別與功能根據(jù)智能機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境，國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟將機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。其中，工業(yè)機(jī)器人指應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程與環(huán)境的機(jī)器人，主要包括人機(jī)協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人；服務(wù)機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，主要包括個(gè)人/家用服務(wù)機(jī)器人和公共服務(wù)機(jī)器人。現(xiàn)階段，考慮到我國(guó)在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和公共安全事件中，對(duì)特種機(jī)器人有著相對(duì)突出的需求，中國(guó)電子學(xué)會(huì)將智能機(jī)器人劃分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人三類。其中，工業(yè)機(jī)器人指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，在工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)代替人類執(zhí)行某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，主要包括焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、包裝機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、切割機(jī)器人和凈室機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人指在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的先進(jìn)機(jī)器人，主要包括家用服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人和公共服務(wù)機(jī)器人，其中，公共服務(wù)機(jī)器人指在農(nóng)業(yè)、金融、物流、教育等除醫(yī)學(xué)領(lǐng)域外的公共場(chǎng)合為人類提供一般服務(wù)的機(jī)器人。特種機(jī)器人指代替人類從事高危環(huán)境和特殊工況的機(jī)器人，主要包括軍事應(yīng)用機(jī)器人、極限作業(yè)機(jī)器人和應(yīng)急救援機(jī)器人。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的機(jī)器人分類如圖6.5所示。6.3智能機(jī)器人的基本技術(shù)簡(jiǎn)介這里所述的智能機(jī)器人屬于第三代智能機(jī)器人，這一階段的智能機(jī)器人自身會(huì)帶有非常多的傳感器，并可以將所獲得的信息巧妙融合到一起，同時(shí)還能適應(yīng)各種環(huán)境，自身也具備較強(qiáng)的自愈能力與學(xué)習(xí)能力。第三代智能機(jī)器人所涉及的內(nèi)容與技術(shù)是非常豐富的，而技術(shù)含量的高低也將直接影響到智能機(jī)器人自身的性能。其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：第一，多傳感信息耦合技術(shù)。該技術(shù)綜合了多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)之后可以得到更準(zhǔn)確、更全面的信息，而經(jīng)過(guò)融合之后的傳感器系統(tǒng)也能更精準(zhǔn)地反映出檢測(cè)對(duì)象的信息，從而消除不準(zhǔn)確信息。第二，機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)。這部分包含有圖像處理、圖像獲取、圖像分析與識(shí)別、圖像跟蹤、命令輸出與顯示等。其中，最關(guān)鍵的工作是圖像特征提取與圖像識(shí)別。第三，導(dǎo)航與定位技術(shù)。從自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航來(lái)看，不管是躲避障礙還是規(guī)劃路線，都是需要得到準(zhǔn)確位置之后才能完成導(dǎo)航、躲避障礙等任務(wù)。第四，路徑規(guī)劃技術(shù)。最佳的路徑規(guī)劃就是參考某些優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即在智能機(jī)器人的工作空間中尋找到從開(kāi)始到目標(biāo)的一條最佳路線。第五，人機(jī)接口技術(shù)，這主要是分析如何讓人類能更順利地與機(jī)器人進(jìn)行交流。6.3.1傳感器技術(shù)如今的智能機(jī)器人已具有類似人一樣的肢體及感官功能，動(dòng)作過(guò)程靈活，在工作時(shí)可不依賴人的操縱，這一切都少不了傳感器的功勞。傳感器是智能機(jī)器人感知外界的重要幫手。它們猶如人類的感知器官，機(jī)器人的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等對(duì)外部環(huán)境的感知能力都是由傳感器提供的。同時(shí)，傳感器還可用來(lái)檢測(cè)智能機(jī)器人自身的工作狀態(tài)，以及智能化探測(cè)外部工作環(huán)境和對(duì)象狀態(tài)，并將所測(cè)得的信息作為反饋信息送至控制器，形成閉環(huán)控制。本節(jié)將基于視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和環(huán)境感知的傳感器技術(shù)及其在智能機(jī)器人上的應(yīng)用狀況進(jìn)行闡述。1.視覺(jué)機(jī)器視覺(jué)是使機(jī)器人具有視覺(jué)感知功能的系統(tǒng)，其通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取圖像進(jìn)行分析與識(shí)別，讓機(jī)器人能夠代替人眼辨識(shí)物體、測(cè)量和判斷、實(shí)現(xiàn)定位等功能。業(yè)界人士指出，目前在中國(guó)簡(jiǎn)便的智能視覺(jué)傳感器占了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)市場(chǎng)60%左右的市場(chǎng)份額。視覺(jué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣、獲取信息豐富，實(shí)際應(yīng)用中常使用多個(gè)視覺(jué)傳感器或者與其他傳感器配合使用，通過(guò)一定的算法可以得到物體的形狀、距離、速度等諸多信息。機(jī)器人機(jī)器視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)如圖6.6所示。傳統(tǒng)的圖像傳感器可分為電耦合器件和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兩類。隨著集成電路工藝的發(fā)展，CMOS以其體積小、工作電壓低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)逐漸占據(jù)20世紀(jì)90年代機(jī)械式圖像傳感器的市場(chǎng)主流。但這種傳感器存在如下明顯的缺陷，即由于拍攝方式的問(wèn)題，現(xiàn)有的圖像處理需要逐幀處理，造成驚人計(jì)算量，而提高幀率則會(huì)帶來(lái)巨大的計(jì)算量。這一缺點(diǎn)在拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)尤其明顯。而近幾年出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器則從視網(wǎng)膜的工作原理中得到啟發(fā)，通過(guò)仿視網(wǎng)膜神經(jīng)系統(tǒng)的列陣結(jié)構(gòu)大幅減少不必要的數(shù)據(jù)和計(jì)算工作量，提高輸出速度，保證即使是高速運(yùn)動(dòng)的物體也能被清晰拍攝并實(shí)時(shí)播放。未來(lái)，這種動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器的應(yīng)用將能極大改善飛行器機(jī)器人的性能，為自主飛行機(jī)器人的發(fā)展提供新的可能。2.觸覺(jué)智能機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行工作需要多種傳感器相互之間精確的配合才能完成，觸覺(jué)作為機(jī)器人僅次于視覺(jué)的一種重要知覺(jué)形式已經(jīng)受到研究人員的極大關(guān)注。觸覺(jué)是人類通過(guò)皮膚感知外界環(huán)境的一種形式，機(jī)器人觸覺(jué)主要感知機(jī)器人與外界環(huán)境接觸時(shí)的溫度、濕度、壓力和振動(dòng)等物理量，以及目標(biāo)物體材質(zhì)的軟硬程度、形狀和結(jié)構(gòu)大小等，如圖6.7所示。以人類觸覺(jué)為原理的觸覺(jué)傳感器的功能已逐漸得到完善，并且已應(yīng)用到很多領(lǐng)域，尤其在智能機(jī)器人的環(huán)境感知領(lǐng)域中顯得尤為突出。觸覺(jué)傳感器研究有廣義和狹義之分。廣義的觸覺(jué)包括觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、冷熱覺(jué)等。狹義的觸覺(jué)包括機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺(jué)。從功能的角度分類，觸覺(jué)傳感器大致可分為接觸覺(jué)傳感器、力-力矩覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器和滑覺(jué)傳感器等。機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的研究稍晚于機(jī)器人的出現(xiàn)，與視覺(jué)傳感器的進(jìn)步相比尤顯不足。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，機(jī)器人研究已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)；到80年代，這一技術(shù)進(jìn)入研究、發(fā)展的快速增長(zhǎng)期，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、原理和制作工藝都進(jìn)行了大量研究，主攻方向也從傳感器本身轉(zhuǎn)向適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的需求；90年代至今，觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持著快速增長(zhǎng)，并開(kāi)始向多元化發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì)，科學(xué)家們借鑒仿生學(xué)原理，參照人類皮膚對(duì)環(huán)境的敏銳感知，改進(jìn)觸覺(jué)感應(yīng)器，不斷發(fā)展其性能，甚至令機(jī)器人觸覺(jué)感應(yīng)器獲得了“電子皮膚”的稱號(hào)。與人類皮膚不同的是，現(xiàn)在的觸覺(jué)感應(yīng)器不僅能夠?qū)穸?、溫度和力度等感覺(jué)用定量的方式表達(dá)出來(lái)，還可以幫助傷殘者獲得失去的感知能力。3.聽(tīng)覺(jué)(Auditory)機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)是一種自然、方便、有效、智能的機(jī)器人與外界系統(tǒng)交互的方式[20]。聽(tīng)覺(jué)傳感器是一種可以檢測(cè)、測(cè)量并顯示聲音波形的傳感器，廣泛地用于日常生活、軍事、醫(yī)療、工業(yè)、領(lǐng)海、航天等領(lǐng)域，中并且成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展所不能缺少的部分。對(duì)智能機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其作用相當(dāng)于一個(gè)話筒(麥克風(fēng))，用來(lái)接收聲波、顯示聲音的振動(dòng)大小和頻率。在某些環(huán)境下，機(jī)器人需要測(cè)知聲音的音調(diào)和響度，區(qū)分左右聲源甚至需要判斷聲源的大致方位。有些條件下，機(jī)器人需要與人類進(jìn)行語(yǔ)音交流。因此，聽(tīng)覺(jué)傳感器的存在能夠使智能機(jī)器人更好地完成這些任務(wù)。一般來(lái)講機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)包括聲源信號(hào)的定位與分離、自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話識(shí)別等。其中，聲源信號(hào)的定位與分離是解決聲源定位和距離測(cè)定等在內(nèi)的聲音測(cè)量定位問(wèn)題，自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話識(shí)別則包括語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)義識(shí)別，語(yǔ)音識(shí)別解決的是智能機(jī)器人“聽(tīng)得見(jiàn)”的問(wèn)題，而語(yǔ)義識(shí)別解決的是智能機(jī)器人“聽(tīng)得懂”的問(wèn)題。我國(guó)首創(chuàng)的視聽(tīng)機(jī)器人海美迪如圖6.8所示。4.環(huán)境感知——激光雷達(dá)環(huán)境感知是智能移動(dòng)機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能機(jī)器人周圍的環(huán)境信息可以用來(lái)導(dǎo)航、避障和執(zhí)行特定的任務(wù)。獲取這些信息的傳感器既需要足夠大的視場(chǎng)來(lái)覆蓋整個(gè)工作區(qū)，又需要較高的采集速率以保證在運(yùn)動(dòng)環(huán)境中能夠提供實(shí)時(shí)的信息。近年來(lái)，激光雷達(dá)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用日益增多。這主要是由于基于激光的距離測(cè)量技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是其具有較高的精度，通過(guò)二維或三維的掃描激光束或光平面，激光雷達(dá)能夠以較高的頻率提供大量、準(zhǔn)確的距離信息。與其他距離傳感器相比，激光雷達(dá)能夠同時(shí)考慮精度要求和速度要求，這一點(diǎn)特別適用于智能移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。此外，激光雷達(dá)不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在黑暗中工作，而且在黑暗中測(cè)量效果更好。配置激光雷達(dá)等多傳感器的Pepper機(jī)器人如圖6.9所示。掃地機(jī)器人是目前激光雷達(dá)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。激光雷達(dá)配合SLAM算法，可以讓掃地機(jī)器人在房間里實(shí)現(xiàn)智能清掃，清掃的過(guò)程中繪制地圖，實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，就算用戶不在家，也可以通過(guò)手機(jī)APP查看清掃情況，以及安排其他地方清掃。6.3.2智能認(rèn)知與感知智能認(rèn)知與感知是智能機(jī)器人與人、環(huán)境進(jìn)行交互的基礎(chǔ)。目前與服務(wù)機(jī)器人密切相關(guān)的智能認(rèn)知感知技術(shù)包括城市環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知與識(shí)別以及智能空間等。未來(lái)智能認(rèn)知與感知主要是在傳感器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)有效分類、歸納，并提取可靠有效信息，凝聚成反映人-機(jī)-環(huán)境交互關(guān)系的特征數(shù)據(jù)網(wǎng)，并結(jié)合人工智能的發(fā)展及高效能計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，為機(jī)器人的智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。智能感知，即視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感知能力，且能夠通過(guò)各種智能感知能力與自然界進(jìn)行交互。智能機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車等，就是通過(guò)激光雷達(dá)等感知設(shè)備和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)感知智能的。機(jī)器在感知世界方面，比人類還有優(yōu)勢(shì)。人類都是被動(dòng)感知的，但是機(jī)器可以主動(dòng)感知，如激光雷達(dá)、微波雷達(dá)和紅外雷達(dá)。不管是大狗這樣的感知機(jī)器人，還是自動(dòng)駕駛汽車，因?yàn)槎际浅浞掷昧松疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)的成果，所以在感知智能方面已越來(lái)越接近于人類。智能認(rèn)知，通俗講是“能理解會(huì)思考”。人類有語(yǔ)言，才有概念，才有推理，所以概念、意識(shí)、觀念等都是人類認(rèn)知智能的表現(xiàn)。智能感知主要是基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及各種傳感器的信息處理。智能認(rèn)知部分則負(fù)責(zé)更高層的語(yǔ)義處理，如推理、規(guī)劃、記憶、學(xué)習(xí)等。兩者均是目前智能機(jī)器人研究的方向。對(duì)于感知與認(rèn)知的研究是從1990年開(kāi)始的，ManuelaM.Veloso、MinoruAsada、MarcoDorigo、CynthiaBreazeal等學(xué)者是該領(lǐng)域的奠定人。目前，后起之秀DarwinG.Caldwell教授積極投入相關(guān)領(lǐng)域的研究。ManuelaM.Veloso是美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，在機(jī)器人領(lǐng)域鉆研超過(guò)20年。MarcoDorigo教授是蟻群優(yōu)化的創(chuàng)始人，也是國(guó)際上群體智能概念的首創(chuàng)者之一。2017年著名英國(guó)雜志《自然通信(NatureCommunications)》報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于協(xié)作機(jī)器人的最新突破——由MarcoDorigo教授及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的模塊化機(jī)器人可合并神經(jīng)系統(tǒng)(MNS)，它不僅擁有靈敏的“大腦”，還擁有極好的協(xié)調(diào)性，可“指揮”小伙伴，如圖6.10所示。CynthiaBreazeal是JIBO公司創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官，也是美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實(shí)驗(yàn)室的個(gè)人機(jī)器人小組創(chuàng)始人，被公認(rèn)是社交機(jī)器人領(lǐng)域里的領(lǐng)軍人物。DarwinG.Caldwell(達(dá)爾文·高登·卡德威爾)是歐洲一流機(jī)器人學(xué)研究所所長(zhǎng)，歐洲服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)軍人物，IEEE英國(guó)前主席，在國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域享有盛名。2007年起受聘于意大利理工學(xué)院，任學(xué)院副院長(zhǎng)，先進(jìn)機(jī)器人研究所所長(zhǎng)。他一直致力于新型驅(qū)動(dòng)器和傳感器、觸覺(jué)和力反饋、靈巧操作器、仿人機(jī)器人、兩足與四足機(jī)器人、仿生系統(tǒng)、康復(fù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域的科學(xué)研究工作。他是歐洲仿人機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，并開(kāi)發(fā)了歐洲首臺(tái)仿人機(jī)器人iCub，如圖6.11所示。6.3.3規(guī)劃與決策路徑規(guī)劃僅僅是智能機(jī)器人學(xué)中規(guī)劃與決策技術(shù)之下的一個(gè)重要分支。它也是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)，其實(shí)是參照某一個(gè)參數(shù)的指標(biāo)，在任務(wù)區(qū)域選擇出一條可從起點(diǎn)連接到終點(diǎn)的最優(yōu)或次優(yōu)的避障路徑。其本質(zhì)是在幾個(gè)約束條件下得到最優(yōu)或可行解的問(wèn)題。路徑規(guī)劃結(jié)果的優(yōu)劣，將直接地對(duì)機(jī)器人完成任務(wù)的實(shí)時(shí)性及結(jié)果優(yōu)劣造成影響。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，至今各機(jī)器人研發(fā)大國(guó)仍對(duì)其進(jìn)行研究，而且成果同樣顯著。根據(jù)所研究環(huán)境的信息特點(diǎn)，路徑規(guī)劃可分為離散域范圍路徑規(guī)劃和連續(xù)域范圍路徑規(guī)劃。根據(jù)路徑規(guī)劃算法發(fā)現(xiàn)先后，可分為傳統(tǒng)算法路徑規(guī)劃和現(xiàn)代智能算法路徑規(guī)劃。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)其工作區(qū)域信息的理解層次，將機(jī)器人路徑規(guī)劃分為基于部分區(qū)域信息理解的路徑規(guī)劃(又稱局部路徑規(guī)劃)和基于完整區(qū)域信息理解的路徑規(guī)劃(又稱全局路徑規(guī)劃)。局部路徑規(guī)劃是在機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中根據(jù)自身攜帶傳感器采集到的局部環(huán)境信息進(jìn)行的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，具有較高的靈活性和實(shí)時(shí)性。但由于依靠的是局部環(huán)境特征，其獲得的路徑可能只是局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)，甚至是目標(biāo)不可達(dá)路徑。全局路徑規(guī)劃首先需要根據(jù)已知的全局環(huán)境信息，建立抽象的全區(qū)域環(huán)境地圖模型，然后在全區(qū)域地圖模型上使用尋優(yōu)搜索算法獲取全局最優(yōu)或較優(yōu)路徑，最終引導(dǎo)移動(dòng)機(jī)器人在真實(shí)情況下向目標(biāo)點(diǎn)安全地移動(dòng)。機(jī)器人路徑規(guī)劃主要涉及兩部分內(nèi)容：一是環(huán)境信息理解及地圖模型構(gòu)建，二是全局路徑搜索及機(jī)器人引導(dǎo)。在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中，需要融合兼用全局和局部路徑規(guī)劃，前者旨在尋找全局優(yōu)化路徑，后者旨在實(shí)時(shí)避障。移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃中最關(guān)鍵部分就是選取算法，一個(gè)優(yōu)秀的算法對(duì)路徑規(guī)劃起到至關(guān)重要的作用。下面將分別從全局和局部路徑規(guī)劃兩方面介紹一些常用算法。全局路徑規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃(又稱為離線路徑規(guī)劃)，一般應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境中已經(jīng)對(duì)障礙信息完全掌握的情況下。目前用于全局路徑規(guī)劃的常用方法主要有遺傳算法、快速隨機(jī)搜索樹(shù)算法和蜂群算法等。當(dāng)然，還有很多與此類算法相類似的啟發(fā)式算法，例如粒子群算法、可視圖法、鏈接圖法、拓?fù)浞ǖ?。局部路徑?guī)劃屬于動(dòng)態(tài)規(guī)劃(又稱為在線規(guī)劃)，局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃只需要由傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，確定環(huán)境地圖信息，然后得到當(dāng)前所在地圖的位置及其局部障礙物分布情況，從而可以獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到某一子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。局部路徑規(guī)劃常用算法主要包括：人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊算法、A*算法等。還有人工免疫算法、D*算法、滾動(dòng)窗口法、事例學(xué)習(xí)法等。上述算法的詳細(xì)介紹請(qǐng)參閱文獻(xiàn)《移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法綜述》。路徑規(guī)劃發(fā)展始于1990年，已有大量的學(xué)者投入該領(lǐng)域的研究，主要貢獻(xiàn)者有HowieChoset(豪伊·喬賽特)、ManuelaM.Veloso(曼紐爾·菲洛索)、SebastianThrun(塞巴斯蒂安·特龍)等人。其中，HowieChoset是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人技術(shù)教授，也是美國(guó)先進(jìn)機(jī)器人制造中心(AdvancedRobotManufacturing，ARM)的首席技術(shù)官(ChiefTechnologyOfficer，CTO)。在有限空間的應(yīng)用激發(fā)下，他創(chuàng)建了一個(gè)蛇形機(jī)器人的綜合程序，至今仍致力于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和估計(jì)等方面的研究，并創(chuàng)造出了標(biāo)志性的成果[33]。SebastianThrun是GoogleX實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人、斯坦福大學(xué)終身教授、人工智能領(lǐng)域?qū)＜?、Google無(wú)人駕駛汽車(見(jiàn)圖6.12)之父，開(kāi)發(fā)了世界首個(gè)無(wú)人駕駛汽車。他是Google街景的領(lǐng)導(dǎo)者，也被認(rèn)為是GoogleGlass的發(fā)明人，亦是Udacity的創(chuàng)始人，大型開(kāi)放式在線課程(MassiveOpenOnlineCourses，MOOC)慕課教育的開(kāi)創(chuàng)者之一[34]。6.3.4動(dòng)力學(xué)與控制機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的力和運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系與平衡進(jìn)行研究的學(xué)科。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)物體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和算法，主要研究動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題和動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題兩個(gè)方面，需要采用嚴(yán)密的系統(tǒng)方法來(lái)分析機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性[35]。機(jī)器人控制(Control)技術(shù)是指使機(jī)器人完成各種任務(wù)和動(dòng)作所執(zhí)行的各種控制手段，包括機(jī)器人的智能、任務(wù)描述以及運(yùn)動(dòng)控制和伺服控制等技術(shù)[36]。在早期的機(jī)器人研究中，與機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)相比，其控制用計(jì)算機(jī)的價(jià)格高且運(yùn)算能力有限，故只能采用極簡(jiǎn)單的控制方案，難以滿足高速、高精度機(jī)器人的性能要求。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力大大提高而成本不斷下降，這就使得人們?cè)絹?lái)越重視發(fā)展各種機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制方案。因此，在機(jī)器人研究中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已顯得越來(lái)越重要，成為提高機(jī)器人性能的關(guān)鍵技術(shù)之一[37]。智能化控制系統(tǒng)也為提高機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力奠定了基礎(chǔ)。2016年，伯克利大學(xué)利用深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)向控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軟件提供實(shí)時(shí)視覺(jué)和傳感反饋，BRETT在學(xué)習(xí)中提升自己在家務(wù)勞動(dòng)中的表現(xiàn)。采用的深度學(xué)習(xí)策略開(kāi)啟了訓(xùn)練機(jī)器人執(zhí)行越來(lái)越復(fù)雜的任務(wù)的大門。該研究的目的是將從一個(gè)任務(wù)中所獲得的經(jīng)驗(yàn)推廣到另一個(gè)任務(wù)，能從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的機(jī)器人比傳統(tǒng)機(jī)器人掌握了更多技能[38]。6.3.5人機(jī)交互人機(jī)交互是計(jì)算機(jī)、人類工效學(xué)、工程心理學(xué)、認(rèn)知學(xué)等多學(xué)科交叉的技術(shù)，也是智能機(jī)器人中的關(guān)鍵技術(shù)。人機(jī)交互即人與機(jī)器人相互作用的研究，其研究目的是開(kāi)發(fā)合適的算法并指導(dǎo)機(jī)器人設(shè)計(jì)，以使人與機(jī)器人之間更自然、高效地共處。人機(jī)交互首次提出于1975年，專業(yè)的稱呼出現(xiàn)于1980年。1983年卡德、莫蘭和內(nèi)韋爾出版《人機(jī)交互心理學(xué)》一書，自此交互的概念迅速普及。人機(jī)交互國(guó)際頂級(jí)會(huì)議定義人機(jī)交互是研究交互式計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和實(shí)現(xiàn)，以便于人類使用的一門學(xué)科。Dix等人定義人機(jī)交互是在用戶的工作任務(wù)和環(huán)境下，對(duì)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評(píng)價(jià)。人機(jī)交互研究最初是以機(jī)器為中心，心理學(xué)家訓(xùn)練選拔員工以適應(yīng)機(jī)器的工作。20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，隨著高速處理芯片、多媒體技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展與普及，人機(jī)交互向著智能化的方向發(fā)展，這一技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)也由計(jì)算機(jī)的反饋轉(zhuǎn)向以人為中心。2018年ACMSIGCHI新增一本雜志《Interactions》，其主題是人機(jī)交互和交互設(shè)計(jì)，人機(jī)交互技術(shù)研究越來(lái)越得到重視。人機(jī)交互技術(shù)經(jīng)過(guò)基本交互、圖形式交互、語(yǔ)音式交互和感應(yīng)式交互(體感交互)四個(gè)階段。基本交互仍然停留在最原始的狀態(tài)，人與機(jī)器的關(guān)系僅僅是人工手動(dòng)輸入與機(jī)器輸出的交互狀態(tài)，比如早期的按鈕式電話、打字機(jī)與鍵盤。圖形交互時(shí)期是隨著電腦的出現(xiàn)而開(kāi)始的，以顯示屏、鼠標(biāo)問(wèn)世為標(biāo)志，在觸屏技術(shù)成熟期達(dá)到巔峰。語(yǔ)音交互最開(kāi)始是單向的，即語(yǔ)音識(shí)別，如科大訊飛的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。后來(lái)微軟的Cortana、小冰，蘋果的Siri以及Google公司的GoogleNow突破了單向交互的壁壘，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)雙向語(yǔ)音對(duì)話。最后，隨著當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)調(diào)交互形式的智能化，體感交互將成為未來(lái)交互發(fā)展的新方向。體感交互是直接從人的姿勢(shì)識(shí)別來(lái)完成人與機(jī)器的互動(dòng)，主要是通過(guò)攝像系統(tǒng)模擬建立三維的世界，同時(shí)感應(yīng)出人與設(shè)備之間的距離與物體的大小。目前，索尼發(fā)明的觸控型投影儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了體感交互[17]。未來(lái)，這種交互方式將成為先前各種技術(shù)的結(jié)合，包括即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、VR等技術(shù)，最終衍生出多樣化的交互形式，而機(jī)器人有望在未來(lái)成為體感交互的載體[40]。6.4智能機(jī)器人的應(yīng)用6.4.1極端環(huán)境與軍事應(yīng)用1.極端環(huán)境機(jī)器人可以代替人類在極端環(huán)境中工作，如極寒環(huán)境、深海環(huán)境、核污染地域、極端天氣等。如美國(guó)OceanOne就是一款類人型深海機(jī)器人，被稱作美人魚機(jī)器人，如圖6.13所示。它擁有人類的視力和人造的大腦，還可以借壓力傳感器等元件提供力量反饋，能夠潛入數(shù)百英尺深的海底。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，人類要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間載人太空航行，還是一件比較困難的事情。如果用機(jī)器人來(lái)代替人類，長(zhǎng)時(shí)間太空旅行并登陸其他星球、進(jìn)行環(huán)境探測(cè)，將所得數(shù)據(jù)傳回地球，深入研究各天體的地質(zhì)特性和所處的空間環(huán)境，探索行星系統(tǒng)的形成和演化歷史，將會(huì)大大方便人類探索宇宙的物質(zhì)分布和起源。據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，航天局和私人航天公司都正致力于將人類送達(dá)更遙遠(yuǎn)的太空區(qū)域。但是近期一系列研究表明，智能機(jī)器人可能是未來(lái)太空探索的引領(lǐng)者。美國(guó)宇航局已經(jīng)贊成派遣智能機(jī)器人探測(cè)搜尋宇宙空間，科學(xué)家也認(rèn)為在軌道上的宇航員通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控能夠操控機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬探索。同時(shí)，一些人甚至表示，智能機(jī)器人幾乎能獨(dú)立完成太空探測(cè)任務(wù)[17]。太空機(jī)器人如圖6.14所示。我國(guó)在第34次南極科考中，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的探冰機(jī)器人成功執(zhí)行了“南極埃默里冰架地形勘測(cè)”項(xiàng)目地面勘察現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)，這是我國(guó)地面機(jī)器人首次投入極地考察冰蓋探路應(yīng)用。該探冰機(jī)器人(見(jiàn)圖6.15)是安全有效的冰蓋未知區(qū)域路線探測(cè)裝備，將在未來(lái)建立中山站至埃默里冰架冰上安全運(yùn)輸路線中發(fā)揮重要作用[17]。2017年，中國(guó)攻克了強(qiáng)輻射環(huán)境可靠通信、輻射防護(hù)加固等核用機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，成功自主研發(fā)耐核輻射機(jī)器人，如圖6.16所示。中國(guó)的耐核輻射機(jī)器人可以承受65℃的高溫，它攜帶的相機(jī)等傳感器，可在每小時(shí)１萬(wàn)個(gè)西弗(SV)的核輻射環(huán)境中工作，特別是其水下高清耐核輻射攝像系統(tǒng)，采用獨(dú)特輻射屏蔽技術(shù)，可在水平方向360度旋轉(zhuǎn)，無(wú)盲區(qū)，即便在水下100米工作也仍然穩(wěn)定可靠[17]。2.軍事應(yīng)用軍用機(jī)器人(MilitaryRobot)是一種用于軍事領(lǐng)域的具有某種仿生功能的自動(dòng)機(jī)器。從物資運(yùn)輸?shù)剿褜た碧揭约皩?shí)戰(zhàn)進(jìn)攻，軍用機(jī)器人的使用范圍廣泛。軍用機(jī)器人按照使用環(huán)境和軍事用途來(lái)分類，主要有以下四大類：地面軍用機(jī)器人、空中機(jī)器人、水下機(jī)器人和空間機(jī)器人[43]，下面講述其中三種。美國(guó)波士頓動(dòng)力軍用機(jī)器人如圖6.17所示。(1)地面軍用機(jī)器人：主要是指智能或遙控的輪式和履帶式車輛及多足機(jī)器人，依靠自身的智能自主導(dǎo)航，躲避障礙物，獨(dú)立完成各種戰(zhàn)斗任務(wù)，如圖6.18所示。(2)水下機(jī)器人：2015年9月，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研發(fā)出中國(guó)首臺(tái)6000米水下自主機(jī)器人。2016年7月，同為沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的“海斗號(hào)”創(chuàng)造了我國(guó)水下機(jī)器人最大下潛深度紀(jì)錄，成為我國(guó)首臺(tái)下潛深度超過(guò)萬(wàn)米并完成全海深淵科考應(yīng)用的水下機(jī)器人。這些技術(shù)的突破都有望應(yīng)用于未來(lái)的軍事領(lǐng)域[43]。水下機(jī)器人如圖6.19所示。(3)空間機(jī)器人：用于代替人類在太空中進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)、出艙操作、空間探測(cè)等活動(dòng)的特種機(jī)器人，如圖6.20所示。空間機(jī)器人代替宇航員出艙活動(dòng)可以大幅度降低風(fēng)險(xiǎn)和成本[43]。我國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、航天五院等科研單位針對(duì)空間機(jī)器人開(kāi)展了大量研究，在空間站建造與運(yùn)營(yíng)、月球探測(cè)、活性探測(cè)等工程方面取得了豐碩成果，部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用。2016年6月，中國(guó)國(guó)家航天局在人工智能、機(jī)器人和自動(dòng)化國(guó)際研討會(huì)上宣布，已經(jīng)根據(jù)我國(guó)航天發(fā)展的需要制訂了我國(guó)未來(lái)的空間機(jī)器人發(fā)展路線圖[43]。6.4.2醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，比如智能假肢、外骨骼和輔助設(shè)備等技術(shù)幫助修復(fù)人類受損身體，醫(yī)療保健機(jī)器人輔助醫(yī)護(hù)人員工作等。目前，關(guān)于智能機(jī)器人在醫(yī)療界中的應(yīng)用，主要集中在外科手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人等方面。國(guó)內(nèi)醫(yī)療智能機(jī)器人領(lǐng)域也經(jīng)歷了快速發(fā)展，已有大量機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了市場(chǎng)應(yīng)用[44]。早在1985年，研究人員借助PUMA560工業(yè)機(jī)器人完成了機(jī)器人輔助定位的神經(jīng)外科活檢手術(shù)，這是首次將機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于醫(yī)療外科手術(shù)中，標(biāo)志著醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展的開(kāi)端。之后經(jīng)過(guò)30多年的快速發(fā)展，已在看護(hù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、仿生假肢和行為輔助機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。早在1972年就有人提出開(kāi)發(fā)醫(yī)療用遙控機(jī)器人的設(shè)想，但在當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為這是個(gè)相對(duì)遙遠(yuǎn)的事情。然而，隨著原子能領(lǐng)域、宇宙開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的遙控機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，醫(yī)療領(lǐng)域也出現(xiàn)了開(kāi)發(fā)醫(yī)用機(jī)器人的熱潮。在1994年就出現(xiàn)了第一臺(tái)商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人，它是由美國(guó)ComputerMotion公司研究的一臺(tái)聲控腹腔鏡自動(dòng)“扶手”AESOP(伊索機(jī)器人)，并于1997年3月在比利時(shí)布魯塞爾的一家醫(yī)院完成了第一例腹腔鏡手術(shù)——膽囊切除。1997年，我國(guó)第一臺(tái)醫(yī)用機(jī)器人“主刀”手術(shù)在海軍醫(yī)院神經(jīng)外科病房取得成功，由海軍總醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所共同研制成功的第一臺(tái)醫(yī)用機(jī)器人，在兩名醫(yī)生和一名計(jì)算機(jī)專家的共同指令下，首次完成立體定向顱咽管瘤內(nèi)放射治療術(shù)，從而開(kāi)啟我國(guó)醫(yī)用外科機(jī)器人的研究與應(yīng)用。到1998年，ComputerMotion公司推出的宙斯(ZEUS)系統(tǒng)、IntuitiveSurgical公司研發(fā)的達(dá)芬奇(daVinci)系統(tǒng)(見(jiàn)圖6.21)、EndoVia公司研發(fā)的Laprotek系統(tǒng)三足鼎立，瓜分世界外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)[45]。目前手術(shù)機(jī)器人不僅完成了普外科，還有腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除、人工關(guān)節(jié)置換、泌尿科和整形外科等方面的手術(shù)。近些年，心臟手術(shù)機(jī)器人、腔鏡手術(shù)支援機(jī)器人和機(jī)器人手術(shù)鉗的開(kāi)發(fā)已經(jīng)到了成熟階段，它們的應(yīng)用也頗受人們的關(guān)注[45]。康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為了國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。康復(fù)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)用機(jī)器人的結(jié)合。20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國(guó)、英國(guó)和加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。1990年以前全球的56個(gè)研究中心分布在5