機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)器人在當(dāng)前生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，正在替代人發(fā)揮著日益重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高，應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。在海洋開發(fā)、宇宙探測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會(huì)服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器人都有著廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。機(jī)器人正朝著智能化和多樣化等方向發(fā)展。
一.智能機(jī)器人的定義
智能機(jī)器人之所以叫智能機(jī)器人，這是因?yàn)樗邢喈?dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”。在腦中起作用的是中央處理器，這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接的聯(lián)系。最主要的是，這樣的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行按目的安排的動(dòng)作。正因?yàn)檫@樣，我們才說這種機(jī)器人才是真正的機(jī)器人，盡管它們的外表可能有所不同。
廣泛意義上理解所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的“活物”。其實(shí)，這個(gè)自控“活物”的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動(dòng)起來。
二.智能機(jī)器人要具備的主要要素
(一)是感覺要素，用來認(rèn)識(shí)周圍環(huán)境狀態(tài);感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實(shí)質(zhì)上就是相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機(jī)、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動(dòng)元件、行程開關(guān)等機(jī)電元器件來實(shí)現(xiàn)。
(二)是運(yùn)動(dòng)要素，對外界做出反應(yīng)性動(dòng)作;對運(yùn)動(dòng)要素來說，智能機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺(tái)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子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成。在運(yùn)動(dòng)過程中要對移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等
(三)是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動(dòng)作。智能機(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動(dòng)。這些智力活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程，而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段。
三.智能機(jī)器人關(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(hào)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(dòng)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。
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。
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。
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(shí)。
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)。
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。
四.智能機(jī)器人的主要分類
(一)按功能分類
1、傳感型機(jī)器人
也外部受控機(jī)器人。機(jī)器人的本體上沒有智能單元只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)，它具有利用傳感信息(包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等)進(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外部計(jì)算機(jī)，目前機(jī)器人世界杯的小型組比賽使用的機(jī)器人就屬于這樣的類型。
2、自主型機(jī)器人
在設(shè)計(jì)制作之后，機(jī)器人無需人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自動(dòng)完成各項(xiàng)擬人任務(wù)。自主型機(jī)器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問題。許多國家都非常重視全自主移動(dòng)機(jī)器人的研究。智能機(jī)器人的研究從60年代初開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，基于感覺控制的智能機(jī)器人(又稱第二代機(jī)器人)已達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段，基于知識(shí)控制的智能機(jī)器人(又稱自主機(jī)器人或下一代機(jī)器人)也取得較大進(jìn)展，已研制出多種樣機(jī)。
3、交互型機(jī)器人
機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作員或程序員進(jìn)行人-機(jī)對話，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能，能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。
(二)按智能程度分類
1、工業(yè)機(jī)器人
只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作，不管外界條件有何變化，自己都不能對程序也就是對所做的工作作相應(yīng)的調(diào)整。如果要改變機(jī)器人所做的工作，必須由人對程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無智能的。
2、初級(jí)智能機(jī)器人
具有象人那樣的感受，識(shí)別，推理和判斷能力。可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，也就是它能適應(yīng)外界條件變化對自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整。不過，修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定，這種初級(jí)智能機(jī)器人已擁有一定的智能。
3、高級(jí)智能機(jī)器人
具有感覺，識(shí)別，推理和判斷能力，同樣可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序。所不同的是，修改程序的原則不是由人規(guī)定的，而是機(jī)器人自己通過學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來獲得修改程序的原則。所以它的智能高出初能智能機(jī)器人。這種機(jī)器人已擁有一定的自動(dòng)規(guī)劃能力，能夠自己安排自己的工作。這種機(jī)器人可以不要人的照料，完全獨(dú)立的工作，故稱為高級(jí)自律機(jī)器人。這種機(jī)器人也開始走向?qū)嵱谩?/p>
五.當(dāng)今智能機(jī)器人的主要類型
1、工業(yè)生產(chǎn)型機(jī)器人
現(xiàn)階段，“機(jī)器換人”觀念已經(jīng)越來越多的獲得生產(chǎn)、加工型企業(yè)的青睞，工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)工成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
2、日本擬在特殊災(zāi)害現(xiàn)場使用機(jī)器人
該技術(shù)主要針對核電站事故、NBC(核、生物、化學(xué))恐怖襲擊等情況。遠(yuǎn)程操控機(jī)器人裝有輪帶，可以跨過瓦礫測定現(xiàn)場周圍的輻射量、細(xì)菌、化學(xué)物質(zhì)、有毒氣體等狀況并將數(shù)據(jù)傳給指揮中心。指揮者可以根據(jù)數(shù)據(jù)選擇污染較少的進(jìn)入路線。現(xiàn)場人員將攜帶測定輻射量、呼吸、心跳、體溫等數(shù)據(jù)的機(jī)器開展活動(dòng)。這些數(shù)據(jù)將即時(shí)傳到指揮中心，一旦發(fā)現(xiàn)有中暑危險(xiǎn)或測定精神壓力、發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)性較高時(shí)可立刻指揮撤退。
3、醫(yī)用膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人
外形與普通膠囊無異的“膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人”，由上海安翰醫(yī)療技術(shù)有限公司和安翰光電技術(shù)(武漢)有限公司研發(fā)，采用了國際首創(chuàng)的遙控膠囊內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)。通過這個(gè)系統(tǒng)，醫(yī)生可以通過軟件來控制膠囊機(jī)器人在胃內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，改變膠囊姿態(tài)，按照需要的角度對病灶重點(diǎn)拍攝照片，從而達(dá)到全面觀察胃黏膜并做出診斷的目的。在這個(gè)過程中，圖像被無線傳輸至便攜記錄器，數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，還可繼續(xù)回放以提高診斷的準(zhǔn)確率。這與傳統(tǒng)胃鏡相比，具有數(shù)據(jù)采集更加精確、完全無痛苦、一次性使用無交叉感染等優(yōu)勢。截至目前，共有321位患者志愿同意并參與磁控膠囊內(nèi)鏡臨床研究。通過對研究結(jié)果的初步分析，證明了遙控膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)使用安全，診斷準(zhǔn)確率達(dá)到92.8%，這對提高百姓消化道健康檢查和消化道早期疾病發(fā)現(xiàn)比例，降低惡性消化道疾病的晚期發(fā)病率具有重要意義。
4、達(dá)芬奇高清晰三維成像機(jī)器人
“達(dá)芬奇”機(jī)器人全稱為達(dá)芬奇高清晰三維成像機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人是目前世界范圍應(yīng)用廣泛的最先進(jìn)的微創(chuàng)外科手術(shù)系統(tǒng)，適合普外科、泌尿外科、心血管外科、胸外科、婦科、五官科、小兒外科等進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)。這是當(dāng)今全球唯一獲得FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于外科臨床治療的智能內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。自2000年開始投入臨床應(yīng)用，我國于2006年由北京解放軍總醫(yī)院率先引入。500多年前，達(dá)芬奇就設(shè)計(jì)了機(jī)器人的雛形。共有三大組成部分：1.按人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的醫(yī)生操作系統(tǒng);2.擁有3個(gè)器械臂和1個(gè)鏡頭臂組成的4臂床旁機(jī)械臂系統(tǒng);3.高清晰三維視頻成像系統(tǒng)。
5、“阿爾法”智能人形機(jī)器人
2014年9月下旬，一場在北京工人體育館進(jìn)行的足球比賽，讓一對機(jī)器人球迷借此走紅，而它們也擁有一個(gè)別具深意的名字，即“阿爾法”。其為深圳優(yōu)必選科技有限公司研發(fā)的機(jī)器人產(chǎn)品之一，公司內(nèi)部稱其為“阿爾法”，而這款機(jī)器人具有編輯動(dòng)作等智能化的擴(kuò)展學(xué)習(xí)能力，是一款不折不扣的智能型機(jī)器人。
總結(jié)：機(jī)器人是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，集成了運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)硬件與軟件、控制與傳感器、模式識(shí)別與人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)理論與技術(shù)。同時(shí)，它又是又是一類典型的自動(dòng)化機(jī)器，是專用自動(dòng)機(jī)器、數(shù)控機(jī)器的延伸與發(fā)展。當(dāng)前，社會(huì)需求和技術(shù)進(jìn)步都對機(jī)器人向智能化發(fā)展不斷提出了新的要求。
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