智能机器人是近年来比较热门的一个研究,涉及机械、电子、感应器、计算机、多媒体、网络技术等多种先进技术,还涉及反应式行为的感知和编程技术,以及多智能体群体之间的协调和控制等问题。特别是随着计算机技术的发展进步,使得机器人智能化程度逐步增强。
1.1 人工智能
人工智能是智能机器人的核心技术。人工智能在计算机上实现时有2种不同的方式。一种是采用传统的编程技术:使系统呈现智能的效果,而不考虑所用方法是否与人或动物机体所用的方法相同。这种方法叫工程学方法(Engineeringapproach),它已在一些领域内作出了成果,如文字识别、电脑下棋等。另一种是模拟法(Modelingapproach)它不仅要看效果,还要求实现方法也和人类或生物机体所用的方法相同或相类似。本书介绍的遗传算法GenericAlgorithm,简称GA。和人工神经网络ArtificialNeuralNetwork,简称ANN均属后一类型。遗传算法模拟人类或生物的遗传-进化机制,人工神经网络则是模拟人类或动物大脑中神经细胞的活动方式。为了得到相同智能效果,两种方式通常都可使用。采用前一种方法,需要人工详细规定程序逻辑,如果游戏简单,还是方便的。如果游戏复杂,角色数量和活动空间增加,相应的逻辑就会很复杂,按指数式增长。人工编程就非常繁琐,容易出错。而一旦出错,就必须修改原程序,重新编译、调试,最后为用户提供一个新的版本或提供一个新补丁,非常麻烦。采用后一种方法时,编程者要为每一角色设计一个智能系统(一个模块)来进行控制。这个智能系统(模块)开始什么也不懂,就像初生婴儿那样,但它能够学习,能渐渐地适应环境,应付各种复杂情况。这种系统开始也常犯错误,但它能吸取教训,下一次运行时就可能改正,至少不会永远错下去,用不到发布新版本或打补丁。利用这种方法来实现人工智能,要求编程者具有生物学的思考方法,入门难度大一点。但一旦入了门,就可得到广泛应用。由于这种方法编程时无须对角色的活动规律做详细规定,应用于复杂问题,通常会比前一种方法更省力。
1.3 计算机
智能机器人之所以能够“智能”,是与计算机的工作所分不开的。是用计算机模拟人的智能,特别是模拟思维活动。由于人的思维活动离不开语言,而且人对于某一类问题进行思索和探索解法时,总是需要以关于这一类问题的基本知识(专业知识或常识)作为出发点。于是,知识表示和机器对自然语言的理解就构成人工智能的两个重要领域。所谓知识表示,是指将原来用自然语言表示的知识转换成用符号语言表示的,从而可以储存在机器内供机器使用的知识。人工智能的研究角度有探索法的角度和算法的角度。通常所说的解题算法是指机械的和总是有结果的方法,而这里所说的算法却是广义的,包括那些机械的而在使用时不一定有结果的算法。这种方法时常称作半可判定的方法。人在解决问题时,时常采用探索法。这种方法具有“试错法”的性质,也就是说,试验若干条途径,一条路走不通时再试另一条,直到问题得到解决时为止。这便是计算机解决问题的典型办法。
2 分类
2.1按智能程度分类
1)传感型机器人
2)交互型机器人
机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人—机对话,实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能,能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能,但是还要受到外部的控制。
3)自主型机器人
在设计制作之后,机器人无需人的干预,能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块,可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性,自主性是指它可以在一定的环境中,不依赖任何外部控制,完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体,根据环境的变化,调节自身的参数,调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点,机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究,所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因此,许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。
2.2 按用途分类
1)工业智能机器人
2)农业智能机器人
随着机器人技术的进步,以定型物、无机物为作业对象的工业机器人正在向更高层次的以动、植物之类复杂作业对象为目标的农业机器人发展,农业机器人或机器人化的农业机械的应用范围正在逐步扩大。农业机器人的应用不仅能够大大减轻以致代替的人们的生产劳动、解决劳动力不足的问题,而且可以提高劳动生产率,改善农业的生产环境,防止农药、化肥等对人体的伤害,提高作业质量。但由于农业机器人所面临的是非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和工作对象,所以与工业机器人相比,其研究开发的难度更大。农业机器人的研究开发目前主要集中耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面。日本是机器人普及最广泛的国家,目前已经有数千台机器人应用于农业领域。
3)探索智能机器人
机器人除了在工农业上广泛应用之外,还越来越多地用于极限探索,即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如在水下(海洋)、太空以及在放射性(有毒或高温等环境中进行作业。人类借助潜水器具潜人到深海之中探秘,已有很长的历史。然而,由于危险很大、费用极高,所以水下机器人就成了代替人在这一危险的环境中工作的最佳工具。空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人,包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人,到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。
机器人技术不仅在工农业生产、科学探索中得到了广泛应用,也逐渐渗透到人们的日常生活领域,服务机器人就是这类机器人的一个总称。尽管服务机器人的起步较晚,但应用前景十分广泛,目前主要应用在清洁、护理、执勤、救援、娱乐、和代替人对设备维护保养等场合。国际机器人联合会给服务机器人的一个初步定义是,一种以自主或半自主方式运行,能为人类的生活、康复提供服务的机器人,或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。
2.3 按形态分类
1)拟物智能机器人
仿照各种各样的生物,日常使用物品,建筑物,交通工具等做出的机器人,采用非智能或智能的系统来方便人类生活的机器人。比如:机器宠物狗“爱宝”(Aibo),六脚机器昆虫,轮式、履带式机器人。
2)仿人智能机器人
模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人,一般分别或同时
3 发展
3.1 人工智能技术在机器人中的应用
由于这些困难,要把人工智能系统与传统机器人控制器直接结合起来就很难建立实时性和适应性很好的系统。为了解决机器人的智能化,组成智能机器人系统,研究者们将面临许多困难且需要做长期努力,进行若干课题的研究。例如:高级思维活动应以什么方式的机器人系统来模仿,是采取传统的人工智能符号推理的方法,还是采用别的方法?需不需要环境模型,需要怎样的环境模型;怎样建立环境模型,传统的人工智能主要依据先验知识建立环境模型。由于环境和任务的复杂性,环境的不确定性,这种建模方式遇到了挑战,于是出现了依靠传感器建模的主张,这就引出一系列新的与传感技术有关的课题。
3.2 操作器
3.3 移动技术
最近几年,在步行机构,双足步行机,轮式移动机构的开发和实用化等方面都取得了一些进展。据日本工业机器人协会预测:管内移动机器人将在2007年可达到实用化;与人具有同样步行速度的多足步行机和双足步行机以及不平整地面行走和爬楼梯与人具有相同速度的移动机器人将在2010年可达到实用化。
3.4 动力源和驱动器
3.5 仿生机构
近年来,机器人出现了一个倾向是面向特定功能和作业开发专用机器人,以追求高速、高效、单一化和低成本的目的。例如美国IBM公司设计的超高速小型机器人,以50次/s的速度频繁往复于相距数毫米的两点间,实现高密度微型电子器件装配,定位精度高达一微米。这种高速运动机构的动态平衡十分重要,虽然其工作区域只有13mm×13mm×1mm,但其加速度却高达50g。IBM公司的技术人
员对机器人学提出了新的问题:如何进行机构-控制-传感-驱动的一体化设计,满足机械手高速高精度定位的要求。众所周知,机器人系统的设计程序是先设计臂结构和驱动装置,然后设计控制器。实践证明,这种设计即使能达到最佳的静力学性能,也往往不能满足动力学性能。到目前为止,改进动力学性能的方法并不多见,一般是按常识、减轻构件的重量,匹配减速器的速比等等。
4 论述和讨论
关于智能机器人,既然是项高科技的技术,便会有许多不同的声音,早在很早的科幻小说中便有了关于智能机器人和人类安全的讨论很著名的是科幻小说家阿西莫夫的机器人三定律“一、机器人不得伤害人,也不得见人受到伤害而袖手旁观;二、机器人应服从人的一切命令,但不得违反第一定律;三、机器人应保护自身的安全,但不得违反第一、第二定律机器人学三大法则的提出”。人们关心智能机器人既然有了智能,那是否会对人类产生敌对,甚至反抗人类,以及一些伦理问题,比如智能机器人的克隆问题等等。当然,这些问题的前提是机器人具有足够高的智能和智能机器人的足够普及,所以现在考虑还为时过早,但任何一项科技都应以不损害人类安全为第一位,所以智能机器人的发展必须要向着安全的方向。
5 结束语
智能机器人作为一种包含相当多学科知识的技术,几乎是伴随着人工智能所产生的,而智能机器人在当今社会变得越来越重要,越来越多的领域和岗位都需要智能机器人参与,这使得智能机器人的研究也越来越频繁。虽然我们现在仍很难在生活中见到智能机器人的影子,但在不久的将来,随着智能机器人技术的不断发展和成熟,随着众多科研人员的不懈努力,智能机器人必将走进千家万户,更好的服务人们的生活让人们的生活更加舒适和健康。
参考文献
1 方建军何广平.智能机器人.北京化学工业出版社2004
2 朱世强王宣银.机器人技术及其应用.杭州浙江大学出版社2001
3 蔡自兴.机器人学.北京清华大学出版社2000
5 蔡自兴.智能机器人技术的研究与展望.见蔡自兴主编智能机器人’93,1993:1~6