智能机器人关键技术及其发展趋势

智能机器人的关键技术及其发展趋势
机器人是自动执行工作的机器装置。

它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

按联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义，即为：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。

而智能机器人有相当发达的“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。

它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物”。

其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。

到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。

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，用来认识周围环境状态；二是运动要素，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。

智能机器人根据其智能程度的不同，又可分为三种：
传感型机器人，又称外部受控机器人。

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。

目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。

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。

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。

下面就机器人的控制技术以及列举几种常见的机器人对当前智能机器人的关键技术进行分析。

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。

工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。

具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

关键技术包括：
(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。

机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。

机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。

整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。

三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。

控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。

可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。

本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。

该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。

可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

其关键技术包括：
(1)激光加工机器人结构优化设计技术：采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度；
(2)机器人系统的误差补偿技术：针对一体化加工机器人工作空间大，精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

(3)高精度机器人检测技术：将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高精度在线测量。

(4)激光加工机器人专用语言实现技术：根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加工机器人专用语言。

(5)网络通讯和离线编程技术：具有串口、CAN等网络通讯功能，实现对机器人生产线的监控和管理；并实现上位机对机器人的离线编程控制。

真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导
体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。

真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。

而且国外对中国买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。

直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

其关键技术包括：
(1)真空机器人新构型设计技术：通过结构分析和优化设计，避开国际专利，设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求；
(2)大间隙真空直驱电机技术：涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器等方面。

(3)真空环境下的多轴精密轴系的设计。

采用轴在轴中的设计方法，减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

(4)动态轨迹修正技术：通过传感器信息和机器人运动信息的融合，检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移，通过动态修正运动轨迹，保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

(5)符合SEMI标准的真空机器人语言：根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准，完成真空机器人专用语言。

(6)可靠性系统工程技术：在IC制造中，设备故障会带来巨大的损失。

根据半导体设备对MCBF的高要求，对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制，提高机械手各个部件的可靠性，从而保证机械手满足IC制造的高要求。

以上的一些都是一些当今机器人已经实现或者基本实现的工业型机器人的关键技术，但是作为智能机器人最为关键、核心的技术——人工智能系统的发展并未完善。

人工智能专家指出：计算机不仅应该去做人类指定它做的事，还应该独自以最佳方式去解决许多事情。

计算机所获得的全部信息因素被一个相互依赖的复杂系统联系在一起。

计算机比起逻辑推理来，更经常地采用类比和判断的方法，它将这些要素进行归类、合并和综合，渐渐地发展了自己的“思维”能力。

一个叫图灵的研究者提出了人工智能的测试方法：如果人类猜不出计算机跟他谈话时将表述何种内容——不知道它要说什么，那么，这台计算机已经达到了人的智能水平。

他的这一番高论曾经引起了轰动，给学术界添了不少忙乱。

为了排除计算机言语问题，这样的对话最好是利用电传机进行。

对于许多控制专家来说，为达到图灵所说的水平，进行了大量的工作。

数不清的各种各样的电子交谈者纷纷问世。

不过，随着控制对话理论和实践的发展，机器人的言语变得越来越能表达意思了。

图灵测试法开始经常性地生效了。

因而怎样的智能水平才够称得上是真正的“智能”机器人呢？这又成了摆在智能科学家面前的一个新问题。

最后，随着随着具有丰厚利润的职业通道的打开，大量劳动力受到吸引，机器人技术在许多应用和行业系统中将发挥越来越重要的作用。

大致有下面几个趋势：
1、传感型智能机器人发展较快
作为传感型机器人基础的机器人传感技术有了新的发展，各种新型传感器不断出现，例如，超声波触觉传感器、静电电容式距离传感器、基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器，以及具有工件检测、识别和定位功能的视觉系统等。

多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用。

由于单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，不能满足智能机器人系统获取环境信息主系统决策能力。

采用多传感器集成和融合技术，利用传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确性。

2、微型机器人的研究有所突破
微型机器和微型机器人为21世纪的尖端技术之一。

已经开发出手指大小的微型移动机器人，可用于进入小型管道进行检查作业。

预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米的医疗机器人，可让它们直接进入人体器官，进行各种疾病的诊断和治疗，而不伤害人的健康。

微型驱动器是开发微型机器人的基础和关键技术之一。

它将对精密机械加工、现代光学仪器、超大规模集成电路、现代生物工程、遗传工程和医学工程产生重要影响。

微型机器人在上述工程中将大有用武之地。

在大中型机器人和微型机器人系列之间，还有小型机器人。

小型化也是机器人发展的一个趋势。

小型机器人移动灵活方便，速度快，精度高，适应于进入大中型工件进行直接作业。

3、应用领域向非制造业扩展
为了开拓机器人新市场，除了提高机器人的性能和功能，以及研制智能机器人外，向非制造业扩展也是一个重要方向。

这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、采矿、电力、煤气、供水、下水道工程、建筑物维护、社会福利、家庭自动化、办公自动化和灾害救护等。

智能机器人在非制造业部门具有与制造业部门一样广阔和诱人的应用前景。

4、行走机器人研究已经引起人们的重视
目前运行的绝大多数机器人是固定式的，它们只能固定在某一位置进行操作，因而其应用范围和功能受到限制。

近年来，对移动机器人的研究受到重视，使机器人能够移动到固定式机器人无法到达的预定目标，完成设定的操作任务。

行走机器人是移动机器人的一种，包括步行机器人(二足、四足、六足和八足)和爬行机器人等。

自主式移动机器人是研究最多的一种。

自主机器人能够按照预先给出的任务指令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围局部环境信息，自主地作出决策，引导自身绕开障碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作与操作。

移动机器人在工业和国防上具有广泛的应用前景，如清洗机器人、服务机器人、巡逻机器人、防化侦察机器人、水下自主作业机器人、飞行机器人等。