| 出版日期：2001-03-05 总期号：999 本年期号：14 |
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机器人:走出幻想 迈进实现
张红芬 机器人学涉及哪些学科？ 机器人学主要涉及控制论、仿生机构学和人工智能三大基础学科。 1. 人工智能 人工智能的研究，采用计算机科学的观点和方法，撇开人脑的细微结构，单纯进行人脑宏观功能的模拟。人工智能是在20世纪50年代后半期，即电子计算机的发展已具备进行各种复杂工作能力时形成的。它是计算机科学的一个重要分支，就是研究将人类的智能，如自适应、学习、探索等能力引入控制系统，使其具有识别、决策等功能，从而构成比较完善的控制系统。智能机器人通过采用人工智能技术，具有感知和理解周围环境，使用语言和推理，规划和操纵工具的技能，并且能通过学习适应环境，模仿人完成某些动作。 2. 电子技术 电子技术的进步，特别是微处理器、存储器及大规模集成电路的发展，使得机器人的控制能力提高，而体积减小。另外，大容量晶体管、栅控闸流晶体管、场效应管等电子元件的开发，促进了机器人伺服驱动技术的发展。 3.传感技术 这是涉及很多学科领域的技术。机器人有视觉、听觉和触觉等感觉，相应传感技术包括视觉系统的模式识别技术，环境的情景分析、三维位置测量技术；和皮肤的感觉，如触觉、压觉等力的感觉；其他还有语音识别和自然语言理解等。 4.机械技术 机器人的手和足要能像人一样灵活动作，必须要有精密灵巧的机械传动装置。小型、高强度机械装置的研制，对机器人手、足机构的改进起到很大的推动作用。 5.仿生机构技术 机器人作为一种拟人的自动机械装置，就应该像人一样有手脚，而且应该实现像人或动物一样以步行方式行走。因此，必须进行行走步态、重心转移、移动导向、稳定步行等仿生问题的研究。 机器人还涉及到其他领域，如材料科学、心理学等其他学科。总之，机器人学是一门综合性的学科，它的发展和进步与其他相关学科的发展密切相关。 机器人的发展阶段 根据机器人技术的发展水平，可以将机器人分为以下三个发展阶段： 1.第一代机器人 
这个高1.4米、重20公斤的“新生儿”，是我国的第一台类人型机器人，国防科技大学的这一成果标志着我国机器人技术已跻身国际先进行列。 简单可编程机器人，也叫示教再现型机器人。最大特点是能根据人们交给它的动作顺序、运动路径等工作内容重复操作。如要更改作业内容，只需重新示教编程。目前工业上使用的机器人绝大多数属于此种。它只能担负人类很少部分的工作，其操作部分主要是模拟人的上肢动作，其控制装置只起到指挥操作器动作的作用，没有感觉，不会思考，更不能识别外界环境。 2.第二代机器人 低级智能机器人，或称为感觉机器人。第一代机器人只能固定地完成人给它的任务，尽管外界环境发生了变化，它还是按照原来的程序完成工作，不能作出相应的变动，因此常常会造成工作出错、产品报废，更为严重的是引起人身伤亡事故。而感觉机器人具有一定的感觉装置，能获取外界作业环境及操作对象的简单信息，并进行处理、分析和判断，根据这种判断来改变自身的行动。具有一定的自适应能力，因此人们也叫它“自适应机器人”。 3.第三代机器人 高级智能机器人。它不仅具有类似人的各种感觉的传感系统，如听觉、视觉、触觉、嗅觉等，通过这些传感器，能对周围的事物和环境有三维立体的识别能力；而且它自身的操作系统，能够控制机器人的手、脚等肢体完成人给它的动作指令；并且，智能机器人更具智能性，可进行更复杂的逻辑思维、判定与决策，能在作业环境中独立工作。这类机器人目前尚处于实验室研究、探索阶段，有大量复杂的技术难题尚待解决。 庞大的机器人家族 工业机器人 在工业生产中，采用机器人可以节省人力，提高劳动生产率。不论是简单工作还是复杂工作，哪怕重复千万次，机器人的工作仍然一样精细，并且很少犯错误，因此有利于提高产品质量、降低成本。在工业生产前线有各种各样的工业机器人，如焊接机器人、喷涂机器人、装配机器人、移动式搬运机器人以及与数控机床等组合的机器人等。 太空机器人 宇宙空间是一个神秘的未知世界，人类充满了好奇，科学技术的发展使得人类探索宇宙成为可能。由于太空环境复杂多变，条件恶劣，靠宇航员完成一些特殊任务既不现实也带有很大的危险性，在这样的情况下，空间机器人可发挥其作用。1993年12月，美国宇航员对空间机器人进行遥控操作，成功地完成了将哈勃太空望远镜上损坏的“模块”用备件进行替代的任务。 水下机器人 
这是本田公司准备今年四月起，在日本国内开始出租机器人计划的主角——双脚步行机器人“Asimo”。图为“Asimo”机器人与人互致问候。 海洋蕴藏着巨大的资源和财富，但由于潜水作业受无氧、压力、温度、视觉等因素的限制，使人无法完成深海的潜水作业，而水下机器人可承担起这个重任，成为海洋作业的主角。水下机器人分为有缆自航式、无缆自航式、海底行走式以及曳航式等。由于无缆不受潮流和水深的影响，运动易于控制，因此无缆自航式机器人成为各国研究开发的目标。我国自行研制的6000米无缆水下机器人有较高的智能和自主能力，是目前世界上最先进的水下机器人之一。 军用机器人 现代军事装备的发展与先进的科学技术发展息息相关。各种军事机器人在未来战争中占有重要的地位。军用机器人有侦察机器人、作战机器人、支援机器人和扫雷机器人等。 美国研制的“罗伯特”突击扫雷机器人，主要用于搜索、清除敌人作战前沿的地雷。这种机器人车前装有辊轮式扫雷器，可在探测到地雷时予以排除，也可在探测到感应式地雷后进行远距离引爆。 日用生活机器人 机器人在日常生活中能给人类提供很多帮助，有很多的应用场合。如自行式吸尘机器人可以清扫地板；而具有避障功能的礼仪、导购机器人，则可以为人带路等。 医用机器人 机器人以其操作灵活、运动精度高等特点，逐渐进入到复杂而精确性要求高的外科手术中。我国第一个用于脑外科手术的医用机器人系统，已成功地为72位患者施行手术，成功率达100%。 
日本“宝制造所”公司的“梦想神力01”，通过手机可以遥控该机器人为客人斟酒。 医生用鼠标操纵着电脑，指挥着机器人对人脑施行手术。程序为：首先是定靶，把病人的CT图像通过扫描仪输入计算机，屏幕上显示出患者病灶的三维图像；然后定标，医生在计算机上模拟操作，锁定病灶，制定手术方案，设定手术空间，实现与机器人模拟空间吻合；最后实施手术，计算机“指挥”着机器人的智能机械臂搜索目标，对准靶点——脑部肿瘤，智能机械臂将穿刺针扎入病人颅内，直达病灶。医生用注射器抽出囊液，或者注入治疗所需药液，手术即告完成。 现代机器人学研究热点——临场感 “临场感”(日本称Tele-existence，美国称Tele-presence)是80年代随遥控作业的需要而提出的与交互技术密切相关的新概念。 日本Tachi认为,Tele-existence的目的是通过向操作人员提供实时的现场感觉，熟练有效地遥控机器人。使操作人员具有亲临远处机器人所处的环境时的各种感觉，灵巧地执行作业。目前由他们已构成的实验系统进行验证，认为临场感系统的最终形式将由以下几部分组成：智能机器人及其监控系统；“遥在”(Remote-presence)子系统和一增强传感子系统(使操作人员可利用机器人超声、红外及其它非视觉传感信息，以及计算机生成似真实的现场感觉)。“遥在”子系统必须实现真实的视、听、触觉等显示。 美国Sheridan认为，Tele-presence是这样一种概念：来自遥控操作器的传感信息(定性和定量的)是操作者处于遥控操作器所在地实际能感觉的那样。 虽然他们各自以不同的语言提出临场感的概念，基本点却是相同的：由远处的机器人或操作器感知环境信息，再实时地传递给不在现场的操作者。 
索尼的机器人“SDR-3X”每分钟可以行进15米，并可随时转向，它还可以完成起立、单腿站立、踢球、跳舞等动作，另外还具有声音识别和图像识别功能。 临场感技术，指不在现场的操作人员可实时感受远处机器人或操作器所感知的环境信息(视觉、触觉、力觉等)，并熟练有效地遥控机器人的交互技术。临场感技术中的两个交互，包括机器人与非确定性环境的交互和机器人与人的交互。机器人与人的交互的意义在于，可由人实现机器人在非确定环境中难以做到的规划和决策，而机器人则可在人所不能到达的环境中，如核环境、空间、炸药、海底、制药等进行灵巧作业。机器人与非确定环境的交互，是机器人对环境感知的问题。由传感器采集环境信息，再将环境信息传输给操作者，达到有效反馈和精确遥控的目的。没有机器人对环境的有效感知，即使有了人机交互界面也不可能发挥人在交互系统中的作用，不能做出正确的决策，也就达不到遥控的目的。 在临场感系统中，需要使机器理解人类的自然行为，并且将远距离环境转换成人类自然能力所能感知的形式。实现这些功能的装置被称为人机交互接口，它们包括视觉、声音、接触、嗅觉和味觉等接口通道。视觉通道将远距离环境的图形、图像信息转换成三维立体视觉信息，并显示给操作者。声音通道再现远距离环境的声音，并通过语音识别使计算机能够理解操作者的口头命令。人们对视觉和声音进行了大量研究，其技术已趋于成熟。嗅觉和味觉通道方面的研究目前刚刚提出设想，离实际应用还相差很远。 接触交互接口是一种使人类能够通过身体的直接接触和运动而感知并操作远距离环境的装置。与机器人视觉相比，触觉还处于起步阶段。 机器人临场感技术受到各发达国家的高度重视，美国的国家航空航天局NASA、美国先进防卫研究计划署DARPA、德国宇航研究院DLR、英国尖端机器人研究中心ARRC及日本等国都专门投资开展这方面的研究。 
图1 机器人角觉临场感系统示意图 鉴于交互式机器人系统是当今发展的主流，为了增强机器人与人的交互深度、机器人作业的准确与灵活性、及机器人在非确定性环境下的适应能力，研究作为一种主要的感知控制方式——基于传感手套的、具有触觉反馈的机器人临场感技术，具有十分重要的现实意义和广泛的应用前景。北京理工大学研制的机器人触觉临场感遥操作系统，是由传感手套、指形触觉传感器、触觉反馈手套等组成。传感手套在空间机器人触觉临场感遥操作系统中的应用，主要是将操作者手的动作及多指姿势信息解释成在太空作业的空间机器人手臂、手爪的执行指令，使机器人手臂、手爪完成与人手相同的姿势动作，完成由人参与的任务规划。同时，还可将配有触觉传感器的机器人手爪作业时所感受到的触觉、力觉信息通过主机反馈给戴传感手套及触觉反馈手套的操作者，增强操作者的临场感，使其犹如亲自在现场操作一样，利于操作者根据现场反馈信息作出下一步任务的精确规划，提高机器人在非确定环境下的抓取作业效率，从而实现临场感遥操作。图1所示为机器人触觉临场感遥操作系统。 机器人触觉临场感系统，是基于将指形触觉传感器，触觉反馈装置等设备集成在多指机器手系统，通过局域网通讯，配合传感手套系统，包括相应硬件、接口及控制软件联合实现对机器人的遥操作。接口控制及通讯网络是临场感系统中的一个重要组成部分，接口控制软件用于驱动传感手套、控制机器手运动、同时向触觉反馈装置提供反馈信号；人机交互软件主要向操作者提供远在现场的机器人的抓握、运动的情况，这些情况通过该软件呈现可视化触觉于屏幕上，使操作者手眼并用增强触觉临场感。而通讯网络是连接遥控子系统和现场能识别分类的遥控机器人子系统的桥梁。 实验证明，利用此项技术可遥控机器人完成三种和三种以上目标物的识别分类抓取工作，同时提供给操作者比较逼真的接触目标物的感觉。 机器人发展趋势 1.微型机器人 随着微机械和纳米技术研究的不断发展，微型机器人是未来机器人发展的重要方向之一。 微机械技术研究，主要集中在以半导体制造技术为基础的微电子机械系统上，利用微机械技术可以制造出能进入工业管道内检修微裂纹的微型管道机器人，利用微机械技术还制造出能装备红外摄像机或嗅觉传感器的小如蜻蜓的飞行器，用于侦察敌情；利用纳米技术可以制造在血管中游走的机器人，以便专门清除血管壁上沉积物，减少心血管疾病的发病率；利用纳米技术还可以制造能进入组织间隙专门清除癌细胞的机器人。目前微型机器人的研制还处于实验室或原理开发阶段，但是随着微机械和纳米技术“瓶颈”的突破，这些微型机器人必将成为现实。 2.智能机器人 尽管由于人工智能、传感技术、机构等技术发展的限制，使得全自主式智能机器人的发展目前难以成为现实，但是可以预见，不远的将来随着科学技术的进一步发展和突破，具有敏锐、准确感知能力，和学习推理、模糊识别和组织协调能力的功能强大的智能机器人,必将成为现实。 |
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