智能機(jī)器人研究初探

申耀武（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州510925）

智能機(jī)器人研究初探

申耀武
（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州510925）

智能機(jī)器人正逐漸廣泛且深入的影響著人類的生活形式。從智能機(jī)器人基本定義、發(fā)展沿革及智能機(jī)器人分類三個(gè)方面對(duì)智能機(jī)器人進(jìn)行探析。

人工智能；智能機(jī)器人；發(fā)展沿革

0　引言

智能機(jī)器人的研發(fā)與其應(yīng)用，早已吸引世人的目光與重視。許多先進(jìn)國(guó)家的政府，如美、日、德、英與歐盟國(guó)家等，更不斷地投入大量的科研經(jīng)費(fèi)與人才培育。美國(guó)微軟總裁比爾·蓋茨曾預(yù)測(cè)“在2025年前每個(gè)家庭內(nèi)都會(huì)有機(jī)器人”。廣泛定義的智能型機(jī)器人和相關(guān)智能型機(jī)器人技術(shù)未來(lái)很可能成為全球最大規(guī)模產(chǎn)業(yè)，智能型機(jī)器人和相關(guān)技術(shù)將徹底改變你我未來(lái)的生活。

1　智能機(jī)器人基本定義

智能機(jī)器人是具有人工智能的機(jī)器人，捷克著名作家Karel Capek于1920年的劇作《Rossums universal robots》里創(chuàng)造了“Robot”這個(gè)名詞來(lái)描述工廠里的奴隸，Robot中文翻譯為機(jī)器人，“機(jī)器人”中雖然有一個(gè)“人”字，但Robot本身其實(shí)跟人類并沒(méi)有特別連結(jié)的意義，只是Robot最初因緣際會(huì)被翻譯成機(jī)器人后就沿用至今。牛津字典將Robot解釋為“一部機(jī)器，它可在電腦控制下或全自動(dòng)執(zhí)行一些人類可以辦到的工作”[1]。英文版維基百科將Robot定義為“一種機(jī)器或虛擬人工個(gè)體，通常是一部由電腦程式或電路指揮的電機(jī)機(jī)器”。所以說(shuō)，機(jī)器人的外形并不限定為人類形狀，它也可以具備其他動(dòng)物形狀、植物形狀、自然界存在的物體形狀或任何人造形狀。機(jī)器人基本上只是一種電整合裝置，并具備一定的程序規(guī)劃后自動(dòng)執(zhí)行指定功能或動(dòng)作的能力，通常包含結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、感測(cè)單元、動(dòng)力單元、控制單元、通訊單元和計(jì)算單元等要素[2]。

2　智能機(jī)器人發(fā)展沿革

1927年，世界上第一部真正的機(jī)器人“Tel?evox的人形機(jī)器人”在美國(guó)被建造出來(lái)，如圖1所示，可藉由電源線、無(wú)線通訊和電話線來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)端控制儀器的操作。

1942年6月，維拉德·波拉德取得一件由電力控制系統(tǒng)與機(jī)械手組成的噴漆器美國(guó)專利，這是一件具產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的并聯(lián)機(jī)器人，如圖2所示。

1948年，英國(guó)機(jī)器人技術(shù)先驅(qū)——威廉格雷沃爾特發(fā)明了機(jī)器人埃爾默與埃爾西，如圖3所示，以非常簡(jiǎn)單的電子設(shè)備來(lái)模擬栩栩如生的行為。

圖1　Televox人形機(jī)器人

圖2　第一個(gè)三維的工業(yè)并聯(lián)機(jī)器人

圖3　埃爾西機(jī)器人

1950年阿蘭·圖靈所出版的《計(jì)算機(jī)械與智能》中，提著一個(gè)稱為“圖靈測(cè)試”的測(cè)試方法，可以來(lái)確認(rèn)機(jī)器是否有思考能力。

1954年，喬治迪沃爾和卓·英格列柏格設(shè)計(jì)出第一臺(tái)可編程的機(jī)械手臂——Unimate，如圖4所示，并隨后在1962年演化成為第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，在通用汽車公司的裝配線上執(zhí)行危險(xiǎn)及重復(fù)性的工作。

圖4　Unimate機(jī)器人

1959年麻省理工學(xué)院的伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室展示了先進(jìn)的電腦輔助制造技術(shù)，應(yīng)用由該校自動(dòng)編譯工具專案創(chuàng)造的語(yǔ)言APT，1963年，斯坦福大學(xué)也緊接著創(chuàng)造了第一批可由電腦控制的人造手臂——Ranchoarm，如圖5所示。

圖5　Rancho Arm

1969年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械系學(xué)——維克多許維門制造出了Stanford arm，如圖6所示，此手臂的設(shè)計(jì)后來(lái)演變成一個(gè)機(jī)器手臂設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，至今仍影響現(xiàn)代的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

圖6　Stanford Arm

1970年，蘇聯(lián)成功將月球表面探索車“月球車一號(hào)”登陸在月球上，如圖7所示，是第一部可藉由遠(yuǎn)程控制技術(shù)，在莫斯科即時(shí)引導(dǎo)在月球表面運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。

圖7　月球車一號(hào)

圖8　Puma工業(yè)機(jī)器人

1974年3月，沙因曼教授設(shè)計(jì)出采用微型計(jì)算機(jī)來(lái)控制的機(jī)械手臂，并采用小零件裝配和觸控壓力傳感器的反饋設(shè)計(jì)。1978年，Unimation公司生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Puma，如圖8所示，可編程后自動(dòng)進(jìn)行一般性裝配任務(wù)，并使用于通用汽車公司。這部性能卓越的工業(yè)機(jī)器人在很多年后仍在許多研究實(shí)驗(yàn)室中使用。

1981年，塔卡歐·卡納內(nèi)開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)“直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂”，讓機(jī)械手臂更快和更準(zhǔn)確。1986年本田公司推出僅有雙足的第一部人形機(jī)器人E0，用來(lái)驗(yàn)證雙足行走理論，如圖9所示，最早的原型機(jī)，必須花5秒才能走一步，且只能走直線。

圖9　最早人形機(jī)器人

1992年，約翰·阿德勒博士提出了“電腦刀”的創(chuàng)新概念，也是后來(lái)外科機(jī)器人的始祖。電腦刀是一部機(jī)器，可先用X光觀察病人的腫瘤，并在發(fā)現(xiàn)腫瘤時(shí)施加一個(gè)預(yù)先算好劑量的輻射。1994年，卡內(nèi)基·美隆大學(xué)的八足行走機(jī)器人“但丁2號(hào)”成功地下降到斯波爾山火山口內(nèi)收集火山氣體樣品，如圖10所示。

圖10　但丁2號(hào)

1996年麻省理工學(xué)院的大衛(wèi)·巴雷特設(shè)計(jì)了一部模擬真魚運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)械鮪魚，如圖11所示，希望讓未來(lái)的機(jī)器潛艇具備鮪魚游泳方式的高效率。

圖11　機(jī)械鮪魚

1997年，美國(guó)國(guó)家航空航天局成功執(zhí)行火星探路任務(wù)，將“旅居者”探測(cè)車送上火星表面，并在后來(lái)的兩個(gè)月期間繼續(xù)傳回從火星表面收集的數(shù)據(jù)，如圖12所示。

1999年，SONY公司發(fā)布第一個(gè)量產(chǎn)版本的AIBO機(jī)器狗，如圖13所示，具有學(xué)習(xí)、娛樂(lè)和與主人溝通的能力，后來(lái)幾年陸續(xù)推出幾版更高規(guī)格的機(jī)器狗。

2000年，本田公司首次亮相一部非常近似人類的ASIMO人形機(jī)器人，如圖14所示。ASIMO重量輕，且具有精良的步行技術(shù)，有充分的自由度，可同時(shí)操作雙臂和雙足來(lái)執(zhí)行動(dòng)作，其優(yōu)美的外形和逼真擬人化的動(dòng)作很快地風(fēng)靡全世界。

圖12　旅居者探測(cè)車

圖13　AIBO機(jī)器狗

圖14　ASIMO人形機(jī)器人

2002年，麻省理工學(xué)院的李?yuàn)W納多機(jī)器人，如圖15所示，被設(shè)計(jì)來(lái)協(xié)助機(jī)器人和人互動(dòng)和合作的研究，該項(xiàng)目的目標(biāo)之一是使未受過(guò)訓(xùn)練的人們有可能與機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)并更快速地教導(dǎo)機(jī)器人。

圖15　李?yuàn)W納多機(jī)器人

2004年，愛(ài)普生公司發(fā)表當(dāng)時(shí)全球最小機(jī)器人，如圖16所示，僅7厘米高，重10克。此直升機(jī)機(jī)器人可使用裝載的攝影機(jī)到發(fā)生自然災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)上空搜集資料。

圖16　愛(ài)普生最小飛行機(jī)器人

2005年，波士頓動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)了一部大狗機(jī)器人，如圖17所示，因?yàn)樽吭降膭?dòng)態(tài)平衡控制技術(shù)和配備了戰(zhàn)斗機(jī)等級(jí)的高速反應(yīng)加速度計(jì)，大狗機(jī)器人具備了絕佳的動(dòng)態(tài)平衡能力，可不受地形限制，背負(fù)重物和補(bǔ)給。

圖17　大狗機(jī)器人

2007年，迪安·卡門研發(fā)了可由頭腦控制動(dòng)作的機(jī)械義肢手臂，如圖18所示，這種具備精密機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)械義肢已經(jīng)被很多截肢者使用。

圖18　機(jī)器義肢

2009年，日本研究機(jī)構(gòu)——國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)和技術(shù)研究所推出HRP-4C女性人形機(jī)器人，如圖19所示，具有一顆仿真人臉機(jī)器頭，希望雙足人型機(jī)器人可以藉由具備人類的外觀而被人類社會(huì)接受。

圖19　HRP-4C機(jī)器人

2010年，Google公司開(kāi)發(fā)出無(wú)人駕駛車，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州立法通過(guò)，2012年5月開(kāi)始正式允許無(wú)人駕駛車在道路上駕駛。Google已拿到第一張無(wú)人駕駛車執(zhí)照。

2012年，美國(guó)國(guó)家航空航天局開(kāi)發(fā)了好奇號(hào)火星探測(cè)車，如圖20所示，好奇號(hào)已實(shí)際登陸火星上的“蓋爾撞擊坑”內(nèi)，通過(guò)地球發(fā)射到火星的無(wú)線電信號(hào)控制下，進(jìn)行鏟土、清理、采集及分析沙坑內(nèi)部地質(zhì)樣本等工作。

圖20　好奇號(hào)探測(cè)車

3　智能機(jī)器人分類

智能機(jī)器人的種類非常多，本文依據(jù)功能或型態(tài)分別介紹幾種較?？吹降闹悄苄蜋C(jī)器人[3-5]。

（1）機(jī)械手臂或工業(yè)機(jī)器人

機(jī)械手臂或工業(yè)機(jī)器人被使用在許多制造場(chǎng)合上，形式有很多種，常被使用的是多關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂和直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂。機(jī)械手臂具備的自由度不一，從最簡(jiǎn)單的單軸機(jī)械手臂到復(fù)雜的7軸關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂。機(jī)械手臂或工業(yè)機(jī)器人的成本頗高，但因具備高精準(zhǔn)度、高可靠度、高耐用度等三高特質(zhì)，普遍用到汽車工廠包括半導(dǎo)體廠和LCD廠等大型電子資訊產(chǎn)業(yè)工廠。

（2）人形機(jī)器人

人形機(jī)器人具備人類的形狀，通常具有頭、身軀、雙臂和雙腿，但是也有一些人形機(jī)器人僅具備腰部以上的結(jié)構(gòu)，腰部以下從缺或以輪型移動(dòng)平臺(tái)取代雙足。人形機(jī)器人的研究以日本為主要發(fā)展國(guó)家，但最近幾年，美國(guó)、法國(guó)等許多國(guó)家也在人形機(jī)器人的研究上有很好的成果。人形機(jī)器人的最大優(yōu)勢(shì)應(yīng)該是跟人類外形相似，最容易被接受在與人共處的環(huán)境內(nèi)執(zhí)行與人互動(dòng)等一類原本人類執(zhí)行的工作。

（3）家庭機(jī)器人

家庭機(jī)器人是泛指使用在家庭并替人類提供各式服務(wù)的機(jī)器人。家庭機(jī)器人目前包括吸塵機(jī)器人、拖地機(jī)器人、除草機(jī)器人、清潔游泳池機(jī)器人、監(jiān)視保全機(jī)器人、教育娛樂(lè)機(jī)器人、伴侶機(jī)器人等。未來(lái)將有更多提供各式功能的家庭機(jī)器人進(jìn)入家庭。吸塵機(jī)器人因?yàn)樗男詢r(jià)比高，雖然功能有限，但可以實(shí)際協(xié)助人類執(zhí)行部分清潔工作而受到青睞，已成為除機(jī)械手臂外被人類實(shí)際使用數(shù)目最多的一種機(jī)器人。

（4）軍用機(jī)器人

軍用機(jī)器人是指被用來(lái)執(zhí)行跟國(guó)防或軍事相關(guān)任務(wù)的機(jī)器人。最早在第二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)就發(fā)展出可遙控的移動(dòng)型炸彈/地雷機(jī)器，蘇聯(lián)也發(fā)展出遠(yuǎn)端控制無(wú)人戰(zhàn)車。后來(lái)這種類型的機(jī)器人延伸到包括炸彈處置機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人、搜索和戰(zhàn)斗機(jī)器人、無(wú)人偵察機(jī)、無(wú)人攻擊機(jī)等。軍用機(jī)器人領(lǐng)域目前的最大發(fā)展領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人駕駛轟炸機(jī)。

（5）娛樂(lè)和教育機(jī)器人

娛樂(lè)機(jī)器人是指用來(lái)與人互動(dòng)，提供人類各式樂(lè)趣的機(jī)器人。教育機(jī)器人則藉機(jī)器人與人互動(dòng)功能教導(dǎo)人類，特別是小孩們，學(xué)習(xí)某些特定知識(shí)。這類別娛樂(lè)和教育機(jī)器人也能直接讓某些人類受惠，且價(jià)格合宜，因此較容易進(jìn)入市場(chǎng)，但是如果功能無(wú)法持續(xù)擴(kuò)充，要長(zhǎng)期被社會(huì)接受將是嚴(yán)格挑戰(zhàn)。北京紫光優(yōu)藍(lán)機(jī)器人公司于2001年推出愛(ài)樂(lè)優(yōu)家庭親子機(jī)器人，成為全球第一部成功進(jìn)入家庭的教育娛樂(lè)機(jī)器人。

（6）太空機(jī)器人

太空機(jī)器人指的是被使用在外太空的各式機(jī)器人，主要功能包括勘探、搬運(yùn)、收集和檢修維護(hù)等功能。已被人類使用的太空機(jī)器人包含被美國(guó)、中國(guó)和歐盟送往月球和火星表面收集資料的多部勘探機(jī)器人，在太空梭上執(zhí)行搬運(yùn)貨物的遙控機(jī)械手臂系統(tǒng)和在太空站內(nèi)使用的各式機(jī)器人。2012年8月美國(guó)的探勘機(jī)器人“好奇號(hào)”成功地從火星表面?zhèn)骰卣駣^人心的清晰影像，未來(lái)也將在火星表面持續(xù)地收集情報(bào)的工作[5]。

（7）遠(yuǎn)端操控機(jī)器人

遠(yuǎn)端操控機(jī)器人主要指可由人類在機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)以外，藉由無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通訊等方式指揮以執(zhí)行特定任務(wù)的機(jī)器人。遠(yuǎn)端操控機(jī)器人的兩個(gè)主要元素是“遠(yuǎn)端操作”和“遠(yuǎn)端親臨現(xiàn)場(chǎng)”。許多遠(yuǎn)端操控機(jī)器人被用來(lái)處理威脅或緊急事故區(qū)域內(nèi)人類不適合在場(chǎng)但必須解決的問(wèn)題，如日本核能發(fā)電廠因海嘯發(fā)生的核泄漏事故后，一些遠(yuǎn)端操控機(jī)器人就被遣送入發(fā)電廠內(nèi)高危險(xiǎn)區(qū)域處理緊急事故。

（8）醫(yī)療機(jī)器人

醫(yī)療機(jī)器人使用在醫(yī)療、檢驗(yàn)、醫(yī)療型陪伴和訓(xùn)練醫(yī)療相關(guān)技術(shù)等場(chǎng)合，包括可用來(lái)執(zhí)行外科手術(shù)的達(dá)文西機(jī)器人、利用模擬人體回饋資訊來(lái)訓(xùn)練醫(yī)師和護(hù)士的訓(xùn)練機(jī)器人、可陪伴孤獨(dú)或失憶老人和自閉癥兒童，并與其互動(dòng)的撫慰機(jī)器人、幫無(wú)法自行進(jìn)食病人喂食的喂食機(jī)器人、可在遠(yuǎn)端醫(yī)師指揮下即時(shí)移動(dòng)到病房以視頻跟病人或護(hù)士對(duì)談問(wèn)診的遠(yuǎn)距看診機(jī)器人和可輕易置入人體進(jìn)行體內(nèi)檢測(cè)工作的微小檢測(cè)機(jī)器人等。人類社會(huì)老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，醫(yī)療機(jī)器人已成為許多先進(jìn)國(guó)家發(fā)展智能型機(jī)器人的重點(diǎn)項(xiàng)目。

（9）柔性機(jī)器人

柔性機(jī)器人是指一部機(jī)器人的整體或部分具有柔軟的外表或身體，用來(lái)模擬生物的特性，以利執(zhí)行特定任務(wù)的目標(biāo)，是機(jī)器人仿生學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。典型柔性機(jī)器人范例的機(jī)器章魚，整個(gè)身體和觸須都由軟性材料構(gòu)成，柔性機(jī)器人可藉由柔軟的外表和身軀，執(zhí)行一般剛性機(jī)器人無(wú)法完成的工作。

（10）群組機(jī)器人

群組機(jī)器人是指一群具有相同功能和架構(gòu)的機(jī)器人，類似群居動(dòng)物的蜜蜂、螞蟻或遷移的鳥群般，以多數(shù)機(jī)器人協(xié)同行動(dòng)的特性達(dá)成特定任務(wù)。每一個(gè)個(gè)體機(jī)器人相對(duì)架構(gòu)簡(jiǎn)單，因此個(gè)體機(jī)器人的任務(wù)清楚簡(jiǎn)單，但如何協(xié)同指揮和操控大數(shù)量的個(gè)體機(jī)器人以期獲得最大整體利益，則是一件非常困難和復(fù)雜的任務(wù)。目前群組機(jī)器人還是以理論的發(fā)展為主，較具潛力的使用場(chǎng)合仍是以軍事用途為主。

（11）納米機(jī)器人

納米機(jī)器人是指超微小機(jī)器人，其尺寸是以10-9m為計(jì)算單位，伴隨著醫(yī)學(xué)科技的進(jìn)步和老齡化社會(huì)帶來(lái)的商機(jī)，已成為一項(xiàng)新型機(jī)器人領(lǐng)域。研究學(xué)者希望未來(lái)能制作出像細(xì)菌或病毒大小的納米機(jī)器人，能被輕易地送入人體特定部位執(zhí)行如消滅細(xì)菌和病毒、修復(fù)細(xì)胞或修正體內(nèi)組織等各種微觀任務(wù)。

（12）模塊化機(jī)器人

模塊化機(jī)器人主要架構(gòu)是由多個(gè)具有相同功能和構(gòu)造的模塊，以特定組合方式所組成。當(dāng)這些模塊重新改變其組成方式，形成另一種新結(jié)構(gòu)外形或新型態(tài)時(shí)，也可能構(gòu)成另一部具有相同或不同功能的模塊化機(jī)器人。許多學(xué)者已研發(fā)出可自行改變機(jī)器人型態(tài)的模塊化機(jī)器人，這些機(jī)器人可主動(dòng)根據(jù)環(huán)境或任務(wù)的需求，重新調(diào)整模塊型態(tài)，以不同的模塊連接方式組成一部新機(jī)器人，以利自我修復(fù)或成功執(zhí)行任務(wù)。

4　結(jié)論

現(xiàn)代社會(huì)，人們的工作幾乎都有電腦的參與，而智能機(jī)器人是電腦升級(jí)版的應(yīng)用，機(jī)器人技術(shù)在引領(lǐng)著一場(chǎng)新的技術(shù)革命，智能機(jī)器人是社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物，而且如大浪滔滔，勢(shì)不可擋。

［1］（德）Hendrik Skubch著，連曉峰譯.自主移動(dòng)機(jī)器人行為建模與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［2］（美）Roland Siegwart，（美）Illah R.Nourbakhsh，（美）Davide Scaramuzza著，李人厚，宋青松譯.自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2013.

［3］樸松昊，鐘秋波，劉亞奇，等.智能機(jī)器人［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

［4］GCtronic.（2012）.EPFL educationaland researchmini mobile robot［EB/OL］.http：//www.gctronic.com/ e-puck.php.

［5］NASA.（2012）.Mars Science Laboratory［EB/OL］. http：//www.nasa.gov/mission_pages/msl/news/ msl20120803.html.

(編輯：阮毅)

Intelligent Robot Research Study

SHEN Yao-wu
（Guangzhou Nanyang College，Guangzhou510925，China）

Intelligent robots are gradually widely and deeply affecthuman life forms，this paper from the basic definition，the evolution and developmentof the intelligent robotand intelligent robotclassification threeaspects to carry on analysis to the intelligent robot.

artificial intelligence；intelligent robot；evolution

TP242

A

1009－9492(2015)06－0047－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.011

2014－12－12

申耀武，男，1979年生，山西晉中人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化技術(shù)。