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簡述智能機器人及發展趨勢展望

發布日期:2016-12-21   來源:智能機器人   作者:鄭衛剛   瀏覽次數:22037
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【摘   要】: 摘要:隨著技術的進步以及社會的不斷發展,機器人技術在不斷進步,產業在不斷擴展。本文簡述了機器人定義及分類,介紹了智能

       摘要:隨著技術的進步以及社會的不斷發展,機器人技術在不斷進步,產業在不斷擴展。本文簡述了機器人定義及分類,介紹了智能機器人及技術的發展現狀,以及世界各國智能機器人的發展水平,探討了智能機器人發展趨勢并加以展望。

關鍵詞:一般機器人;智能機器人;發展趨勢;

引言

機器人一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統和復雜機械等組成。機器人是自動執行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮,又可以運行預先編排的程序,也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作,例如生產業、建筑業,或是危險的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。在工業、醫學、農業、建筑業甚至軍事等領域中均有重要用途[1]。國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般來說,人們都可以接受這種說法,即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。聯合國標準化組織采納了美國機器人協會給機器人下的定義:“一種可編程和多功能的操作機;或是為了執行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統。”

1.機器人分類

1.1應用環境分類

中國的機器人專家從應用環境出發,將機器人分為兩大類,即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人[2]。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人,包括:服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。在特種機器人中,有些分支發展很快,有獨立成體系的趨勢,如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。國際上的機器人學者,從應用環境出發將機器人也分為兩類:制造環境下的工業機器人和非制造環境下的服務與仿人型機器人,這和中國的分類是一致的。

1.2機器人按按功能分類

按按功能分類分為:一般機器人和智能機器人。

一般機器人是指不具有智能,只具有一般編程能力和操作功能的機器人。

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,用來認識周圍環境狀態;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。

1.3機器人控制方法分類

1.3.1傳感型機器人[3]

也稱外部受控機器人。機器人的本體上沒有智能單元只有執行機構和感應機構,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和軌跡等信息,然后發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。

1.3.2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劃、簡單的避障等功能,但是還要受到外部的控制。

1.3.3 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境中,不依賴任何外部控制,完全自主地執行一定的任務。適應性是指它可以實時識別和測量周圍的物體,根據環境的變化,調節自身的參數,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。

智能機器人的研究從60年代初開始,經過幾十年的發展,目前,基于感覺控制的智能機器人(也稱二代機器人)已達到實際應用階段,基于知識控制的智能機器人(也稱自主機器人或下一代機器人或三代機器人)也取得較大進展,已研制出多種樣機。

1.4按智能程度分類

機器人現在已被廣泛地用于生產和生活的許多領域,按其擁有智能的水平可以分為三個層次。

       1.4.1工業機器人

一是工業機器人,它只能死板地按照人給它規定的程序工作,不管外界條件有何變化,自己都不能對程序也就是對所做的工作作相應的調整。如果要改變機器人所做的工作,必須由人對程序作相應的改變,因此它是毫無智能的。

1.4.2初級智能機器人

二是初級智能機器人。它和工業機器人不一樣,具有象人那樣的感受,識別,推理和判斷能力。可以根據外界條件的變化,在一定范圍內自行修改程序,也就是它能適應外界條件變化對自己怎樣作相應調整。不過,修改程序的原則由人預先給以規定。這種初級智能機器人已擁有一定的智能,雖然還沒有自動規劃能力,但這種初級智能機器人也開始走向成熟,達到實用水平。

1.4.3高級智能機器人

三是高級智能機器人。它和初級智能機器人一樣,具有感覺,識別,推理和判斷能力,同樣可以根據外界條件的變化,在一定范圍內自行修改程序。所不同的是,修改程序的原則不是由人規定的,而是機器人自己通過學習,總結經驗來獲得修改程序的原則。所以它的智能高出初級智能機器人。這種機器人已擁有一定的自動規劃能力,能夠自己安排自己的工作。這種機器人可以不要人的照料,完全獨立的工作,故稱為高級自律機器人。這種機器人也開始走向實用。

2.機器人的發展歷史

 

人們根據機器人的智力水平決定其所屬的機器人代別。

零代機器人——受控機器人,不具備任何智力性能,是由人來掌握操縱的機械手;

一代機器人——可以訓練的機器人,擁有存儲器,由人操作,動作的計劃和程序由人指定,它只是記住 (接受訓練的能力)和再現出來;

二代機器人——感覺機器人,機器人記住人安排的計劃后,再依據外界這樣或那樣的數據 (反饋)算出動作的具體程序;

三代機器人——智能機器人,人指定目標后,機器人獨自編制操作計劃,依據實際情況確定動作程序,然后把動作變為操作機構的運動。因此,它有廣泛的感覺系統、智能、模擬裝置(周圍情況及自身——機器人的意識和自我意識)。智能的發達是三代機器人的一個重要特征。

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[5]。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[4]

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[5]

科學家們認為,智能機器人的研發方向是,給機器人裝上“大腦芯片”,從而使其智能性更強,在認知學 習、自動組織、對模糊信息的綜合處理等方面將會前進一大步。雖然有人表示擔憂:這種裝有“大腦芯片”的智能機器人將來是否會在智能上超越人類,甚至會對人類造成威脅?但不少科學家認為,這類擔心是完全沒有必要的。就智能而言,目前機器人的智商相當于4歲兒童的智商,而機器人的“常識”比起正常成年人就差得更遠了。美國科學家羅伯特·斯隆教授日前說:“我們距離能夠以8歲兒童的能力回答復雜問題的、具有常識的人工智能程序仍然很遙遠。”日本科學家廣瀨茂男教授也認為:即使機器人將來具有常識并能進行自我復制,也不可能對人類造成威脅。值得一提的是,機器人并非無所不能;它在工作強度、運算速度和記憶功能方面可以超越人類,但在意識、推理等方面不可能超越人類。另外,機器人會越來越“聰明”,但只能按照制定的原則綱領行動,服務人類、造福人類。

3.總結

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]王凡,王思文,鄭衛剛.現代控制理論概述及實際應用意義[J]. 網友世界,2012,13:59-61.

[2]李玉珠,鄭衛剛.淺談一流大學工程訓練中心軟實力及巧實力建設[J]. 網友世界,2012,12:56-58.

[3]余磊,鄭衛剛.機器人自動控制中的問題研究綜述[J]. 伺服控制,2015,Z2:43-45.

[4]惲為民.中國機器人發展之我見[J].讀者之聲.1995.02.30

[5].張鈸.智能機器人的現狀及發展[J].科學導報.1992.06.42-46

 
 
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