智能机器人的关键技术及其发展趋势

    智能机器人这个名词在当今社会为人们所熟知,作为一名工科学生,我认为智能机器人是当代最高意义上的自动化.它综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿,机器人在人类社会应用领域不断扩大,也正引起国际社会上重新认识智能机器人技术的作用和影响.

    我对智能机器人的定义为:具备某些与生物类似的智能能力,且具有高度灵活性的自动化机器.既然提到了智能,那么何为智能?智能就是让没有生命力的材料制成的机器具有感知能力.,动作能力,规划能力和协同能力等.为了实现这些功能就要将多学科知识综合应用,如机械工程,电子技术,控制工程,计算机科学,传感技术,仿生学等学科.或许在以前能运动的一台机器就可以称作机器人,但智能机器人绝不局限于此,智能机器人更注重量化的概念,即机器人的每一个动作都要有一定的精度,而非单纯的实现.    如上所述,我认为职能机器人的关键技术除了机构的设计外更重要的是控制技术和机器人的传感技术.

    首先说机器人的控制技术,机器人控制系统是机器人的重要组成部分以完成特定的工作任务,它的基本功能有:记忆功能,包括储存工作顺序,运动方式,运动速度等有关信息;与外围设备的联系功能，包括输入和输出接口，通信接口，网络接口，同步接口;传感器接口，包括位置检测，力觉，触觉，视觉等；坐标设置功能，包括关节，绝对用户自定义坐标系等；位置伺服功能，包括机器人多轴连动，运动控制，速度和加速度控制，动态补偿等；示教功能。故障诊断安全保护功能，包括运行时系统状态监视，故障状态下的安全保护和故障自诊断。由以上看出智能机器人的进行需要复杂的多学科知识，寻找具有柔顺性和智能性控制策略已成为智能机器人研究当中最为迫切的问题之一，通常智能机器人系统模型是非常复杂的，具体概括为以下三点：

    1）模型的不确定性，智能控制的研究对象通常存在严重的不确定性；

    2）系统的高度非线性，机器人是一个典型的非线性对象，而现在的非线性控制理论还不成熟，有些方法也过于复杂；

    3）控制任务的复杂性，它要求系统中对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力，有自动躲避障运动到期望目标位置的能力等

    智能机器人通常有一个典型的控制系统，在该系统中，广义对象包括通常意义的控制对象和所处的外部环境，对于智能机器人系统，机器人手臂，被操作物及其所处的环境称为广义对象。感知信息处理将传感器得到的原始信息加以处理，例如视觉信息需要经过复杂的处理才能获得有用的信息。认知部分主要用来接受和储存各种信息，经验知识和数据。并对它们进行分析，解释，作出行动的决策，送给规划和控制 部分。通信接口除建立人机之间的联系外，还建立系统中各模块间的联系。规划和控制 是整个系统的 核心。当然对于不同功能的机器人,上述所说的各个部分的作用和互相之间的关系也不同.

    机器人传感技术是先进机器人的 三大关键要素之一。通常根据用途的 不同机器人传感器可分为两大类：用于检测机器人自身状态的内部传感器和用于检测机器人相关环境参数的外部传感器。试想机器人的结构和控制系统都很完美，没有传感器的精确传递和感知信息，那么就称不上智能化。内部传感器是用来测量机器人自身状态的功能元件。它可以检测速度，加速度等运动量。线位移，角位移等几何量，还有倾斜角和振动等物理量。常用于反馈元件，检测机器人自身的状态参数。其中包括位置传感器,速度传感器，加速度传感器，倾斜角传感器等。位置传感器包括位置和角度检测传感器，通常的有电位器式，电容式，电感式，光电式，霍尔元件式，磁栅式以及机械式位置传感器。在选择传感器时，要根据各关节和连杆的运动定位精度要求，重复精度要求以及运动范围要求；加速度传感器，常用的有应变片式和伺服式传感器；倾斜角传感器，根据测量原理，倾斜角传感器分为液体式，垂直振子式和陀螺式。外部传感器则主要用于测量机器人周边环境参数，通常跟机器人的目标识别，作业安全等因素有关，可分为接触式传感器和非接触传感器，主要包括以下几点：1接近觉传感器，它是一种粗略的距离感觉，主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近，又可分为1）接触式接近觉传感器，2）电容式接近觉传感器，3）感应式接近觉传感器，4）气压式接近觉传感器5）超声波式接近觉传感器。2触觉传感器，它是机器人与环境直接作用的检测和感知，又可分为：接触觉传感器，压觉传感器，滑觉传感器，力觉传感器。3听觉传感器，要想机器人同人一样能听懂指挥语言，就需要听觉传感器对人发出的各种声音进行检测，然后通过语言识别系统识别出命令，执行命令。听觉传感器通常有动圈式和电容式，语音识别芯片，可大致分为三个部分：语音特征提取，拾取算法，语义理解。4视觉传感器，机器人通过视觉系统更多的获取周围世界的信息，人们采取了很多措施来解决这个问题，如视频摄像头，光电转换器件，形状识别传感器。在实际应用中，单独应用以上各种传感器会受一定的条件限制，现代技术中多应用多传感器融合技术，即采用某种形式对传感器信息进行综合，融合处理，不同类型信息的多种形式的处理系统。

智能机器人技术还有很大的发展空间，它的发展势必会提高人类社会的质量。尤其是其中的仿人机器人，它可以应用于各个领域，如可以促进人体医学，生物学和仿生学的发展。仿人机器人就是要模仿人的某些技能，如双脚直立行走，自主判断，利用工具等，目前，由于人体医学和生物学发展速度的限制，医学界和生物界对人体的工作机理了解还不是十分透彻，如精确的人体运动学和动力学，人体大脑的工作机理等。另外仿人机器人不能仅限制在仿人上，还应该模仿其他生物的一些特殊功能，如狗的嗅觉，蝙蝠的听觉，蜻蜓的视觉等。相信在不远的未来可以将这些技术仿生，运用到特殊场合，各需所用，许多人类不具备的功能都会出现在机器人身上。驱动源的改进，目前机器人的驱动源有在线提供能源和离线自带电源两种。当然离线自带电源比在线提供能源具有更大的活动空间。理想的能源应该具有高的 能源密度，耐高温，耐腐蚀，可再生，低成本等。但是，现在自带能源的容量有限，而且仿人机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积减小，重量轻而且有容量大，也是仿人机器人要面临的问题。对此新型材料的研发是关键。良好的群体协作和人类合作，人类除有智能外还有一个突出的特点就是团队合作，发挥群体智慧。将来，高智慧的仿人机器人也应该具有这种能力，它们之间应该能够团结合作，并且能主动与人类合作，协同人类完成自身不能完成的任务。自然界中的人经过一个漫长的优化，成为万物之主。

    微型机器人在未来的发展前景也很可观，由于微型机器人体积是纳米级的，它可以应用到医学界。当今有许多癌症患者无法得到康复是因为癌细胞在捣鬼，而通常药物对其没有针对性，在杀死癌细胞的同时会对人体健康细胞造成伤害。如果能将微型机器人用于医学界，使其进入人体内，仅对专一的癌细胞进行吞噬，那么癌症就不再是那么可怕了。它还可以在其他场合应用，如进入人类无法进入的危险区域，航天飞机，导弹，核动力工厂以及石油化工的大量管道的探伤和维修等。用于集成电路的检查和修补，以及制定过程中的微定位和微操作。在军事上也有应用价值，例如用来进行军事侦察，具有不易被发现的 优点。微型机器人的发展与微机电系统的发展分不开的。可以说微型机器人就是可编程的微机电系统。智能机器人的种类很多，但每一种都于其他科学息息相关，它们互相促进发展。总之，智能机器人在未来将有很大的用武之地。