第15章 未来机器人

ching

2019/09/02 发布于 教育 分类

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1. 机器人引论 第15章 未来机器人
2. 第15章 未来机器人 o 15.1 机器人的发展趋势 o 15.2 未来机器人的发展与应用前景 o 15.3 未来机器人与人类社会
3. 15.1 机器人的发展趋势 1 传感型智能化机器人发展迅速 o 作为传感机器人基础的机器人传感技术有了新的发展,各种 新型传感器不断出现。 o 多传感器集成和融合技术在智能机器人上获得应用。由于单 一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性,不能满足 智能机器人系统获取环境信息以及系统决策能力。采用多传 感器集成和融合技术,利用各种传感信息,获得对环境的正 确理解,使机器人系统具有容错性,保证系统信息处理的快 速性和正确性。 o 在多传感器集成和融合技术研究方面,人工神经网络的应用 特别引人注目,成为一个研究热点。
4. 2 开发新型智能技术 o 虚拟现实技术是新近研究的智能技术,它是一种对事件的现 实性从时间和空间上进行分析后重新组合的技术。这一技术 包括三维计算机图形学技术、多功能传感器的交互接口技术 以及高清晰度的显示技术。虚拟现实技术可应用于遥控机器 人和临场感通讯等。 o 形状记忆合金(SMA)被誉为“智能材料”。SMA的电阻随温 度变化而变化,导致合金形变,可用来执行驱动动作,完成 传感和驱动功能。 o 多智能机器人系统(MARS)是近年来开始探索的又一项智 能技术,它是在单体智能的发展到需要协调作业的条件下产 生的。多个机器人系统具有共同的目标,完成相互关联的动 作或作业。
5. o 在诸多新型智能技术当中,基于人工神经网络的识别、检测、 控制和规划方法的开发和应用占着重要位置。基于专家系统 的机器人规划获得新的发展,除了应用与任务规划、装配规 划、搬运规划和路径规划外,又被用于自动抓取规划。 3 采用模块化的设计技术 o 智能机器人和高级工业机器人的结构要力求简单紧凑,其高 智能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展;其驱动 采用交流伺服电机,向小型和高输出方向发展;其控制装置 向小型化和智能化发展,采用高速CPU和32位芯片、多处理 器和多功能操作系统,提高机器人的实时和快速相应能力。 机器人软件的模块化则简化了编程,发展了离线编程技术, 提高了机器人的控制系统的适应性。
6. 4 微型机器人的研究有所突破 o 微型机器和微型机器人为21世纪的尖端技术之一。微型驱动 器是开发微型机器人的基础和关键技术之一。 o 在大中型机器人和微型机器人系列之间,还有小型机器人。 小型化也是机器人发展的一个趋势。 一种能钻入血管的机器人想象图
7. 5 应用领域向非制造业和服务业扩展 o 下面为非制造业应用智能机器人技术的一些典型例子: n 太空 空间站服务机器人(装配、检查和修理),机器人卫星 (空间会合、对接与轨道作业),飞行机器人(人员和材料运 送及通讯),空间探索(星球探测等)和资源收集,太空基地 建筑,卫星回收以及地面实验平台等; n 海洋 海底普查和采矿机器人,海上建筑的建筑与维护,海滩 救援机器人,海况检测与预报系统; n 建筑 钢结构自动加工系统,防火层喷涂机器人,混凝土地板 研磨机器人,外墙装修机器人,天花板和灯具安装机器人,外 墙清洗、喷涂、检验和瓷砖铺设机器人,钢筋混凝土结构检验 机器人,桥梁自动喷涂,小管道和电缆地下铺设,混凝土预制 板自动安装等; n 采矿 金属和煤炭自动采掘机器人,矿井安全监督机器人;
8. n 电力 配电线带电作业机器人,绝缘子自动清洗,变电所自动 巡视机器人,核电站反应堆检查与维护机器人,核反应堆拆卸 机器人等; n 煤气及供水 管道安装、检查和修理机器人,容器检查、修理 和喷涂机器人; n 农林渔业 剪羊毛机器人,森林自动修剪和砍伐,鱼肉自动去 骨、切片、分选和包装; n 医疗 神经外科感知机器人,胸部肿瘤自动诊断机器人,体内 器官和脉管检查及手术微型机器人,用于外科手术的多只手等; n 社会福利 老年人和卧床不起的病人护理机器人,残疾人员支 援系统,人工假肢等。
9. 6 开发敏捷的制造生产系统 o 工业机器人必须改变过去那种“部件发展方式”,而优先考虑 “系统发展方式”。机器人作为高精度、高柔性的敏捷性加工 设备的时代必将到来。不论机器人再生产线上起什么样的作用, 他总是作为系统中的一员而生存。 o 通用的工业机器人编程语言仍是动作级语言,虽然开发了很多 任务级语言,但大多是不实用。随着面向对象技术的发展以及 离线编程技术的成熟,任务级语言可能会日趋成熟。但在可以 预见的将来,由于任务的复杂性,实用的语言仍将是动作级语 言。 o 使机器人的编程与机床的数控设备一样,完全可以实现离线编 程,再加上易于大规模安全修改的软件,就可实现“敏捷制造 生产线”。
10. 7 军用机器人将装备部队 美军排爆机器人在执行任务 “反恐一号”机器人
11. 15.2 未来机器人的发展与应用前景 1 未来机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业 o 未来机器人将从目前的以广泛应用于汽车、机械制造、电子 工业及塑料制品等生产领域扩展到核能、采矿、冶金、石油、 化学、航天、航空、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、 食品等工业领域,进而应用在非工业领域中,如农业、林业、 畜牧业、和养殖业等方面。 o 未来机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”,人类将 从繁重的重复单调、有害健康和危险的生产劳动中解放出来, 从而有更多的时间去学习、研究和创造。
12. 2 未来机器人将成为人类探索与宇宙开发、海洋和地 下未知世界的有力工具 o 将人类送入太空进行宇宙探索是非常危险和昂贵的。未来机器 人将代替人从事空间作业和太空探索。目前,航天飞机已经将 仓外作业机器人带入太空进行太空作业,火星探测车已被送到 火星表面上,并成功的完成了预定的探测任务。 o 水下和地底作业对于人类来说是 一项危险作业,也是人类为解决 的难题,水下和地下机器人将解 决这个问题,被用于海底和地底 的探索和开发、海洋和地下资源 的利用、水下作业和救生等。 水下机器人
13. 3 未来机器人将在未来战争中发挥重要作用 o 军用机器人可以是一个武器系统,如机器人坦克、自主式地 面车辆、扫雷机器人等,也可以是武器装备上的一个系统或 装置,如军用飞机的“副驾驶员”系统。舰船作战管理系统、 武器装备的自动故障诊断和排除系统、坦克炮装蛋机器人系 统等。 o 将来可能出现机器人化部队或兵团,在未来战争中将出现机 器人对机器人的战斗。
14. 4 未来机器人将用于提高人类健康水平与生活质量 o 家庭服务机器人可以从事清洁卫生、园艺、炊事、垃圾处理、 家庭维护与服务等作业。 o 在医院,未来机器人可以从事手术、化验、运输、康复和病 人护理等作业。 o 在商业和旅游业中,导购机器人、导游机器人和表演机器人 都将得到发展。智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将 不断增加,各种机器人体育运动比赛和文艺表演将层出不穷。 机器人不再只用于生产作业的工具,大量的服务机器人、表 演机器人、科教机器人、机器人玩具和机器人宠物将进入人 类社会,使人类生活更加丰富多彩。
15. 5 未来机器人与人类共生 o 目前,国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究, 并朝着智能化和多样性化,以及与人类共生方向发展,主要研究内容 集中在以下几个方面: o (1) 工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料, 进一步提高负载自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。 o (2) 机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更 加友好,语言、图形编程界面正在研制之中,机器人控制器的标准化 和网络化,以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。 o (3) 多传感器系统:为进一步提高机器人的智能化和适应性,多种传感 器的使用是其他问题解决的关键,其研究热点在于有效可行的多传感 器融合算法,特别是在非线性及非平稳性,非正态分布的情形下的多 传感器融合算法。另一问题是传感系统的实用化。
16. o (4) 机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化 的方向发展。 o (5) 机器人的遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机 器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器 人的遥控系统,并能够预先显示遥控指令等。 o (6) 虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临 场感技术,实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。 o (7) 多智能体(multi-agent)协调控制技术:这是目前机器人研 究的一个崭新领域,主要对多智能体的群体体系结构,相互间 的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划,群体行为 控制等方面进行研究。
17. o (8) 微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器 人研究的一个新的崭新领域和重点发展方向。过去的研究在该领 域几乎是空白,因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一 场革命,并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的 影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、 控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 o (9) 软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲、 和娱乐场所。传统机器人设计未考虑与人紧密共处,因此其结构 材料多为金属或硬性材料。软机器人技术要求其结构、控制方式 和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机 器人对人是友好的。 o (10) 仿人和仿生技术:这是机器人技术发展的最高境界,目前仅 在某些方面进行了一些基础研究。对于仿生机器人,中科院沈阳 自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器水 下仿生机器人鱼样机。
18. 北京航空航天大学机器人研究所研制的机器鱼
19. 15.3 未来机器人与人类社会 o 随着机器人技术的发展,未来机器人与人类社会将会产生更 加紧密的关系。因此,机器人的“人性化”是当代科技的主 题。作为一个特殊的领域,科学家对机器人的“人性化”还 有一个专门的注解。“类人化”是指未来的机器人能和人一 样进行“人—机”和“机—机”的交流,以及在各种复杂或 者危险的工作中用机器人替代人来进行实际操作。虽然许多 发达国家已经有了某些智能化机器人,但是这些机器人的 “智能”都是通过预置的计算机程序获取的。科学家指出, 灵活的机械构造和具有“自主性”的软件系统是造出真正 “类人化”机器人的关键。
20. 1 机器人医生 o 在未来,如果你要接受手术,给你开刀的也许不是外科医生, 而是机器人。 美国内布拉斯加医学中心研发的微型的“手术机器人”
21. 2 杨利伟的“接班人” o 虽然“载人航天”的技术已 经实现,但是人所能达到的 太空范围是很有限的,更大 范围的太空探测,将由机器 人先行一步——“宇航员机 器人”是未来太空探测的首 选。 美国太空总署设计的太空机器人
22. 3 未来救灾全靠机器人 o 如果在救援中使用机器人,那么救援工作的效率将大大提高。 首先,带摄影头和气体探测器的机器人能凿洞进入地下,以 最短的时间获取地下的情况,在获得有关数据之后,机器人 能迅速制定最有效的救援方案,当机器人找到被救者,它能 与被救者进行交流,以判断被救者的状态。 中国用于核电领 域的首台水下异 物打捞机器人
23. o 随着智能机器人的进化,尤其是有天赋、有思考能力的机器人的 诞生,将对人类社会产生巨大的影响。对于未来的机器人,西方 专家对他们持有两种不同的观点: o 第一种观点认为,高级机器人的出现将会为人类造福,机器人将 对人类社会做出不可估量的贡献。 o 而持有悲观论点的一些科学家则认为,正像原子能的两面性一样, 其一面可为人类做出巨大的贡献(比如发电),另一方面它可以作为 武器杀戮人类,为人类带来灾难。这些持悲观论点的专家害怕机 器人的自主能力加强而失去控制,从而做出一些破坏社会甚至攻 击人类的疯狂行动。
24. o 针对这种观点,有的专家认为,作为人类创造的产物,机器人无 论发展到何种阶段,它永远是人的附属品,它们的大脑再发达, 也必须有人去创造。例如,专家可为高级机器人安上一个“关闭 键”,如果他们因发疯而攻击人类,那么装在他们身上的那个 “关闭键”就可以自动关闭电源。因此,人们大可不必对机器人 的进化感到危机和恐惧。