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智能機器人 | 現狀及其發展趨勢

智能機器人 | 現狀及其發展趨勢

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  機器人是一種可編程和多功能的,用來搬運材料、零件、工具的操作機,或是為了執行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統。智能機器人則是一個在感知- 思維- 效應方面全面模擬人的機器系統,外形不一定像人。它是人工智能技術的綜合試驗場,可以全面地考察人工智能各個領域的技術,研究它們相互之間的關系。還可以在有害環境中代替人從事危險工作、上天下海、戰場作業等方面大顯身手。一部智能機器人應該具備三方面的能力:感知環境的能力、執行某種任務而對環境施加影響的能力和把感知與行動聯系起來的能力。智能機器人與工業機器人的根本區別在于,智能機器人具有感知功能與識別、判斷及規劃功能。

  隨著智能機器人的應用領域的擴大,人們期望智能機器人在更多領域為人類服務,代替人類完成更復雜的工作。然而,智能機器人所處的環境往往是未知的、很難預測。智能機器人所要完成的工作任務也越來越復雜;對智能機器人行為進行人工分析、設計也變得越來越困難。目前,國內外對智能機器人的研究不斷深入。

  1.國內外在該領域的發展現狀綜述

  1.1智能機器人的發展現狀

  智能機器人是第三代機器人,這種機器人帶有多種傳感器,能夠將多種傳感器得到的信息進行融合,能夠有效的適應變化的環境,具有很強的自適應能力、學習能力和自治功能。

 

 

 

 

  目前研制中的智能機器人智能水平并不高,只能說是智能機器人的初級階段。智能機器人研究中當前的核心問題有兩方面:一方面是,提高智能機器人的自主性,這是就智能機器人與人的關系而言,即希望智能機器人進一步獨立于人,具有更為友善的人機界面。從長遠來說,希望操作人員只要給出要完成的任務,而機器能自動形成完成該任務的步驟,并自動完成它。另一方面是,提高智能機器人的適應性,提高智能機器人適應環境變化的能力,這是就智能機器人與環境的關系而言,希望加強它們之間的交互關系。

  智能機器人涉及到許多關鍵技術,這些技術關系到智能機器人的智能性的高低。這些關鍵技術主要有以下幾個方面:多傳感信息耦合技術,多傳感器信息融合就是指綜合來自多個傳感器的感知數據,以產生更可靠、更準確或更全面的信息,經過融合的多傳感器系統能夠更加完善、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;導航和定位技術,在自主移動機器人導航中,無論是局部實時避障還是全局規劃,都需要精確知道機器人或障礙物的當前狀態及位置,以完成導航、避障及路徑規劃等任務;路徑規劃技術,最優路徑規劃就是依據某個或某些優化準則,在機器人工作空間中找到一條從起始狀態到目標狀態、可以避開障礙物的最優路徑;機器人視覺技術,機器人視覺系統的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示,核心任務是特征提取、圖像分割和圖像辨識;智能控制技術,智能控制方法提高了機器人的速度及精度;人機接口技術,人機接口技術是研究如何使人方便自然地與計算機交流。

  在各國的智能機器人發展中,美國的智能機器人技術在國際上一直處于領先地位,其技術全面、先進,適應性也很強,性能可靠、功能全面、精確度高,其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業中廣泛應用。日本由于一系列扶植政策,各類機器人包括智能機器人的發展迅速。歐洲各國在智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。中國起步較晚,而后進入了大力發展的時期,以期以機器人為媒介物推動整個制造業的改變,推動整個高技術產業的壯大。

  1.2 智能機器人的廣泛應用

  現代智能機器人基本能按人的指令完成各種比較復雜的工作,如深海探測、作戰、偵察、搜集情報、搶險、服務等工作,模擬完成人類不能或不愿完成的任務,不僅能自主完成工作,而且能與人共同協作完成任務或在人的指導下完成任務,在不同領域有著廣泛的應用。

  智能機器人按照工作場所的不同,可以分為管道、水下、空中、地面機器人等。管道機器人可以用來檢測管道使用過程中的破裂、腐蝕和焊縫質量情況,在惡劣環境下承擔管道的清掃、噴涂、焊接、內部拋光等維護工作,對地下管道進行修復;水下機器人可以用于進行海洋科學研究、海上石油開發、海底礦藏勘探、海底打撈救生等;空中機器人可以用于通信、氣象、災害監測、農業、地質、交通、廣播電視等方面;服務機器人半自主或全自主工作、為人類提供服務,其中醫用機器人具有良好的應用前景;仿人機器人的形狀與人類似,具有移動功能、操作功能、感知功能、記憶和自治能力,能夠實現人機交互;微型機器人以納米技術為基礎在生物工程、醫學工程、微型機電系統、光學、超精密加工及測量(如:掃描隧道顯微鏡) 等方面具有廣闊的應用前景。

  在國防領域中,軍用智能機器人得到前所未有的重視和發展,近年來,美英等國研制出第二代軍用智能機器人,其特點是采用自主控制方式,能完成偵察、作戰和后勤支援等任務,在戰場上具有看、嗅等能力,能夠自動跟蹤地形和選擇道路,具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車,SSV自主地面戰車等。在未來的軍事智能機器人中,還會有智能戰斗機器人、智能偵察機器人、智能警戒機器人、智能工兵機器人、智能運輸機器人等等,成為國防裝備中新的亮點。

  在服務工作方面,世界各國尤其是西方發達國家都在致力于研究開發和廣泛應用服務智能機器人,以清潔機器人為例,隨著科學技術的進步和社會的發展,人們希望更多地從繁瑣的日常事務中解脫出來,這就使得清潔機器人進入家庭成為可能。日本公司研制的地面清掃機器人,可沿墻壁從任何一個位置自動啟動,利用不斷旋轉的刷子將廢棄物掃入自帶容器中;車站地面擦洗機器人工作時一面將清洗液噴灑到地面上,一面用旋轉刷不停地擦洗地面,并將臟水吸入所帶的容器中;工廠的自動清掃機器人可用于各種工廠的清掃工作。美國的一款清潔機器人“Roomba”具有高度自主能力,可以游走于房間各家具縫隙間,靈巧地完成清掃工作。瑞典的一款機器人“三葉蟲”,表面光滑,呈圓形,內置搜索雷達,可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物,它可重新選擇路線,并對整個房間做出重新判斷與計算,以保證房間的各個角落都被清掃。

  甚至在體育比賽方面,也得到了很大的發展,近年來在國際上迅速開展起來足球機器人與機器人足球高技術對抗活動,國際上已成立相關的聯合會FIRA,許多地區也成立了地區協會,已達到比較正規的程度且有相當的規模和水平。機器人足球賽目的是將足球(高爾夫球) 撞入對方球門取勝。球場上空(2m ) 高懸掛的攝像機將比賽情況傳入計算機內,由預裝的軟件作出恰當的決策與對策,通過無線通訊方式將指揮命令傳給機器人。機器人協同作戰, 雙方對抗,形成一場激烈的足球比賽。在比賽過程中, 機器人可以隨時更新它的位置每當它穿過地面線截面,雙方的教練員與系統開發人員不得進行干預。機器人足球融計算機視覺、模式識別、決策對策、無線數字通訊、自動控制與最優控制、智能體設計與電力傳動等技術于一體,是一個典型的智能機器人系統。

 

 

  現代智能機器人不僅在上述方面有廣泛應用,而將滲透到生活的各個方面,像在煤炭工業在礦業方面,考慮到社會上對煤炭需求量日益增長的趨勢和煤炭開采的惡劣環境,將智能機器人應用于礦業勢在必行。在建筑方面,有高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、擦玻璃機器人、地面拋光機器人等。在核工業方面,主要研究機構靈巧、動作準確可靠、反應快、重量輕的機器人等等。智能機器人的應用領域的日益擴大,人們期望智能機器人能在更多的領域為人類服務,代替人類完成更多更復雜的工作。

  2 討論與展望

  2.1智能機器人的發展趨勢展望

  智能機器人具有廣闊的發展前景,目前機器人的研究正處于第三代智能機器人階段,盡管國內外對此的研究已經取得了許多成果,但其智能化水平仍然不盡人意。未來的智能機器人應當在以下幾方面著力發展:面向任務,由于目前人工智能還不能提供實現智能機器的完整理論和方法,已有的人工智能技術大多數要依賴領域知識,因此當我們把機器要完成的任務加以限定,及發展面向任務的特種機器人,那么已有的人工智能技術就能發揮作用,使開發這種類型的智能機器人成為可能;傳感技術和集成技術,在現有傳感器的基礎上發展更好、更先進的處理方法和其實現手段,或者尋找新型傳感器,同時提高集成技術,增加信息的融合;機器人網絡化,利用通信網絡技術將各種機器人連接到計算機網絡上,并通過網絡對機器人進行有效的控制;智能控制中的軟計算方法,與傳統的計算方法相比,以模糊邏輯、基于概率論的推理、神經網絡、遺傳算法和混沌為代表的軟計算技術具有更高的魯棒性、易用性及計算的低耗費性等優點,應用到機器人技術中,可以提高其問題求解速度,較好地處理多變量、非線性系統的問題;機器學習,各種機器學習算法的出現推動了人工智能的發展,強化學習、蟻群算法、免疫算法等可以用到機器人系統中,使其具有類似人的學習能力,以適應日益復雜的、不確定和非結構化的環境;智能人機接口,人機交互的需求越來越向簡單化、多樣化、智能化、人性化方向發展,因此需要研究并設計各種智能人機接口如多語種語音、自然語言理解、圖像、手寫字識別等,以更好地適應不同的用戶和不同的應用任務,提高人與機器人交互的和諧性;多機器人協調作業,組織和控制多個機器人來協作完成單機器人無法完成的復雜任務,在復雜未知環境下實現實時推理反應以及交互的群體決策和操作。

  2.2建議及設想

  由于現有的智能機器人的智能水平還不夠高,因此在今后的發展中,努力提高各發面的技術及其綜合應用,大力提高智能機器人的智能程度,提高智能機器人的自主性和適應性,是智能機器人發展的關鍵。同時,智能機器人涉及多個學科的協同工作,不僅包括技術基礎,甚至還包括心理學、倫理學等社會科學,讓智能機器人完成有益于人類的工作,使人類從繁重、重復、危險的工作中解脫出來,就像科幻作家阿西莫夫的“機器人學三大法則”一樣,讓智能機器人真正為人類利益服務,而不能成為反人類的工具。相信在不遠的將來,各行各業都會充滿形形色色的智能機器人,科幻小說中的場景將在科學家們的努力下逐步成為現實,很好地提高人類的生活品質和對未知事物的探索能力。

  我國的智能機器人發展還落后于世界先進水平,而智能機器人又是高科技的集中體現,具有重要的發展價值,因此我國在智能機器人領域要認清形勢、明確發展發現和目標,采取符合我國國情的可行發展對策,努力縮小與世界領先水平的差距,早日讓智能機器人全面為社會的發展服務。相信經過政府的重視和投入,科技工作者的不懈奮斗,我國的智能機器人發展水平能達到新的高度。