智能机器人技术研究进展

Rebot Technique and Application 2012.6 9 综述Review 0 引言 智能机器人是具有感知、思维和行动的机器人， 可获取、处理和识别多种信息，自主完成较为复杂的 操作任务。智能机器人技术是一个交叉的学科，在计 算机技术和人工智能科学发展的基础上产生，作为新 一代生产和服务的技术，在制造和非制造领域都具有 广泛、重要的应用。 本文在前人文献的基础上详细研究了智能机器人 技术的研究意义，总结了现阶段的发展现状，分析了 面临的挑战以及未来的发展趋势。 1 智能机器人技术的研究意义及发展现状 1.1 研究意义 随着科学技术的不断发展，人类社会开始进入到 智能时代，社会的发展对智能技术也不断地提出了新 的需求，机器人技术由原来的工业机械手发展到现在 的智能机器人技术 1，技术的发展给人类的生产生活 带来新的变革。 智能机器人技术有着重要的理论意义和应用价值。 在理论上，机器人技术具有多学科融合和多技术集成 的特点，涉及众多学科领域的尖端技术，如平衡控制 设计、智能避障设计等，这造成了其复杂性，令智能 机器人感知技术、通信技术、机械结构的研究都是一 种挑战，促使特征提取算法、识别算法、路径规划算 法朝着智能化的方向发展，促进模式识别理论的发展； 另外，机器人是否实现智能化与机器人本身的结构也 有很大的关系，要使其能完全智能化地完成任务，除 了要有智能化算法还要有灵活的机构，因此智能机器 人技术的发展将极大地促进机械结构理论的发展，其 发展水平能够反映出一个国家或地区信息与自动化技 术的综合实力。 智能机器人技术在实际生活中有着具大的应用价 值。近年来各个行业的加速发展都对工业机器人提出 了新的要求，带动工业机器人不断向智能化发展，机 器人的智能化令工业领域效率提升的例子屡见不鲜。 例如，传统的高速传送机器人识别物体存在障碍，导 致实现自动化的进程比较缓慢。采用了视觉传感器和 跟踪系统组合起来的新型智能化传送机器人，具备了 视觉跟踪功能，能够进一步提高机器人的传送效率。 智能机器人技术除了在工业领域有广泛的应用外， 在医疗和家庭服务行业也有着广泛的应用和新的需求。 老龄化社会和残疾人服务对智能服务机器人有极大的 市场需求。目前我国 60 岁以上人口已超过总人口的 10%，预计到 2015 年全国老年人口总数将达到 2 亿人， 人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑 战；此外，我国残疾人占总人口的比重位居全世界较 高国家之列。而智能机器人的发展将会提供诸如取物、 康复训练等服务，将减少整个社会对护理人员数量和 质量的需求。如今，达芬奇医疗机器人已经实现了临 床上的应用，给患者带来了福音，也帮助医生提高了 手术的效率和质量。智能机器人技术的发展为医疗事 业的发展和变革带来了新的希望。 与此同时，特种探险救灾智能机器人也给人类带 来了巨大的帮助，以前特殊环境下或及其危险的环境 下，人类是无法进行了解或救灾的，现在随着智能机 器人技术的发展，去这种特殊环境下作业成为了可能， 为人类探索未知领域打开了一扇窗。多机器人系统的 智能化研究将有助于实现机器人群真正实现群体间自 主协调工作，实现机器人群自主大规模侦察巡逻、抢 险救灾和复杂场景的服务等任务。而且机器人可以代 替人们在有辐射、粉尘、毒气、高温等极限、危险、 特殊环境下进行作业 2。 我国在校学生人数众多，教育事业对教育机器人 的需求将形成一个巨大的市场。在提倡素质教育、通 识教育、研究型大学模式的今天，这种寓教于乐的新 型教育模式已成为青少年高科技教育的有效手段和工 具。同时，我国是世界玩具生产大国，产量已占全球 智能机器人技术研究进展 张乃风 张志先 陶伟谦 （东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳，110004） 摘 要： 智能机器人技术是现代研究领域较为活跃的一个发展方向，其涉及柔性加工系统、计算机集成制造系统、柔性 自动化和自动工厂等领域，是 21 世纪最先进的技术之一。本文在已有相关工作的基础上，分析了智能机器人 技术的发展现状、面临的挑战以及未来的发展趋势。 关键词：机器人，智能化 机器人技术与应用 2012.6 10 综述Review 市场的 3/4，但由于技术水平方面的原因，目前我国玩 具出口主要以加工贸易为主，自主开发的玩具技术含 量低。因此，教育娱乐机器人的发展将为玩具生产厂 家开辟一个创新源头，为高档玩具开辟一个新的方向。 1.2 发展现状 机器人技术的发展经历了三个阶段，从最开始的 示教再现机器人到第二代的有感觉的机器人，一直到 现在的智能机器人，共经历了 40 多年的时间。智能机 器人带有多种传感器，能将多种传感器得到的信息进 行融合， 有效地适应环境的变化， 具有自主学习的能力。 智能机器人涉及很多关键技术，近年来多传感器信息 耦合技术、导航和定位技术、路径规划技术、机器人 视觉技术及人机接口技术的发展都带动了智能机器人 技术的发展。 在各国智能机器人技术的发展中，美国在国际上 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、汽车工业中广泛应用。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。 日本由于一系列扶植政策， 各类机器人发展迅速。 政府巨大资助给其带来了硬件优势，促进了智能机器 人技术的发展。同时，日本分析了机器人的发展趋势， 其机器人技术下一步发展重点确定为家用机器人，走 进人们日常生活的仿人机器人将是机器人开发的方向。 例如， 在日本的工厂里， 生产线机器人已经被广泛运用； 餐馆里，机器人可以做寿司；农田里，机器人可种植 水稻并负责看管稻田；在大公司里，有负责接待客人 并帮客人倒茶的机器人，还有负责清洁卫生的机器人； 在家庭中，有能够陪老人聊天、给老人喂饭的保姆机 器人机器人甚至有望进入日本人的宗教领域，科 学家正在设计可以主持神道教仪式的机器人。 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 3，全球约 1/3 的工业机器人 是由欧盟机器人制造商制造的。同时，欧盟委员会还 呼吁欧盟产业界加快机器人重要零部件在欧盟的研发 和生产速度，以便能有效应对来自亚洲的激烈竞争和 避免对世界其他地区的战略性依赖 4。根据欧盟委员 会 2008 年 6 月 10 日发表的一份新闻公报 , 到 2010 年， 欧盟对机器人研发的投资在2007年的基础上实现翻番， 即斥资 4 亿欧元来支持机器人的研发活动。 我国机器人技术起步并不晚，而且国家越来越重 视智能机器人技术的发展，政府投入力度增大，相关 科研机构和企事业单位在机器人的研发领域开展了大 量工作，形成了一批具有较 强科研实力的公司和院校， 如中科院沈阳自动化研究 所、沈阳新松机器人自动化 有限公司、清华大学、哈尔 滨工业大学、北京航空航天 大学、东北大学等。各高校 和研究所已经形成区域优 势，如清华大学设计了动态 步行双足机器人 THBIP-II。哈尔滨工程大学设计了双 足机器人 HEUBR_1，中科院沈阳自动化研究所等研制的 蛟龙号载人潜水机器人 7000 米级海试已经成功。这些 成绩的取得都推动了智能机器人技术的发展。 2 智能机器人技术存在的问题与挑战 目前在生产生活中应用的大部分是第二代机器人， 智能机器人技术还没有完全应用到生产生活中去。由 于其开发难度大、周期长、资金投入高，大部分研究 还处于理论研究阶段。智能机器人技术所涉及的关键 技术较多，任何一个技术存在缺陷都会阻碍智能机器 人技术的发展，因此智能机器人技术的发展还面临很 多挑战。 1） 智能机器人技术的研究比较分散， 未能形成合力。 目前国内外都大力开展智能机器人技术的研究，但是不 同机构交流和联合都较少，各家分散研究，这样在同种 技术研究方面就造成了财力、物力和时间等的浪费。 2）机器人产业链不够细化。由于智能机器人技术 是一个多交叉的学科，涉及的关键技术较多，同时种 类也较为丰富，这就造成了机器人在产业化的时候也 出现很多交叉，分工不明细，重复研究、重复生产的 现象较为严重，使得产业链不够完善、不够细化。 3）智能机器人技术研究中产学研脱节现象严重。 虽然随着时代以及技术的发展，部分高校或研究机构 已经和企业逐步实现了联合，但是依然处于起步阶段， 没有真正将理论与实践相结合，将理论研究产品化， 没有走出一条产学研相结合的道路。因此，很多研究 没有用武之地，无法和实际结合，而很多企业又缺乏 图 1 地面清扫机器人 图 2 双足机器人 THBIP-II Rebot Technique and Application 2012.6 11 综述Review 高水平的研究人才，无法创新、进步。 4）在智能机器人技术研究的过程中过度的追求高 指标、高性能。智能机器人技术发展才刚刚起步，其 中有很多待解决的问题，一个细节考虑不周就有可能 造成重大的损失，但过多追求高指标、高性能往往阻 碍了机器人真正发展的道路，失去了细致分析问题解 决问题的机会。 5）创新能力不足，制约了机器人市场的开拓。在 机器人研究的过程中，拿来主义现象较为严重，没有 创新意识，缺乏自己的独创品牌，照搬走老路的现象 较为严重，要想机器人事业得到突飞猛进的发展就需 要不断地开拓创新，满足市场的需求，进一步促进智 能机器人产业的发展，形成良性循环。 3 智能机器人技术未来的发展趋势 智能机器人技术是未来技术发展的制高点，是未 来新兴产业的支撑点，是未来战争的主力军，是未来 社会服务的最佳帮手。智能机器人技术有着非常广阔 的应用前景，未来将朝着以下几个方面发展： 1）发展智能机器人产业集群 5。面向新兴制造业， 深入研究分析产学研用之道，提高集成技术，使智能 机器人发展真正做到产业化，系统集成化，实现资源 优势互补。 2）关键功能部件和核心技术的发展。探索新的高 强度轻质材料，专门研究关键部件，从细节解决问题， 掌握核心技术，注重多传感系统和控制技术的发展， 研究机器人控制器的标准化和网络化；研究基于智能 材料和仿生原理的高功率密度驱动器技术；研究仿生 感知、控制机制、生物神经系统理论与方法 6；将机 器人机构向着模块化、可重构方向发展。 3）更灵巧、更智能、更安全。机器人机构越来越 灵巧，控制系统越来越小，智能越来越高，并朝着一 体化方向发展；为使智能机器人真正走向应用，为人 类服务，机器人使用的安全性必将越来越好。 4）更好更自然的交互方式。人机交互的需求越来 越向简单化、多样化、智能化、人性化方向发展 , 因 此需要研究并设计各种智能人机接口如多语种语音、 自然语言理解、图像、手写字识别等 , 以更好地适应 不同的用户和不同的应用任务，提高人与机器人交互 的和谐性。 5）多机器人协作。就现在看来，很多作业仅凭单 机器人的能力是无法完成的，在复杂未知环境下实现群 体决策和操作是未来智能机器人技术研究的主要方向。 总之，我国智能机器人技术虽然得到了长足的发 展，但还落后于世界先进水平。而智能机器人技术是 高尖端技术的体现，具有较大的应用需求，具有较好 的应用前景。为此，我们要认清形势，明确发展目标， 努力缩小与世界先进水平的差距，让我国在成为制造 业大国的同时也成为制造强国，早日让智能机器人全 面为社会的发展服务。 图 3 蛟龙号潜水机器人 参考文献 1 白云飞 . 机器人发展关键问题研究 J. 机械工程与自动化 ,2011,5:155-156. 2 肖斌 , 贾剑平 . 探讨未来机器人的发展方向和应用 J . 科技致富向导，2011,20:21-22. 3 朱力 . 目前各国机器人发展情况 J . 中国青年科技 ,2003,11:38-39. 4 恽为民 . 中国机器人发展之我见 J . 读者之声 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The Progress of Intelligent Robot Technology Research Zhang Naifeng,Zhang Zhixian,Tao Weiqian （College of Information Science and Engineering,Northeastern University,Shenyang,Liaoning,110004,China） Abstract: Intelligent robot technology is a relatively active development direction in modern technology. It related to flexible manufacturing system,comput