机器人、人工智能及实时系统：学科交叉带来的挑战

机器人——学科交叉带来的挑战

摘要：机器人是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合,它的发展和进步依赖于也促进相关技术的发展和进步。本文介绍了机器人的发展阶段,分析了智能机器人所体现的学科交叉及机电一体化的发展趋势。 关键词：机器人 智能 交叉学科 机电一体化

1、介绍

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经 历40余年的发展己取得长足的进步。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种 机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于 一体的综合系统。它集中了传感器技术、计算机技术、机械工程、电子工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷、搜捕、救援、辐射和空间领域等有害与危险场合都得到很好的应用。因此，机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。

2、机器人的发展

机器人大致经历了三个成长阶段[1]，也即三个时代：第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。

第一代机器人属于示教再现型，第二代则具备了感觉能力，第三代机器人是 智能机器人， 它不仅具备了感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并 具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。智能机器人在发 生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出发生故障部位，并能自我修复。今 天，智能机器人的应用范围大大地扩展了。除工农业生产外，机器人已应用到各 行各业，并已初步具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化发展的道路， 是没有止境的。

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，

以及原子能的开发利用。自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取 得了惊人的进步，并不断向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的 迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。 与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方 面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这 一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手， 1948年又开发了机械式的主从机械手。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器。 人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利 用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓 的示教再现机器人，也就是第一代的机器人。现有的机器人差不多都采用这种控 制方式。

第二代机器人具有感觉器官和电脑，电脑对感觉器官获得的信息进行分析， 做出判断，产生控制信号，操纵机械手和行走机构动作；它能适应外界环境的变 化，完成各种较复杂的工作。

计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了 很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这 些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。在研究和开发未知及在不确定环境下 作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行 动和交互技术的结合。80年代以来，人们将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人。

机器人若是具有认知能力、学习能力、思维能力以及适应环境的能力就属于 智能机器人了。智能机器人一般由三大部分组成：运动部分、智能部分和感觉部 分。运动部分，包括行走机构、机械手、手爪；智能部分，包括有认知能力、学 习能力、思维能力和决策能力的装置；感觉部分，包括有视觉、听觉、触觉、 接近觉的装置。

智能机器人由感觉装置感受到外界环境的状况，产生信息，并由电脑进行识 别。电脑中存储许多知识，也就是存储许多规则和数据。电脑根据已有的知识， 对得到的外界信号加以分析、判断、推理，最后做出决策，产生控制信号，驱动 机器人的行走机构、机械手和手爪运动，完成操作。这样，不但能适应外界环境 的变化，而且还能完成复杂的任务。智能机器人的功能与人更接近了，但是它与 人相比还相差很远。人有智力、情感和意识。目前最高级机器人的智力也只相当

于小孩子的智力，但没有感情和意识(有的机器人有表情，但还没有感情)。

3、智能机器人体现机电一体化趋势

学科交叉、融合并不是新鲜概念，从某种意义上讲，人类科学技术发展史就是一个各种学科和技术互动融合、交叉发展的历史过程[2]。智能机器人所体现的机电一体化是跨学科的综合性技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成的交叉学科，是多学科交叉研究发展的领域，也是当今最活跃的研究领域之一。

我国1986年将机器人的研究开发列入国家科技计划, 现已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人[8]。目前，国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制备技术。工业机器人正向智能化和智能系统的方向发展，数量在未来十年将以25%～30%的速度增长。智能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域[4]。

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能系统是一个知识处理系统，它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本问题，其最终的目标是模拟人的问题求解、推理、学习。人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法, 模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。目前，专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法，是机电一体化产品(系统)实现智能化的4种主要技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高，将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动，并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策[5]。 [3]

4、结束语

机器人技术是综合了计算机、控制论、结构学、信息传感技术、人工智能、仿生学、产品设计等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃。随着科技的发展，机器人的内涵正在不断丰富，机器人产品的推出与普及既是趋势也是必然，随着机器人应用的日益广泛，它成为一个国家工业自动化水平的重要标志。

参考文献

[1] (美)彼得. 门泽尔, 费思. 阿卢伊西奥著. 张帆, 钟皓译. 类人机器人访谈录机器人的未来设计[M]. 上海: 上海辞书出版社, 2002

[2] 邱士安, 胥宏.机电一体化技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2004.

[3] 徐国保, 尹恰欣, 周 …… 此处隐藏：1692字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……