人工智能機器人發展空間與應用前景
2019-01-10 15:09:26
機器人技術的發展是一個國家高科技水平和工業自動化程度的重要標志和體現。機器人在當前生產生活中的應用越來越廣泛，正在替代人發揮著日益重要的作用。隨著計算機、微電子、信息技術的快速進步，機器人技術的開發速度越來越快，智能度越來越高，應用范圍也得到了極大的擴展。在海洋開發、宇宙探測、工農業生產、軍事、社會服務、娛樂等各個領域，機器人都有著廣闊的發展空間與應用前景。機器人正朝著智能化和多樣化等方向發展。
一、智能機器人的定義
智能機器人之所以叫智能機器人，這是因為它有相當發達的“大腦”。在腦中起作用的是中央處理器，這種計算機跟操作它的人有直接的聯系。最主要的是，這樣的計算機可以進行按目的安排的動作。正因為這樣，我們才說這種機器人才是真正的機器人，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器人，它給人的最深刻的印象是一個獨特的進行自我控制的“活物”。其實，這個自控“活物”的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復雜。智能機器人具備形形色色的內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，它還有效應器，作為作用于周圍環境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。
二、智能機器人要具備的主要要素
1、感覺要素，用來認識周圍環境狀態;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。這些要素實質上就是相當于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關等機電元器件來實現。
2、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的移動機構，以適應諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構來完成。在運動過程中要對移動機構進行實時控制，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
3、思考要素，根據感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。智能機器人的思考要素是三個要素中的關鍵，也是人們要賦予機器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質上是一個信息處理過程，而計算機則是完成這個處理過程的主要手段。
三、智能機器人關鍵技術
1、多傳感器信息融合
多傳感器信息融合技術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、概率和統計相結合，為機器人在各種復雜、動態、不確定和未知的環境中執行任務提供了一種技術解決途徑。
2、導航與定位
在機器人系統中，自主導航是一項核心技術，是機器人研究領域的重點和難點問題。
3、路徑規劃
路徑規劃技術是機器人研究領域的一個重要分支。最優路徑規劃就是依據某個或某些優化準則(如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等)，在機器人工作空間中找到一條從起始狀態到目標狀態、可以避開障礙物的最優路徑。
4、機器人視覺
視覺系統是自主機器人的重要組成部分，一般由攝像機、圖像采集卡和計算機組成。機器人視覺系統的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示，核心任務是特征提取、圖像分割和圖像辨識。
5、智能控制
隨著智能機器人技術的發展，對于無法精確解析建模的物理對象以及信息不足的病態過程，傳統控制理論暴露出缺點，近年來許多學者提出了各種不同的機器人智能控制系統。
6、人機接口技術
智能機器人的研究目標并不是完全取代人，復雜的智能機器人系統僅僅依靠計算機來控制目前是有一定困難的，即使可以做到，也由于缺乏對環境的適應能力而并不實用。智能機器人系統還不能完全排斥人的作用，而是需要借助人機協調來實現系統控制。因此，設計良好的人機接口就成為智能機器人研究的重點問題之一。
四、智能機器人的主要分類
1、智能機器人按功能分類
（1）、傳感型機器人
也外部受控機器人。機器人的本體上沒有智能單元只有執行機構和感應機構，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)進行傳感信息處理、實現控制與操作的能力。受控于外部計算機，目前機器人世界杯的小型組比賽使用的機器人就屬于這樣的類型。
（2）、自主型機器人
在設計制作之后，機器人無需人的干預，能夠在各種環境下自動完成各項擬人任務。自主型機器人的本體上具有感知、處理、決策、執行等模塊，可以就像一個自主的人一樣獨立地活動和處理問題。許多國家都非常重視全自主移動機器人的研究。智能機器人的研究從60年代初開始，經過幾十年的發展，目前，基于感覺控制的智能機器人(又稱第二代機器人)已達到實際應用階段，基于知識控制的智能機器人(又稱自主機器人或下一代機器人)也取得較大進展，已研制出多種樣機。
（3、）交互型機器人
機器人通過計算機系統與操作員或程序員進行人-機對話，實現對機器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能，能夠獨立地實現一些諸如軌跡規劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。
2、按智能程度分類
（1）、工業機器人
只能死板地按照人給它規定的程序工作，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的調整。如果要改變機器人所做的工作，必須由人對程序作相應的改變，因此它是毫無智能的。
（2）、初級智能機器人
具有象人那樣的感受，識別，推理和判斷能力。可以根據外界條件的變化，在一定范圍內自行修改程序，也就是它能適應外界條件變化對自己怎樣作相應調整。不過，修改程序的原則由人預先給以規定，這種初級智能機器人已擁有一定的智能。
（3）、高級智能機器人
具有感覺，識別，推理和判斷能力，同樣可以根據外界條件的變化，在一定范圍內自行修改程序。所不同的是，修改程序的原則不是由人規定的，而是機器人自己通過學習，總結經驗來獲得修改程序的原則。所以它的智能高出初能智能機器人。這種機器人已擁有一定的自動規劃能力，能夠自己安排自己的工作。這種機器人可以不要人的照料，完全獨立的工作，故稱為高級自律機器人。這種機器人也開始走向實用。
五、當今智能機器人的主要類型
1、工業生產型機器人
現階段，“機器換人”觀念已經越來越多的獲得生產、加工型企業的青睞，工業機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構工成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。
2、日本擬在特殊災害現場使用機器人
該技術主要針對核電站事故、NBC(核、生物、化學)恐怖襲擊等情況。遠程操控機器人裝有輪帶，可以跨過瓦礫測定現場周圍的輻射量、細菌、化學物質、有毒氣體等狀況并將數據傳給指揮中心。指揮者可以根據數據選擇污染較少的進入路線。現場人員將攜帶測定輻射量、呼吸、心跳、體溫等數據的機器開展活動。這些數據將即時傳到指揮中心，一旦發現有中暑危險或測定精神壓力、發現危險性較高時可立刻指揮撤退。
3、醫用膠囊內鏡機器人
外形與普通膠囊無異的“膠囊內鏡機器人”，由上海安翰醫療技術有限公司和安翰光電技術(武漢)有限公司研發，采用了國際首創的遙控膠囊內窺鏡控制系統。通過這個系統，醫生可以通過軟件來控制膠囊機器人在胃內的運動，改變膠囊姿態，按照需要的角度對病灶重點拍攝照片，從而達到全面觀察胃黏膜并做出診斷的目的。在這個過程中，圖像被無線傳輸至便攜記錄器，數據導出后，還可繼續回放以提高診斷的準確率。這與傳統胃鏡相比，具有數據采集更加精確、完全無痛苦、一次性使用無交叉感染等優勢。截至目前，共有321位患者志愿同意并參與磁控膠囊內鏡臨床研究。通過對研究結果的初步分析，證明了遙控膠囊內鏡系統使用安全，診斷準確率達到92.8%，這對提高百姓消化道健康檢查和消化道早期疾病發現比例，降低惡性消化道疾病的晚期發病率具有重要意義。
4、達芬奇高清晰三維成像機器人
“達芬奇”機器人全稱為達芬奇高清晰三維成像機器人手術系統。達芬奇手術機器人是目前世界范圍應用廣泛的最先進的微創外科手術系統，適合普外科、泌尿外科、心血管外科、胸外科、婦科、五官科、小兒外科等進行微創手術。這是當今全球唯一獲得FDA批準應用于外科臨床治療的智能內窺鏡微創手術系統。自2000年開始投入臨床應用，我國于2006年由北京解放軍總醫院率先引入。500多年前，達芬奇就設計了機器人的雛形。共有三大組成部分：1.按人體工程學設計的醫生操作系統;2.擁有3個器械臂和1個鏡頭臂組成的4臂床旁機械臂系統;3.高清晰三維視頻成像系統。
5、“阿爾法”智能人形機器人
2014年9月下旬，一場在北京工人體育館進行的足球比賽，讓一對機器人球迷借此走紅，而它們也擁有一個別具深意的名字，即“阿爾法”。其為深圳優必選科技有限公司研發的機器人產品之一，公司內部稱其為“阿爾法”，而這款機器人具有編輯動作等智能化的擴展學習能力，是一款不折不扣的智能型機器人。
總結：智能機器人是多學科交叉的產物，集成了運動學與動力學、機械設計與制造、計算機硬件與軟件、控制與傳感器、模式識別與人工智能等學科領域的先進理論與技術。同時，它又是又是一類典型的自動化機器，是專用自動機器、數控機器的延伸與發展。當前，社會需求和技術進步都對機器人向智能化發展不斷提出了新的要求。
