智能移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展論文

1、智能移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展摘 要本文論述了智能機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向，介紹了智能機(jī)器人研究的主要領(lǐng)域 及相關(guān)課題，包括感覺(jué)識(shí)別技術(shù)、操作移動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)等。對(duì)智能機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)的研 究現(xiàn)狀進(jìn)行了比較詳盡的論述，最后又對(duì)智能機(jī)器人整體發(fā)展研究動(dòng)向及預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞智能機(jī)器人 研究現(xiàn)狀 發(fā)展動(dòng)向引 言在工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世30多年后的今天，機(jī)器人已被人們看作是一種生產(chǎn)工具。在制 造、裝配及服務(wù)行業(yè)，機(jī)器人的應(yīng)用取得了明顯的進(jìn)步。由于傳感器、控制、驅(qū)動(dòng)及材料等 領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，通過(guò)智能機(jī)器人系統(tǒng)，首次在制造領(lǐng)域以外的服務(wù)行業(yè)，同時(shí)也開(kāi)辟了機(jī) 器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。智能機(jī)器人是具有思維、感知和行動(dòng)功智能機(jī)器人是

2、具有思維、感知和行動(dòng)功學(xué)、人工 智能，微電子學(xué)，光學(xué)，傳感技術(shù)、材料科學(xué)仿生學(xué)等學(xué)科的綜合成果。智能機(jī)器人可獲 取、處理和識(shí)別多種信息，建立并實(shí)時(shí)修正環(huán)境模型，自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)，因 此，比一般的工業(yè)機(jī)器人具有更大的靈活性、機(jī)動(dòng)性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。2O世紀(jì)電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，使人類的腦力勞動(dòng)自動(dòng)化成為可能，60年代智能機(jī)器人的 出現(xiàn)開(kāi)辟了智能生產(chǎn)自動(dòng)化的新紀(jì)元。機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，用機(jī)器人代替人完成各種 任務(wù)，這是人類智慧發(fā)展和機(jī)器進(jìn)化的飛躍。智能機(jī)器人作為新一代的生產(chǎn)工具，在制造領(lǐng) 域中應(yīng)用，能排腺人為的不可控因素，實(shí)現(xiàn)高節(jié)奏、高效和高質(zhì)量生產(chǎn)，并是未來(lái)智能生產(chǎn) 系統(tǒng)（如CIM

3、S）的重要組成部分。在非制造領(lǐng)域，如核工業(yè)、水下、空間，建筑、采掘，教災(zāi) 排險(xiǎn)和作戰(zhàn)等方面，可代替人完成人所不適或力所不及的各種工作，在原予能、水下和外層 空間可開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)和許多國(guó)家都把智能機(jī)器人列為迎接未來(lái)挑戰(zhàn)的高技術(shù)課題，并制訂發(fā)展 規(guī)劃，撥出巨款給予支持。因此，預(yù)計(jì)90年代，智能機(jī)器人技術(shù)將會(huì)有突破性的進(jìn)展。機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。智能移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè) 重要分支。早在60年代，就已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)于智能移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于智能移動(dòng)機(jī)器人 的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動(dòng)方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對(duì)于水下 機(jī)器人，則是推進(jìn)器。其次，必

4、須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三， 必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，對(duì)于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰 及環(huán)境映射。因此，智能移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行 等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論 與工程技術(shù)課題，引起越來(lái)越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、 掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使 得對(duì)它的研究在世界各國(guó)受到普遍關(guān)注。典型的智能機(jī)器人主要技術(shù)內(nèi)容包括五個(gè)方面感覺(jué)識(shí)別技術(shù) 1）視覺(jué)研究：如三維視覺(jué)系統(tǒng)、圖象傳感器，顏色

5、識(shí)別傳感器、特殊環(huán)境中用的傳感器、視覺(jué)通用實(shí)時(shí) 高速處理系統(tǒng)、狀況識(shí)別技術(shù)等。2）觸覺(jué)研究：如接觸覺(jué)、靈巧傳感器、6軸力傳感器、滑覺(jué)等；除此之外還有其它如距離覺(jué)，味覺(jué)，嗅 覺(jué)等。操作、移動(dòng)技術(shù)1）操作技術(shù)：如直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、多指手爪，操作器的作業(yè)坐標(biāo)控制，定標(biāo)，小型輕量化技 術(shù)、柔性操作器等。2）移動(dòng)技術(shù)：在樓梯移動(dòng)、惡劣道路上行走、省能，兩足步行等?？刂啤⑿畔⑻幚?、人工智能控制:協(xié)調(diào)控制，、多層遞階控制、遠(yuǎn)距離控制、高速高精度控制等；信息處理:如專家系統(tǒng)、知識(shí)工程應(yīng)用及智能處理等。人工智能:推理與學(xué)習(xí)、推理技術(shù)、問(wèn)題求解系統(tǒng)、規(guī)劃、學(xué)習(xí)控制等機(jī)器人語(yǔ)、動(dòng)作級(jí) 語(yǔ)言、對(duì)象級(jí)語(yǔ)言、作業(yè)級(jí)

6、語(yǔ)言等。移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式很多，有慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航，衛(wèi)星導(dǎo)航 等。它們都不同程度地適用于各種不同的環(huán)境，包括室內(nèi)和室外環(huán)境，結(jié)構(gòu)化環(huán)境與非結(jié)構(gòu) 化環(huán)境。1）慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航是一種最基本的導(dǎo)航方式。它利用機(jī)器人裝配的光電編碼器和陀螺儀，計(jì)算機(jī) 器人航程，從而推知機(jī)器人當(dāng)前的位置和下一步的目的地。顯而易見(jiàn)，隨著機(jī)器人航程的增 長(zhǎng)，定位的精度就會(huì)下降，而定位誤差將會(huì)無(wú)限制地增加。2）視覺(jué)導(dǎo)航由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論及算法的發(fā)展，視覺(jué)導(dǎo)航成為導(dǎo)航技術(shù)中的一個(gè)重要發(fā)展方向。通 常，機(jī)器人利用裝配的攝像機(jī)拍攝周圍環(huán)境的局部圖像，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)，如特征識(shí) 別、距

7、離估計(jì)等，進(jìn)行機(jī)器人定位及規(guī)劃下一步的動(dòng)作。3）基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航一般機(jī)器人都安裝了一些非視覺(jué)傳感器，如超聲傳感器、紅外傳感器、接觸傳感器等。 利用這些傳感器亦可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航。4）衛(wèi)星導(dǎo)航GPS全球定位系統(tǒng)是以距離作為基本的觀測(cè)量，通過(guò)對(duì)四顆GPS衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距離測(cè) 量計(jì)算出用戶（接收機(jī)）的位置。機(jī)器人通過(guò)安裝衛(wèi)星信號(hào)接收裝置，可以實(shí)現(xiàn)自身定位，無(wú) 論其在室內(nèi)還是在室外?；A(chǔ)技術(shù)研究現(xiàn)狀1）機(jī)器人語(yǔ)言現(xiàn)已研制的主要語(yǔ)言有表示狀態(tài)的面向裝配作業(yè)的語(yǔ)言（AL、VAL，F(xiàn)ABASIC、MAL等）， 以并行處為目的的結(jié)構(gòu)化程序語(yǔ)言有LEO, COL，APP等。另外，機(jī)器人話語(yǔ)生成系統(tǒng)，研 制具有

8、良好數(shù)學(xué)語(yǔ)義，邏輯關(guān)系以及能描述復(fù)雜的，不規(guī)則對(duì)象的有形式語(yǔ)言也是人機(jī)智 能交互的重要課題。2.末端操作器（臂、手及行走機(jī)構(gòu)）機(jī)器人的臂隨其用途而不同。目前研究的手臂看裝配集成電路的微型臂、搬運(yùn)幾百公斤 工作的大型臂。機(jī)器人的手有回轉(zhuǎn)開(kāi)、閉型，平行連桿機(jī)構(gòu)型、三指、五指等各種類型。行 走機(jī)構(gòu)有腿、輪、履帶、船等。實(shí)驗(yàn)研究的有兩足、六足、八足的行走機(jī)構(gòu)、仿生和蠕動(dòng)機(jī) 構(gòu)及爬墻爬樹(shù)等移動(dòng)機(jī)構(gòu)。3）運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，控制和算法的基礎(chǔ)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng) 力學(xué)問(wèn)題，對(duì)開(kāi)式鏈、剛體情況已基本解決，但對(duì)閉式鏈，彈性體情況還未解拱。4）控制機(jī)器人的控制主要包括操作器控制、

9、行走控制和多機(jī)器人系統(tǒng)控制等方面。多關(guān)節(jié)操作 器控制包括運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)控制，力及柔順控制、遙控機(jī)械手的主從控制等。運(yùn)動(dòng)學(xué)控制問(wèn) 題實(shí)質(zhì)上是由給出的笛卡爾坐標(biāo)中的點(diǎn)及路徑求出各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的變化，并進(jìn)行必要的修正。 動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題是針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)高速高精度軌跡控制提出來(lái)的。近年來(lái)有許多學(xué)者從事此項(xiàng)研究，目前，剮體模型的這問(wèn)題已基本解決。順應(yīng)控制是指 機(jī)械手與環(huán)境接觸后，在環(huán)境約束條件下的控制問(wèn)題，實(shí)際上是力與位置的混合控制。順應(yīng) 控制叉分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。遙控作業(yè)多數(shù)是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下進(jìn)行的，因此大多數(shù)采 用主從控制，現(xiàn)已研制出主從雙向位置控制、主從雙向位置、力伺服控制、主從力控制、計(jì) 算機(jī)輔助遙

10、控等方法。雙手協(xié)調(diào)控制中也采用了主從控崩，即選一手為主手，主手的運(yùn)動(dòng)軌 跡可以由示教或離線編程產(chǎn)生，而從手的運(yùn)動(dòng)軌跡在主手運(yùn)動(dòng)軌跡確定后，根據(jù)約束條件確 定。采用冗余自由度的操作器可增加靈活性，冗余自由度可用來(lái)回避障礙，回避機(jī)械手在執(zhí) 行任務(wù)過(guò)程中難以處理的退化問(wèn)題，增加可操作性能，因此冗余自由度操作器控制問(wèn)題也 有不少學(xué)者進(jìn)行研究，目前開(kāi)始轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)控制。另外行走機(jī)構(gòu)的控制、多機(jī)器人的協(xié)同控制等方面也有不少成果。目前機(jī)器人正向直接 用軟件進(jìn)行控制發(fā)展，90年代自動(dòng)化制造軟件市場(chǎng)將以2%的速度增長(zhǎng)，到1992年就將成 為15億美元的行業(yè)，其中機(jī)器人軟件占該數(shù)值的810%。智能移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展中存在

11、的問(wèn)題及解決途徑智能移動(dòng)機(jī)器人的研究雖然取得了令人矚目的成就，但在其發(fā)展過(guò)程中也面臨著許多問(wèn) 題，下面就存在的問(wèn)題作一些探討,并提出相應(yīng)的對(duì)策。1）自主式智能移動(dòng)機(jī)器人的自主性，是否意味著機(jī)器人必須適應(yīng)各種不同的環(huán)境，完成各種 不同的任務(wù)?這是一個(gè)需要明確的概念，否則我們的研究將會(huì)迷失方向。根據(jù)目前的人工智能 和計(jì)算機(jī)技術(shù)的水平,自主性只能是一定范圍環(huán)境中面向特定任務(wù)而言，而不可能有一種對(duì) 任何環(huán)境都具有良好適應(yīng)性的通用智能移動(dòng)機(jī)器人任何通用化的企圖必將導(dǎo)致失敗。2）就運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，智能移動(dòng)機(jī)器人有行走機(jī)器人、水下機(jī)器人、飛行機(jī)器人和輪式智能移 動(dòng)機(jī)器人。智能移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)直接影響到機(jī)器人運(yùn)

12、動(dòng)的穩(wěn)定性和控制器的復(fù)雜程度。目 前廣泛使用的輪式機(jī)構(gòu)由于其內(nèi)在缺陷，如存在最小轉(zhuǎn)彎半徑、與地面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)等降低 了機(jī)器人的靈活性,不適于在密集的環(huán)境（Cluttered environment）中運(yùn)行，嚴(yán)重阻礙了智能移動(dòng) 機(jī)器人的家庭化。為了提高智能移動(dòng)機(jī)器人的靈活性，并使控制簡(jiǎn)單化,需要全方位的運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)，使機(jī)器人能夠方便地前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。3）盡管智能移動(dòng)機(jī)器人能自主地感知、決策和行動(dòng)，但與人的行為相比，機(jī)器人的表現(xiàn)遠(yuǎn)不能 令人滿意。雖然兩者之間有信息感知與表示、存儲(chǔ)容量和計(jì)算能力等各方面的重大差異，但 在當(dāng)前的技術(shù)水平限制下，體系結(jié)構(gòu)是影響智能移動(dòng)機(jī)器人自主性的重要因素。隨著機(jī)器人

13、感知信息越來(lái)越豐富，密集知識(shí)的表示、存儲(chǔ)和利用都要求突破傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。新的體系 結(jié)構(gòu)必須將基于傳感器的反射行為和基于知識(shí)的有意識(shí)行為有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分利用存儲(chǔ)知 識(shí)和傳感信息。4）自主式智能移動(dòng)機(jī)器人的自主性是就機(jī)器與人的關(guān)系而言，希望機(jī)器更獨(dú)立于人。那么是 否表明人參與的越少就表明系統(tǒng)的智能越高?答案是否定的。人機(jī)交互的有無(wú)并不是評(píng)判系 統(tǒng)智能高低的標(biāo)準(zhǔn)，交互的水平才是智能的。人機(jī)交互由低到高有三個(gè)層次:通信、人機(jī)協(xié)調(diào) 與合作和人機(jī)集成。特別在作為智能移動(dòng)機(jī)器人主戰(zhàn)場(chǎng)的服務(wù)性行業(yè)中，機(jī)器與人的接觸會(huì) 更多，因此人機(jī)交互就顯得尤為重要。5）智能移動(dòng)機(jī)器人的可靠性和安全性是影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵

14、性能?？煽啃允侵赴l(fā)生故障的 可能性及故障后的自主恢復(fù)的能力，安全性是就機(jī)器人與周圍環(huán)境的關(guān)系而言即機(jī)器人和環(huán) 境相互之間不會(huì)造成危害。智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜性和運(yùn)動(dòng)靈活性的不斷提高，同時(shí) 也增加了引發(fā)故障的可能性。為此，一方面在設(shè)計(jì)時(shí)從體系結(jié)構(gòu)、信息處理等環(huán)節(jié)提高系統(tǒng) 的可靠性;另一方面提高其故障診斷、糾錯(cuò)和容錯(cuò)能力。6）智能移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)交叉的研究領(lǐng)域，涉及機(jī)械、控制、傳感器技術(shù)、信息信號(hào)處理、 模式識(shí)別、人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)學(xué)科。因此，智能移動(dòng)機(jī)器人的研究必須密切關(guān)注 相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，根據(jù)相關(guān)學(xué)科的當(dāng)前技術(shù)水平確定智能移動(dòng)機(jī)器人的研究方向。智能機(jī)器人整體研究動(dòng)向及預(yù)測(cè)自動(dòng)化的需

15、要推動(dòng)了機(jī)器人進(jìn)步，而機(jī)器人的發(fā)展提高了自動(dòng)化水平。為了解決工業(yè)、 原子能利用、空間探測(cè)，海洋開(kāi)發(fā)、排險(xiǎn)，醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域自動(dòng)化需要而研制有特定應(yīng) 用背景的智能機(jī)器人，基本上沿兩條道路發(fā)展:一是在一般工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上，增加各種高 性能傳感器和知識(shí)庫(kù)，使之具感知能力和動(dòng)作規(guī)劃能力;二是在遙控操作器基礎(chǔ)上增加移動(dòng) 能力、環(huán)境感知能力、自診斷自學(xué)習(xí)力及自主能力。其中包括知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)。由于研究 目的性明確，針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)際需要迫切，制造單位與應(yīng)用單位結(jié)合，資金和人力集中使用， 因此成果顯著見(jiàn)效快。目前應(yīng)用研究主要集中在精密裝配機(jī)器人、水下機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人 等方面。另外，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的智能機(jī)

16、器人也引起了人們的重視?？v觀智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展、發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展方向,智能移 動(dòng)機(jī)器人具有以下發(fā)展趨勢(shì)：1）機(jī)器人本體將向靈活性和微型化方向發(fā)展 這是由于機(jī)器人應(yīng)用面向家庭和服務(wù)性行業(yè)， 需要適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境。2）高速性室內(nèi)機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有特別要求，而室外機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)可以提高它們的工作 效率。高速性對(duì)定位精度和控制都提出了更高的要求。3）友好的人機(jī)交互為了使機(jī)器人能夠更好地為人類服務(wù),人們需要一個(gè)暢通的渠道與機(jī)器進(jìn) 行溝通，這就需要友善的人機(jī)接口。當(dāng)前蓬勃發(fā)展的計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)為此提供了支持。4）安全性能好智能移動(dòng)機(jī)器人是為人類服務(wù)的，因此至少不應(yīng)該給人類帶來(lái)危害。為使智能 移動(dòng)機(jī)器人真正走向應(yīng)用，必須遵守Issac Asimov提出的著名的機(jī)器人三戒律，即第一，機(jī)器 人不可傷害人或眼看人將要遇害時(shí)而袖手旁觀;第二，機(jī)器人必須服從人給它的指令,除非這 種命令與第一條戒律相抵觸;第三，機(jī)器人必須保護(hù)自身的存在，除非這種保護(hù)與第一、第二條 戒律相抵觸。5）產(chǎn)業(yè)化脫離實(shí)際的理論不會(huì)具有深遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿Γ仓挥心芙o社會(huì)帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益的技 術(shù)才會(huì)得到社會(huì)的扶植,吸引研究者的注意力。而產(chǎn)業(yè)化是理論聯(lián)系實(shí)際的紐帶，是科學(xué)技術(shù) 轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的重要途徑，因此產(chǎn)業(yè)化也是智能移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的必由之路。