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《机器人操作系统ROS原理与应用》——第1章 智能机器人及其发展概述

简介:

本节书摘来自华章出版社《机器人操作系统ROS原理与应用》一 书中的第1章,第1.1节,作者:周兴社 杨刚 王岚,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

第1章

智能机器人及其发展概述

1.1 智能机器人概念及其特点

1.1.1 智能机器人概念

1954年,美国人乔治·德沃尔制造出了世界上第一台可编程的机器人;1959年,德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出了第一台工业机器人,自此之后,机器人大体经历了如下三个发展阶段。第一代机器人称为示教再现型机器人,它是通过计算机控制一个多自由度的机械,并通过示教存储程序和信息,在工作时读取信息,发出指令,机器人就可以根据事先示教的结果,再现出同样的动作,如汽车点焊机器人只要对其示教点焊过程,它就总是重复同样的操作,不过因为其对于外界环境没有感知,因而操作力大小、点焊质量等均无从知晓。第二代机器人称为带感觉的机器人,通过为其配置各类传感器,其具有一定程度的力觉、触觉、视觉等感觉能力,如当搬运机器人抓住一样物体时,它就能自动感觉出实际的用力大小,并能通过视觉感受和识别出物体的形状、大小及其颜色。第三代机器人即智能机器人,目标是只需要告诉它做什么,而不用告诉它怎么做,它就能完成感知、运动、推理和人机交互等功能和机能,目前还只在局部有这种智能的概念和含义,随着科学技术的不断发展,智能的概念与内涵将会越来越丰富。
到目前为止,在世界范围内还没有一个统一的智能机器人的定义。1956年,马文·明斯基提出了他对智能机器的理解:“智能机器能够创建周围环境的抽象模型,一旦遇到问题,便能够从抽象模型中寻找解决方法”。该定义对此后30年智能机器人的研究方向产生了重要影响。
还有一种理解是智能机器人是具备某些与生物类似的智能能力且具有高度灵活性的自动化机器。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素:一是感觉要素,用来认知周围的环境状态;二是运动要素,用来对外界做出反应性动作;三是思考要素,根据感觉要素所得到的信息,思考应采用什么样的动作。
国内科学家对机器人的定义是:“智能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。”在研究和开发作业于未知及不确定环境下的机器人的过程中,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,因此将具有感知、思考、决策和动作的技术系统统称为智能机器人,其是具有感知能力、规划能力、动作能力和协同能力的一种高度灵活性的自动化机器。

1.1.2 智能机器人的发展

1.?智能机器人的发展背景
机械的使用放大并延伸了人的四肢能力,计算机的使用提升了人脑的功能,而机器人的使用将大大拓展人类的综合能力。进入21世纪以来,智能机器人的研发和应用得以快速发展,其主要发展背景包含以下几个方面:
1)制造业劳动力的价格越来越高,而产品的价格却越来越低,企业需要利用机器人改变传统制造业依赖密集型廉价劳动力的生产模式。
2)人类寿命和生活质量越来越高,然而能够提供老龄化服务的人力资源却越来越少,因此需要利用智能化机器设备提供优质服务。
3)自然灾害、人为灾害及战争仍在频繁发生,而人类难以适应此类环境,因此需要机器人代替人来执行任务。
4)人类探索深海、太空等极端环境的活动越来越频繁,而人类在此类环境中的生存能力极低且代价很高,因此需要利用机器人实现远程交互作业。
2.?初级与高级智能机器人
智能机器人正在由初级阶段向高级阶段发展。初级智能机器人具有像人那样的感受、识别、推理和判断的能力,可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序,也就是它能适应外界条件的变化并对自己进行相应的调整。不过,修改程序的原则将由人预先给以规定。这种初级智能机器人已拥有一定的智能水平,虽然还没有自动规划的能力,但这种初级智能机器人已走向成熟,达到了实用的水平。
高级智能机器人和初级智能机器人一样,具有感觉、识别、推理和判断的能力,同样可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序。所不同的是,修改程序的原则不是由人预先规定的,而是机器人自己通过学习、总结经验来获得修改程序的原则,所以它的智能程度更高。这种机器人已拥有一定的自动规划能力,能够自己安排自己的工作。这种机器人可以不要人的照料,完全独立地工作,故称为高级自律机器人,这类机器人也开始走向实用。
3.?特种智能机器人
特种智能机器人具有较大的应用前景。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,人们开发出了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种智能机器人,如水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世。对不同任务和特殊环境的自适应性,也是智能机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状,而是更加符合各种不同应用领域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增强,从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。
将智能机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”“网络机器人”等名称,这也说明了机器人所具有的创新活力。

1.1.3 智能机器人的特点

智能机器人的特点就是智能,其具体体现在以下几方面。
自主性:是指其可以在特定的环境中,不依赖任何外部控制,无需人为干预,完全自主地执行特定的任务。
适应性:是指它可以实时识别和测量周围的物体,根据环境的变化调节自身的参数,调整动作策略,以及处理紧急情况。
交互性:是指机器人可以与人、外部环境及与其他机器人之间进行信息交流。
学习性:是指机器人在自主感知环境变化的基础上,可以形成和进化出新的活动规则,自主独立地活动和处理问题。
协同性:是指在实时交互的基础上,机器人可以依据需求和任务实现机机协作和人机协同。
智能机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。智能机器人应用是衡量一个国家工业化和信息化发展水平的重要标志。

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