摘要: 本文介紹了智能機器人的發(fā)展概況、機器人的感官系統(tǒng),、機器人運動系統(tǒng)及人工智能技術(shù)在機器人中的應(yīng)用,智能機器人是一個在感知-思維-效應(yīng)方面全面模擬人的機器系統(tǒng),外形不一定像人,。它是人工智能技術(shù)的綜合試驗場,可以全面地考察人工智能各個領(lǐng)域的技術(shù),研究它們相互之間的關(guān)系。還可以在有害環(huán)境中代替人從事危險工作,、上天下海,、戰(zhàn)場作業(yè)等方面大顯身手。智能機器人,，是多學科交叉與融合的結(jié)晶,。

關(guān)鍵詞：智能機器人；感官,；仿生,；人工智能

1.智能機器人的未來發(fā)展

1.1人工智能技術(shù)在機器人中的應(yīng)用

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(shù)將如何發(fā)展呢?日本工業(yè)機器人協(xié)會對下一代機器人的發(fā)展進行了預(yù)測,。提出智能機器人技術(shù)近期將沿著自主性,、智能通信和適應(yīng)性三個方向發(fā)展。下面我們簡單介紹人工智能技術(shù),、操作器,、移動技術(shù)、動力源和驅(qū)動器,、仿生機構(gòu)等,。 (1)人工智能技術(shù)在機器人中的應(yīng)用 

把傳統(tǒng)的人工智能的符號處理技術(shù)應(yīng)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(zhì)是一個數(shù)值計算系統(tǒng)。如若把人工智能系統(tǒng)(如專家系統(tǒng))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(shù)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(tǒng)直接結(jié)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(tǒng)的困難所在,。這種困難表現(xiàn)在兩個方面:一是傳感器所獲取的反饋信息通常是數(shù)量很大的數(shù)值信息,符號層一般很難直接使用這些信息,需要經(jīng)過壓縮、變換,、理解后把它轉(zhuǎn)變?yōu)榉柋硎?span lang="EN-US">,這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(shù)據(jù)),也要經(jīng)過分解,、轉(zhuǎn)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。

1.2操作器的使用

工業(yè)機器人手臂的設(shè)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(jié)構(gòu)要適應(yīng)智能機器人高速,、重載、高精度和輕質(zhì)的發(fā)展趨勢,。其中輕質(zhì)化是關(guān)鍵,。新型高剛度、抗震結(jié)構(gòu)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(gòu)是引人注目的研究課題。其中手腕機構(gòu)的研究注重于快速,、準確,、靈活性、柔順性和結(jié)構(gòu)的緊湊性,。與人協(xié)調(diào)作業(yè)關(guān)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(gòu)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(guān)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品投放市場,。

1.3動力源和驅(qū)動器的更新

智能機器人的機動性要求動力源輕、小,、出力大,。而現(xiàn)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(qū)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(guān)節(jié)大致需要3-300Nm的輸出力矩和30-60r/min的輸出轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)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(qū)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(qū)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(qū)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(zhì),收縮力高達50kg(管徑3mm),。這是新型驅(qū)動器一個成功的例子,。總之,智能機器人性能指標的改進是無止境的,對驅(qū)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,。從這個來看,智能機器人驅(qū)動技術(shù)目前差距還相當大。

1.4仿生機構(gòu)的成熟

智能機器人的生命在創(chuàng)新,開展仿生機構(gòu)的研究,可以從生體機構(gòu),、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(qū)體為構(gòu)件的蛇形移動機構(gòu)、人工肌肉,、仿象鼻柔性臂,、人造關(guān)節(jié)、假肢,、多肢體動物的運動協(xié)調(diào)等等受到人們的關(guān)注,。仿生機構(gòu)的自由度往往比較多,建立數(shù)學模型以及基于數(shù)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。 

2.智能機器人與應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 機器人發(fā)展面臨新的機遇與挑戰(zhàn)

在中國,，機器人歷經(jīng)了30多年的發(fā)展,，在機器人基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究方面具有很好的積累，對科學技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用,，成為航天航空,、汽車、電子,、機械,、能源,、化工、材料等學科的重要基石,。發(fā)展表明,，機器人是一個生命力強、學科交叉性強的研究領(lǐng)域,。進入21世紀以來,，納米、生物,、信息成為科技界最具影響力的,、緊密聯(lián)系的三大領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的研究不斷被引入到機器人當中,，使得機器人功能越來越強大,，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

2.2 機器人應(yīng)該密切結(jié)合國家需求

隨著我國科技水平和經(jīng)濟整體水平的迅速提高,，機器人的發(fā)展還必須更好地與國家重大需求相結(jié)合,。例如，我國的航天航空技術(shù),、海洋能源開發(fā)技術(shù),、微電子技術(shù)、制造與維修技術(shù),、與人類疾病與健康密切相關(guān)的生物醫(yī)學技術(shù)等領(lǐng)域都在一日千里地發(fā)展,，機器人應(yīng)該與上述領(lǐng)域密切結(jié)合。

2.3 機器人發(fā)展的新趨勢

機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展,，其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①機構(gòu)與材料：探索新的高強度輕質(zhì)材料,，不斷提高負載／自重比，同時機器人機構(gòu)向著模塊化,、可重構(gòu)方向發(fā)展,；②生機電一體化機器人：研究人機耦合系統(tǒng)與復雜生物機電系統(tǒng)建模方法，探索生物信息的編碼機理和解碼機制,，以及多源生物信息的融合與理解機制等；③多傳感系統(tǒng)和控制技術(shù)：非線性及非平穩(wěn)非正態(tài)分布的情形下有效可行的多傳感器融合算法,，機器人的控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)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驅(qū)動器技術(shù)，研究仿生感知,、控制機制與生物神經(jīng)系統(tǒng)建型理論與方法,；④網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)化使機器人由個體系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠距離操作監(jiān)控,、維護及遙控的智能型工廠成為可能,；⑤機器人靈巧化和智能化發(fā)展：機器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧,，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高,，并正朝著一體化方向發(fā)展,；⑥醫(yī)療機器人和康復機器人：醫(yī)療機器人是近年來發(fā)展比較迅速的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，借助醫(yī)療機器人可降低醫(yī)生手術(shù)疲勞度,，還可提高操作的精度,。康復機器人可對各種神經(jīng)損傷患者進行定量化的主被動康復治療,，使患者的運動機能和生活自理能力得到增強和恢復,。

序言：目前，國際制造業(yè)中心正向中國轉(zhuǎn)移,，用信息化帶動工業(yè)化,、用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已成為我國工業(yè)發(fā)展的必由之路。作為先進制造裝備之典型代表的工業(yè)機器人必將有一個大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間,，市場前景廣闊,；但我們也應(yīng)注意到國外機器人巨頭已經(jīng)全部涌入中國，市場競爭日益加劇,，所以中國未來機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不會一帆風順,。國家應(yīng)借鑒日本機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成功做法，制定機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)政策,，這是我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展成敗之關(guān)鍵,。

參考文獻：

（1）       劉海波、李根深：智能機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展動向

（2）       劉軍偉：智能拆除機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢