智能移动机器人的现状与发展论文

智能移动机器人的现状与发展摘 要本文论述了智能机器人研究现状及发展动向，介绍了智能机器人研究的主要领域 及相关课题，包括感觉识别技术、操作移动技术、控制技术等。对智能机器人基础技术的研 究现状进行了比较详尽的论述，最后又对智能机器人整体发展研究动向及预测。关键词智能机器人 研究现状 发展动向引 言在工业机器人问世30多年后的今天，机器人已被人们看作是一种生产工具。在制 造、装配及服务行业，机器人的应用取得了明显的进步。由于传感器、控制、驱动及材料等 领域的技术进步，通过智能机器人系统，首次在制造领域以外的服务行业，同时也开辟了机 器人应用的新领域。智能机器人是具有思维、感知和行动功智能机器人是具有思维、感知和行动功学、人工 智能，微电子学，光学，传感技术、材料科学仿生学等学科的综合成果。智能机器人可获 取、处理和识别多种信息，建立并实时修正环境模型，自主地完成较为复杂的操作任务，因 此，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。2O世纪电子计算机的发明，使人类的脑力劳动自动化成为可能，60年代智能机器人的 出现开辟了智能生产自动化的新纪元。机器和生产系统的智能化，用机器人代替人完成各种 任务，这是人类智慧发展和机器进化的飞跃。智能机器人作为新一代的生产工具，在制造领 域中应用，能排腺人为的不可控因素，实现高节奏、高效和高质量生产，并是未来智能生产 系统（如CIMS）的重要组成部分。在非制造领域，如核工业、水下、空间，建筑、采掘，教灾 排险和作战等方面，可代替人完成人所不适或力所不及的各种工作，在原予能、水下和外层 空间可开辟新的产业。目前，我国和许多国家都把智能机器人列为迎接未来挑战的高技术课题，并制订发展 规划，拨出巨款给予支持。因此，预计90年代，智能机器人技术将会有突破性的进展。机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。智能移动机器人是机器人学中的一个 重要分支。早在60年代，就已经开始了关于智能移动机器人的研究。关于智能移动机器人 的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下 机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三， 必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰 及环境映射。因此，智能移动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 等多种功能于一体的综合系统。对智能移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论 与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、 扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使 得对它的研究在世界各国受到普遍关注。一. 典型的智能机器人主要技术内容包括五个方面1. 感觉识别技术 1）视觉研究：如三维视觉系统、图象传感器，颜色识别传感器、特殊环境中用的传感器、视觉通用实时 高速处理系统、状况识别技术等。2）触觉研究：如接触觉、灵巧传感器、6轴力传感器、滑觉等；除此之外还有其它如距离觉，味觉，嗅 觉等。2. 操作、移动技术1）操作技术：如直流驱动电机、执行机构、多指手爪，操作器的作业坐标控制，定标，小型轻量化技 术、柔性操作器等。2）移动技术：在楼梯移动、恶劣道路上行走、省能，两足步行等。3. 控制、信息处理、人工智能控制:协调控制，、多层递阶控制、远距离控制、高速高精度控制等；信息处理:如专家系统、知识工程应用及智能处理等。人工智能:推理与学习、推理技术、问题求解系统、规划、学习控制等机器人语、动作级 语言、对象级语言、作业级语言等。二. 移动机器人导航研究现状移动机器人的导航方式很多，有惯性导航、视觉导航、基于传感器数据导航，卫星导航 等。它们都不同程度地适用于各种不同的环境，包括室内和室外环境，结构化环境与非结构 化环境。1）惯性导航惯性导航是一种最基本的导航方式。它利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪，计算机 器人航程，从而推知机器人当前的位置和下一步的目的地。显而易见，随着机器人航程的增 长，定位的精度就会下降，而定位误差将会无限制地增加。2）视觉导航由于计算机视觉理论及算法的发展，视觉导航成为导航技术中的一个重要发展方向。通 常，机器人利用装配的摄像机拍摄周围环境的局部图像，然后通过图像处理技术，如特征识 别、距离估计等，进行机器人定位及规划下一步的动作。3）基于传感器数据导航一般机器人都安装了一些非视觉传感器，如超声传感器、红外传感器、接触传感器等。 利用这些传感器亦可以实现机器人导航。4）卫星导航GPS全球定位系统是以距离作为基本的观测量，通过对四颗GPS卫星同时进行伪距离测 量计算出用户（接收机）的位置。机器人通过安装卫星信号接收装置，可以实现自身定位，无 论其在室内还是在室外。三. 基础技术研究现状1）机器人语言现已研制的主要语言有表示状态的面向装配作业的语言（AL、VAL，FABASIC、MAL等）， 以并行处为目的的结构化程序语言有LEO, COL，APP等。另外，机器人话语生成系统，研 制具有良好数学语义，逻辑关系以及能描述复杂的，不规则对象的有形式语言也是人机智 能交互的重要课题。2.末端操作器（臂、手及行走机构）机器人的臂随其用途而不同。目前研究的手臂看装配集成电路的微型臂、搬运几百公斤 工作的大型臂。机器人的手有回转开、闭型，平行连杆机构型、三指、五指等各种类型。行 走机构有腿、轮、履带、船等。实验研究的有两足、六足、八足的行走机构、仿生和蠕动机 构及爬墙爬树等移动机构。3）运动学和动力学机器人动力学和运动学是机器人机构的设计，控制和算法的基础。机器人的运动学和动 力学问题，对开式链、刚体情况已基本解决，但对闭式链，弹性体情况还未解拱。4）控制机器人的控制主要包括操作器控制、行走控制和多机器人系统控制等方面。多关节操作 器控制包括运动学与动力学控制，力及柔顺控制、遥控机械手的主从控制等。运动学控制问 题实质上是由给出的笛卡尔坐标中的点及路径求出各关节运动的变化，并进行必要的修正。 动力学控制问题是针对如何实现高速高精度轨迹控制提出来的。近年来有许多学者从事此项研究，目前，剐体模型的这问题已基本解决。顺应控制是指 机械手与环境接触后，在环境约束条件下的控制问题，实际上是力与位置的混合控制。顺应 控制叉分主动式和被动式两种类型。遥控作业多数是在非结构环境下进行的，因此大多数采 用主从控制，现已研制出主从双向位置控制、主从双向位置、力伺服控制、主从力控制、计 算机辅助遥控等方法。双手协调控制中也采用了主从控崩，即选一手为主手，主手的运动轨 迹可以由示教或离线编程产生，而从手的运动轨迹在主手运动轨迹确定后，根据约束条件确 定。采用冗余自由度的操作器可增加灵活性，冗余自由度可用来回避障碍，回避机械手在执 行任务过程中难以处理的退化问题，增加可操作性能，因此冗余自由度操作器控制问题也 有不少学者进行研究，目前开始转向动态控制。另外行走机构的控制、多机器人的协同控制等方面也有不少成果。目前机器人正向直接 用软件进行控制发展，90年代自动化制造软件市场将以2%的速度增长，到1992年就将成 为15亿美元的行业，其中机器人软件占该数值的810%。四. 智能移动机器人发展中存在的问题及解决途径智能移动机器人的研究虽然取得了令人瞩目的成就，但在其发展过程中也面临着许多问 题，下面就存在的问题作一些探讨,并提出相应的对策。1）自主式智能移动机器人的自主性，是否意味着机器人必须适应各种不同的环境，完成各种 不同的任务?这是一个需要明确的概念，否则我们的研究将会迷失方向。根据目前的人工智能 和计算机技术的水平,自主性只能是一定范围环境中面向特定任务而言，而不可能有一种对 任何环境都具有良好适应性的通用智能移动机器人任何通用化的企图必将导致失败。2）就运动机构来说，智能移动机器人有行走机器人、水下机器人、飞行机器人和轮式智能移 动机器人。智能移动机器人的机构直接影响到机器人运动的稳定性和控制器的复杂程度。目 前广泛使用的轮式机构由于其内在缺陷，如存在最小转弯半径、与地面发生相对滑动等降低 了机器人的灵活性,不适于在密集的环境（Cluttered environment）中运行，严重阻碍了智能移动 机器人的家庭化。为了提高智能移动机器人的灵活性，并使控制简单化,需要全方位的运动机 构，使机器人能够方便地前进、后退和转弯。3）尽管智能移动机器人能自主地感知、决策和行动，但与人的行为相比，机器人的表现远不能 令人满意。虽然两者之间有信息感知与表示、存储容量和计算能力等各方面的重大差异，但 在当前的技术水平限制下，体系结构是影响智能移动机器人自主性的重要因素。随着机器人 感知信息越来越丰富，密集知识的表示、存储和利用都要求突破传统的体系结构。新的体系 结构必须将基于传感器的反射行为和基于知识的有意识行为有机结合起来，充分利用存储知 识和传感信息。4）自主式智能移动机器人的自主性是就机器与人的关系而言，希望机器更独立于人。那么是 否表明人参与的越少就表明系统的智能越高?答案是否定的。人机交互的有无并不是评判系 统智能高低的标准，交互的水平才是智能的。人机交互由低到高有三个层次:通信、人机协调 与合作和人机集成。特别在作为智能移动机器人主战场的服务性行业中，机器与人的接触会 更多，因此人机交互就显得尤为重要。5）智能移动机器人的可靠性和安全性是影响其推广应用的关键性能。可靠性是指发生故障的 可能性及故障后的自主恢复的能力，安全性是就机器人与周围环境的关系而言即机器人和环 境相互之间不会造成危害。智能移动机器人应用环境复杂性和运动灵活性的不断提高，同时 也增加了引发故障的可能性。为此，一方面在设计时从体系结构、信息处理等环节提高系统 的可靠性;另一方面提高其故障诊断、纠错和容错能力。6）智能移动机器人是一个交叉的研究领域，涉及机械、控制、传感器技术、信息信号处理、 模式识别、人工智能和计算机技术等技术学科。因此，智能移动机器人的研究必须密切关注 相关学科的发展，根据相关学科的当前技术水平确定智能移动机器人的研究方向。五. 智能机器人整体研究动向及预测自动化的需要推动了机器人进步，而机器人的发展提高了自动化水平。为了解决工业、 原子能利用、空间探测，海洋开发、排险，医疗、军事等领域自动化需要而研制有特定应 用背景的智能机器人，基本上沿两条道路发展:一是在一般工业机器人基础上，增加各种高 性能传感器和知识库，使之具感知能力和动作规划能力;二是在遥控操作器基础上增加移动 能力、环境感知能力、自诊断自学习力及自主能力。其中包括知识库和专家系统。由于研究 目的性明确，针对性强，实际需要迫切，制造单位与应用单位结合，资金和人力集中使用， 因此成果显著见效快。目前应用研究主要集中在精密装配机器人、水下机器人、移动机器人 等方面。另外，利用神经网络等新技术的智能机器人也引起了人们的重视。纵观智能移动机器人的发展、发展过程中存在的问题以及相关学科的发展方向,智能移 动机器人具有以下发展趋势：1）机器人本体将向灵活性和微型化方向发展 这是由于机器人应用面向家庭和服务性行业， 需要适应更为复杂的环境。2）高速性室内机器人对运动速度没有特别要求，而室外机器人高速运动可以提高它们的工作 效率。高速性对定位精度和控制都提出了更高的要求。3）友好的人机交互为了使机器人能够更好地为人类服务,人们需要一个畅通的渠道与机器进 行沟通，这就需要友善的人机接口。当前蓬勃发展的计算机多媒体技术为此提供了支持。4）安全性能好智能移动机器人是为人类服务的，因此至少不应该给人类带来危害。为使智能 移动机器人真正走向应用，必须遵守Issac Asimov提出的著名的机器人三戒律，即第一，机器 人不可伤害人或眼看人将要遇害时而袖手旁观;第二，机器人必须服从人给它的指令,除非这 种命令与第一条戒律相抵触;第三，机器人必须保护自身的存在，除非这种保护与第一、第二条 戒律相抵触。5）产业化脱离实际的理论不会具有深远的发展潜力，也只有能给社会带来可观经济效益的技 术才会得到社会的扶植,吸引研究者的注意力。而产业化是理论联系实际的纽带，是科学技术 转化为生产力的重要途径，因此产业化也是智能移动机器人发展的必由之路。近几年来，许多国家都把智能机器人列为高技术发展规划的重要内容。从研究方式来 看，已打破单位和国家的聂限，出现了单位联合，跨国共同研究的趋势。如西欧七国高级机 器人合作计划、日本的极限作业机器人研究计划、“尤里卡的欧洲机器人研究计划等。从各 国和国际间制订的研究计划来看，虽然项目各异，但在研究特种作业的移动机器人方面都是 不约面同，说明特种作业的移动机器人是近期竞相研究的重点。目前，基于感觉控制的第二 代机器人已进入普及应用阶段。下一代机器人是具有自适应性、自主性和自然性的高级机器人，预计不久的将来可在技 术上实现，并开始应用。