【精品】智能机器人的现状及其发展趋势

1、智能机器人的现状及其发展趋势1引言智能机器人缩写gnjqc 我们从广泛意义上理解所谓的智 能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活 物”。其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微 妙而复杂。 智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部 涪息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有 效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动 机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起來。 我们称这种机器 人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制 论产生的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为 在很多方面是一致的。正

2、像一个智能机器人制造者所说的，机器人是 一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果屮得 到，现在它们已经成了我们口己能够制造的东西了。 智能机器 人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识” 中单独形成了一种使它得以“生存”的外界环境实际情况的详尽 模式。它能分析出现的情况，能调整自己的动作以达到操作者所提出 的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情况下和环境 迅速变化的条件下完成这些动作。当然，要它和我们人类思维一模一 样，这是不可能办到的。不过，仍然有人试图建立计算机能够智能机 器人拉车理解的某种“微观世界”。比如维诺格勒在麻省理工学院人 工智能实

3、验室里制作的机器人。这个机器试图完全学会玩积木：积木 的排列、移动和几何图案结构，达到一个小孩子的程度。这个机器人 能独自行走和拿起一定的物品，能“看到”东西并分析看到的东西， 能服从指令并用人类语言回答问题。更重要的是它具有“理解”能力。 为此，有人曾经在一次人工智能学术会议上说过，不到十年，我们把 电子计算机的智力提高了 10倍；如维诺格勒所指出的，计算机具有 明显的人工智能成分。机器人现在已被广泛地用于生产和生活的许多领域，按其拥有智 能的水平可以分为三个层次. 一是工业机器人，它只能死板地按 照人给它规定的程序工作，不管外界条件有何变化，自己都不能对程 序也就是对所做的工作作相应的调整

4、如果要改变机器人所做的工作, 必须由人对程序作相应的改变，因此它是毫无智能的. 二是初级 智能机器人它和工业机器人不一样,具有象人那样的感受，识别，推 理和判断能力可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程 序,也就是它能适应外界条件变化对口己怎样作相应调整不过，修改 程表演太极拳序的原则由人预先给以规定这种初级智能机器人已拥 有一定的智能，虽然还没有自动规划能力，但这种初级智能机器人也 开始走向成熟，达到实用水平. 三是高级智能机器人它和初级 智能机器人一样，具有感觉，识别，推理和判断能力，同样可以根据外 界条件的变化，在一定范围内自行修改程序所不同的是，修改程序的 原则不是rti人规定

5、的，而是机器人自己通过学习，总结经验来获得修 改程序的原则所以它的智能高出初能智能机器人这种机器人已拥 有一定的自动规划能力，能够自己安排自己的工作这种机器人口j以 不要人的照料，完全独立的工作，故称为高级自律机器人这种机器人 也开始走向实用。2国内外在该领域的发展现状综述2. 1智能机器人的发展现状智能机器人是第三代机器人，这种机器人带有多种传感器，能够 将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具 有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。目前研制中的智能机器人智能水平并不高，只能说是智能机器人 的初级阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是, 提高智能机器人的

6、口主性，这是就智能机器人与人的关系而言，即希 望智能机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来 说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能口动形成完成该 任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能机器人的适应性, 提高智能机器人适应环境变化的能力，这是就智能机器人与环境的关 系而言，希望加强它们z间的交互关系。智能机器人涉及到许多关键技术，这些技术关系到智能机器人的 智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面：多传感信息耦合 技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据，以 产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够 更加完善、精确地反映检测

7、对象的特性，消除信息的不确定性,提高信 息的可靠性；导航和定位技术，在口主移动机器人导航中，无论是局 部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状 态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；路径规划技术，最 优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到 一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视 觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、 输出和显示，核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；智能控制 技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人 机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。在各国的智能机

8、器人发展中，美国的智能机器人技术在国际上一 直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功 能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工 业屮广泛应用。口本由于一系列扶植政策，各类机器人包括智能机器 人的发展迅速。欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处 于公认的领先地位。中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以 期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的 壮大。2.2智能机器人的广泛应用现代智能机器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作，如 深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、服务等工作，模拟完成人 类不能或不愿完成的任务，不仅能自

9、主完成工作，而且能与人共同协 作完成任务或在人的指导下完成任务，在不同领域有着广泛的应用。智能机器人按照工作场所的不同，可以分为管道、水下、空中、 地面机器人等。管道机器人可以用来检测管道使用过程屮的破裂、腐 蚀和焊缝质量情况，在恶劣环境下承担管道的清扫、喷涂、焊接、内 部抛光等维护工作，对地下管道进行修复；水下机器人可以用于进行 海洋科学研究、海上石油开发、海底矿藏勘探、海底打捞救生等；空 中机器人可以用于通信、气象、灾害监测、农业、地质、交通、广播 电视等方面；服务机器人半自主或全自主工作、为人类提供服务，其 中医用机器人具有良好的应用前景；仿人机器人的形状与人类似，具 有移动功能、操作功

10、能、感知功能、记忆和口治能力，能够实现人机 交互；微型机器人以纳米技术为基础在生物工程、医学工程、微型机 电系统、光学、超精密加工及测量（如:扫描隧道显微镜）等方面具有 广阔的应用前景。在国防领域屮，军用智能机器人得到前所未有的重视和发展，近 年来,美英等国研制出第二代军用智能机器人，其特点是采用自主控 制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅 等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭 敌方目标的功能。如美国的navplab自主导航车,ssv自主地面战车等。 在未来的军事智能机器人中，还会有智能战斗机器人、智能侦察机器 人、智能警戒机器人、智能工兵机器人

11、、智能运输机器人等等，成为 国防装备中新的亮点。在服务工作方面，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究 开发和广泛应用服务智能机器人，以清洁机器人为例，随着科学技术 的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出 来，这就使得清洁机器人进入家庭成为可能。日本公司研制的地面清 扫机器人，可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子 将废弃物扫入自带容器中;车站地面擦洗机器人工作时一面将清洗液 喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸入所带的 容器中；工厂的自动清扫机器人可用于各种工厂的清扫工作。美国的 一款清洁机器人“roomba”具有高度自主能力，可以游走于房间

12、各家 具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。瑞典的一款机器人“三叶虫”，表 面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻 璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物， 它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间 的各个角落都被清扫。甚至在体育比赛方面，也得到了很人的发展，近年来在国际上迅 速开展起来足球机器人与机器人足球高技术对抗活动，国际上已成立 和关的联合会fira,许多地区也成立了地区协会，已达到比较正规的 程度且有相当的规模和水平。机器人足球赛目的是将足球（高尔夫球） 撞入对方球门取胜。球场上空（加）高悬挂的摄像机将比赛情况传入 计算机内，由预

13、装的软件作出恰当的决策与对策，通过无线通讯方式 将指挥命令传给机器人。机器人协同作战，双方对抗，形成一场激 烈的足球比赛。在比赛过程中，机器人可以随时更新它的位置每当它 穿过地面线截面，双方的教练员与系统开发人员不得进行干预。机器 人足球融计算机视觉、模式识別、决策对策、无线数字通讯、自动控 制与最优控制、智能体设计与电力传动等技术于一体，是一个典型的 智能机器人系统。现代智能机器人不仅在上述方面有广泛应用，而将渗透到生活的 各个方面，像在煤炭工业在矿业方面，考虑到社会上对煤炭需求量日 益增长的趋势和煤炭开采的恶劣环境，将智能机器人应用于矿业势在 必行。在建筑方面，有高层建筑抹灰机器人、预制件

14、安装机器人、室 内装修机器人、擦玻璃机器人、地而抛光机器人等。在核工业方而， 主要研究机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻的机器人等等。 智能机器人的应用领域的日益扩大，人们期望智能机器人能在更多的 领域为人类服务，代替人类完成更多更复朵的工作。3讨论与展望3. 1智能机器人的发展趋势展望不过，尽管机器人人工智能取得了显著的成绩，控制论专家们认 为它可以具备的智能水平的极限并未达到。问题不光在丁计算机的运 算速度不够和感觉传感器种类少，而且在于其他方面，如缺乏编制机 器人理智行为程序的设计思想。你想，现在甚至连人在解决最普通的 问题时的思维过程都没有破译，人类的智能会如何呢这种认识过 程进展

15、十分缓慢，又怎能掌握规律让计算机“思维”速度快点呢？因 此，没有认识人类口己这个问题成了机器人发展道路上的绊脚石。制 造“生活”在具有不固定性环境中的智能机器人这一课题，近年来使 人们对发生在生物系统、动物和人类大脑中的认识和自我认识过程进 行了深刻研究。结果就岀现了等级自适应系统说，这种学说正在有效 地发展着。作为组织智能机器人进行符合目的的行为的理论基础，我 们的大脑是怎样控制我们的身体呢？纯粹从机械学观点来粗略估算， 我们的身体也具有两百多个自由度。当我们在进行写字、走路、跑步、 游泳、弹钢琴这些复杂动作的时候，大脑究竟是怎样对每一块肌肉发 号施令的呢？大脑怎么能在最短的时间内处理完这么

16、多的信息呢？ 我们的大脑根本没有参与这些活动。大脑我们的中心信息处理机“不屑于”去管这个。它根本不去监督我们身体的各个运动部位，动 作的详细设计是在比大脑皮层低得多的水平上进行的。这很像用高级 语言进行程序设计一样，只要指出“间隔为一的从120的一组数字”, 机器人自己会将这组指令输入详细规定的操作系统。最明显的就是，“一接触到热的物体就把手缩冋来”这类最明显的指令甚至在大脑还 没有意识到的时候就已经发出了。 把一个大任务在几个皮层之 间进行分配，这比控制器官给构成系统的每个要素规定必要动作的严 格集中的分配合算、经济、有效。在解决重大问题的时候，这样集中 化的大脑就会显得过于复杂，不仅脑颅，

17、甚至连人的整个身体都容纳 不下。在完成这样或那样的一些复杂动作时，我们通常将其分解成一 系列的普遍的小动作（如起来、坐下、迈右脚、迈左脚）。教给小 孩各种各样的动作可归结为在小孩的“存储器”中形成并巩固相应的 小动作。同样的道理，知觉过程也是如此组织起來的。感性形象 这是听觉、视觉或触觉脉冲的固定序列或组合（马、人），或者是 序列和组合二者兼而有之。 学习能力是复杂生物系统中组织控 制的另一个普遍原则，是对先前并不知道、在相当广泛范围内发生变 化的生活环境的适应能力。这种适应能力不仅是整个机体所固有的， 而且是机体的单个器官、甚至功能所固有的，这种能力在同一个问题 应该解决多次的情况下是不可替

18、代的。可见，适应能力这种现象，在 整个生物界的合乎目的的行为中起着极其重要的作用。本世纪初，动 物学家桑戴克进行了下面的动物试验。先设计一个带有三个小平台的 t形迷宫，试验动物位于字母t底点上的小平台上，诱饵位于字母t横 梁两头的小平台上。这个动物只可能做出以下两种选择，即跑到岔口 后，它可以转向左边或右边的小平台。但是，在通向诱饵的路上埋伏 着使它不愉快的东西：走廊两侧装着电极，电压以某种固定频率输进 这些电极之中，于是跑着经过这些电极的动物便受到疼痛的刺激 外界发出惩罚信号。而另一边平台上等着动物的诱饵则是外界奖励的 信号。实验中，如果一边走廊的刺激概率大大超过另一走廊中的刺激概率，那么，

19、动物自然会适应外界情况：反复跑几次以后，动物朝刺 激概率低、痛苦少的那边走廊跑去。桑戴克作试验最多的是老鼠。如 老鼠就更快地选择比较安全的路线，并且在惩罚相差不大的情况下自 信地选择一条比较安全的路线，其它作试验的动物是带着不同程度的 自适应性来体现这一点的，不过，这种能力是参加试验的各种动物都 具有的。控制机器人的问题在于模拟动物运动和人的适应能力。建立机器人控制的等级首先是在机器人的各个等级水平上和子 系统之间实行知觉功能、信息处理功能和控制功能的分配。第三代机 器人具有大规模处理能力，在这种情况下信息的处理和控制的完全统 一算法，实际上是低效的，甚至是不中用的。所以，等级自适应结构 的出现首先是为了提高机器人控制的质量，也就是降低不定性水平， 增加动作的快速性。为了发挥各个等级和子系统的作用，必须使信息 量大大减少。因此算法的各司其职使人们可以在不定性大大减少的情 况下来完成任务。跳舞总之，智能的发达是第三代机器人的一个重要 特征。人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别。有的人 甚至依此将机器人分为以下几类：受控机器人“零代”机器人， 不具备任何智力性能，是由人来掌握操纵的机械手；可以训练的机器 人第一代机器人，拥有存储器，由人操作，动作的计划和程序由 人指定，它