智能機(jī)器人在各領(lǐng)域應(yīng)用及未來(lái)展望

郭錦鴻

智能機(jī)器人是人類智慧的結(jié)晶，它在一定程度上使人們從繁忙的工作中解脫出來(lái)。本文從軍事，工業(yè)，醫(yī)療，教育四個(gè)領(lǐng)域介紹了智能機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)我國(guó)智能機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

1.前言

隨著人類科技的進(jìn)步，人工智能技術(shù)逐漸成熟，信息技術(shù)越來(lái)越多地與傳統(tǒng)機(jī)械相結(jié)合，自此智能機(jī)器人誕生。智能機(jī)器人使人們更多地從繁重的工作中解脫出來(lái)，甚至可以幫助人們完成許多以前無(wú)法完成的事情。因此，智能機(jī)器人受到了人們的廣泛關(guān)注。同時(shí)，智能機(jī)器人是多種科學(xué)技術(shù)結(jié)合而成的產(chǎn)物，它是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)志，所以研究與開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人對(duì)我國(guó)發(fā)展具有重大而深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本文比較了智能機(jī)器人與前兩代機(jī)器人的不同，并介紹了智能機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用，最后對(duì)我國(guó)智能機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

2.三代機(jī)器人的比較

本文主要討論的第三代機(jī)器人，但是除此之外，在機(jī)器人發(fā)展歷史上還有第一代機(jī)器人以及第二代機(jī)器人。最早的第一代機(jī)器人全稱可編程再現(xiàn)型機(jī)器人，這種機(jī)器人在外界環(huán)境變化時(shí)不能做出自主調(diào)整，只能按照給定的程序進(jìn)行機(jī)械性重復(fù)工作；第二代機(jī)器人是具有一定感知與自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，區(qū)別于第一代機(jī)器人，它可以根據(jù)外界的變化在一定范圍內(nèi)自行調(diào)整程序。雖然第二代機(jī)器人還沒(méi)有成熟的自動(dòng)規(guī)則能力，但是已經(jīng)開(kāi)始向智能化方向發(fā)展并能夠滿足實(shí)用需要。

第三代機(jī)器人——智能機(jī)器人為本文主要討論探究的機(jī)器人。智能機(jī)器人屬于人工智能時(shí)代的產(chǎn)物，它具有感覺(jué)、識(shí)別、推理以及判斷能力。首先，智能機(jī)器人能夠通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)識(shí)別與測(cè)量周圍的物體，此為感覺(jué)和識(shí)別能力；同時(shí)，它也可以根據(jù)環(huán)境的變化來(lái)調(diào)節(jié)自身的參數(shù)以及動(dòng)作策略，也就是通過(guò)對(duì)識(shí)別到的信息進(jìn)行分析，推理和判斷決策；此外，智能機(jī)器人還可以處理一些緊急情況。

3.智能機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用

接下來(lái)就從軍事、工業(yè)、醫(yī)療、教育幾個(gè)方面做具體介紹。

3.1 智能機(jī)器人在軍事方面的應(yīng)用

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，如何將士兵的傷亡率降到最低是各國(guó)都在熱議的話題。所以未來(lái)軍事發(fā)展的必然趨勢(shì)就是利用智能機(jī)器人代替士兵作戰(zhàn)。就目前而言，軍事智能機(jī)器人能夠完成搜索、監(jiān)視、排爆、破障、攻擊目標(biāo)、運(yùn)送物資、救助傷員等一系列作戰(zhàn)任務(wù)，它們相比人類士兵更加精密、輕便、靈巧、抗毀、抗摔、抗打、能力更強(qiáng)。其中，無(wú)人機(jī)是軍事智能機(jī)器人的典型代表，它已經(jīng)成為常規(guī)軍事武器，在軍事上有著舉足輕重的地位。

無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上主要起著對(duì)地打擊、偵察監(jiān)視敵方軍情、干擾信號(hào)通信、戰(zhàn)場(chǎng)通信等重大作用。最新型的無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，除開(kāi)武器系統(tǒng)等重大抉擇外，大多數(shù)情況下都不需要人為控制，這也正是其智能所在。在無(wú)人機(jī)上沒(méi)有飛行員控制的駕駛艙，但安裝有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)駕駛，甚至能夠自主控制飛行。自動(dòng)控制原理的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是閉環(huán)反饋控制，就是在施加輸入調(diào)節(jié)后，測(cè)量控制量的變化情況并反饋調(diào)節(jié)至輸入處，直至控制量達(dá)到目標(biāo)值為止。例如，為無(wú)人機(jī)設(shè)定一條航跡之后，在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)上搭載的高精度傳感器等設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量飛行位置是否有偏離航跡，如果無(wú)人機(jī)有偏離就進(jìn)行相應(yīng)的偏航校正，最終使飛機(jī)始終在正確的航線上。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還能夠通過(guò)光學(xué)攝像機(jī)，超聲波雷達(dá)等設(shè)備探測(cè)識(shí)別無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡上的障礙物，在發(fā)現(xiàn)障礙物之后能進(jìn)行自動(dòng)規(guī)避。

目前，包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家已先后推出自主研發(fā)的智能機(jī)器人戰(zhàn)士，相信未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上將出現(xiàn)更多智能軍事機(jī)器人的身影。

3.2 智能機(jī)器人在工業(yè)方面的應(yīng)用

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)機(jī)器人與人工智能相結(jié)合，智能機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普及，一場(chǎng)新的工業(yè)革命正在拉開(kāi)序幕。正如前文提到的，機(jī)械性的重復(fù)工作對(duì)于機(jī)器人而言并不是一件難事，第一代機(jī)器人就足以勝任。但是面對(duì)工業(yè)中雜亂無(wú)序的環(huán)境時(shí)，機(jī)器人便不能依靠設(shè)定好的程序正常工作，此時(shí)，智能機(jī)器人能對(duì)周邊的環(huán)境進(jìn)行分析，并根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境做出了較好的決策，從而更好地適應(yīng)復(fù)雜的工廠環(huán)境。

AGV物流小車是智能機(jī)器人在智能工業(yè)中的典型代表且應(yīng)用得非常廣泛。AGV物流小車是指能夠根據(jù)工廠的實(shí)際情況生成通往目的地的最佳路徑，并沿著最佳路徑行駛的智能搬運(yùn)車。AGV物流小車的自動(dòng)導(dǎo)航是通過(guò)特殊地標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常裝備有光學(xué)或電磁等導(dǎo)引裝置，根據(jù)地標(biāo)自動(dòng)生成最佳路線并將貨物運(yùn)輸至指定地點(diǎn)，導(dǎo)航方式為多為磁條引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、慣性導(dǎo)航以及磁釘導(dǎo)航。在AGV物流小車工作的車間中，一般是在地上布置多個(gè)磁釘，AGV在行駛的過(guò)程中實(shí)時(shí)采集磁釘?shù)奈锢砦恢眯畔⒉鹘o電腦，經(jīng)過(guò)軟件精確計(jì)算AGV的位置并產(chǎn)生最佳路線，防止行駛AGV行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞與刮擦。

AGV物流小車適用于運(yùn)輸頻繁、物料供應(yīng)周期長(zhǎng)的體系中，廣泛應(yīng)于用物流分配車間物品的搬運(yùn)，現(xiàn)在阿里巴巴和京東旗下都有比較成熟的應(yīng)用。

3.3 智能機(jī)器人與醫(yī)療的結(jié)合

醫(yī)療作為民生福祉的重要一關(guān)，讓智能機(jī)器人與醫(yī)療相結(jié)合尤為重要，其發(fā)展也備受關(guān)注。作為在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的深化，智能機(jī)器人能有效地幫助醫(yī)生進(jìn)行一系列醫(yī)療方面的診斷或進(jìn)行輔助治療。以康復(fù)機(jī)器人為例，術(shù)后康復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)而痛苦的過(guò)程，最新研制的醫(yī)用外骨骼就可以用于術(shù)后恢復(fù)過(guò)程，以減輕患者的痛苦，加快康復(fù)進(jìn)程，這也將有助于醫(yī)療工作者開(kāi)展康復(fù)效果評(píng)估、方案制定等工作。它還能夠幫助殘疾人重新獲得站起來(lái)，使身患?xì)埣驳娜藗冎孬@新生。

外骨骼機(jī)器人是一種特殊的可穿戴的機(jī)電一體化裝置，它通過(guò)非剛性連接套裝，固定在人體外部，并利用高功率密度的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)外骨骼的變形，從而輔助人類肢體運(yùn)動(dòng)，是一種柔性、智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。外骨骼通過(guò)綁帶或其他方式固連在人身上，與人的四肢完美貼合，在使用過(guò)程中，它通過(guò)裝置在關(guān)節(jié)處的加速度傳感器與角加速度傳感器等傳感器來(lái)采集人體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、力量等運(yùn)動(dòng)信息。實(shí)時(shí)處理這些信息，并快速做出調(diào)整，使得外骨骼機(jī)器人的形態(tài)與穿戴者的運(yùn)動(dòng)同步，更好地幫助有困難的人站立與行走，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境變化調(diào)整行走過(guò)程中的步態(tài)，實(shí)現(xiàn)穿戴者控制外骨骼機(jī)器人完成自然、平滑的步態(tài)和運(yùn)動(dòng)。

3.4 智能機(jī)器人在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

教育也同樣是百姓非常關(guān)心的問(wèn)題，近年來(lái)，中國(guó)教育質(zhì)量不斷提升，素質(zhì)教育在中國(guó)的呼聲越來(lái)越高，傳統(tǒng)的填鴨式教育模式正被學(xué)生與老師摒棄，包含創(chuàng)新、合作共享等重要科學(xué)素養(yǎng)的教育形式正逐漸被廣大學(xué)校和家長(zhǎng)重視。然而在這種變革下，結(jié)合了人工智能科技的智能教育機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多品牌的智能教育機(jī)器人，目的是利用人工智能為每個(gè)學(xué)生創(chuàng)建良好學(xué)習(xí)體驗(yàn)，充當(dāng)家庭老師的角色，實(shí)現(xiàn)智能教育、成長(zhǎng)陪護(hù)、開(kāi)發(fā)益智、作業(yè)輔導(dǎo)、離線授課等多種功能。

智能教育機(jī)器人擁有自主判斷、智能識(shí)別、優(yōu)化決策等功能，能夠根據(jù)不同學(xué)生的不同情況制定出不同的學(xué)習(xí)計(jì)劃。同時(shí)，智能教育機(jī)器人自身?yè)碛幸欢ǖ膶W(xué)習(xí)能力，能夠通過(guò)不斷更新學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而不斷跟進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程并能結(jié)合上述數(shù)據(jù)，分析學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的困難與瓶頸。最終不斷調(diào)整智能機(jī)器人教學(xué)的方式與策略，從而達(dá)到智能教導(dǎo)學(xué)生的目的。

此外，智能教育機(jī)器人還擁有人臉辨識(shí)、語(yǔ)音辨識(shí)等功能來(lái)認(rèn)人。通過(guò)這些功能就能夠像在真實(shí)課堂上一樣認(rèn)出不同學(xué)生并叫出他們的名字，這種方式模擬真人上課，往往能夠使學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人產(chǎn)生好感和信任。更有甚者，某些學(xué)校的課堂機(jī)器人已經(jīng)能夠識(shí)別學(xué)生上課時(shí)的微表情，進(jìn)行行為分析，從而判讀學(xué)生是否瞌睡，走神，并加以提醒。

4.未來(lái)展望

時(shí)代在更替，科技在不斷進(jìn)步，機(jī)器人與智能化結(jié)合發(fā)展更能符合當(dāng)今世界的發(fā)展潮流，所以智能機(jī)器人具備極大的發(fā)展前景。智能機(jī)器人的發(fā)展程度在一定程度上能直接表現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平的高低，因此受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。相對(duì)外國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)而言，盡管我國(guó)在智能機(jī)器人領(lǐng)域投入了大量人力物力，也取得了許多矚目的科研成果，但現(xiàn)階段在該領(lǐng)域的研究仍不夠深入，還未能追趕上其他國(guó)家的腳步。因此我國(guó)應(yīng)該積極采取符合我國(guó)自身的發(fā)展對(duì)策，縮小與世界領(lǐng)先國(guó)家在這方面的水平差距。相信經(jīng)過(guò)政府的重視和投入，科技工作者不斷的研究學(xué)習(xí)之后，能夠?qū)υ擃I(lǐng)域的認(rèn)識(shí)達(dá)到一個(gè)到新的高度。