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  • 智能机器人的现状及其发展趋势

    本文扼要地介绍了智能机器人技术的发展现状,以及世界各国智能机器人的发展水平,然后介绍了智能机器人的分类,从几个典型的方面介绍了智能机器人在各行各业的广泛应用,讨论了智能机器人的发展趋势以及对未来技术的展望,最后提出了自己的建议和设想,分析我国在智能机器人方面发展并提出期望。

    1、引言

    机器人是一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机,或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。智能机器人则是一个在感知-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。一部智能机器人应该具备三方面的能力:感知环境的能力、执行某种任务而对环境施加影响的能力和把感知与行动联系起来的能力。智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。

    随着智能机器人的应用领域的扩大,人们期望智能机器人在更多领域为人类服务,代替人类完成更复杂的工作。然而,智能机器人所处的环境往往是未知的、很难预测。智能机器人所要完成的工作任务也越来越复杂;对智能机器人行为进行人工分析、设计也变得越来越困难。目前,国内外对智能机器人的研究不断深入。

    本文对智能机器人的现状和发展趋势进行了综述,分析了国内外的智能机器人的发展,讨论了智能机器人在发展中存在的问题,最后提出了对智能机器人发展的一些设想。

    2、国内外在该领域的发展现状综述

    2.1智能机器人的发展现状

    智能机器人是第三代机器人,这种机器人带有多种传感器,能够将多种传感器得到的信息进行融合,能够有效的适应变化的环境,具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。

    目前研制中的智能机器人智能水平并不高,只能说是智能机器人的初级阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面:一方面是,提高智能机器人的自主性,这是就智能机器人与人的关系而言,即希望智能机器人进一步独立于人,具有更为友善的人机界面。从长远来说,希望操作人员只要给出要完成的任务,而机器能自动形成完成该任务的步骤,并自动完成它。另一方面是,提高智能机器人的适应性,提高智能机器人适应环境变化的能力,这是就智能机器人与环境的关系而言,希望加强它们之间的交互关系。

    智能机器人涉及到许多关键技术,这些技术关系到智能机器人的智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面:多传感信息耦合技术,多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息,经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性;导航和定位技术,在自主移动机器人导航中,无论是局部实时避障还是全局规划,都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置,以完成导航、避障及路径规划等任务;路径规划技术,最优路径规划就是依据某个或某些优化准则,在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径;机器人视觉技术,机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识;智能控制技术,智能控制方法提高了机器人的速度及精度;人机接口技术,人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。

    在各国的智能机器人发展中,美国的智能机器人技术在国际上一直处于领先地位,其技术全面、先进,适应性也很强,性能可靠、功能全面、精确度高,其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策,各类机器人包括智能机器人的发展迅速。欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。中国起步较晚,而后进入了大力发展的时期,以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变,推动整个高技术产业的壮大。

    2.2智能机器人的广泛应用

    现代智能机器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作,如深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、服务等工作,模拟完成人类不能或不愿完成的任务,不仅能自主完成工作,而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务,在不同领域有着广泛的应用。

     

    智能机器人按照工作场所的不同,可以分为管道、水下、空中、地面机器人等。管道机器人可以用来检测管道使用过程中的破裂、腐蚀和焊缝质量情况,在恶劣环境下承担管道的清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护工作,对地下管道进行修复;水下机器人可以用于进行海洋科学研究、海上石油开发、海底矿藏勘探、海底打捞救生等;空中机器人可以用于通信、气象、灾害监测、农业、地质、交通、广播电视等方面;服务机器人半自主或全自主工作、为人类提供服务,其中医用机器人具有良好的应用前景;仿人机器人的形状与人类似,具有移动功能、操作功能、感知功能、记忆和自治能力,能够实现人机交互;微型机器人以纳米技术为基础在生物工程、医学工程、微型机电系统、光学、超精密加工及测量(如:扫描隧道显微镜)等方面具有广阔的应用前景。

    在国防领域中,军用智能机器人得到前所未有的重视和发展,近年来,美英等国研制出第二代军用智能机器人,其特点是采用自主控制方式,能完成侦察、作战和后勤支援等任务,在战场上具有看、嗅等能力,能够自动跟踪地形和选择道路,具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车,SSV自主地面战车等。在未来的军事智能机器人中,还会有智能战斗机器人、智能侦察机器人、智能警戒机器人、智能工兵机器人、智能运输机器人等等,成为国防装备中新的亮点。

    在服务工作方面,世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛应用服务智能机器人,以清洁机器人为例,随着科学技术的进步和社会的发展,人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来,这就使得清洁机器人进入家庭成为可能。日本公司研制的地面清扫机器人,可沿墙壁从任何一个位置自动启动,利用不断旋转的刷子将废弃物扫入自带容器中;车站地面擦洗机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上,一面用旋转刷不停地擦洗地面,并将脏水吸入所带的容器中;工厂的自动清扫机器人可用于各种工厂的清扫工作。美国的一款清洁机器人“Roomba”具有高度自主能力,可以游走于房间各家具缝隙间,灵巧地完成清扫工作。瑞典的一款机器人“三叶虫”,表面光滑,呈圆形,内置搜索雷达,可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物,它可重新选择路线,并对整个房间做出重新判断与计算,以保证房间的各个角落都被清扫。

    甚至在体育比赛方面,也得到了很大的发展,近年来在国际上迅速开展起来足球机器人与机器人足球高技术对抗活动,国际上已成立相关的联合会FIRA,许多地区也成立了地区协会,已达到比较正规的程度且有相当的规模和水平。机器人足球赛目的是将足球(高尔夫球)撞入对方球门取胜。球场上空(2m)高悬挂的摄像机将比赛情况传入计算机内,由预装的软件作出恰当的决策与对策,通过无线通讯方式将指挥命令传给机器人。机器人协同作战,双方对抗,形成一场激烈的足球比赛。在比赛过程中,机器人可以随时更新它的位置每当它穿过地面线截面,双方的教练员与系统开发人员不得进行干预。机器人足球融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线数字通讯、自动控制与最优控制、智能体设计与电力传动等技术于一体,是一个典型的智能机器人系统。

    现代智能机器人不仅在上述方面有广泛应用,而将渗透到生活的各个方面,像在煤炭工业在矿业方面,考虑到社会上对煤炭需求量日益增长的趋势和煤炭开采的恶劣环境,将智能机器人应用于矿业势在必行。在建筑方面,有高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、擦玻璃机器人、地面抛光机器人等。在核工业方面,主要研究机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻的机器人等等。智能机器人的应用领域的日益扩大,人们期望智能机器人能在更多的领域为人类服务,代替人类完成更多更复杂的工作。

    3、讨论与展望

    3.1智能机器人的发展趋势展望

    智能机器人具有广阔的发展前景,目前机器人的研究正处于第三代智能机器人阶段,尽管国内外对此的研究已经取得了许多成果,但其智能化水平仍然不尽人意。未来的智能机器人应当在以下几方面着力发展:面向任务,由于目前人工智能还不能提供实现智能机器的完整理论和方法,已有的人工智能技术大多数要依赖领域知识,因此当我们把机器要完成的任务加以限定,及发展面向任务的特种机器人,那么已有的人工智能技术就能发挥作用,使开发这种类型的智能机器人成为可能;传感技术和集成技术,在现有传感器的基础上发展更好、更先进的处理方法和其实现手段,或者寻找新型传感器,同时提高集成技术,增加信息的融合;机器人网络化,利用通信网络技术将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制;智能控制中的软计算方法,与传统的计算方法相比,以模糊逻辑、基于概率论的推理、神经网络、遗传算法和混沌为代表的软计算技术具有更高的鲁棒性、易用性及计算的低耗费性等优点,应用到机器人技术中,可以提高其问题求解速度,较好地处理多变量、非线性系统的问题;机器学习,各种机器学习算法的出现推动了人工智能的发展,强化学习、蚁群算法、免疫算法等可以用到机器人系统中,使其具有类似人的学习能力,以适应日益复杂的、不确定和非结构化的环境;智能人机接口,人机交互的需求越来越向简单化、多样化、智能化、人性化方向发展,因此需要研究并设计各种智能人机接口如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等,以更好地适应不同的用户和不同的应用任务,提高人与机器人交互的和谐性;多机器人协调作业,组织和控制多个机器人来协作完成单机器人无法完成的复杂任务,在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决策和操作。

    3.2建议及设想

    由于现有的智能机器人的智能水平还不够高,因此在今后的发展中,努力提高各发面的技术及其综合应用,大力提高智能机器人的智能程度,提高智能机器人的自主性和适应性,是智能机器人发展的关键。同时,智能机器人涉及多个学科的协同工作,不仅包括技术基础,甚至还包括心理学、伦理学等社会科学,让智能机器人完成有益于人类的工作,使人类从繁重、重复、危险的工作中解脱出来,就像科幻作家阿西莫夫的“机器人学三大法则”一样,让智能机器人真正为人类利益服务,而不能成为反人类的工具。相信在不远的将来,各行各业都会充满形形色色的智能机器人,科幻小说中的场景将在科学家们的努力下逐步成为现实,很好地提高人类的生活品质和对未知事物的探索能力。

    我国的智能机器人发展还落后于世界先进水平,而智能机器人又是高科技的集中体现,具有重要的发展价值,因此我国在智能机器人领域要认清形势、明确发展发现和目标,采取符合我国国情的可行发展对策,努力缩小与世界领先水平的差距,早日让智能机器人全面为社会的发展服务。相信经过政府的重视和投入,科技工作者的不懈奋斗,我国的智能机器人发展水平能达到新的高度。

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