智能机器人概述

在 机 器 人 的 计 算 — — — 逻 辑 装 置 和 信 息 装 置
是人工智能技术的综合试验场， 可以全面地考 系统方面， 它们只能做一些很简单的操作。例 方面， 首要问题是研制专业化的微处理机。
察人工智能各个领域的技术， 研究它们相互之 如： 为了使机器人具有某种程度的人眼功能， 已
间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危 进行大量的研究工作并向如下两类系统发展：
传感器。
在控制装置方面， 首先是完善从执行机构 人控制器直接结合起来就很难建立实时性和适
（ ２） 视觉传感
的元件中摄取信号以把这种信号传送给电子计 应性很好的系统。
在机器人视觉方面， 目前市场上销售的有 算 机（ 反 馈） 的 装 置 ； 提 高 小 型 机 械 移 动 装 置 电
为了解决机器人的智能化， 组成智能机器
智能机器人与工业机器人的根本区别在 使用， 此外还有许多其他型号在研究之中。
困难所在。这种困难表现在两个方面： 一是传感
于， 智能机器人具有感知功能与识别、判断及规
为在空间任意点以任意方式操作一个物 器所获取的反馈信息通常是数量很大的数值信
划功能。而感知本身， 就是人类和动物所具有的 体 ， 机 器 人 臂 需 要 有 ６ 个 自 由 度 ： 左 ／ 右 、前 ／ 息， 符号层一般很难直接使用这些信息， 需要经
际使用的， 目前在工业界已得到广泛应用。第二 大 学 、格 拉 斯 哥 大 学 、格 温 特 大 学 ； 而 伯 明 翰 大 面我们简单介绍人工智能技术、操作器、移动技
代是“感知机器人”， 又叫做自适应机器人， 它在 学则专门研究惯性传感器。另外， 还有许多从事 术、动力源和驱动器、仿生机构等。
第一代机器人的基础上发展起来的， 能够具有 传感系统开发的单位， 都进行了传感反馈研究。
说， 就是知识的符号表示和推理 这 部 分 技 术 ， 阶段。显然， 智能机器人在非结构 环 境 中 自 主 受到人们的关注。仿生机构的自由度往往比较
看一看它对当前的机器人技术的发展会有什 移动， 或在遥控条件下移动， 视觉－ 传感器－ 多， 建立数学模型以及基于数学模型的控制比
么贡献。其主要贡献体现在以下几个方面： 基 驱动器的协调控制不可缺少。
以下 ６ 类传感器： ①隔开物体的二维视觉： 双态 动传感器的灵敏度、精确度和寿命； 完善运动程 人系统， 研究者们将面临许多困难且需要做长
成像； ②隔开物体的二维视觉： 灰度标成像； ③ 序给定、贮存和计算及整个数字程序控制的元 期努力， 进行若干课题的研究。例如： 高级思维
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Thesis
学术交流
当 广 泛 的 研 究 。 例 如 ： Ｓｕｓ ｓ ｅ ｘ 大 学 和 Ｓｈａ ｃ ｋ－ 发更灵活、更有适应能力的坐标系统。如伯明翰 控制级可执行的指令（ 数据） ， 也要经过分解、转
ｌｅ ｔｏｎ 系 统 驱 动 公 司 研 制 的 基 于 运 动 的 介 电 电 大学机械工程系研制的全交接左笛卡尔坐标系 换等过程， 这也是困难和费时的工作。它们同样
不那么容易。因为符号处理与数值计算， 在知识
智能机制， 它可以把感知和行动智能化结合起
（ ４） 运动性能
表示的抽象层次以及时间尺度上的重大差距，
来， 因此能在非特定的环境下作业， 称之为智能
机器人通常是要在周围移动物体的， 例如： 把两个系统直接结合起来， 相互之间将存在通
机器人。
机器人臂到轮子或脚的运载器已有许多结构在 信和交互的问题， 这就是组织智能控制系统的
验和学习的功能。所以， 人们通常所说的第二代 坐标、Ｓｃ ａ ｒａ ｔｙｐ ｅ 和并行坐标。
来自分布在不同地点和不同类型的多个传感
机器人可以看作是第一代智能机器人。
在国际机器人市场上圆柱体坐标机器人现 器。从不同角度， 以不同的测量方法得到不同的
已有售； Ｕｎｉｍａ ｔｅ 机器人系列为球形坐标系 统 ， 环境信息。这些信息受到干扰和各种非确定性
的可用技术， 暂时抛开人工智能中 的 各 种 带 根 完成特定的作业功能。另一个倾向是移动的运 理、能量分配、信息处理与综合， 以及 感 知 和 认
本 性 的 争 论 ， 如 符 号 主 义 与 连 接 主 义 、有 推 理 动控制与视觉的结合日益密切。这种倾向在美 知等方面多层次得到启发。目前， 以 驱 体 为 构
触觉或叠加物体的二维视觉； ④二维观察； ⑤二 件； 研制小型而又可靠的有感知装置， 主要是动
智能机器人是一个在感知－ 思维－ 效应方 维 线 跟 踪 ； ⑥使 用 透 视 、立 体 、结 构 图 示 或 范 围 力机构和执行机构等等。
面全面模拟人的机器系统， 外形不一定像人。它 找寻技术从隔开物体中提取三维信息。在这类
的控制器， 本质是一个数值计算系统。如若把人
装配线上的机器人装配了视觉系统， 宣告了感
（ ３） 听觉传感
工智能系统（ 如专家系统） 直接加到机器人控制
知机器人的诞生， 在 ８０ 年代得到了广泛应用。
目前用的最多的是麦克风与机器人的自然 器的顶层， 能否得到一个很好的智能控制器？ 并
第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等 语言理解系统。
３ 智能机器人的未来发展
险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。 ①从一维物体中提取三维信息； ②活动机器人
智能机器人的开发研究取得了举世瞩目的
人们通常把机器人划分为三代。第一代是 导航、探路和躲避障碍物的现场三维分析。
成果。那么， 未来智能机器人技术将如何发展
可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作
２ 智能机器人的感官系统
手臂可移进移出， 绕其坐标移动， 还可以做旋转 因素的影响， 难免存在畸变、信息不完整等缺
（ １） 触觉传感器
的纵向移动。当前机器人臂的研制目标是通过 陷 ， 因 此 使 上 述 的 处 理 、变 换 更 加 复 杂 和 困 难 。
英国近几年在阵列触觉传感方面开展了相 现有系统的组合或利用完全不同的设计思想开 二是从符号层形成的命令和动作意图， 要变成
较复杂， 借助传感器获取信息加以简化可能是
于任务的传感技术， 建立感知与动作的直接联
最近几年， 在步行机构， 双足步行机， 轮式 一条出路。
系， 基于传感器的规划和决策， 复杂动作的协 移动机构的开发和实用化等方面都取得了一
近年来， 机器人出现了一个倾向是面向特
调等。
些进展。据日本工业机器人协会预测： 管内移 定功能和作业开发专用机器人， 以追求高速、
国外研究的前沿。
“辫子”。以动力源的重量 ／ 功率之比为例， 目前 控制－ 传感－ 驱动的一体化设计， 满 足 机 械 手
（ １） 人工智能技术在机器人中的应用
不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用 如米德尔塞克斯工业大学致力于使机器人能组
把传统的人工智能的符号处理技术应用到
感知信息以改善机器人性能的研究开始于 ７０ 织和使用来自不同类型传感器的数据。这种机 机器人中存在哪些困难呢？ 一般的工业机器人
年 代 初 期 ， 到 １９８２ 年 ， 美 国 通 用 汽 车 公 司 为 其 器人能“看”“、感”和“听”， 它更接近于人。
机器人手臂结构要适应智能机器人高速、
（ ４） 动力源和驱动器
虽 然 其 工 作 区 域 只 有 １３ｍｍ×１３ｍｍ×１ｍｍ，
重载、高精度和轻质的发展趋势。 其 中 轻 质 化
智能机器人的机动性要求 动 力 源 轻 、小 、 但其加速度却高达 ５０ｇ 。ＩＢＭ 公司的技术人员
是关键。新型高刚度、抗震结构和 材 料 是 目 前 出力大。而现有的移动机器人无一例外地拖着 对机器人学提出了新的问题： 如何 进 行 机 构－
伦敦大学目前正在研究一种双目视觉机器 呢？ 日本工业机器人协会对下一代机器人的发
人员所编的程序， 完成一些简单的重复性操作。 人的实时图像处理机。还有正在研究机器人视 展进行了预测。提出智能机器人技术近期将沿
这 一 代 机 器 人 是 从 ６０ 年 代 后 半 叶 开 始 投 入 实 觉系统的教育机构有： 考文垂工业大学、爱丁堡 着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。下
任 务 的 复 杂 性 ， 环 境 的 不 确 定 性 ， 这 种 建 模 方 人、美国环保局主持开发的核废料 处 理 机 器 人 的体能加以比较。从这个角度来看 ， 智 能 机 器
式遇到了挑战， 于是出现了依靠传 感 器 建 模 的 ＨＡ７ＢＯＴ 中， 移动技术都被列为关键技术。
人驱动技术目前差距还相当大。
低级智能。因此机器的智能分为两个层次： ①具 后、上 ／ 下、投、卷和左右摆转。在工业中使用的 过 压 缩 、变 换 、理 解 后 把 它 转 变 为 符 号 表 示 ， 这
有 感 觉 、识 别 、理 解 和 判 断 功 能 ； ②具 有 总 结 经 坐标已有 ６ 个： 圆柱形、球形、笛卡尔坐标、旋转 往往是一件很困ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ而又耗费时间的事。而信息
主张， 这就引出一系列新的与传感技术有关的
移动机构与面向作业任务的执行机构综
（ ５） 仿生机构
课题。
合 开 发 是 最 近 出 现 的 新 的 倾 向 。因 为 无 论 何 种
智能机器人的生命在创新， 开展仿生机构
人 们 为 了 探 讨 人 工 智 能 在 机 器 人 中 近 期 机 器 人 都 需 要 通 过 搭 载 的 机 械 手 或 传 感 器 来 的 研 究 ， 可 以 从 生 体 机 构 、移 动 模 式 、运 动 机
Thesis
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智能机器人概述
董砚秋 （ 沈阳理工大学信息科学与工程学院， 沈阳 １１００３１）
摘要： 本文介绍了智能机器人的发展概况、机器人的感官 系统、机器人运动系统及人工智能技术在机器人中的应用， 以 方便广大读者对智能机器人有一全面了解。
关键字： 智能机器人； 感官； 仿生； 人工智能
１ 引言
活动应以什么方式的机器人系统来模仿， 是采 概念也从陆地拓展到水下和空中。
高压水为工 作 介 质 ， 收 缩 力 高 达 ５０ｋｇ （ 管 径
取传统的人工智能符号推理的方法， 还是采用
近几年来， 在欧美国家的机 器 人 研 究 计 划 ３ｍｍ） 。这是新型驱动器一个成功的例子。总
别的方法？ 需不需要环境模型， 需 要 怎 样 的 环 中 ， 移 动 技 术 占 有 重 要 的 位 置 。 例 如 在 ＮＡＳＡ 之， 智能机器人性能指标的改进 是 无 止 境 的 ，
因此在智能机器人操作器方面的研究， 人们的 以及不平整地面行走和爬楼梯与人具有相同 速度频繁往复于相距数毫米的两点间， 实现高
兴趣主要集中在各种具有柔性和灵巧性的手 速度的移动机 器 人 将 在 ２０１０ 年 可 达 到 实 用 密度微型电子器件装配， 定位精度高达一微
爪和手臂上。
化。
米。这种高速运动机构的动态平衡十分重要，
和无推理智能等等， 把着眼点放在 人 工 智 能 技 国 ＡＬＶ 项目中已初见端倪， 最近则越过了静态 件的蛇形移动机构、人工肌肉、仿象鼻 柔 性 臂 、
术 中 较 成 熟 的 技 术 上 。 对 传 统 的 人 工 智 能 来 图像识别的框框， 进入主动视觉和 主 动 传 感 的 人 造 关 节 、假 肢 、多 肢 体 动 物 的 运 动 协 调 等 等
（ ２） 操作器
动机器人将在 ２００７ 年可达到实用化； 与人具 高效、单一化和低成本的目的。 例 如 美 国 ＩＢＭ
工业机器人手臂的设计制造 已 趋 于 成 熟 ， 有 同 样 步 行 速 度 的 多 足 步 行 机 和 双 足 步 行 机 公 司 设 计 的 超 高 速 小 型 机 器 人 ， 以 ５０ 次 ／ｓ 的
境 模 型 ； 怎 样 建 立 环 境 模 型 ， 传 统 的 人 工 智 能 空间站 ＦＲＥＥＤＯＭ 上搭载的机器 人 、ＮＡＳＡ 和 对驱动器的要求也越来越高。什么是客观的衡
主要依据先验知识建立环境模型。由于环境和 ＮＳＦ 共同开发的南极 Ｅｒｅ ｂ ｕｓ 活火山探测机器 量标准呢？ 一个容易接受的办法就是把它与人
容传感的阵列； 由威尔士大学和软件科学公司 机器人 Ｌｏｃ ｏｍａ ｎ， 它是一种装 配 机 器 人 。 在 该 受 到 控 制 动 作 和 环 境 的 非 确 定 性 因 素 的 影 响 。
研制的采用压强技术的装在机器人夹持器上的 机器人上用控制设备来改进其刚性和精度。
由于这些困难， 要把人工智能系统与传统机器