芻議智能機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)

劉佳

【摘要】文章介紹了機(jī)器人的定義，闡述了智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，最后展望了智能機(jī)器人今后的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人；信息融合；智能控制

一、機(jī)器人的定義

自機(jī)器人問世以來，人們就很難對機(jī)器人下一個(gè)準(zhǔn)確的定義，歐美國家認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該是“由計(jì)算機(jī)控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動機(jī)械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級的自動機(jī)械”，我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器?！蹦壳皣H上對機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會（RIA：Robot Institute of America）于1979 年給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！备爬ㄕf來，機(jī)器人是靠自身動和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。

二、智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

隨著社會發(fā)展的需要和機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對智能機(jī)器人的要求也越來越高。智能機(jī)器人所處的環(huán)境往往是未知的、難以預(yù)測的，在研究這類機(jī)器人的過程中，主要涉及到以下關(guān)鍵技術(shù)：（1）多傳感器信息融合。多傳感器信息融合技術(shù)是近年來十分熱門的研究課題，它與控制理論、信號處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，為機(jī)器人在各種復(fù)雜、動態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了一種技術(shù)解決途徑。機(jī)器人所用的傳感器有很多種，根據(jù)不同用途分為內(nèi)部測量傳感器和外部測量傳感器兩大類。內(nèi)部測量傳感器用來檢測機(jī)器人組成部件的內(nèi)部狀態(tài)，包括：特定位置、角度傳感器；任意位置、角度傳感器；速度、角度傳感器；加速度傳感器；傾斜角傳感器；方位角傳感器等。外部傳感器包括：視覺（測量、認(rèn)識傳感器）、觸覺（接觸、壓覺、滑動覺傳感器）、力覺（力、力矩傳感器）、接近覺（接近覺、距離傳感器）以及角度傳感器（傾斜、方向、姿式傳感器）。多傳感器信息融合就是指綜合來自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息。經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測對象的特性，消除信息的不確定性，提高信息的可靠性。融合后的多傳感器信息具有以下特性：冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性和低成本性。目前多傳感器信息融合方法主要有貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等。（2）導(dǎo)航與定位。在機(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。導(dǎo)航的基本任務(wù)有3點(diǎn)：一是基于環(huán)境理解的全局定位：通過環(huán)境中景物的理解，識別人為路標(biāo)或具體的實(shí)物，以完成對機(jī)器人的定位，為路徑規(guī)劃提供素材；二是目標(biāo)識別和障礙物檢測：實(shí)時(shí)對障礙物或特定目標(biāo)進(jìn)行檢測和識別，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；三是安全保護(hù)：能對機(jī)器人工作環(huán)境中出現(xiàn)的障礙和移動物體作出分析并避免對機(jī)器人造成的損傷。機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號類型等因素的不同，可以分為基于地圖的導(dǎo)航、基于創(chuàng)建地圖的導(dǎo)航和無地圖的導(dǎo)航3類。根據(jù)導(dǎo)航采用的硬件的不同，可將導(dǎo)航系統(tǒng)分為視覺導(dǎo)航和非視覺傳感器組合導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航是利用攝像頭進(jìn)行環(huán)境探測和辨識，以獲取場景中絕大部分信息。目前視覺導(dǎo)航信息處理的內(nèi)容主要包括：視覺信息的壓縮和濾波、路面檢測和障礙物檢測、環(huán)境特定標(biāo)志的識別、三維信息感知與處理。非視覺傳感器導(dǎo)航是指采用多種傳感器共同工作，如探針式、電容式、電感式、力學(xué)傳感器、雷達(dá)傳感器、光電傳感器等，用來探測環(huán)境，對機(jī)器人的位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息，使得機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化，有效地獲取內(nèi)外部信息。（3）路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。路徑規(guī)劃方法大致可以分為傳統(tǒng)方法和智能方法兩種。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法主要有以下幾種：自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢場法。大部分機(jī)器人路徑規(guī)劃中的全局規(guī)劃都是基于上述幾種方法進(jìn)行的，但這些方法在路徑搜索效率及路徑優(yōu)化方面有待于進(jìn)一步改善。人工勢場法是傳統(tǒng)算法中較成熟且高效的規(guī)劃方法，它通過環(huán)境勢場模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，但是沒有考察路徑是否最優(yōu)。智能路徑規(guī)劃方法是將遺傳算法、模糊邏輯以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法應(yīng)用到路徑規(guī)劃中，來提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的避障精度，加快規(guī)劃速度，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。其中應(yīng)用較多的算法主要有模糊方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、Q學(xué)習(xí)及混合算法等，這些方法在障礙物環(huán)境已知或未知情況下均已取得一定的研究成果。（4）機(jī)器人視覺。視覺系統(tǒng)是自主機(jī)器人的重要組成部分，一般由攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示，核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識。而如何精確高效的處理視覺信息是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。目前視覺信息處理逐步細(xì)化，包括視覺信息的壓縮和濾波、環(huán)境和障礙物檢測、特定環(huán)境標(biāo)志的識別、三維信息感知與處理等。其中環(huán)境和障礙物檢測是視覺信息處理中最重要、也是最困難的過程。機(jī)器人視覺是其智能化最重要的標(biāo)志之一，對機(jī)器人智能及控制都具有非常重要的意義。目前國內(nèi)外都在大力研究，并且已經(jīng)有一些系統(tǒng)投入使用。（5）智能控制。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對于無法精確解析建模的物理對象以及信息不足的病態(tài)過程，傳統(tǒng)控制理論暴露出缺點(diǎn)，近年來許多學(xué)者提出了各種不同的機(jī)器人智能控制系統(tǒng)。機(jī)器人的智能控制方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能控制技術(shù)的融合（模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制的融合；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和變結(jié)構(gòu)控制的融合；模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的融合；智能融合技術(shù)還包括基于遺傳算法的模糊控制方法）等。近幾年，機(jī)器人智能控制在理論和應(yīng)用方面都有較大的進(jìn)展。在模糊控制方面，J.J.Buckley等人論證了模糊系統(tǒng)的逼近特性，E.H.Mamdan首次將模糊理論用于一臺實(shí)際機(jī)器人。模糊系統(tǒng)在機(jī)器人的建?？刂?、對柔性臂的控制、模糊補(bǔ)償控制以及移動機(jī)器人路徑規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方面，CMCA（Cere-bella Model Controller Articulation）應(yīng)用較早的一種控制方法，其最大特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，尤其適用于多自由度操作臂的控制。（6）人機(jī)接口技術(shù)。智能機(jī)器人的研究目標(biāo)并不是完全取代人，復(fù)雜的智能機(jī)器人系統(tǒng)僅僅依靠計(jì)算機(jī)來控制目前是有一定困難的，即使可以做到，也由于缺乏對環(huán)境的適應(yīng)能力而并不實(shí)用。智能機(jī)器人系統(tǒng)還不能完全排斥人的作用，而是需要借助人機(jī)協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。因此，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)接口就成為智能機(jī)器人研究的重點(diǎn)問題之一。人機(jī)接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計(jì)算機(jī)交流。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了最基本的要求機(jī)器人控制器有1個(gè)友好的、靈活方便的人機(jī)界面之外，還要求計(jì)算機(jī)能夠看懂文字、聽懂語言、說話表達(dá)，甚至能夠進(jìn)行不同語言之間的翻譯，而這些功能的實(shí)現(xiàn)又依賴于知識表示方法的研究。因此，研究人機(jī)接口技術(shù)既有巨大的應(yīng)用價(jià)值，又有基礎(chǔ)理論意義。目前，人機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識別、語音合成與識別、圖像識別與處理、機(jī)器翻譯等技術(shù)已經(jīng)開始實(shí)用化。另外，人機(jī)接口裝置和交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)、通訊技術(shù)等也是人機(jī)接口技術(shù)的重要組成部分，其中遠(yuǎn)程操作技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向。

三、總結(jié)與展望

機(jī)器人是自動化領(lǐng)域的主題之一，人們幾十年來對機(jī)器人的開發(fā)和研究，使機(jī)器人技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。隨著人工智能、智能控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域必將不斷擴(kuò)大，性能不斷提高，在未來的生產(chǎn)、生活、科研當(dāng)中會發(fā)揮更重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫華，陳俊風(fēng)，吳林．多傳感器信息融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用[J]．傳感器技術(shù)．2003，22（9）：1～4

[2]王灝，毛宗源．機(jī)器人的智能控制方法[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2002

[3]金周英．關(guān)于我國智能機(jī)器人發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用．2001（4）：5～7