智能機器人概述

　　引言

　　到目前為止，在世界范圍內還沒有一個統一的智能機器人定義。大多數專家認為智能機器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運動要素，對外界做出反應性動作；三是思考要素，根據感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實質上就是相當于人的眼、鼻、耳等五官。它們的功能可以利用諸如攝像機、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關等機電元器件來實現。對運動要素來說，智能機器人需要有一個無軌道型的移動機構，以適應諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構來完成。在運動過程中要對移動機構進行實時控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機器人的思考要素是三個要素中的關鍵，也是人們要賦予機器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質上是一個信息處理過程，而計算機則是完成這個處理過程的主要手段。智能機器人作為運用到多方面前沿知識的高科技領域，將在我們的生活中發(fā)揮越來越大的作用。

　　1 關鍵技術

　　智能機器人是近年來比較熱門的一個研究，涉及機械、電子、感應器、計算機、多媒體、網絡技術等多種先進技術，還涉及反應式行為的感知和編程技術，以及多智能體群體之間的協調和控制等問題。特別是隨著計算機技術的發(fā)展進步，使得機器人智能化程度逐步增強。

　　1.1 人工智能

　　人工智能是智能機器人的核心技術。人工智能在計算機上實現時有2種不同的方式。一種是采用傳統的編程技術：使系統呈現智能的效果，而不考慮所用方法是否與人或動物機體所用的方法相同。這種方法叫工程學方法（Engineeringapproach），它已在一些領域內作出了成果，如文字識別、電腦下棋等。另一種是模擬法（Modelingapproach）它不僅要看效果，還要求實現方法也和人類或生物機體所用的方法相同或相類似。本書介紹的遺傳算法GenericAlgorithm，簡稱GA。和人工神經網絡ArtificialNeuralNetwork，簡稱ANN均屬后一類型。遺傳算法模擬人類或生物的遺傳-進化機制，人工神經網絡則是模擬人類或動物大腦中神經細胞的活動方式。為了得到相同智能效果，兩種方式通常都可使用。采用前一種方法，需要人工詳細規(guī)定程序邏輯，如果游戲簡單，還是方便的。如果游戲復雜，角色數量和活動空間增加，相應的邏輯就會很復雜，按指數式增長。人工編程就非常繁瑣，容易出錯。而一旦出錯，就必須修改原程序，重新編譯、調試，最后為用戶提供一個新的版本或提供一個新補丁，非常麻煩。采用后一種方法時，編程者要為每一角色設計一個智能系統（一個模塊）來進行控制。這個智能系統（模塊）開始什么也不懂，就像初生嬰兒那樣，但它能夠學習，能漸漸地適應環(huán)境，應付各種復雜情況。這種系統開始也常犯錯誤，但它能吸取教訓，下一次運行時就可能改正，至少不會永遠錯下去，用不到發(fā)布新版本或打補丁。利用這種方法來實現人工智能，要求編程者具有生物學的思考方法，入門難度大一點。但一旦入了門，就可得到廣泛應用。由于這種方法編程時無須對角色的活動規(guī)律做詳細規(guī)定，應用于復雜問題，通常會比前一種方法更省力。

　　1.2 傳感器

　　傳感器在智能機器人中有著極其重要的作用，它用來作為機器人與外界溝通的關鍵技術。它是指那些被測對象的某一確定的信息具有感受與檢出功能，并是指按照一定規(guī)律轉換成與之對應的可輸出信號的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對象與測控系統的接口位置，一切科學研究和生產過程所要獲取的信息都要通過它轉換為容易傳輸和處理的電信號。如果把計算機比喻為處理和識別信息的“大腦”，把通信系統比喻為傳遞信息的“神經系統”，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

　　1.3 計算機

　　智能機器人之所以能夠“智能”，是與計算機的工作所分不開的。是用計算機模擬人的智能，特別是模擬思維活動。由于人的思維活動離不開語言，而且人對于某一類問題進行思索和探索解法時，總是需要以關于這一類問題的基本知識(專業(yè)知識或常識)作為出發(fā)點。于是，知識表示和機器對自然語言的理解就構成人工智能的兩個重要領域。所謂知識表示，是指將原來用自然語言表示的知識轉換成用符號語言表示的，從而可以儲存在機器內供機器使用的知識。人工智能的研究角度有探索法的角度和算法的角度。通常所說的解題算法是指機械的和總是有結果的方法，而這里所說的算法卻是廣義的，包括那些機械的而在使用時不一定有結果的算法。這種方法時常稱作半可判定的方法。人在解決問題時，時常采用探索法。這種方法具有“試錯法”的性質，也就是說，試驗若干條途徑，一條路走不通時再試另一條，直到問題得到解決時為止。這便是計算機解決問題的典型辦法。

　　2 分類

　　2.1按智能程度分類

　　1）傳感型機器人

　　又稱外部受控機器人。機器人的本體上沒有智能單元只有執(zhí)行機構和感應機構。它具有利用傳感信息（包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等）進行傳感信息處理、實現控制與操作的能力。受控于外部計算機，在外部計算機上具有智能處理單元，處理由受控機器人采集的各種信息以及機器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機器人的動作。目前機器人世界杯的小型組比賽使用的機器人就屬于這樣的類型。

　　2）交互型機器人

　　機器人通過計算機系統與操作員或程序員進行人—機對話，實現對機器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能，能夠獨立地實現一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。

　　3）自主型機器人

　　在設計制作之后，機器人無需人的干預，能夠在各種環(huán)境下自動完成各項擬人任務。自主型機器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個自主的人一樣獨立地活動和處理問題。機器人世界杯的中型組比賽中使用的機器人就屬于這一類型。全自主移動機器人的最重要的特點在于它的自主性和適應性，自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務。適應性是指它可以實時識別和測量周圍的物體，根據環(huán)境的變化，調節(jié)自身的參數，調整動作策略以及處理緊急情況。交互性也是自主機器人的一個重要特點，機器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機器人之間進行信息的交流。由于全自主移動機器人涉及諸如驅動器控制、傳感器數據融合、圖像處理、模式識別、神經網絡等許多方面的研究，所以能夠綜合反映一個國家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平。因此，許多國家都非常重視全自主移動機器人的研究。

　　2.2 按用途分類

　　在用途上，智能機器人與普通機器人在用途上有許多相似之處，但因其智能性使得它能做更復雜的工作，完成更高級的任務。

　　1）工業(yè)智能機器人

　　工業(yè)智能機器依據具體應用的不同，通常又可以分成焊接機器人、裝配機器人、噴漆機器人、碼垛機器人、搬運機器人等多種類型。作為具有智能的工業(yè)機器人，他們在很多方面超越了傳統機器人。焊接機器人，包括點焊（電阻焊）和電弧焊機器人，用途是實現自動的焊接作業(yè)。裝配機器人，比較多地用于電子部件電器的裝配。噴漆機器人，代替人進行噴漆作業(yè)。碼垛、上下料、搬運機器人的功能則是根據一定的速度和精度要求，將物品從一處運到另一處。在工業(yè)生產中應用機器人，可以方便迅速地改變作業(yè)內容或方式，以滿足生產要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。隨著對工業(yè)生產線柔性的要求越來越高，對各種機器人的需求也就越來越強烈。

　　2）農業(yè)智能機器人

　　隨著機器人技術的進步，以定型物、無機物為作業(yè)對象的工業(yè)機器人正在向更高層次的以動、植物之類復雜作業(yè)對象為目標的農業(yè)機器人發(fā)展，農業(yè)機器人或機器人化的農業(yè)機械的應用范圍正在逐步擴大。農業(yè)機器人的應用不僅能夠大大減輕以致代替的人們的生產勞動、解決勞動力不足的問題，而且可以提高勞動生產率，改善農業(yè)的生產環(huán)境，防止農藥、化肥等對人體的傷害，提高作業(yè)質量。但由于農業(yè)機器人所面臨的是非結構、不確定、不宜預估的復雜環(huán)境和工作對象，所以與工業(yè)機器人相比，其研究開發(fā)的難度更大。農業(yè)機器人的研究開發(fā)目前主要集中耕種、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收獲、灌溉、養(yǎng)殖和各種輔助操作等方面。日本是機器人普及最廣泛的國家，目前已經有數千臺機器人應用于農業(yè)領域。

　　3）探索智能機器人

　　機器人除了在工農業(yè)上廣泛應用之外，還越來越多地用于極限探索，即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務。例如在水下（海洋）、太空以及在放射性(有毒或高溫等環(huán)境中進行作業(yè)。人類借助潛水器具潛人到深海之中探秘，已有很長的歷史。然而，由于危險很大、費用極高，所以水下機器人就成了代替人在這一危險的環(huán)境中工作的最佳工具。空間機器人是指在大氣層內和大氣層外從事各種作業(yè)的機器人，包括在內層空間飛行并進行觀測、可完成多種作業(yè)的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業(yè)的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。

　　4）服務智能機器人

　　機器人技術不僅在工農業(yè)生產、科學探索中得到了廣泛應用，也逐漸滲透到人們的日常生活領域，服務機器人就是這類機器人的一個總稱。盡管服務機器人的起步較晚，但應用前景十分廣泛，目前主要應用在清潔、護理、執(zhí)勤、救援、娛樂、和代替人對設備維護保養(yǎng)等場合。國際機器人聯合會給服務機器人的一個初步定義是，一種以自主或半自主方式運行，能為人類的生活、康復提供服務的機器人，或者是能對設備運行進行維護的一類機器人。

　　2.3 按形態(tài)分類

　　1）擬物智能機器人

　　仿照各種各樣的生物，日常使用物品，建筑物，交通工具等做出的機器人，采用非智能或智能的系統來方便人類生活的機器人。比如：機器寵物狗“愛寶”（Aibo），六腳機器昆蟲，輪式、履帶式機器人。

　　2）仿人智能機器人

　　模仿人的形態(tài)和行為而設計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時

　　具有仿人的四肢和頭部。機器人一般根據不同應用需求被設計成不同形狀和功能，如步行機器人、寫字機器人、奏樂機器人、玩具機器人等。而仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術等多門科學于一體，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。

　　3 發(fā)展

　　智能機器人的開發(fā)研究取得了舉世矚目的成果。那么，未來智能機器人技術將如何發(fā)展呢？日本工業(yè)機器人協會對下一代機器人的發(fā)展進行了預測。提出智能機器人技術近期將沿著自主性、智能通信和適應性三個方向發(fā)展。下面我們簡單介紹人工智能技術、操作器、移動技術、動力源和驅動器、仿生機構等。

　　3.1 人工智能技術在機器人中的應用

　　把傳統的人工智能的符號處理技術應用到機器人中存在哪些困難呢？一般的工業(yè)機器人的控制器，本質是一個數值計算系統。如若把人工智能系統(如專家系統)直接加到機器人控制器的頂層，能否得到一個很好的智能控制器？并不那么容易。因為符號處理與數值計算，在知識表示的抽象層次以及時間尺度上的重大差距，把兩個系統直接結合起來，相互之間將存在通信和交互的問題，這就是組織智能控制系統的困難所在。這種困難表現在兩個方面：一是傳感器所獲取的反饋信息通常是數量很大的數值信息，符號層一般很難直接使用這些信息，需要經過壓縮、變換、理解后把它轉變?yōu)榉柋硎荆@往往是一件很困難而又耗費時間的事。而信息來自分布在不同地點和不同類型的多個傳感器。從不同角度，以不同的測量方法得到不同的環(huán)境信息。這些信息受到干擾和各種非確定性因素的影響，難免存在畸變、信息不完整等缺陷，因此使上述的處理、變換更加復雜和困難。二是從符號層形成的命令和動作意圖，要變成控制級可執(zhí)行的指令(數據)，也要經過分解、轉換等過程，這也是困難和費時的工作。它們同樣受到控制動作和環(huán)境的非確定性因素的影響。

　　由于這些困難，要把人工智能系統與傳統機器人控制器直接結合起來就很難建立實時性和適應性很好的系統。為了解決機器人的智能化，組成智能機器人系統，研究者們將面臨許多困難且需要做長期努力，進行若干課題的研究。例如：高級思維活動應以什么方式的機器人系統來模仿，是采取傳統的人工智能符號推理的方法，還是采用別的方法？需不需要環(huán)境模型，需要怎樣的環(huán)境模型；怎樣建立環(huán)境模型，傳統的人工智能主要依據先驗知識建立環(huán)境模型。由于環(huán)境和任務的復雜性，環(huán)境的不確定性，這種建模方式遇到了挑戰(zhàn)，于是出現了依靠傳感器建模的主張，這就引出一系列新的與傳感技術有關的課題。

　　人們?yōu)榱颂接懭斯ぶ悄茉?span id="bxexphz" class="hrefStyle">機器人中近期的可用技術，暫時拋開人工智能中的各種帶根本性的爭論，如符號主義與連接主義、有推理和無推理智能等等，把著眼點放在人工智能技術中較成熟的技術上。對傳統的人工智能來說，就是知識的符號表示和推理這部分技術，看一看它對當前的機器人技術的發(fā)展會有什么貢獻。其主要貢獻體現在以下幾個方面：基于任務的傳感技術，建立感知與動作的直接聯系，基于傳感器的規(guī)劃和決策，復雜動作的協調等。

　　3.2 操作器

　　工業(yè)機器人手臂的設計制造已趨于成熟，因此在智能機器人操作器方面的研究，人們的興趣主要集中在各種具有柔性和靈巧性的手爪和手臂上。機器人手臂結構要適應智能機器人高速、重載、高精度和輕質的發(fā)展趨勢。其中輕質化是關鍵。新型高剛度、抗震結構和材料是目前國外研究的前沿。機器人的手、腕以及連接機構是引人注目的研究課題。其中手腕機構的研究注重于快速、準確、靈活性、柔順性和結構的緊湊性。與人協調作業(yè)關系密切的一類智能機器人如醫(yī)用機器人、空間機器人、危險品處理機器人、打毛刺機器人等，它們都面臨著如何快速、準確地把人的意志和人手的熟練操作傳送到機器人執(zhí)行機構的問題。目前，要讓機器人作業(yè)一個小時，其軟件編制需要60個小時，費時又費工。改善這種狀況，需要從軟件和硬件兩方面著手。如多指多關節(jié)靈巧手是一種模擬人的通用手，它能比較逼真地記錄和再現人手的熟練動作，受到研究者的青睞。由于它涉及到操作力學、結構學、基于傳感器的控制、傳感器融和等方面的問題，研制的難度很大，因此到目前為止，還沒有一種成熟的產品投放市場。

　　3.3 移動技術

　　移動功能是智能機器人與工業(yè)機器人顯著的區(qū)別之一。附加了移動功能之后，機器人的作業(yè)范圍大幅度增加，從而使移動機器人的概念也從陸地拓展到水下和空中。近幾年來，在歐美國家的機器人研究計劃中，移動技術占有重要的位置。例如在NASA空間站FREEDOM上搭載的機器人、NASA和NSF共同開發(fā)的南極Erebus活火山探測機器人、美國環(huán)保局主持開發(fā)的核廢料處理機器人HA7BOT中，移動技術都被列為關鍵技術。移動機構與面向作業(yè)任務的執(zhí)行機構綜合開發(fā)是最近出現的新的傾向。因為無論何種機器人都需要通過搭載的機械手或傳感器來完成特定的作業(yè)功能。另一個傾向是移動的運動控制與視覺的結合日益密切。這種傾向在美國ALV項目中已初見端倪，最近則越過了靜態(tài)圖像識別的框框，進入主動視覺和主動傳感的階段。顯然，智能機器人在非結構環(huán)境中自主移動，或在遙控條件下移動，視覺-傳感器-驅動器的協調控制不可缺少。

　　最近幾年，在步行機構，雙足步行機，輪式移動機構的開發(fā)和實用化等方面都取得了一些進展。據日本工業(yè)機器人協會預測：管內移動機器人將在2007年可達到實用化；與人具有同樣步行速度的多足步行機和雙足步行機以及不平整地面行走和爬樓梯與人具有相同速度的移動機器人將在2010年可達到實用化。

　　3.4 動力源和驅動器

　　智能機器人的機動性要求動力源輕、小、出力大。而現有的移動機器人無一例外地拖著“辮子”。以動力源的重量/功率之比為例，目前電池約達到60g/W(連續(xù)使用小時)，汽油機約為1.3g/W，都不理想，而且使用有局限性。到目前為止，尚未見到改善動力源的有效辦法。電機仍然是智能機器人的主要驅動器。要使智能機器人的作業(yè)能力與人相當，它的指、肘、肩、腕各關節(jié)大致需要3-300Nm的輸出力矩和30-60r/min的輸出轉速。傳統伺服電機的重量/功率之比約為30g/W，而人

　　在百米跑和投擲壘球時腿、肩、臂的出力大約為1g/W，相差甚大。日本在改進電機的性能方面取得了長足的進步。例如：核工業(yè)機器人臂和腿的驅動電機的重量已減輕到原來的1/10，使機器人整體自重降低到700kg，但與它只能處理20kg重的工作相比，遠非令人滿意。人們寄希望于新驅動器，例如：人工肌肉、形狀記憶合金、氫吸附合金、壓電元件、撓性軸、鋼絲繩集束傳動等等。雖然各有誘人的優(yōu)點，但在實用性方面還達不到伺服電機的水平。日本極限作業(yè)機器人計劃中，水下機器人機械手的手腕和手爪驅動采用了人工肌肉，肌肉本身的重量才5-8g，以20kg/cm2壓力的高壓水為工作介質，收縮力高達50kg(管徑3mm)。這是新型驅動器一個成功的例子?？傊?，智能機器人性能指標的改進是無止境的，對驅動器的要求也越來越高。什么是客觀的衡量標準呢？一個容易接受的辦法就是把它與人的體能加以比較。從這個角度來看，智能機器人驅動技術目前差距還相當大。

　　3.5 仿生機構

　　智能機器人的生命在創(chuàng)新，開展仿生機構的研究，可以從生體機構、移動模式、運動機理、能量分配、信息處理與綜合，以及感知和認知等方面多層次得到啟發(fā)。目前，以驅體為構件的蛇形移動機構、人工肌肉、仿象鼻柔性臂、人造關節(jié)、假肢、多肢體動物的運動協調等等受到人們的關注。仿生機構的自由度往往比較多，建立數學模型以及基于數學模型的控制比較復雜，借助傳感器獲取信息加以簡化可能是一條出路。

　　近年來，機器人出現了一個傾向是面向特定功能和作業(yè)開發(fā)專用機器人，以追求高速、高效、單一化和低成本的目的。例如美國IBM公司設計的超高速小型機器人，以50次/s的速度頻繁往復于相距數毫米的兩點間，實現高密度微型電子器件裝配，定位精度高達一微米。這種高速運動機構的動態(tài)平衡十分重要，雖然其工作區(qū)域只有13mm×13mm×1mm，但其加速度卻高達50g。IBM公司的技術人

　　員對機器人學提出了新的問題：如何進行機構-控制-傳感-驅動的一體化設計，滿足機械手高速高精度定位的要求。眾所周知，機器人系統的設計程序是先設計臂結構和驅動裝置，然后設計控制器。實踐證明，這種設計即使能達到最佳的靜力學性能，也往往不能滿足動力學性能。到目前為止，改進動力學性能的方法并不多見，一般是按常識、減輕構件的重量，匹配減速器的速比等等。

　　大批研發(fā)機器人和普遍運用人工智能機器人，聊天機器人，做菜機器人。迎賓機器人，服務機器人，娛樂機器人，拉車機器人等等都已經出現并應用在不同的領域，機器人智能化成為一種發(fā)展趨勢。

　　4 論述和討論

　　關于智能機器人，既然是項高科技的技術，便會有許多不同的聲音，早在很早的科幻小說中便有了關于智能機器人和人類安全的討論很著名的是科幻小說家阿西莫夫的機器人三定律“一、機器人不得傷害人，也不得見人受到傷害而袖手旁觀；二、機器人應服從人的一切命令，但不得違反第一定律；三、機器人應保護自身的安全，但不得違反第一、第二定律機器人學三大法則的提出”。人們關心智能機器人既然有了智能，那是否會對人類產生敵對，甚至反抗人類，以及一些倫理問題，比如智能機器人的克隆問題等等。當然，這些問題的前提是機器人具有足夠高的智能和智能機器人的足夠普及，所以現在考慮還為時過早，但任何一項科技都應以不損害人類安全為第一位，所以智能機器人的發(fā)展必須要向著安全的方向。

　　5 結束語

　　智能機器人作為一種包含相當多學科知識的技術，幾乎是伴隨著人工智能所產生的，而智能機器人在當今社會變得越來越重要，越來越多的領域和崗位都需要智能機器人參與，這使得智能機器人的研究也越來越頻繁。雖然我們現在仍很難在生活中見到智能機器人的影子，但在不久的將來，隨著智能機器人技術的不斷發(fā)展和成熟，隨著眾多科研人員的不懈努力，智能機器人必將走進千家萬戶，更好的服務人們的生活讓人們的生活更加舒適和健康。

　　參考文獻

　　1 方建軍何廣平.智能機器人.北京化學工業(yè)出版社2004

　　2 朱世強王宣銀.機器人技術及其應用.杭州浙江大學出版社2001

　　3 蔡自興.機器人學.北京清華大學出版社2000

　　4 賈伯年余樸宋愛國.傳感器技術.南京東南大學出版社2007.269-292，177-194.

　　5 蔡自興.智能機器人技術的研究與展望.見蔡自興主編智能機器人’93，1993：1~6