會思考的機器
——現(xiàn)代智能機器人及其發(fā)展探究

付旭程

（河北省衡水市棗強縣中學，衡水 053100）

1 智能機器人簡介

1.1 機器人簡介

機器人是一種機電一體化產(chǎn)品，其本質(zhì)上是在計算機控制下可編程的自動機器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項或多項擬人功能，例如搬運機器人模擬人類手臂來搬運貨物。另外還可能在不同程度地具有某些環(huán)境感知能力如視覺、力覺、觸覺、接近覺等，以及語言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。

機器人必須包含以下能力：動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能；具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變；具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等；具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可不依賴于人的干預。這決定了機器人不同于其他任何機械的本質(zhì)。從結(jié)構(gòu)上分析，機器人基本是由機械主體、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和交互系統(tǒng)這五大部分所組成的，復雜的特種機器人可能會加上一些其他的輔助系統(tǒng)，而智能機器人則會在此基礎上加上智能系統(tǒng)和學習系統(tǒng)等，構(gòu)成為一個更加智能的機器個體。

圖1 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 智能機器人及其分類

智能機器人區(qū)別與普通機器人主要依靠三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環(huán)境狀態(tài)。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺的接觸型傳感器。二是運動要素，對外界做出反應性動作。對運動要素來說，智能機器人需要有一個無軌道型移動機構(gòu)，以適應者如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪胎、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構(gòu)來完成。三是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考采用什么樣的動作。智能機器人的思考要素是三個要素中的關鍵，也是智能機器人區(qū)別于其他所有機器人的最主要要素，其包括判斷、歸納、分析、理解、學習等方面的智力活動，實際上是利用機器模擬人的智力活動，而計算機和人工智能技術則是完成這個處理過程的主要手段。

智能機器人根據(jù)智能程度的不同又可分為三種，其智能程度依次增加：一是傳感型機器人：具有利用所獲得的傳感信息進行傳感信息處理及實現(xiàn)控制與操作的能力。二是交互型機器人：機器人通過計算機系統(tǒng)與操作員或程序員進行人機對話，實現(xiàn)對機器人的控制與操作。三是自主型機器人：在設計制作之后，機器人無需人的干預，能夠在各種環(huán)境下自動完成各項擬人任務。

2 智能機器人的關鍵技術

智能機器人由于其高度的智能化，越來越多地代替人類進行各種工作，例如掃地機器人、服務機器人、醫(yī)療機器人、軍事機器人等。而支撐其發(fā)展的除了諸如運動控制、信息處理、伺服驅(qū)動等傳統(tǒng)機器人技術外，還有著其獨有的特殊技術。

（1）目標識別。智能機器人利用自身傳感器捕捉目標物體不同的特征信息，實現(xiàn)對目標的識別。這類傳感器一般包括視覺傳感器、測距傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器等不同類型傳感器，識別特征包括大小、方向、顏色、距離、材質(zhì)、形狀等。隨著科學技術的發(fā)展，單一傳感器已經(jīng)不能滿足智能機器人的目標識別，多傳感器的協(xié)同和融合成為當前的研究重點和熱點。

（2）目標定位與路徑規(guī)劃。智能機器人的必備特性就是可以自由地移動，而自主導航的關鍵環(huán)節(jié)就是目標的定位過程，而機器人導航的首要任務則是要確定自身在環(huán)境中的位姿。在機器人的自主導航過程中，需要解決3個問題：機器人的定位問題；機器人的目標識別與跟蹤問題；路徑規(guī)劃與避障問題。機器人的定位問題也可以轉(zhuǎn)化為解優(yōu)化問題，目前解優(yōu)化問題的解決方法有神經(jīng)網(wǎng)絡訓練法、梯度下降法、遺傳算法等。路徑規(guī)劃的任務就是在有障礙物的環(huán)境里，按照路徑最短、能量消耗最少或者用時最少等評價標準，尋找一條最優(yōu)路徑要求機器人在行走過程中沒有碰撞。現(xiàn)在智能機器人路徑規(guī)劃的方法有圖搜索法、自由空間法、勢場法、柵格法等。日常生活中的掃地機器人則是路徑規(guī)劃中的范例，其基本方法為隨機覆蓋法和路徑預先規(guī)劃法，前者主要是通過隨機碰撞式的導航，類似于彈球一樣，在做無規(guī)則的反射運動；而后者則是依靠智能化方法，規(guī)劃好自身路徑，工作效率遠高于第一種。

圖2 掃地機器人的路徑預先規(guī)劃

（3）多機器人智能交互。在復雜的作業(yè)環(huán)境中，往往需要多機器人協(xié)調(diào)工作，為了達到提高完成任務的效率，機器人共享對方的環(huán)境信息、交換信息，與此同時通過指令任務分配，從而協(xié)調(diào)不同機器人之間的動作路徑，使整個機器人系統(tǒng)能夠正常、高效運行。利用多個機器人協(xié)同工作比單個機器人獨自工作具有明顯的優(yōu)勢，不但縮短了完成任務的時間，也可以克服多個傳感器之間的信息不確定性，而且也使得不會因為某一個機器人的故障而喪失整體系統(tǒng)的功能。在機器人智能交互中應用最多的技術就是多傳感器融合技術，簡單來說，其將機器人上的各個傳感器所獲取的信息綜合分析處理，再統(tǒng)一進行調(diào)配，從而得到協(xié)調(diào)指揮各個機器人的解決方案。

此外，智能機器人還通過加入感知、認知和行為控制技術，能夠更加貼近智能思維，賦予其自我決策能力，大大提高了其在復雜環(huán)境下的適應性、抗干擾性。

3 智能機器人的未來發(fā)展

機器人的智能化從無到有、從低級到高級，并隨著科學技術的進步而不斷深入發(fā)展。隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、人工智能、新材料和傳感器技術的發(fā)展，機器人網(wǎng)絡化、微型化、高智能化的發(fā)展趨勢已是未來重要的發(fā)展趨勢。

（1）網(wǎng)絡機器人。利用網(wǎng)絡和通信技術可以對機器人進行遠程控制和操作，代替人在遙遠的地方工作，現(xiàn)在這種技術已經(jīng)有所應用。例如，利用網(wǎng)絡機器人，外科專家可以在異地為病人實施疑難手術。2001年，身處美國紐約的外科醫(yī)生馬雷斯科成功地利用機器人為躺在法國的一位女患者做了膽摘除手術，這是網(wǎng)絡機器人成功應用的里程碑。在國內(nèi)，北京航空航天大學、清華大學和海軍總醫(yī)院共同開發(fā)的遙控操作遠程醫(yī)用機器人系統(tǒng)可以在異地為病人實施開顱手術。美國一家網(wǎng)絡科技公司研制了一個金屬骷髏機器人玩具，其中網(wǎng)絡也扮演了巨大的作用。用戶通過串行口將骷髏機器人連接到自己的計算機上，就能通過互聯(lián)網(wǎng)控制骷髏機器人。不僅如此，機器人眼中隱藏著小型相機，相機能將周圍的影像傳送到控制者的計算機中，能夠讓控制者實時知曉機器人所處環(huán)境。電影《阿凡達》中人類在未來通過人腦來遠程指揮機器人作戰(zhàn)，這在未來信息技術足夠發(fā)達的基礎上是完全可以實現(xiàn)的。綜上可知，網(wǎng)絡機器人在遠程醫(yī)療、戰(zhàn)地救護、娛樂等領域有廣闊的應用前景。

（2）微型化機器人。微型機器人的工作原理和普通機器人類似，但是由于其部件都十分微小，零件的尺寸可以達到毫米甚至微米級，機器人的尺寸大大縮小，類似于自然界中的蜜蜂等昆蟲的體積。日本東京工業(yè)大學的一名教授對微型和超微型機構(gòu)尺寸作了一個基本的定義：1～100mm機構(gòu)尺寸為小型機構(gòu)，0.01～1mm為微型機構(gòu)，10μm以下為超微型機構(gòu)。微型機器人的發(fā)展依賴于微加工工藝、微傳感器、微驅(qū)動器和微結(jié)構(gòu)的發(fā)展。工業(yè)上現(xiàn)已研制出直徑為20μm、長150μm的鉸鏈連桿以及200μm*200μm的滑塊結(jié)構(gòu)和型齒輪、曲柄、彈簧等。美國貝爾實驗室已開發(fā)出一種直徑為400μm的齒輪。這些基礎材料的進步也為未來微型機器人的發(fā)展打下了堅實的基礎，設想以后微型機器人可以到人類無法到的管道內(nèi)進行檢修，甚至可以進入到人體血管內(nèi)對血栓進行清理，這對于以后醫(yī)療領域?qū)砀锩缘母淖儭?/p>

（3）高智能機器人。當計算機出現(xiàn)后，人類開始真正有了一個可以模擬人類思維的工具，人工智能的目的就是讓計算機這臺機器能夠像人一樣思考。IBM公司 深藍 電腦擊敗了人類的世界國際象棋大師，AlphaGo擊敗了世界圍棋大師李世石，這些都說明了未來機器人擁有超過人類智力的能力。未來人工智能將越來越多地進入到機器人領域，使高智能機器人能夠在環(huán)境中學習、思考、決策，從而完全自主地完成各種任務，甚至機器人能夠和人類自由溝通，成為人類的朋友。通過加入擬人化的外形后，機器人將成為真假難辨的 活人。

此外，機器人還將朝著語言交流化、動作協(xié)調(diào)化、外形美觀化的方向發(fā)展，越來越趨近于完美。智能機器人在社會的各行各業(yè)中都有著巨大的需求，隨著人口紅利的消失，智能機器人將更多地代替人進行各種各樣的工作，人類的雙手得以最大程度的解放。但是，在社會道德層面上，智能機器人是否會擁有人類無法控制的智慧和自我意識，從而對人類社會構(gòu)成威脅，這也是當今智能機器人發(fā)展的一個重要話題。在未來的研究和發(fā)展中，必須權衡機器人各方面的能力，充分發(fā)揮其功能性，使其更好地服務于人類社會。

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