智能机器人的发展历史及现状

课程序号：3908《机器人技术基础》学院:行知学院专业:环境艺术10b2班姓名：虞佳文学号:10746330授课教师:周武提交时间:2011年10月30日成绩:智能机器人的发展历史及现状摘要：作为现代计算技术和IT技术的延伸，机器人正在逐渐走进我们的生活，而高度智能化和特性化正成为个人机器人的鲜明特征。本文针对现代智能机器人的现状和发展趋势进行总结，提出了下一代智能机器人的关键技术——基于经验的记忆学习。关键词：智能机器人；历史；应用；发展状况1）智能机器人的现状我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物”。其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。机器人技术自上个世纪中叶问世以来，经历四十多年发展已取得长足进步，成为提高产业竞争力方面极为重要的战略高技术。目前，机器人关键技术日臻成熟，应用范围迅速扩展，作为计算机、自动控制、传感器、先进制造等领域技术集成的典型代表，面临巨大产业发展机会。国内外业界专家预测，智能机器人将是21世纪高技术产业新的增长方向。2003至2006年间，全球智能服务机器人以每年40%左右的速度迅速增长。当代机器人专家现已达成了共识：作为计算机技术及现代IT综合技术的一个必然延伸，机器人技术完全可能遵循“摩尔定律”，以前所未有的速度实现突破。智能机器人将成为继家电、个人电脑之后、第三个以超常规速度走向我们日常生活的产品。智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当发达的“大脑”。在脑中起作用的是中央计算机，这种计算机跟操作它的人有直接的联系。最主要的是，这样的计算机可以进行按目的安排的动作。正因为这样，我们才说这种机器人才是真正的机器人，尽管它们的外表可能有所不同。我们称这种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了。机器人即将重复个人电脑崛起的道路，机器人将与30年前的个人电脑一样迈入家家户户，彻底改变人类的生活方式。随着机器人技术的深入发展，机器人智能程度在不断提高，进一步拓宽了机器人的应用领域。机器人不但在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。当机器人技术与计算机技术和人工智能科学发展相结合后，机器人成为了具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术综合的成果。它可以获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务，比以往的机器人具有更大的灵活性、自主性和机动性，从而满足更为广泛的应用需求。首先，老龄化社会和残疾人服务对智能服务机器人有极大的市场需求。目前我国60岁以上人口已超过总人口的10%，预计到2015年全国老年人口总数将达到2亿人，人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑战；此外，我国残疾人占总人口比重位居全世界较高国家之列。可以预计，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担，需要一大批服务机器人提供诸如取物、清洁、代步、康复训练等服务、帮助照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他们的生活质量，从而减少整个社会对护理人员数量和质量的需求。其次，智能机器人技术的发展是国家公共安全领域的迫切需求。随着国际反恐斗争形势日益严峻以及地震等自然灾害的频繁发生，侦察、排爆、救灾、攀爬等特种机器人的应用越来越广泛。多机器人系统的智能化研究将有助于实现机器人群真正实现群体间自主协调工作，实现机器人群自主大规模侦察巡逻、抢险救灾和复杂场景的服务等任务。而且机器人可以代替人们在有辐射、粉尘、毒气、高温等极限、危险、特殊环境下进行作业。第三，医学、先进制造等领域的需求。在医学显微分析、细胞级微操作、手术辅助等方面，高精度、高稳定性机器人有巨大的应用价值。机器人在制造业的应用将有效地降低生产成本，提高劳动生产率和产品质量，促进生产的自动化和柔性化，提高产品的改型速度，适应快速变化的市场，满足消费者的需要，从而提高企业的市场竞争能力。第四，教育娱乐需求。我国在校学生人数众多，教育事业对教育机器人的需求将形成一个巨大的市场。在提倡素质教育、通识教育、研究型大学模式的今天，这种寓教于乐的新型教育模式已成为青少年高科技教育的有效手段和工具。同时，我国是世界玩具生产大国，产量已占全球市场的3/4，但由于技术水平方面的原因，目前我国玩具出口主要以加工贸易为主，自主开发的玩具技术含量低。因此，教育娱乐机器人的发展将为玩具生产厂家开辟一个创新源头，为高档玩具开辟一个新的方向。第五，经济增长和提升竞争力的需求。机器人技术具有多学科融合和多技术集成的特点，涉及众多学科领域的尖端技术，其发展水平能够反映出一个国家或地区信息与自动化技术的综合实力。尽管目前发展相对成熟的只有工业机器人，但从发展趋势看，智能机器人具有巨大的市场潜力。智能机器人产业的发展有望为国民经济的发展提供新的经济增长点和推动力，这也正是欧美、日、韩等国家大力发展机器人的重要原因。在我国，“863”计划的十一五规划中明确把“智能机器人”作为专题进行研究并将投入巨额资金支持。同时，机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全可以进入网络世界，发挥更多更大的作用，这对人类开辟新的产业，提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。2）智能机器人的发展现状目前，国内的机器人技术与发达国家相比还有一定的差距。在美国，以军用机器人带动的机器人领先应用。到2010年为止，美国在战争机器人研究项目上的投资将达到40亿美元。美国陆军和海军同时雇佣了道德规范领域的英国专家，协助研制不会违反《日内瓦公约》的新型战争机器。这种机器人既能够自主辨别何时、向谁开枪，也不是像电影《终结者》那样超道德的杀人机器。在日本，政府巨大资助带来的硬件优势。日本人喜欢研发机器人，还有其文化方面的因素。与欧美文化中对机器人的怀疑和不信任不同，日本人一直把机器人当作可信赖的朋友和帮手。在欧美的很多文学和影视作品中，机器人最后总是成为人类的反叛者和毁灭者，而在日本，机器人则是铁臂阿童木这样的可爱形象。此外，在日本传统文化中，山川草木皆有灵性，因此日本人能够接受“有生命”的机器。在日本人的计划中，机器人技术下一步发展重点是家用机器人，跟人一样的、走进人们日常生活的机器人将是机器人开发的方向。目前很多这类机器人都已经进入试用阶段。在韩国，机器人被列为新世纪优先发展的十大产业之一。韩国政府2006年公布了一项家用机器人普及计划。按照计划，如果一切顺利，到2015年～2020年之间，每一个韩国家庭都应该有至少一位机器人。为了实现这一目标，韩国信息通信部已经联合了30多家公司，1000多位来自大学和研究所的科学家。在欧洲，第六及第七框架的近20亿欧元资助。根据欧盟委员会2008年6月10日发表的一份新闻公报,到2010年，欧盟对机器人研发的投资将在2007年的基础上实现翻番，即将斥资4亿欧元来支持机器人的研发活动。同时，欧盟委员会还呼吁欧盟产业界加快机器人重要零部件在欧盟的研发和生产速度，以便能有效应对来自亚洲的激烈竞争和避免对世界其他地区的战略性依赖。目前，欧盟工业机器人制造业处于全球领先地位。全球约1/3的工业机器人是由欧盟机器人制造商制造的。在未来20年中，机器人市场将会成为全球经济的重要组成部分。据国际机器人联合会的预测，2010年前，全球工业机器人市场规模将在目前40亿欧元的基础上年均增长42%。除工业机器人外的服务机器人开拓了新的应用领域，并创造了新的市场机会。国际机器人联合会预计，2008年～2010年，服务机器人市场将以年均10%～15%的速度增长。近些年，国内的科研机构和企事业在机器人的研发领域开展了大量工作。在北京，各高校和研究所已经形成区域优势。北京航空航天大学、清华大学、中科院北京自动化所、北京理工大学等单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果。在上海，政府投入力度很大，举办中国国际机器人展览暨研讨会。复旦大学和上海交通大学等高校都做了很有特色的研究工作。在东北，沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等研究机构在专用机器人方面具有优势。像中科院沈阳自动化所于2000年开发和研制成功六千米无缆自治水下机器人。深圳在机器人产业涉及的计算机、传感器、通讯、精密机械、光电一体化等领域具有优势，在产业发展过程中积聚了优势技术资源和创新能力，同时拥有良好的产业配套能力。作为全国高科技重镇，深圳目前在机器人产业已具备一定的技术实力和产业基础。去年以来，市科信部门已将机器人产业作为未来加快深圳市IT产业升级换代的一个重要技术和产业领域，予以强力推进。2008年10月，由市科技部门支持和中科院深圳先进技术研究院牵头，深圳市机器人产学研战略联盟正式成立，联盟目前已与深圳先进技术研究院“机器人工程中心”和机器人孵化基地联合运作。中国大陆地区首个机器人产业协会—深圳机器人协会也于2009年4月在深圳成立。3）智能机器人发展及展望目前，与智能机器人有关的技术领域进展非常迅速，这为智能机器人的快速发展提供了有力的技术支持。(1)传感器●精确的位置传感器机器人的传感器从最初的超声测距到激光测距；从低分辨率摄像头到高清晰摄像机，机器人的传感器越来越精确，这为机器人精确获得自身位置提供了良好的基础。●触觉传感器人能够在自然界活动自如，很大一部分原因是人拥有灵敏的触觉。机器人的触觉传感器担当了类似的任务，拥有了灵敏触觉传感器的机器人，动作不会像机械一样僵硬。●语音识别人的语言是在长期交流过程中形成的，这方便了人与人之间交流。语音识别技术的发展为机器人提供了听懂人的语言，与人交流的平台。●图像识别人对外界信息的感知80%来自于视觉，图像处理和计算机视觉的发展为机器人能够理解图像，快速处理图像信息提供了强有力的保障。(2)机器人硬件●模块化●MEMS技术应用●物理“softness”●功能“softness”(3)机器人软件●实时获取和集成多源(视觉、听觉、触觉、距离传感、RFID、运动)●快速理解复杂环境●基于多传感器的快速反应软件●可识别用户意图及喜好●跨平台运行●软件模块化随着计算机技术、现代控制技术、人工智能技术、传感技术和制造技术的快速发展，机器自主认知和智能性逐渐成为机器人广泛应用的瓶颈问题。这些问题包括:(1)稳定性差:非结构环境中异常情况下无法正常工作；(2)自主性差:未知环境下不能自主规划，需要太多的人工干预；(3)智能化程度低:只有短期或程序化的记忆，缺乏经验积累，重复错误；(4)服务效率低:缺乏常识和基本推理能力；(5)人机交互困难:人和机器系统不能使用公共的表达。针对上述缺陷以及对人类认知世界的反思，我们发现，几十年来，机器人的认知系统得到了快速的发展，但美中不足的是机器人还无法在具有理解能力的认知框架下保存和利用既往的经验。随着机器人研究的发展和深入，一旦机器人系统具有这种能力，人们在机器人领域一直孜孜以求的研究目标将迎刃而解。众所周知，存储和利用以往经验是智能生物重要的优点。以往的经验可以为人类行为提供丰富的解决方案，以便更好地分析问题、规避困难、预判事件发展，以及归纳总结等。机器人学习、记忆、获取和利用经验将是下一代智能机器人的关键技术。基于对目前现状的深入理解和相关领域的发展趋势，我们提出了一种具有记忆和推理能力的机器人认知架构，该认知架构主要包含五个模块：(1)机器人记忆模块。该模块的主要目标是发展合适的方式来表示机器人记忆中的知识。记忆表示提供不同类型的知识，它们为这些知识类型的不同和关系负责。这些表示应该能够捕捉机器人生存的