智能機(jī)器人及其發(fā)展??

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智能機(jī)器人及其發(fā)展??

孟慶春1,2，齊勇3，張淑軍1，杜春俠1，殷波3，高云1

（1. 中國海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系，山東青島 266071；2. 清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 中國海洋大學(xué)電子工程系，山東青島 266071）

摘編自《中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)》2004年5期：831~838頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)[1]。機(jī)器人在當(dāng)前生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，正在替代人發(fā)揮著日益重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方向。

隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高，應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。在海洋開發(fā)、宇宙探測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會(huì)服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器人都有著廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。機(jī)器人正朝著智能化和多樣化等方向發(fā)展[2]。同時(shí)，機(jī)器人涉及到的技術(shù)也不斷擴(kuò)展，如多傳感器信息融合、路徑規(guī)劃、機(jī)器人視覺、智能人機(jī)接口等，產(chǎn)生了一系列研究課題。

目前，國內(nèi)外對(duì)機(jī)器人的研究不斷深入，已經(jīng)開發(fā)出各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人，推出了各種樣機(jī)，如移動(dòng)機(jī)器人、微型機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、服務(wù)娛樂機(jī)器人、仿人機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，是智能機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。智能機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初的工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀和局限，更加符合各種不同應(yīng)用環(huán)境的特殊要求，其功能和智能程度大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。本文對(duì)智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)及分類進(jìn)行了綜述和研究。

1　機(jī)器人的定義與發(fā)展簡(jiǎn)介

自機(jī)器人問世以來，人們就很難對(duì)機(jī)器人下一個(gè)準(zhǔn)確的定義，歐美國家認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該是“由計(jì)算機(jī)控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動(dòng)機(jī)械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級(jí)的自動(dòng)機(jī)械”，我國科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是1種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是1種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器?！蹦壳皣H上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA：Robot Institute of America）于1979年給機(jī)器人下的定義：“1種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。”概括說來，機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。

到目前為止，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展過程大致可以分為以下3個(gè)階段[3]：

第一代為可編程示教再現(xiàn)型機(jī)器人，其特征是機(jī)器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作。1959年美國人英格伯格和德沃爾制造的世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人就屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用示教控制盒發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作；

第二代機(jī)器人（20世紀(jì)70年代）是具有一定的感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，其特征是可以根據(jù)作業(yè)對(duì)象的狀況改變作業(yè)內(nèi)容，即所謂的“知覺判斷機(jī)器人”；

第三代機(jī)器人（20世紀(jì)80年代中期以后）是智能機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種傳感器，能夠?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。

各階段代表性的機(jī)器人如圖1所示。智能機(jī)器人的研究在計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和人工智能理論的推動(dòng)下發(fā)展迅速，逐漸成為機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)和主導(dǎo)方向。本文以下主要針對(duì)智能機(jī)器人進(jìn)行論述。

2　機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

隨著社會(huì)發(fā)展的需要和機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對(duì)智能機(jī)器人的要求也越來越高。智能機(jī)器人所處的環(huán)境往往是未知的、難以預(yù)測(cè)的，在研究這類機(jī)器人的過程中，主要涉及到以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)是近年來十分熱門的研究課題，它與控制理論、信號(hào)處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，為機(jī)器人在各種復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了1種技術(shù)解決途徑[4]。機(jī)器人所用的傳感器有很多種，根據(jù)不同用途分為內(nèi)部測(cè)量傳感器和外部測(cè)量傳感器兩大類。內(nèi)部測(cè)量傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人組成部件的內(nèi)部狀態(tài)，包括：特定位置、角度傳感器；任意位置、角度傳感器；速度、角度傳感器；加速度傳感器；傾斜角傳感器；方位角傳感器等。外部傳感器包括：視覺（測(cè)量、認(rèn)識(shí)傳感器）、觸覺（接觸、壓覺、滑動(dòng)覺傳感器）、力覺（力、力矩傳感器）、接近覺（接近覺、距離傳感器）以及角度傳感器（傾斜、方向、姿式傳感器）。

多傳感器信息融合就是指綜合來自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息。經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測(cè)對(duì)象的特性，消除信息的不確定性，提高信息的可靠性。融合后的多傳感器信息具有以下特性：冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性和低成本性[4]。目前多傳感器信息融合方法主要有貝葉斯估計(jì)、Dempster-Shafer 理論、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等[5]。

多傳感器信息融合技術(shù)是1個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，主要研究方向有：

2.1.1 多層次傳感器融合由于單個(gè)傳感器具有不確定性、觀測(cè)失誤和不完整性的弱點(diǎn)，因此單層數(shù)據(jù)融合限制了系統(tǒng)的能力和魯棒性。對(duì)于要求高魯棒性和靈活性的先進(jìn)系統(tǒng)，可以采用多層次傳感器融合的方法。低層次融合方法可以融合多傳感器數(shù)據(jù)；中間層次融合方法可以融合數(shù)據(jù)和特征，得到融合的特征或決策；高層次融合方法可以融合特征和決策，得到最終的決策。

2.1.2 微傳感器和智能傳感器

傳感器的性能、價(jià)格和可靠性是衡量傳感器優(yōu)劣與否的重要標(biāo)志，然而許多性能優(yōu)良的傳感器由于體積大而限制了應(yīng)用市場(chǎng)。微電子技術(shù)的迅速發(fā)展使小型和微型傳感器的制造成為可能。智能傳感器將主處理、硬件和軟件集成在一起。如Par Scientific公司研制的1000系列數(shù)字式石英智能傳感器，日本日立研究所研制的可以識(shí)別4種氣體的嗅覺傳感器，美國Honeywell公司研制的DSTJ23000智能壓差壓力傳感器等，都具備了一定的智能。

2.1.3 自適應(yīng)多傳感器融合

在實(shí)際世界中，很難得到環(huán)境的精確信息，也無法確保傳感器始終能夠正常工作。因此，對(duì)于各種不確定情況，魯棒融合算法十分必要。現(xiàn)已研究出一些自適應(yīng)多傳感器融合算法來處理由于傳感器的不完善帶來的不確定性。如Hong通過革新技術(shù)提出1種擴(kuò)展的聯(lián)合方法，能夠估計(jì)單個(gè)測(cè)量序列濾波的最優(yōu)卡爾曼增益[6]。Pacini和Kosko也研究出1種可以在輕微環(huán)境噪聲下應(yīng)用的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤模糊系統(tǒng)，它在處理過程中結(jié)合了卡爾曼濾波算法[7]。

2.2 導(dǎo)航與定位

在機(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。導(dǎo)航的基本任務(wù)有3點(diǎn)[8]：1）基于環(huán)境理解的全局定位：通過環(huán)境中景物的理解，識(shí)別人為路標(biāo)或具體的實(shí)物，以完成對(duì)機(jī)器人的定位，為路徑規(guī)劃提供素材；2）目標(biāo)識(shí)別和障礙物檢測(cè)：實(shí)時(shí)對(duì)障礙物或特定目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；3）安全保護(hù)：能對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境中出現(xiàn)的障礙和移動(dòng)物體作出分析并避免對(duì)機(jī)器人造成的損傷。

機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型等因素的不同，可以分為基于地圖的導(dǎo)航、基于創(chuàng)建地圖的導(dǎo)航和無地圖的導(dǎo)航[9]3類。根據(jù)導(dǎo)航采用的硬件的不同，可將導(dǎo)航系統(tǒng)分為視覺導(dǎo)航和非視覺傳感器組合導(dǎo)航[8]。視覺導(dǎo)航是利用攝像頭進(jìn)行環(huán)境探測(cè)和辨識(shí)，以獲取場(chǎng)景中絕大部分信息。目前視覺導(dǎo)航信息處理的內(nèi)容主要包括：視覺信息的壓縮和濾波、路面檢測(cè)和障礙物檢測(cè)、環(huán)境特定標(biāo)志的識(shí)別、三維信息感知與處理。非視覺傳感器導(dǎo)航是指采用多種傳感器共同工作，如探針式、電容式、電感式、力學(xué)傳感器、雷達(dá)傳感器、光電傳感器等，用來探測(cè)環(huán)境，對(duì)機(jī)器人的位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，使得機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化，有效地獲取內(nèi)外部信息。

在自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中，無論是局部實(shí)時(shí)避障還是全局規(guī)劃，都需要精確知道機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)，這就是機(jī)器人的定位問題。比較成熟的定位系統(tǒng)可分為被動(dòng)式傳感器系統(tǒng)和主動(dòng)式傳感器系統(tǒng)[8]。被動(dòng)式傳感器系統(tǒng)通過碼盤、加速度傳感器、陀螺儀、多普勒速度傳感器等感知機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過累積計(jì)算得到定位信息。主動(dòng)式傳感器系統(tǒng)通過包括超聲傳感器、紅外傳感器、激光測(cè)距儀以及視頻攝像機(jī)等主動(dòng)式傳感器感知機(jī)器人外部環(huán)境或人為設(shè)置的路標(biāo)，與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的模型進(jìn)行匹配，從而得到當(dāng)前機(jī)器人與環(huán)境或路標(biāo)的相對(duì)位置，獲得定位信息。

2.3 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域的1個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在機(jī)器人工作空間中找到1條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。路徑規(guī)劃方法大致可以分為傳統(tǒng)方法和智能方法2種。

傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法主要有以下幾種：自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢(shì)場(chǎng)法。大部分機(jī)器人路徑規(guī)劃中的全局規(guī)劃都是基于上述幾種方法進(jìn)行的，但這些方法在路徑搜索效率及路徑優(yōu)化方面有待于進(jìn)一步改善。人工勢(shì)場(chǎng)法是傳統(tǒng)算法中較成熟且高效的規(guī)劃方法，它通過環(huán)境勢(shì)場(chǎng)模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，但是沒有考察路徑是否最優(yōu)[10]。

智能路徑規(guī)劃方法是將遺傳算法、模糊邏輯以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法應(yīng)用到路徑規(guī)劃中，來提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的避障精度，加快規(guī)劃速度，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。其中應(yīng)用較多的算法主要有模糊方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、Q學(xué)習(xí)及混合算法等，這些方法在障礙物環(huán)境已知或未知情況下均已取得一定的研究成果[11]。

2.4 機(jī)器人視覺

視覺系統(tǒng)是自主機(jī)器人的重要組成部分，一般由攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示，核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識(shí)。而如何精確高效的處理視覺信息是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。目前視覺信息處理逐步細(xì)化，包括視覺信息的壓縮和濾波、環(huán)境和障礙物檢測(cè)、特定環(huán)境標(biāo)志的識(shí)別、三維信息感知與處理等。其中環(huán)境和障礙物檢測(cè)是視覺信息處理中最重要、也是最困難的過程。

邊沿抽取是視覺信息處理中常用的1種方法。對(duì)于一般的圖像邊沿抽取，如采用局部數(shù)據(jù)的梯度法和二階微分法[12]等，對(duì)于需要在運(yùn)動(dòng)中處理圖像的移動(dòng)機(jī)器人而言，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。為此人們提出1種基于計(jì)算智能的圖像邊沿抽取方法，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、利用模糊推理規(guī)則的方法，特別是Bezdek教授近期全面的論述了利用模糊邏輯推理進(jìn)行圖像邊沿抽取的意義。這種方法具體到視覺導(dǎo)航，就是將機(jī)器人在室外運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的道路知識(shí)，如公路白線和道路邊沿信息等，集成到模糊規(guī)則庫中來提高道路識(shí)別效率和魯棒性。還有人提出將遺傳算法與模糊邏輯相結(jié)合。

機(jī)器人視覺是其智能化最重要的標(biāo)志之一，對(duì)機(jī)器人智能及控制都具有非常重要的意義。目前國內(nèi)外都在大力研究，并且已經(jīng)有一些系統(tǒng)投入使用。

2.5 智能控制

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于無法精確解析建模的物理對(duì)象以及信息不足的病態(tài)過程，傳統(tǒng)控制理論暴露出缺點(diǎn)，近年來許多學(xué)者提出了各種不同的機(jī)器人智能控制系統(tǒng)。機(jī)器人的智能控制方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能控制技術(shù)的融合（模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制的融合；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和變結(jié)構(gòu)控制的融合；模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的融合；智能融合技術(shù)還包括基于遺傳算法的模糊控制方法）等。

近幾年，機(jī)器人智能控制在理論和應(yīng)用方面都有較大的進(jìn)展。在模糊控制方面，Buckley等人論證了模糊系統(tǒng)的逼近特性，Mamdan首次將模糊理論用于一臺(tái)實(shí)際機(jī)器人[13]。模糊系統(tǒng)在機(jī)器人的建模、控制、對(duì)柔性臂的控制、模糊補(bǔ)償控制以及移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方面，CMCA（Cere-bella Model Controller Articulation）是應(yīng)用較早的一種控制方法，其最大特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，尤其適用于多自由度操作臂的控制。

智能控制方法提高了機(jī)器人的速度及精度，但是也有其自身的局限性，例如機(jī)器人模糊控制中的規(guī)則庫如果很龐大，推理過程的時(shí)間就會(huì)過長；如果規(guī)則庫很簡(jiǎn)單，控制的精確性又會(huì)受到限制；無論是模糊控制還是變結(jié)構(gòu)控制，抖振現(xiàn)象都會(huì)存在，這將給控制帶來嚴(yán)重的影響；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)量和隱層內(nèi)神經(jīng)元數(shù)的合理確定仍是目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制方面所遇到的問題，另外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷于局部極小值等問題，都是智能控制設(shè)計(jì)中要解決的問題。

2.6 人機(jī)接口技術(shù)

智能機(jī)器人的研究目標(biāo)并不是完全取代人，復(fù)雜的智能機(jī)器人系統(tǒng)僅僅依靠計(jì)算機(jī)來控制目前是有一定困難的，即使可以做到，也由于缺乏對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力而并不實(shí)用。智能機(jī)器人系統(tǒng)還不能完全排斥人的作用，而是需要借助人機(jī)協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。因此，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)接口就成為智能機(jī)器人研究的重點(diǎn)問題之一。

人機(jī)接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計(jì)算機(jī)交流。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了最基本的要求機(jī)器人控制器有1個(gè)友好的、靈活方便的人機(jī)界面之外，還要求計(jì)算機(jī)能夠看懂文字、聽懂語言、說話表達(dá)，甚至能夠進(jìn)行不同語言之間的翻譯，而這些功能的實(shí)現(xiàn)又依賴于知識(shí)表示方法的研究。因此，研究人機(jī)接口技術(shù)既有巨大的應(yīng)用價(jià)值，又有基礎(chǔ)理論意義。目前，人機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識(shí)別、語音合成與識(shí)別、圖像識(shí)別與處理、機(jī)器翻譯等技術(shù)已經(jīng)開始實(shí)用化[14]。另外，人機(jī)接口裝置和交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)、通訊技術(shù)等也是人機(jī)接口技術(shù)的重要組成部分，其中遠(yuǎn)程操作技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向[15]。

3　機(jī)器人分類及研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代中期開始，機(jī)器人已從工廠的結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)入人的日常生活環(huán)境——醫(yī)院、辦公室、家庭、建筑工地和其它雜亂及不可控環(huán)境，成為不僅能自主完成工作，而且能與人共同協(xié)作完成任務(wù)或在人的指導(dǎo)下完成任務(wù)的智能機(jī)器人。這些機(jī)器人可以從不同的角度進(jìn)行分類，如按照工作場(chǎng)所的不同，可以分為管道、水下、空中、地面機(jī)器人等；按照用途的不同，可分為家用、醫(yī)療、軍事機(jī)器人等。

3.1 管道機(jī)器人

管道機(jī)器人是1種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)[16-17]，屬于特種機(jī)器人的研究范疇。隨著特種機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及管內(nèi)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的成熟，它在工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。其主要功能有：檢測(cè)管道使用過程中的破裂、腐蝕和焊縫質(zhì)量情況，在惡劣環(huán)境下承擔(dān)管道的清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)工作，對(duì)地下管道進(jìn)行修復(fù)。

到目前為止研制開發(fā)出的管道機(jī)器人以輪式和履帶式為主[16]。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出基于螺旋輪式運(yùn)動(dòng)原理的微型管道機(jī)器人。該機(jī)器人的本體由幾個(gè)單元通過彈簧聯(lián)接而成，每個(gè)單元體上均勻分布有3只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上，產(chǎn)生預(yù)壓力。小輪的軸線相對(duì)單元體的軸線傾斜了一個(gè)角度，通過軟軸將扭矩作用在單元體上使微型機(jī)器人移動(dòng)。西門子公司Neubauer等人研制的微管道機(jī)器人有4，6，8支腳3種類型，可在各種類型的管里移動(dòng)，其基本原理是利用腿推壓管壁來支撐個(gè)體，腿可以方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動(dòng)[18]。

目前國內(nèi)外管道機(jī)器人的研究成果已經(jīng)很多，可是在微小管道、特殊管道（如變徑管道、帶有U型管的管道）進(jìn)行檢測(cè)、維修方面還剛起步。由于該類管道在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，研發(fā)該類機(jī)器人極具吸引力。

3.2 水下機(jī)器人

21世紀(jì)是人類開發(fā)海洋的新世紀(jì)，進(jìn)行海洋科學(xué)研究、海上石油開發(fā)、海底礦藏勘探、海底打撈救生等都需要開發(fā)深海載人潛器和水下機(jī)器人技術(shù)。因此發(fā)展水下機(jī)器人意義重大。水下機(jī)器人的種類很多，如載人潛水器、遙控有纜水下機(jī)器人（ROV）、自治無纜水下機(jī)器人（AUV）等。ROV是最早得到開發(fā)和應(yīng)用的潛水器，而AUV由于自身的優(yōu)點(diǎn)，代表了未來水下機(jī)器人的研究方向[19]。

AUV根據(jù)各種傳感器的測(cè)量信號(hào)，由機(jī)器人載體上攜帶的智能決策系統(tǒng)自治的指揮、完成各種機(jī)動(dòng)航行、動(dòng)力定位、探測(cè)、信息收集、作業(yè)等任務(wù)。AUV的能源全部來自于其自身攜帶的可充電電池、燃燒電池、閉式柴油機(jī)等可攜帶能源[20]。AUV具有安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與ROV相比，AUV的活動(dòng)范圍大，潛水深度深，不怕電纜纏繞，可進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不需要龐大的水面支持，占用甲板面積小，成本低，主要用于海底地形地貌勘察、海洋資源以及地質(zhì)調(diào)查、海洋環(huán)境和水文參數(shù)測(cè)量、生物考察等[21]。AUV的控制涉及到?jīng)Q策與路徑規(guī)劃、避障、故障診斷、導(dǎo)航、通訊等關(guān)鍵技術(shù)；其導(dǎo)航技術(shù)主要有：慣性導(dǎo)航；全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)；多普勒導(dǎo)航等方法[22]。

目前國外像美國、俄羅斯、日本等在水下機(jī)器人研究方面都取得了一定的成果。美國海軍研究生院的Phoenix AUV（圖2）和性能更優(yōu)越的Aries AUV，主要用于研究智能控制、規(guī)劃與導(dǎo)航、目標(biāo)識(shí)別等技術(shù)。日本以東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所為主，開發(fā)出Twin-Burger1&2、PTEROA150 &250等多個(gè)型號(hào)的觀測(cè)型AUV，主要用于觀察海底電纜的鋪設(shè)和維護(hù)情況。近年來又研制出具有很強(qiáng)的水下探測(cè)能力的“淡探”和“Tri-Dog1”等小型水下智能機(jī)器人。國內(nèi)沈陽自動(dòng)化研究所和哈爾濱工程大學(xué)對(duì)水下機(jī)器人的研究比較突出。

3.3 空中機(jī)器人

空中機(jī)器人在通信、氣象、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、交通、廣播電視等方面都有廣泛的應(yīng)用，目前其技術(shù)已趨成熟，性能日臻完善，逐步向小型化、智能化、隱身化方向發(fā)展，同時(shí)與空中機(jī)器人相關(guān)的雷達(dá)、探測(cè)、測(cè)控、傳輸、材料等方面也正處于飛速發(fā)展的階段。

空中機(jī)器人主要分為仿昆飛行機(jī)器人、LTA飛行機(jī)器人、微型飛行器等。仿昆飛行機(jī)器人是一類基于仿生學(xué)原理開發(fā)的空中機(jī)器人，具有小尺寸、便于攜帶、行動(dòng)靈活和隱蔽性好等特點(diǎn)，其飛行性能和物理特性是：雷諾數(shù)極小，表面積與體積之比很大，總質(zhì)量嚴(yán)格受限。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、飛行力學(xué)、負(fù)載特性、能量供給和敏捷性等方面，仿昆飛行機(jī)器人與蜻蜓、蜜蜂或蜂鳥有些相似，與傳統(tǒng)的飛機(jī)有本質(zhì)區(qū)別。最近幾年，在昆蟲空氣動(dòng)力學(xué)和電子機(jī)械技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，各國紛紛開始研究拍翅飛行的仿昆飛行機(jī)器人，使仿昆飛行機(jī)器人成為機(jī)器人研究最為活躍的前沿領(lǐng)域。美國和日本在仿昆飛行機(jī)器人的研究開發(fā)處于世界領(lǐng)先地位。美國加州大學(xué)伯克利分校于1998年開始實(shí)行微飛行機(jī)器昆蟲（MFI）的研究計(jì)劃。該計(jì)劃的目的是模擬蒼蠅的獨(dú)特飛行性能，設(shè)計(jì)出一種能夠獨(dú)立自主操縱的微飛行機(jī)器[23]。目前國外研究的仿昆飛行機(jī)器人仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

LTA（lighter thn air，輕于空氣）飛行機(jī)器人是一種利用輕質(zhì)氣體在空氣中獲得升力的飛行器[24]。由于要提供較大的浮力，一般體積非常龐大，有的甚至比足球場(chǎng)還大。相對(duì)而言，常把外形尺寸在5 m以下的LTA飛行機(jī)器人稱為微小型LTA飛行機(jī)器人，具有留空時(shí)間長、節(jié)能、飛行成本低、安全系數(shù)高、飛行控制靈活等獨(dú)有的飛行特點(diǎn)，可廣泛用于森林防火、交通管制、廣播電視、廣告宣傳、通訊中繼等方面，目前在國外已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3.4 軍事機(jī)器人

軍事機(jī)器人是1種用于軍事領(lǐng)域的具有某種仿人功能的自動(dòng)機(jī)，其作用有3個(gè)方面：一是直接執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)；二是偵察和觀察；三是工程保障。軍用機(jī)器人廣泛的發(fā)展前景，引起了世界軍事家們的高度重視，許多國家為此都制定了軍用機(jī)器人的發(fā)展計(jì)劃。軍用機(jī)器人有偵察機(jī)器人、爆炸物處理機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人及無人機(jī)等。法國已經(jīng)開發(fā)出了幾種較為先進(jìn)的軍用地面機(jī)器人，如SAEMC800爆炸物探測(cè)機(jī)器人、RM35爆炸物處理機(jī)器人（圖3）、TSR200機(jī)器人、Minirob微型爆炸物處理機(jī)器人（可在機(jī)場(chǎng)及艦船的狹窄過道中使用）等。

目前智能軍用機(jī)器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，隨著電腦技術(shù)、光電子技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，軍事機(jī)器人將朝著更高的層次發(fā)展。

3.5 服務(wù)/娛樂機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人是1種半自主或全自主工作、為人類提供服務(wù)的機(jī)器人，目前主要有醫(yī)用機(jī)器人、家用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人等。其中醫(yī)用機(jī)器人具有良好的應(yīng)用前景，能夠完成或輔助完成常規(guī)醫(yī)療方法和設(shè)備難以完成的復(fù)雜診斷和手術(shù)，已在各類外科手術(shù)和無損傷檢測(cè)等方面引起重大變革，大大提高了醫(yī)療水平。醫(yī)用機(jī)器人可細(xì)分為手術(shù)機(jī)器人、診斷機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人等，相關(guān)醫(yī)用技術(shù)和設(shè)備的研究包括手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航、高精度和高可靠性的定位操作，醫(yī)用機(jī)器人機(jī)構(gòu)、靈巧微操作手（機(jī)械手）、人機(jī)交互導(dǎo)航控制等關(guān)鍵技術(shù)。因此，醫(yī)用機(jī)器人的研究開發(fā)，不僅對(duì)常規(guī)醫(yī)療帶來一系列技術(shù)變革，對(duì)臨床、家庭護(hù)理及康復(fù)工程的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，還將推動(dòng)智能機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、微機(jī)械電子等學(xué)科的發(fā)展。娛樂機(jī)器人以供人觀賞、娛樂為目的，具有機(jī)器人的外部特征，可以像人或像某種動(dòng)物等，同時(shí)具有機(jī)器人的功能，可以行走或完成動(dòng)作，有語言能力，會(huì)唱歌，有一定的感知能力。如機(jī)器人歌手、舞蹈機(jī)器人、樂隊(duì)機(jī)器人、玩具機(jī)器人等。

足球機(jī)器人是目前研究機(jī)器人技術(shù)及多智能體技術(shù)的重要平臺(tái)，是人工智能領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的課題之一。每年國際上都有各種類型的足球機(jī)器人比賽，比較有影響的主要有國際機(jī)器人足球聯(lián)合會(huì)（FIRA）和國際人工智能協(xié)會(huì)組織的RoboCup。足球機(jī)器人是一項(xiàng)集高科技和娛樂性于一體的競(jìng)技項(xiàng)目，涉及機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、決策與對(duì)策、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工生命與智能控制等學(xué)科的內(nèi)容，是最受關(guān)注的一類娛樂機(jī)器人（圖4）。

導(dǎo)盲機(jī)器人[25]是1種得到廣泛應(yīng)用的服務(wù)機(jī)器人。其外形如一輛童車，通過有線控制帶領(lǐng)盲人行走，當(dāng)遇到障礙物或有危險(xiǎn)情況時(shí)，向盲人發(fā)出警告并自動(dòng)停下來。導(dǎo)盲機(jī)器人還裝有街道地圖移動(dòng)數(shù)據(jù)庫，由計(jì)算機(jī)對(duì)地圖進(jìn)行圖像處理。中國海洋大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人研究熱點(diǎn)方向及社會(huì)發(fā)展需要，研制出導(dǎo)游機(jī)器人“海福利”，實(shí)現(xiàn)了語音解說及內(nèi)容的實(shí)時(shí)在線更新；研制了護(hù)士助手機(jī)器人，用于危險(xiǎn)性較大的傳染病房，如SARS、結(jié)核、肝炎病房等，可以識(shí)別病房和床位，運(yùn)送醫(yī)療器材和設(shè)備，為護(hù)士和病人提示工作，在醫(yī)院內(nèi)部送郵件及包裹。在此基礎(chǔ)上，又開發(fā)出集實(shí)用性、服務(wù)性、娛樂性于一身的新型智能語音導(dǎo)醫(yī)機(jī)器人“海樂?！保▓D5），功能強(qiáng)大，用戶操作簡(jiǎn)單，成為一種全新的導(dǎo)醫(yī)系統(tǒng)?？赏茝V應(yīng)用于養(yǎng)老院、福利院、商場(chǎng)導(dǎo)購等多種服務(wù)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室還準(zhǔn)備開發(fā)多語種導(dǎo)游機(jī)器人，可以同時(shí)用多種語言解說沿途風(fēng)景，回答游客問題。

3.6 仿人機(jī)器人

仿人機(jī)器人是1種智能機(jī)器人，它的形狀與人類似，具有移動(dòng)功能、操作功能、感知功能、記憶和自治能力，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互。具體表現(xiàn)在：在結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的外部環(huán)境中穩(wěn)定移動(dòng)，對(duì)外界物體進(jìn)行操作，感知環(huán)境，產(chǎn)生自治行為。仿人機(jī)器人是當(dāng)前智能機(jī)器人研究領(lǐng)域中最新的研究方向之一[26]，已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

國際上對(duì)仿人機(jī)器人的研究主要集中在日本和美國，各有不同的側(cè)重點(diǎn)。一些研究小組將注意力集中在制造具有人類形狀的、能夠完成類人動(dòng)作且具有商業(yè)意義的仿人機(jī)器人上，本田仿人機(jī)器人[27-28]是其中的代表。本田開發(fā)出世界上最先進(jìn)的仿人機(jī)器人ASIMO（圖6），高四英尺，能夠前進(jìn)、倒退、順暢轉(zhuǎn)身、爬樓梯，其主要的設(shè)計(jì)目的是將來可協(xié)助有需要的人。從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度看，本田機(jī)器人代表了當(dāng)前仿人機(jī)器人研制的最高水平。為了建立通用的柔性靈巧自治機(jī)器人的原型并在此基礎(chǔ)上研究人類的認(rèn)知過程以及人類智能的本質(zhì)，麻省理工學(xué)院布魯克斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出了名為COG的仿人機(jī)器人[29]，COG共有21個(gè)自由度，安裝了視覺、聽覺、肌肉運(yùn)動(dòng)覺和觸覺傳感器，成功地實(shí)現(xiàn)了3種隨意運(yùn)動(dòng)和2種不隨意運(yùn)動(dòng)，能夠按照外界突然刺激的方向轉(zhuǎn)動(dòng)頭部并作出必要的反應(yīng)，用手臂指向視覺目標(biāo)。

國內(nèi)的研制工作起步較晚，1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)分別成功研制出雙足步行機(jī)器人[28]，能完成靜態(tài)、動(dòng)態(tài)步行和一些簡(jiǎn)單的仿人動(dòng)作。

3.7 微型機(jī)器人

微型/微操作機(jī)器人是正在興起的機(jī)器人新領(lǐng)域，以納米技術(shù)為基礎(chǔ)，涉及微機(jī)械及其基礎(chǔ)材料、微電子、微驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、微測(cè)量技術(shù)、微傳感器、微能源、微系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。微操作機(jī)器人是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位移在幾微米和幾百微米的范圍內(nèi)，其分辨率、定位精度和重復(fù)定位精度在亞微米至納米級(jí)的范圍內(nèi)。

將微定位技術(shù)中的彈性平板和柔性鉸鏈等應(yīng)用到機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再加上機(jī)器人控制技術(shù)、傳感技術(shù)和機(jī)器人視覺組成微驅(qū)動(dòng)和微操作機(jī)器人系統(tǒng)。微型機(jī)器人技術(shù)在生物工程、醫(yī)學(xué)工程、微型機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)、超精密加工及測(cè)量（如：掃描隧道顯微鏡）等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代末，各國掀起了對(duì)微操作研究的高潮，當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要集中在微操作的機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和顯微視覺控制上。1995年日本AIST機(jī)器人機(jī)械技術(shù)研究室開發(fā)出了雙指微操作手[30]。我國是在20世紀(jì)90年代開始研制高精度微動(dòng)機(jī)器人的，1993年廣東工學(xué)院楊宜民教授等首先研制出了仿生直線驅(qū)動(dòng)器，用于微進(jìn)給機(jī)械加工[31]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所在國內(nèi)首次研制出運(yùn)動(dòng)精度在納米級(jí)的六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微操作機(jī)器人，可用于光纖調(diào)整、細(xì)胞操作，具有極大的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。但總體來說，我國在微型機(jī)器人領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。

4　總結(jié)與展望

機(jī)器人是自動(dòng)化領(lǐng)域的主題之一，人們幾十年來對(duì)機(jī)器人的開發(fā)和研究，使機(jī)器人技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。隨著人工智能、智能控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，性能不斷提高，在當(dāng)前的生產(chǎn)、生活、科研當(dāng)中發(fā)揮著日益重要的作用。

目前機(jī)器人的研究正處于第3代智能機(jī)器人階段，盡管國內(nèi)外對(duì)此的研究已經(jīng)取得了許多成果，但其智能化水平仍然不盡人意。圍繞未來的智能機(jī)器人，本文提出如下幾個(gè)有待發(fā)展的技術(shù)方向：

1）機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化：利用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各種機(jī)器人連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效的控制。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、眾多信息組的壓縮與擴(kuò)展方法及傳輸技術(shù)等；

2）智能控制中的軟計(jì)算方法：與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，以模糊邏輯、基于概率論的推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和混沌為代表的軟計(jì)算技術(shù)具有更高的魯棒性、易用性及計(jì)算的低耗費(fèi)性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到機(jī)器人技術(shù)中，可以提高其問題求解速度，較好地處理多變量、非線性系統(tǒng)的問題；

3）機(jī)器學(xué)習(xí)：各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)推動(dòng)了人工智能的發(fā)展，強(qiáng)化學(xué)習(xí)、蟻群算法、免疫算法等可以用到機(jī)器人系統(tǒng)中，使其具有類似人的學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)日益復(fù)雜的、不確定和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境；

4）智能人機(jī)接口：人機(jī)交互的需求越來越向簡(jiǎn)單化、多樣化、智能化、人性化方向發(fā)展，因此需要研究并設(shè)計(jì)各種智能人機(jī)接口如多語種語音、自然語言理解、圖像、手寫字識(shí)別等，以更好地適應(yīng)不同的用戶和不同的應(yīng)用任務(wù)，提高人與機(jī)器人交互的和諧性；

5）多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)：隨著人工智能方法、機(jī)器人技術(shù)以及多智能體系統(tǒng)（Multi Agent System：MAS）等研究的深入，如何組織和控制多個(gè)機(jī)器人來協(xié)作完成單機(jī)器人無法完成的復(fù)雜任務(wù)，在復(fù)雜未知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推理反應(yīng)以及交互的群體決策和操作，已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的新課題，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。