2022年智能机器人 .pdf

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1、智能机器人简述摘要：机器人是一种自动化的机器， 所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 本文主要介绍了机器人的发展阶段，重点阐述了智能机器人关键技术的发展现状及其不同领域的应用现状，介绍有关机器人的科学技术。总结智能机器人发展中存在的问题，提出该领域进一步的工作思想。【关键词】 : 智能机器人；传感技术；智能控制；人机接口1. 引言机器人（ Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序， 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作

2、，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。他可以说是高级证和控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。正因如此，正能机器人的发展水平在一定程度上体现了该国家的机械电子水平，所以自上个世纪60 年代以来各国家纷纷加大智能机器人的发展。半个世纪以来，机器人主要经历了三个发展阶段：第一代称为示教再现型机器人。 该种机器人没有装备任何传感器，对环境无感知能力，智能按照人类编写的固化程序工作。世界上第一台机器人即属此类。此类机器人更偏重于机器，而“人”没有体现出来，更谈不上智能。第二代称为感觉型机器人。 此种机器人拥有简单的传感器， 可以感知外

3、部参数变化， 有部分适应外部环境的能力。 即可以根据外部环境的不同改变工作内容。传感器就像是机器人的神经末梢，通过传感器感知周围的变化， 通过程序进行分析，从而做出应答，大大推进了机器人的先进性。随着机器人应用领域的不断扩大，人类对机器人的期望也变得更高。有时，机器人所处的环境是十分复杂、 未知的，设计者不可能考虑到所有的情况并编程控制机器人。 因此，一种具有智能的第三代机器人应运而生。这种智能机器人可以认识周围环境和自身状态， 并能进行分析和判断， 然后采取相应的策略完成任务。目前这种机器人大部分还是用于军事领域。还有的人认为有第四代机器人，该种机器人主要是指2000 年以后出现的，名师资料

4、总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拥有人类感情，能够独立思维的机器人，目前尚处起步和研发阶段。2. 机器人的结构组成及工作原理机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。执行机构即机器人本体， 其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后， 对执行机构进行

5、调整， 以保证机器人的动作符合预定的要求。控制系统有两种方式。 一种是集中式控制， 即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制。如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时， 主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 CPU ，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。3. 国内外在该领域的关键技术和发展现状机器人的关键技术主要包括传感器技术、智能控制技术、 路径规划和导航技术、人机接口技术。3.1 智能机器人的传感技术为了检测作业对象及环境或机器人

6、与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况， 使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品， 有些方面还在探索之中， 随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。机器人与一般机械的一个主要区别即是机器人能够感知系统内外环境参数的变化，这就要求有小型、廉价、可靠性高的传感器作为技术支持。传感器可以分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用来感知机器人的内部状态，如角度传感器、速度传感器、加速度传感器等。外部传感器则包括视觉传感器、触觉传感器

7、、力传感器、接近觉传感器、平衡传感器等。其中外部传感器的原理和设计更加复杂、困难。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。外部传感器： 用来检测机器人所处环境 （如是什么物体， 离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感

8、器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。其中听觉传感器使用相当广泛，近几年比较侧重发展，识别语音对于机器人的智能化相当重要。第一种是特定人的语音识别系统。 特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进行匹配。 它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有限的几句话。 特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。第二种是非特定人的语音识别系统。非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统，单词识别系统，及数字音（09）识别系统。非特定人的语音识别方法则需要对一组有代表

9、性的人的语音进行训练，找出同一词音的共性， 这种训练往往是开放式的， 能对系统进行不断的修正。 在系统工作时， 将接收到的声音信号用同样的办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。 看它与哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。3.2 智能控制技术智能控制是具有智能信息处理和智能信息反馈以及智能控制决策的控制方式。体现于多个方面。如路径跟踪、管道检测、语音识别等。早期机器人完成的任务比较简单，对动态特性要求不高。近几年，智能控制有着飞速发展，模糊控制理论和人工神经网络理论以及两者的融合都大大提高了机器人的速度和精度。主要应用如多关节机器人跟踪控制、月球机器人控制、 除草机器人控制、 烹饪机

10、器人控制等。智能控制的特点如下：（1）智能控制通常是一个混合控制的过程，建立在非数学和数学模型基础上的控制过程。 （2）智能控制的核心是对高水平实际、过程环境的管理、决策、规划和控制。 （3）智能控制是利用人工智能、系统理论、专名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 家经验、信息获取、神经网络、模式识别、机器人、推理、空间技术、计算机科学等技术区协调解决复杂过程控制问题。 （4）智能控制是最新发展研究的领域，并任然在不断

11、发展之中， 是目前解决复杂过程控制问题的最好手段。随着机器人技术的发展，高度非线性的控制要求以及环境的未知因素和不确定因素使得原有的控制系统性能下降，不能满足要求。但是智能控制方法本身也有着自身的局限性。例如机器人模糊控制中的库容量如果很庞大，时间就会过长；如果库的内容简单，则精确性要受到限制。这些都是需要解决的问题。 模糊逻辑控制简称模糊控制，是智能控制较早的形式， 从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统的一种控制方式，不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。神经网络控制的研究 20 世纪 60 年代,并在 20 世纪 80 年代得到了快速的发展 . 近

12、几年来 ,神经网络研究的目标是复杂的非线性系统的识别和控制等方面,神经网络在控制应用上具有以下特点 :能够充分逼近任意复杂的非线性系统;能够学习与适应不确定系统的动态特性 ;有很强的鲁棒性和容错性等. 因此,神经网络对机器人控制具有很大的吸引力 . 在机器人的神经网络动力学控制方法中,典型的是计算力矩控制和分解运动加速度控制,前者在关节空间闭环 ,后者在直角坐标空间闭环. 在基于模型计算力矩控制结构中,关键是逆运动学计算 ,为实现实时计算和避免参数不确定性 ,可通过神经网络来实现输入输出的非线性关系. 对多自由度的机器人手臂,输入参数多 ,学习时间长 ,为了减少训练数据样本的个数,可将整个系统

13、分解为多个子系统 ,分别对每个子系统进行学习,这样就会减少网络的训练时间,可实现实时控制 . 3.3 路径规划与导航技术路径规划技术是机器人研究领域的一个重要分支。所谓机器人的最优路径规划问题，就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等 )，在其工作空间中找到一条从起始状态到目标状态的能避开障碍物的最优路径。根据控制方法的不同，机器人路径规划方法大致可以分为两类:传统方法和智能方法。 移动机器人的路径规划是移动机器人研究领域中非常重要的问题，总的控制目标是使移动机器人运动到目标点，总的约束是在整个过程中，机器人不碰到任何一个障碍物。 该问题根据对环境信息的掌握程度

14、可以分为两类:名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 一类是环境信息己知的全局规划，另一类是环境信息未知的局部规划。全局规划方法依照已获取的环境信息， 给机器人规划出一条路径。 规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。 全局方法通常可以寻找最优解， 但是需要预先知道环境的准确信息， 并且计算量很大。 局部规划方法侧重于考虑机器人当前的局部环境信息， 让机器人具有良好的避碰能力。 很多机器人导航方法通常是局部的方法

15、，因为它的信息获取仅仅依靠传感器系统获取的信息，并且随着环境的变化实时的发生变化。和全局规划方法相比较， 局部规划方法更具有实时性和实用性。缺陷是仅仅依靠局部信息， 有时会产生局部极点， 无法保证机器人能顺利到达目的地。导航与定位是移动机器人研究的两个重要问题。根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，移动机器人的导航方式可分为:基于环境信息的地图模型匹配导航;基于路标导航 ;基于视觉导航 ;基于传感器导航等。环境地图模型匹配导航是在机器人内部存储关于环境的完整信息，并在预先规划出的一条全局路线的基础上，采用路径跟踪和避障技术，实现机器人导航;当机器人对周围环境并不完全了

16、解时，则可采用基于路标的导航策略， 也就是将环境中具有明显特征的景物存储在机器人内部，机器人通过对路标的探测来确定自己的位置， 并将全局路线分解成路标与路标之间的片断，再通过一连串的路标探测和路标制导来完成导航任务;在环境信息完全未知的情况下，可通过传感器对周围环境的探测来实现机器人导航。作为移动机器人导航的最基本环节，定位是确定机器人在工作环境中相对于全局坐标的位姿。定位方法根据机器人工作环境复杂性、配备传感器的种类和数量等不同有多种方法。主要方法有 :惯性定位、路标定位和声音定位等。 惯性定位是在移动机器人的车轮上装有惯性传感器，通过对车轮转动的记录来粗略地确定位置和姿态，该方法简单，但缺

17、点是存在累积误差;路标定位是在移动机器人工作的环境里，人为地设置一些坐标己知的路标，通过对路标的探测来确定自身的位姿，它可获得较高的计算精度且计算量小;声音定位用于物体超出视野之外或光线很暗时，视觉导航和定位失效的情况下， 基于声音的无方向性和时间分辨率高等优点，采用最大似然法、时空梯度法和MUSIC法等方法实现机器人的定位。3.4 人机接口技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 人机接口技术也是机器人领域研究的重点

18、。人机接口技术是人和机器人进行数据、 信息交换的关键技术。 一个好的人机接口可以使得机器人的操控更加简单、方便、人性化。此项概念从计算机的诞生时即产生。早期的人机接口比较单一。包括第一代的键盘和字符显示界面、第二代的鼠标和图形显示界面。 这些现已被广泛运用。对于智能机器人，人机接口技术被称为人机智能接口技术(HCII) 。主要研究方向包括文字识别、 语音识别、语音合成、人脸识别、视线跟踪技术等等。其形式趋于多样化、 功能更加人性化。 前沿的研究成果如： 研究视觉跟踪技术并应用的眼控鼠标、智能人脸动画合成技术等。4. 智能机器人在不同领域的应用和现状早期智能机器人主要用于工业和军事领域，大多数是

19、机械手和机器臂。 如今，智能机器人的应用已经深入各行各业，在军事、制造业、医疗、服务等方面有广泛应用。军用机器人：近年来，多数欧美国家都在积极研制军用智能机器人。例如，法国的空陆攻击盾牌 (BOA) 的未来 30 年规划旨在重点开发和研究轻型装甲车和作战无人机。无人飞行器、水下无人潜艇、太空武器等智能机器人得到广泛应用。军用机器人的特点是能够实现自主控制，完成侦察、 作战和后勤支援等任务， 能够自动跟踪地形和选择道路， 自动搜索、 识别和消灭敌方目标。 例如在北约联合部队在波黑的扫雷行动中，豹式扫雷车在2 天之内扫除了 71 颗杀伤地雷。该机器人在 6 小时内的扫雷面积相当于30 个有经验的工

20、兵同期内扫雷面积的1520倍。其优点在于能够保证人员安全、有着很高的精度并具有很高智能，能够适应各种战场环境。另外，微型军用机器人也成为MEMS 技术军事应用的一个重要发展方向。因其有体积小，易隐蔽的特点，具有很强的战略意义。工业机器人： 如今绝大多数工业机器人停留在第二代机器人的发展水平。其主要原因是工业生产具有模式化、单一化特点，不确定因素少，环境变化少。并不需要强大的对环境变化的决策能力。第二代机器人已经能够满足大部分工业生产的需要。其缺点是一种机器人通常智能完成少数几种任务。如焊接、装配、切割、搬运等。因此，工业机器人的发展趋势是向功能多样化的方向发展。这就要求智能机器人能够理解作业任

21、务和行动目标，并且获得环境信息， 决策出达到目标的最优行动方案。 但是，目前机器人做到完全自主还是十分困难的，因为有许名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 多相关技术还达不到完全智能。医疗机器人： 在生活服务方面， 医用机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一。其具有能完成复杂任务、精度高、创伤小、工作强度低、可靠性好的特点， 因而受到广泛关注。 医疗机器人的主要有微创外科手术机器人、康复医疗机器人

22、和医院服务机器人。其中微创外科手术机器人涉及的手术机器人机构、 医学三维图像建模、 虚拟手术仿真等关键技术。 目前仍需通过医生的操控进行手术、 成像。具有智能的能够自发诊断治疗的机器人也在研制当中。瑞典科学家研制的一种由多层聚合物和黄金制成的微型机器人，只有 0.5mm长，0.25mm 宽，外形类似人的手臂，其肘部和腕部很灵活。这种微型机器人能拿起肉眼看不见的玻璃球， 并能移动单个细胞或捕捉细菌。 科学家希望这种微型医用机器人能在血液、 尿液和细胞介质中工作， 捕捉和移动单个细胞， 并成为微型手术器械。康复医疗机器人和医院服务机器人则可以实现部分智能化。例如。意大利的 TGR S.R.L公司开

23、发了一种结合轮椅与小车结构的智能轮椅，它不仅能在规则的地上行走， 还可以上下楼梯。 美国运输协会研制的 “helpmate” 机器人，可以 24 小时在医院完成运送食物和药品的工作。目前，对医用机器人安全性的高要求以及一些心理和非技术因素限制了医疗机器人的发展。即使这样，各种新型的医用机器人机构、图像采集处理技术、远程控制技术等仍是研究的热点。服务型机器人： 服务型机器人是一种为人类提供特定服务的机器人，一般具有良好的人机交互特性。 最主要的研究方面是公共场合的导引服务机器人以及不针对特殊任务的多功能家用机器人。清华大学精密仪器与机械学系的 “校园导游机器人创新实验计划” 所研究的即是一种服务

24、型机器人。它能够实现在校园内自由移动，并提供实时语音解说。 日本本田公司则着重设计家用机器人。为了实现更好的人机交互性能， 本田公司将自行设计的家用机器人定位为一种仿人机器人。即是外观和人类似具有移动能力、感知能力、操作能力、学习能力、自治能力、联想记忆、情感交流的智能机器人。 本田公司的机器人ASIMO能够流畅地行走、奔跑、上下楼梯、 搬运饮料并和人类进行简单的对话。它代表了这类机器人的最高水平。其他机器人： 智能机器人除了在上述领域有很广泛的运用以外，在娱乐领域也有着应用。如，机器人玩具、机器人宠物、会拉琴和跳舞的机器人等。早稻田名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

25、 - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 大学的 Ichiro 和 Atsuo takanishi 教授已经研制成功了一种可以弹奏不同乐器的机器人25。每年一度的机器人世界杯足球锦标赛(RoboCup) 广受关注。 Robocup的目的在于以一个确定的问题来推进人工智能和智能机器人技术的发展，其中涉及到机器人机构设计、机电一体化、图像处理、传感器信息融合、智能控制等多方面技术。综上所述，智能机器人因其强大的功能被运用于各个领域。几十年来，智能机器人技术的发展也取得了巨大的进步。可以

26、想见， 在未来若干年里， 智能机器人在生产、生活、科研领域将会发挥不可替代的作用。5. 总结目前投入生产的大部分是第二代机器人。因为第三代开发难度大，周期长，自己投入高， 大部分人员只注重于理论研究，真正的实用性较弱。 虽然国内外对第三代机器人、 第四代机器人的研究取得了很多成果，但是仍存在不足， 我认为可以从以下几方面加大开发力度：一、以计算机为基础发展智能控制。二、开发更好的交互方式，优化人机接口技术。三、加深传感器的开发革命。四、向多功能协作技术发展。五、向节能、小型化、轻型化方向发展。参考文献：1机器人学机器人传感技术张福学2原理学习指导与精选题型详解巩敦卫，孙晓燕3机器人发展简史机械工程师4智能机器人方建军；何广平5关于我国智能机器人发展的几点思考金周英 . 6多传感器信息融合技术浅析贺勇7基于模糊控制的 AIC机器人闫维新马文涛等8未知环境下基于模糊神经网络的机器人路径规划崔超曲伟建等9 智能机器人的研究王宇龙 熊继军 张文栋名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -