工业机器人的智能化技术讲课稿

机器人的智能化技术
学院：机械工程学院
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一、前言
从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果就产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”。

智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当发达的“大脑”。

在脑中起作用的是中央计算机，这种计算机跟操作它的人有直接的联系。

最主要的是，这样的计算机可以进行按目的安排的动作。

大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，利用形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉，用来认识周围环境状态；二是运动要素，除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。

感觉要素包括能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。

这些要素实质上就是相当于人的眼、鼻、耳等五官，它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传成器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。

对运动要素来说，智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。

它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。

在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。

智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。

思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。

这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。

智能的发达是第三代机器人的一个重要特征。

人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别。

有的人甚至依此将机器人分为以下几类：受控机器人——“零代”机器人，不具备任何智力性能，是由人来掌握操纵的机械手；可以训练的机器人——第一代机器人，拥有存储器，由人操作，动作的计划和程序由人指定，它只是记住（接受训练的能力）和再现出来；感觉机器人——机器人记住人安排的计划后，再依据外界这样或那样的数据（反馈）算出动作的具体程序；智能机器人——人指定目标后，机器人独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。

因此，它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置（周围情况及自身——机器人的意识和自我意识）
二、发展过程
起初，机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构，它具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。

受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。

随着科学技术的进步，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。

以上属于初级智能机器人.它和工业机器人不一样,具有象人那样的感受,识别,推理和判断能力.可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序,也就是它能适应外界条件变化对自己怎样作相应调整.不过,修改
程序的原则由人预先给以规定.这种初级智能机器人已拥有一定的智能,虽然还没有自动规划能力,但这种初级智能机器人也开始走向成熟,达到实用水平.
高级智能机器人，它和初级智能机器人一样,具有感觉,识别,推理和判断能力,同样可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序。

所不同的是,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。

修改程序的原则不是由人规定的,而是机器人自己通过学习,总结经验来获得修改程序的原则，所以它的智能高出初能智能机器人。

这种机器人的特点在于它的自主性和适应性，已拥有一定的自动规划能力,能够自己安排自己的工作，这种机器人可以不要人的照料,完全独立的工作,故称为高级自律机器，这种机器人也开始走向实用。

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、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。

三、在机器人中的运用
焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。

随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标。

要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。

研究智能化机器人焊接技术，改进目前工业生产中示教再现型焊接机器人的适应或智能化功能，一方面是目前高技术产品复杂焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求；另外，随着人类探索空间的扩展，在极端环境，如太空、深水以及核环境下的焊接制造也对发展自主智能型焊接机器人提出了强烈的技术需求。

仍有待于在实际焊接制造过程中完善和发展。

关于针对特殊焊接构件的特种焊接机器人，如爬行式焊接机器人、焊接专用机构等也在研究开发中。

医学机器人：在未知环境中,实时避障是实现智能化机器人自主工作的关键技术。

敏感的皮肤可以使智能机器人具有环境感知和实时决策的能力。

研制的敏感皮肤由模块化和带有强数据处理能力的微型红外传感器阵列构成,可以粘贴在机器人表面,依赖于皮肤上的红外传感器来感知外部环境。

系统采用了几何光学模型法来测量敏感皮肤与障碍物间的距离。

实验结果表明,在感知区域内,敏感皮肤能够实时准确地给出多关节机器人周围的障碍物存在和距离信息,为解决机器人避障问题提供新的范例。

鼻内镜手术中全智能化机器人，全智能化机器人进行鼻内镜手术治疗慢性鼻窦炎、鼻肉。

结果: 手术过程顺利,无术中、术后并发症。

结论:影像导航手术定位准确、侵袭性小、并发症少, 与内窥镜配合, 可以纠正软组织移位引起的偏差,确
认耳鼻喉及与之相连接的高危解剖区域的标志,提高了手术的安全性、精确性。

“机器人女士”，他发现他的某些同胞能在毫无兴趣的情况下应付对方谈话，而且他们的对话仍能很好地进行下去。

这个机器人女士继承了这一能力，能在问话中找到关键词语，然后组成一些公式化的令人感到恰当的答案。

四、发展方向
智能机器人，发展方向大致有两种，一种是类人型智能机器人，这是人类梦想的机器人；另一种是外形并不像人，但具有机器智能。

人指定目标后，机器人独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。

因此，它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置（周围情况及自身——机器人的意识和自我意识）。

五、存在的问题
尽管机器人人工智能取得了显著的成绩，控制论专家们认为它可以具备的智能水平的极限并未达到。

问题不光在于计算机的运算速度不够和感觉传感器种类少，而且在于其他方面，如缺乏编制机器人理智行为程序的设计思想。

这很像用高级语言进行程序设计一样，只要指出“间隔为一的从1～20的一组数字”，机器人自己会将这组指令输入详细规定的操作系统。

最明显的就是，“一接触到热的物体就把手缩回来”这类最明显的指令甚至在大脑还没有意识到的时候就已经发出了。

学习能力是复杂生物系统中组织控制的另一个普遍原则，是对先前并不知道、在相当广泛范围内发生变化的生活环境的适应能力。

这种适应能力不仅是整个机体所固有的，而且是机体的单个器官、甚至功能所固有的，这种能力在同一个问题应该解决多次的情况下是不可替代的。

可见，适应能力这种现象，在整个生物界的合乎目的的行为中起着极其重要的作用。

控制机器人的问题在于模拟动物运动和人的适应能力。

建立机器人控制的等级——首先是在机器人的各个等级水平上和子系统之间实行知觉功能、信息处理功能和控制功能的分配。

第三代机器人具有大规模处理能力，在这种情况下信息的处理和控制的完全统一算法，实际上是低效的，甚至是不中用的。

所以，等级自适应结构的出现首先是为了提高机器人控制的质量，也就是降低不定性水平，增加动作的快速性。

为了发挥各个等级和子系统的作用，必须使信息量大大减少。

因此算法的各司其职使人们可以在不定性大大减少的情况下来完成任务。

六、结论
智能化技术在各种机器人中占有重要的地位，在其设计开发过程中，将智能化引入其中，可以提高机器人的工作能力和使用性能。

智能化技术的发展将推动着机器人技术的进步，未来智能化水平将标志着机器人的水平，虽然目前还有很多问题需要解决，但随着科学技术的进步，会逐渐改进发展。

未来的智能化方向不会改变，并且会将机器人产品拓展到更多行业，形成完备的系统。