智能机器人4大类关键技术和应用
本文作者：饶玉柱
文章原题为：智能机器人的技术、产业及未来（上）
机器人是20世纪人类的伟大发明之一，它作为人类的新型工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式、把人从危险、恶劣的工作环境下解放出来等方面，显示了极大的优越性；它在原子能利用、海洋开发、宇宙探测及社会生活等方面也具有重要的应用价值。机器人的研制应用充分反映了机器进化和生产系统的发展方向，并将对人类的生产和生活方式产生深远的影响。
机器人技术已成为当今应用广泛、发展迅速、最引人瞩目的高科技之一。很多国家都把机器人作为高技术领域的战略目标列入国家计划，各种机器人的研制生产方兴未艾，已成为21世纪先进制造技术的重要部分。
一、 智能机器人的定义
机器人是20世纪出现的新名词，1920年，捷克剧作家Capek在其《罗萨姆万能机器人公司（R.U.R.）剧本中首次提出该词，在捷克语言中，罗萨姆是“理性（Reason）”的意思，它由Rozum转用而来，在古代斯拉夫语中，Robota意思为“强制劳动”，Capek由此创造出新词Robot，意思为“奴隶机器”。
1942年，科学家兼作家阿西莫夫（Asimov）
机器人学的三原则：
第一， 机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；
第二， 机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人；
第三， 机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或是人类命令它做出牺牲。
这是给机器人赋予的伦理性纲领，也是对机器人的定义，成为学术界默认的研发原则。
一般来讲，机器人的必要条件有：
1) 具有操作或移动功能；
2) 能够靠自动控制实行作业；
3) 能够重新编程作业内容
只具有第1项功能的装置是操作机，操作机再加上第2或第3项功能的为准机器人。
人们通常把机器人划分为三代
第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。
图：世界上第一台可编程的机器人
第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人。它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。
图：美国RethinkRobotics公司的自适应型低成本机器人
第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。1956年在达特茅斯会议上，马文•明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义一直影响着智能机器人的研究方向。
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。而感知本身,就是人类和动物所具有的低级智能。
因此机器的智能分为两个层次:
①具有感觉、识别、理解和判断功能;
②具有总结经验和学习的功能。
所以,人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人。
智能机器人是一个在感知-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。
二、 智能机器人涉及的理论、技术
简单来说，智能机器人就是以人工智能决定其行动的机器人。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。
智能机器人的关键技术
(一) 智能机器人的智能
在人工智能研究方面，人们一直沿着模拟脑方向做出努力，研究的内容主要包括：
① 理解自然智能（特别是人类智能）的认知机理与决策机理；
② 探索各种模拟和实现自然智能工作机理（包括认知的机理和决策的机理）的方法与途径；
③ 根据经济与社会发展的需要，研制具有一定智能水平的机器系统；
④ 把智能系统应用于国家经济建设与社会服务各领域，促进科学技术和经济社会发展的智能化。
(二) 智能机器人的能源
机器人的能源问题是机器人能否得到广泛应用的基础。要让机器人走出工厂，走出房门，就必须考虑机器人的能源问题。现在的高能电池要么十分昂贵，要么体型巨大，而很多机器人都注定是一个高耗能的机器。因此，能源问题，几乎是机器人的一道门槛。迈不出门槛，机器人就只能是室内插电源线的“室内机器人”。
智能机器人的机动性要求动力源轻、小、出力大。而现有的移动机器人无一例外地拖着“辫子”。以动力源的重量/功率之比为例,目前电池约达到60g/W(连续使用小时),汽油机约为1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性。到目前为止,尚未见到改善动力源的有效办法。电机仍然是智能机器人的主要驱动器。要使智能机器人的作业能力与人相当,它的指、肘、肩、腕各关节大致需要3-300Nm的输出力矩和30-60r/min的输出转速。传统伺服电机的重量/功率之比约为30g/W,而人在百米跑和投掷垒球时腿、肩、臂的出力大约为1g/W,相差甚大。
总之,智能机器人性能指标的改进是无止境的,对驱动器的要求也越来越高。什么是客观的衡量标准呢?一个容易接受的办法就是把它与人的体能加以比较。从这个角度来看,智能机器人驱动技术目前差距还相当大。
(三) 智能机器人的运算速度
在人们对智能机器人的期望中，都希望机器人能够在极端环境下完成复杂的工作。有的机器人可能需要很小，而且需要完成的工作又极其复杂。这就对现代芯片集成工艺提出了挑战。这种机器人需要集成度更高，运算速度更快，而且能够在极端环境下正常工作的芯片。由于运算器速度的限制，导致许多人类可以轻易完成的任务，而在机器人身上几乎是无法完成的。
解决运算速度的方法有二：
其一是芯片制造工艺上的发展。就像前面说的那样，提高芯片的集成化。但是在现在看来，芯片的集成技术似乎发展到了一个瓶颈的地步。微型的芯片似乎已经到了一个很高的地步。
第二种解决方法就是采用物联网的方式来管理机器人。用一个终端服务器来对机器人遇见的问题进行统一运算。这就是把机器人的“脑袋”统一管理，这样就不需要把用于运算的芯片做得很小了。只要网络传输的速度能符合要求就够了。随着物联网的推广，以后给每一个机器人分一个IP地址也不是问题。所以这种解决方法也是很有前景应用价值的。即运算速度的关键问题，就是远程控制通讯问题以及芯片制造工艺问题。
(四) 智能机器人传感器技术
近年来，传感器技术发展迅速。一些普通的传感器的价格也越来越便宜。但即使这样，运行了先进传感器技术的现代机器人在一些问题上，任然无法达到人类感触外界的能力。
人类的“传感器”很小，一个神经细胞就是人类的传感器。人的身体外部皮肤，几乎处处都可以起到温觉传感器和压力传感器的作用。人类的耳朵结构也不是话筒就可以简单代替的。人类的眼球里，就有很多“光敏传感器”。这些“光敏传感器”协同工作能力，以及两个眼睛的协同工作能力，也不是简单的两个摄像头可以解决得了的。相对于智能生物---人类而言，现有的传感器技术还远远不够。
智能机器人身上的传感器，应该需要满足以下特点：
① 体积小，能耗低或者不耗能。
② 初步具有一些物理处理事件的能力。不能把所有的问题都传给“大脑”来处理。
③ 传感器与传感器之间需要能够互相通信。当一个范围内的传感器都接收到信号时，那个范围内的传感器可以经过通信处理后，决定发送一个统一的信号给计算机处理。
(五) 智能机器人驱动方式
到目前为止，现有的大部分机器人和机器的驱动几乎都是依靠电机进行驱动的。我们知道电机可以提供扭矩，可以驱动旋转副。然而人类肢体运动的驱动方式是依靠肌肉的伸缩来完成的。这种驱动方式比电机耗能要低得多。现有的技术中，气压和液压似乎是可以代替人工肌肉来实现伸缩的功能。但是这两种方式都需要气压泵或者液压泵。如果真用气压和液压来驱动机器人，那么要么机器人背着一个气压泵或者液压泵走，要么让机器人脱着一根管子走。这两种方式都不大理想。除非解决了气压泵或者液压泵的重量，体积，以及能耗问题。
必须寻找能够替代气压和液压的东西来解决驱动方式的问题。伸缩的驱动方式在理论上磨损要比旋转的驱动方式要低。现有的智能机器人，比如说日本的一款用来模拟人类表情的机器人。这种机器人的脸上几乎就布满了微型电机。以这种发展趋势看，目前几乎没有完美的解决智能机器人驱动方式的方法。依靠电机的小型化来实现一连串合成且又复杂的动作，必定会增加控制上和能耗上的负担。好比是饮鸩止渴。
三、 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。
智能机器人在各种具体场合可以为人们提供智能化服务：可以在工业生产流水线上执行一定工作流程任务（比如车钳铣刨等操作、设备保养、产品装配、产品检验、材料供应与管理）的智能机器人，可以完成农业生产特定作业（比如选种、育种、播种、施肥、收割、运输）的智能机器人，可以提供特定社会服务（比如文化教育、景点导游、语言翻译、售票检票、宾馆服务、医疗监护、清洁卫生）的智能机器人，可以执行特定家政服务（比如家庭保安、家务劳作、看护老人、照看婴儿、菜肴烹调、餐具清洗）的智能机器人。
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，由预装的软件做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。
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