论智能机器人的发展和未来
摘要: 本文介绍了智能机器人的发展概况、机器人的感官系统、机器人运动系统及人工智能技术在机器人中的应用,智能机器人是一个在感知-思维-效应方面全面模拟人的机器系统,外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场,可以全面地考察人工智能各个领域的技术,研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。智能机器人，是多学科交叉与融合的结晶。
关键词：智能机器人；感官；仿生；人工智能
1.智能机器人的未来发展
1.1人工智能技术在机器人中的应用
智能机器人的开发研究取得了举世瞩目的成果。那么,未来智能机器人技术将如何发展呢?日本工业机器人协会对下一代机器人的发展进行了预测。提出智能机器人技术近期将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。下面我们简单介绍人工智能技术、操作器、移动技术、动力源和驱动器、仿生机构等。 (1)人工智能技术在机器人中的应用
把传统的人工智能的符号处理技术应用到机器人中存在哪些困难呢?一般的工业机器人的控制器,本质是一个数值计算系统。如若把人工智能系统(如专家系统)直接加到机器人控制器的顶层,能否得到一个很好的智能控制器?并不那么容易。因为符号处理与数值计算,在知识表示的抽象层次以及时间尺度上的重大差距,把两个系统直接结合起来,相互之间将存在通信和交互的问题,这就是组织智能控制系统的困难所在。这种困难表现在两个方面:一是传感器所获取的反馈信息通常是数量很大的数值信息,符号层一般很难直接使用这些信息,需要经过压缩、变换、理解后把它转变为符号表示,这往往是一件很困难而又耗费时间的事。而信息来自分布在不同地点和不同类型的多个传感器。从不同角度,以不同的测量方法得到不同的环境信息。这些信息受到干扰和各种非确定性因素的影响,难免存在畸变、信息不完整等缺陷,因此使上述的处理、变换更加复杂和困难。二是从符号层形成的命令和动作意图,要变成控制级可执行的指令(数据),也要经过分解、转换等过程,这也是困难和费时的工作。它们同样受到控制动作和环境的非确定性因素的影响。
1.2操作器的使用
工业机器人手臂的设计制造已趋于成熟,因此在智能机器人操作器方面的研究,人们的兴趣主要集中在各种具有柔性和灵巧性的手爪和手臂上。机器人手臂结构要适应智能机器人高速、重载、高精度和轻质的发展趋势。其中轻质化是关键。新型高刚度、抗震结构和材料是目前国外研究的前沿。机器人的手、腕以及连接机构是引人注目的研究课题。其中手腕机构的研究注重于快速、准确、灵活性、柔顺性和结构的紧凑性。与人协调作业关系密切的一类智能机器人如医用机器人、空间机器人、危险品处理机器人、打毛刺机器人等,它们都面临着如何快速、准确地把人的意志和人手的熟练操作传送到机器人执行机构的问题。目前,要让机器人作业一个小时,其软件编制需要60个小时,费时又费工。改善这种状况,需要从软件和硬件两方面着手。如多指多关节灵巧手是一种模拟人的通用手,它能比较逼真地记录和再现人手的熟练动作,受到研究者的青睐。由于它涉及到操作力学、结构学、基于传感器的控制、传感器融和等方面的问题,研制的难度很大,因此到目前为止,还没有一种成熟的产品投放市场。
1.3动力源和驱动器的更新
智能机器人的机动性要求动力源轻、小、出力大。而现有的移动机器人无一例外地拖着“辫子”。以动力源的重量/功率之比为例,目前电池约达到60g/W(连续使用小时),汽油机约为1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性。到目前为止,尚未见到改善动力源的有效办法。电机仍然是智能机器人的主要驱动器。要使智能机器人的作业能力与人相当,它的指、肘、肩、腕各关节大致需要3-300Nm的输出力矩和30-60r/min的输出转速。传统伺服电机的重量/功率之比约为30g/W,而人在百米跑和投掷垒球时腿、肩、臂的出力大约为1g/W,相差甚大。日本在改进电机的性能方面取得了长足的进步。例如:核工业机器人臂和腿的驱动电机的重量已减轻到原来的1/10,使机器人整体自重降低到700kg,但与它只能处理20kg重的工作相比,远非令人满意。人们寄希望于新驱动器,例如:人工肌肉、形状记忆合金、氢吸附合金、压电元件、挠性轴、钢丝绳集束传动等等。虽然各有诱人的优点,但在实用性方面还达不到伺服电机的水平。日本极限作业机器人计划中,水下机器人机械手的手腕和手爪驱动采用了人工肌肉,肌肉本身的重量才5-8g,以20kg/cm2压力的高压水为工作介质,收缩力高达50kg(管径3mm)。这是新型驱动器一个成功的例子。总之,智能机器人性能指标的改进是无止境的,对驱动器的要求也越来越高。什么是客观的衡量标准呢?一个容易接受的办法就是把它与人的体能加以比较。从这个来看,智能机器人驱动技术目前差距还相当大。
1.4仿生机构的成熟
智能机器人的生命在创新,开展仿生机构的研究,可以从生体机构、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合,以及感知和认知等方面多层次得到启发。目前,以驱体为构件的蛇形移动机构、人工肌肉、仿象鼻柔性臂、人造关节、假肢、多肢体动物的运动协调等等受到人们的关注。仿生机构的自由度往往比较多,建立数学模型以及基于数学模型的控制比较复杂,借助传感器获取信息加以简化可能是一条出路。
2.智能机器人与应用的现状与发展趋势
2.1 机器人发展面临新的机遇与挑战
在中国，机器人历经了30多年的发展，在机器人基础理论和应用技术研究方面具有很好的积累，对科学技术的发展起到了巨大的推动作用，成为航天航空、汽车、电子、机械、能源、化工、材料等学科的重要基石。发展表明，机器人是一个生命力强、学科交叉性强的研究领域。进入21世纪以来，纳米、生物、信息成为科技界最具影响力的、紧密联系的三大领域，这些领域的研究不断被引入到机器人当中，使得机器人功能越来越强大，应用领域越来越广。
2.2 机器人应该密切结合国家需求
随着我国科技水平和经济整体水平的迅速提高，机器人的发展还必须更好地与国家重大需求相结合。例如，我国的航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、制造与维修技术、与人类疾病与健康密切相关的生物医学技术等领域都在一日千里地发展，机器人应该与上述领域密切结合。
2.3 机器人发展的新趋势
机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其现状及发展趋势主要体现在以下几个方面：①机构与材料：探索新的高强度轻质材料，不断提高负载／自重比，同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展；②生机电一体化机器人：研究人机耦合系统与复杂生物机电系统建模方法，探索生物信息的编码机理和解码机制，以及多源生物信息的融合与理解机制等；③多传感系统和控制技术：非线性及非平稳非正态分布的情形下有效可行的多传感器融合算法，机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器的研究；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驱动器技术，研究仿生感知、控制机制与生物神经系统建型理论与方法；④网络化技术：网络化使机器人由个体系统向群体系统发展，使远距离操作监控、维护及遥控的智能型工厂成为可能；⑤机器人灵巧化和智能化发展：机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展；⑥医疗机器人和康复机器人：医疗机器人是近年来发展比较迅速的一个新的应用领域，借助医疗机器人可降低医生手术疲劳度，还可提高操作的精度。康复机器人可对各种神经损伤患者进行定量化的主被动康复治疗，使患者的运动机能和生活自理能力得到增强和恢复。
序言：目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为我国工业发展的必由之路。作为先进制造装备之典型代表的工业机器人必将有一个大的产业发展空间，市场前景广阔；但我们也应注意到国外机器人巨头已经全部涌入中国，市场竞争日益加剧，所以中国未来机器人产业的发展不会一帆风顺。国家应借鉴日本机器人产业发展的成功做法，制定机器人产业发展战略和相关政策，这是我国机器人产业发展成败之关键。
参考文献：
（1） 刘海波、李根深：智能机器人研究现状及发展动向
（2） 刘军伟：智能拆除机器人的研究现状及发展趋势
