《電子技術(shù)應(yīng)用》
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機(jī)器人 研究未來(lái)世界從此開始

2016-06-06

  隨著機(jī)器人技術(shù)在全世界的發(fā)展,很多人開始在與機(jī)器人相關(guān)的領(lǐng)域工作,一些特有的附屬專業(yè)得到了發(fā)展。首先最大的分化是進(jìn)行機(jī)械臂工作的人和視覺(jué)系統(tǒng)工作的人。早期,視覺(jué)系統(tǒng)在給出機(jī)器人周圍環(huán)境的信息方面看起來(lái)比其他方法更有前途。

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  視覺(jué)系統(tǒng)是通過(guò)攝像機(jī)來(lái)捕獲周圍物體的圖片,然后使用計(jì)算機(jī)算法對(duì)圖像進(jìn)行分析,從而推斷出物體的位置、方位和其他特性。圖像系統(tǒng)最初的成功在于解決定位障礙物問(wèn)題、解決物體操作問(wèn)題和讀取裝配工程圖。人們感到視覺(jué)用于與工廠自動(dòng)化和太空探索有關(guān)的機(jī)器人系統(tǒng)中具有很大潛力。這致使人們開始研究可以通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別機(jī)器零件(特別對(duì)于部分封閉的零件,發(fā)生在所謂的“拾箱”問(wèn)題中)和形狀不規(guī)則的碎石的軟件。

  在“看”和移動(dòng)物體的能力被建立以后,下一個(gè)合理的需要就是讓機(jī)器人做一系列事件的規(guī)劃、去完成一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。這使得規(guī)劃的發(fā)展成為機(jī)器人技術(shù)非常重要的分支。在固定的環(huán)境中制定固定的計(jì)劃相對(duì)來(lái)說(shuō)是很直接的。然而,在機(jī)器人技術(shù)中,面臨的挑戰(zhàn)之一就是,由于誤差或者未計(jì)劃的事件,環(huán)境發(fā)生了未預(yù)料到的變化,此時(shí),機(jī)器人會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境的變化并且修改自身的行動(dòng)。

  視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)航、物體定位和確定它們之間的相對(duì)位置與方位非常有用。然而,當(dāng)在具有環(huán)境約束力的地方,對(duì)于裝配零件或者與其他機(jī)器人一起工作,只有視覺(jué)系統(tǒng)通常是不夠的。因而產(chǎn)生了一種需求:對(duì)環(huán)境施加到機(jī)器人上的力和力矩進(jìn)行測(cè)量,并利用測(cè)量結(jié)果來(lái)控制機(jī)器人的行動(dòng)。多年以來(lái),力控制操作成為了斯坦福人工智能實(shí)驗(yàn)室和遍布世界的其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的主要研究課題之一。力控制在工業(yè)實(shí)踐中的使用始終落后于該領(lǐng)域的研究發(fā)展。這是由于盡管高級(jí)的力控制系統(tǒng)對(duì)于通用的操作問(wèn)題非常有效,但限制非??量痰墓I(yè)環(huán)境的特殊問(wèn)題經(jīng)常只能在有限的力控制甚至沒(méi)有力控制時(shí)解決。

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  今天有大量的、不同的以機(jī)器人為主題的專門性研究,其中有一些是經(jīng)典的工程學(xué)科領(lǐng)域,如運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制學(xué)、機(jī)器設(shè)計(jì)、拓?fù)鋵W(xué)和軌跡規(guī)劃。每一個(gè)學(xué)科在研究機(jī)器人技術(shù)之前都已經(jīng)走過(guò)了一段漫長(zhǎng)的路程,而為了發(fā)展機(jī)器人系統(tǒng)和應(yīng)用,每一個(gè)學(xué)科已成為深入研究機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)方面。

  在理論正在發(fā)展的同一時(shí)間里,工業(yè)機(jī)器人,盡管稍微有些分離,也有了并行的發(fā)展。在日本和歐洲,商業(yè)開發(fā)強(qiáng)勁,美國(guó)也相繼發(fā)展。相關(guān)的工業(yè)協(xié)會(huì)紛紛成立(日本機(jī)器人協(xié)會(huì)在1971年3月成立,美國(guó)的機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)在1974年成立),定期舉行協(xié)會(huì)展覽會(huì),并召開了應(yīng)用導(dǎo)向的技術(shù)會(huì)議。其中最重要的有工業(yè)機(jī)器人國(guó)際研討會(huì)(ISIR)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會(huì)議(現(xiàn)在稱為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)國(guó)際會(huì)議(ICIRT))以及國(guó)際機(jī)器人和視覺(jué)展覽與會(huì)議(這是由RIA每年舉辦的貿(mào)易展覽會(huì))。

  對(duì)于很多人來(lái)說(shuō),機(jī)器人包含著多功能的概念,機(jī)器人即意味著在設(shè)計(jì)和制造時(shí)就具備了容易適應(yīng)或者可被重新編程以完成不同任務(wù)的能力。在理論上,這種想法應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)的,但在實(shí)際中,卻是大多數(shù)的機(jī)器人裝置只能在非常有限的領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)多功能。人們很快發(fā)現(xiàn),在工業(yè)中一般而言,一臺(tái)具有專門用途的機(jī)器要比一臺(tái)具有廣泛用途的機(jī)器表現(xiàn)好得多。而且在制造加工時(shí),當(dāng)產(chǎn)品的產(chǎn)量足夠高的時(shí)候,一臺(tái)具有專門用途的機(jī)器要比一臺(tái)具有廣泛用途的機(jī)器花費(fèi)少。因此,人們開發(fā)出專業(yè)機(jī)器人用于噴漆、鉚接、零部件裝配、壓力加載、電路板填充等方面。在一些情況下,機(jī)器人被用于如此專一的用途,以至于很難劃清一臺(tái)所謂的機(jī)器人與一條可調(diào)整的“固定的”自動(dòng)化流水線的界限。人們理想中的機(jī)器人應(yīng)該是能做“所有事”的萬(wàn)能機(jī)器,因此這種機(jī)器人在大量出售以后價(jià)格將相對(duì)便宜。但是,許多機(jī)器人的實(shí)際情況則恰好與之相反。

  機(jī)器人的概念應(yīng)該與在給定的時(shí)間內(nèi)什么活動(dòng)是與人相關(guān),以及什么活動(dòng)是與機(jī)器相關(guān)聯(lián)系起來(lái)。如果一臺(tái)機(jī)器突然變得能夠完成我們通常和人聯(lián)系在一起的工作時(shí),這臺(tái)機(jī)器就能在定義上被提升而定義為一個(gè)機(jī)器人。過(guò)了一段時(shí)間以后,人們習(xí)慣于這件工作由機(jī)器來(lái)完成了,這個(gè)裝置就從“機(jī)器人”降級(jí)為“機(jī)器”。那些沒(méi)有固定底座和那些具有胳膊或腿狀附件的機(jī)器人更有優(yōu)勢(shì),也更有可能被稱作機(jī)器人,但是很難讓人想到一套始終如一的定義標(biāo)準(zhǔn),并適合目前所有的命名慣例。

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  在包括家用機(jī)器的所有機(jī)器中,擁有微處理器來(lái)指導(dǎo)其行動(dòng)的都可以認(rèn)為是機(jī)器人。除了真空吸塵器,還有洗衣機(jī)、冰箱以及洗碗機(jī)都能很容易地作為機(jī)器人被推向市場(chǎng)。當(dāng)然,還存在著很多的可能性,包括那些具有環(huán)境感知反饋和判斷能力的機(jī)器。在實(shí)踐里,那些被看做是機(jī)器人的裝置中,傳感器的數(shù)量和判斷能力可能由很多、很強(qiáng)一直變化到完全沒(méi)有。

  在最近的幾十年里,對(duì)機(jī)器人的研究已經(jīng)由一個(gè)以機(jī)電整合裝置研究為中心的學(xué)科壯大為一個(gè)寬廣得多的交叉性學(xué)科。被稱作以人為本的機(jī)器人領(lǐng)域便是這樣的一個(gè)例子。在這個(gè)領(lǐng)域里,人們研究人和智能機(jī)器的相互作用。這是一個(gè)發(fā)展中的領(lǐng)域,其中,對(duì)機(jī)器人與人的相互影響的研究已經(jīng)吸引了來(lái)自經(jīng)典機(jī)器人研究領(lǐng)域之外的專家們。人們正在研究一些諸如人和機(jī)器人的情感之類的概念;而且一些像人體生理學(xué)和生物學(xué)等古老的研究領(lǐng)域正在被合并成機(jī)器人研究的主流。這些研究活動(dòng)將新的工程和科學(xué)層面引進(jìn)到了研究實(shí)踐中,從而豐富了機(jī)器人研究領(lǐng)域。這一進(jìn)步是全世界成千上萬(wàn)人的工作成果,這些工作很多都是在大學(xué)、政府的研究實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)里進(jìn)行的。


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