随着科技的进步,智能手机、智能计算机以及各种智能传感装置和处理装置的发展,整个社会变得越来越智能化,这也为智能机器人的发展提供了各种技术基础和手段。机器人在人类生产生活中发挥着越来越重要的作用。未来的机器人一定会向更专业、更智能的方向发展。
机器人()是一种智能地、自动地执行工作的机械装置。它可以接受人类的命令,运行预先编码的程序,按照人工智能技术制定的原理程序行动。任务是辅助甚至替代大量的人类机械性重复性工作,比如生产、施工,或者危险系数高的工作。
“苦力”一词最早出现在1920年捷克戏剧家卡雷尔·恰佩克的科幻剧《罗森的万能机器人》中。捷克语中是“苦力”的意思,中文翻译是“机器人”的意思。机器人这个词看起来像人类的机器。事实上,在机器人世界里,它们可以大到巨人,也可以小到细胞、昆虫和任何生物。
1939年,西屋电气在美国纽约世博会上展出公司这个机器人由电缆控制,会走路,会说77个单词,会抽烟。
1942年,美国科幻大师阿西莫夫提出了“机器人三定律”,即①不允许袖手旁观和看着人类受苦,更不允许伤害人类;(2)机器人必须绝对服从人类,除非这种服从对人类有害;(3)机器人可以保护自己不受伤害,除非被命令为保护人类或人类而做出牺牲。
1954年,在达特茅斯会议上,马文·明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创造出周围环境的抽象模型”,这一定义对未来30年智能机器人的研究方向产生了影响。
1956年,美国人乔治·德沃尔制造了世界上第一个可编程机器人,并申请了专利。
1959年,德瓦尔和美国发明家约瑟夫·恩格尔伯格制造了第一台工业机器人。随后,世界上第一家机器人制造工厂成立——公司。
1962年,美国AMF公司用...生产公司同样的产品成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了世界性的机器人研究热潮。
1965年,美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室成功研制出一种可以通过声纳系统、光电管等装置定位,并能根据环境修正自身位置的机器人。
从20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学和英国爱丁堡大学相继成立机器人实验室,开始系统研究机器人。
1968年,美国斯坦福研究所宣布了他们研制成功的机器人。它是世界上第一台智能机器人,拉开了第三代机器人研发的序幕。
1969年,日本早稻田大学的加藤一郎实验室研制出第一台用双脚行走的机器人。加藤一郎长期致力于人形机器人的研究,被誉为“人形机器人之父”
1973年,世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,美国诞生了。 公司机器人T3。
1978年,美国公司通用工业机器人PUMA的推出,标志着工业机器人技术已经完全成熟。彪马至今一直在工厂一线工作。
1984年,恩格尔伯格再次推机器人。该机器人主要是医疗辅助机器人,可用于医院在医院帮助病人送饭、送药、发邮件。
1990年,中国学者周海中教授在他关于机器人的文章中预言,到21世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。
乐高,丹麦,1998公司机器人思维工具包(robot Mind- kit)的推出成功地让机器人制造变得像搭积木一样简单,而且可以随意组装,因此机器人开始进入个人世界。
1999年,日本索尼公司AIBO狗机器人一经推出,立即销售一空。自此,娱乐机器人成为机器人进入普通家庭的方式之一。
2000年,是机器人领域的关键时刻。可以通过预编程对用户的查询进行反馈的聊天机器人出现在老款即时通讯AIM上,这是Siri等语音搜索工具的早期版本。
2011年后,语音搜索推动了AI助手的出现,机器人的消费也大幅增长。
图1显示了机器人的结构。它由三部分组成:输入设备、控制器和输出设备。从这个角度来看,机器人是各种设备高度集成的机器。
图二是特斯拉机器人组装工厂一角,这是目前最先进的工业机器人。
他们可以一起组装一辆汽车。它和我们想象中的机器人最大的区别就是它会协同工作。
机器人的工作模式是see - act,于是自然形成了一个“感知-规划-行动”(SPA)的结构,如图3所示。
从感知进行映射,通过构建一个内部世界模型,然后从这个模型中规划出一系列的动作,最后在真实环境中实施这些规划。相应的软件结构称为经典模型,也称为层次模型、功能模型、工程模型或三层模型,是一种自顶向下执行的可预测的软件结构。
SPA机器人系统最典型的结构是建立三个抽象层,分别称为驾驶层()(最低层)、导航层()(中间层)和规划层()(最高层)。传感器获得的数据在经过以下两层预处理后,到达最高的“智能”层以做出实施决策。实际的驾驶(如导航和驾驶功能)由下面几层执行,最底层再次成为与汽车的接口,并向机器人的执行器发送驾驶指令。
将各种传感器、控制模块、执行部件等设备组合起来构建一个机器人系统面临着许多复杂的问题,这样机器人专用的中间件将发挥巨大的作用;机器人的研发需要各种设备的高度集成。如果我们从零开始开发机器人,我们将需要在技术、时间和金钱上投入巨大的成本。通过总结机器人所需的各种软件元素,为机器人开发中间件,将大大提高机器人二次开发的效率,使人们能够实现高速开发,提高可维护性,与外部系统更加灵活。
收到信息和命令后,机器人将命令组合起来执行一系列任务。这样,机器人往往需要随时获取指令和使用外部资源,尤其是存储在云服务器中的资源。
开发者在实际研发和制造机器人时,最大的难点是如何将多个组件组合成一个整体系统。机器人专用中间件可以很好地帮助解决这个问题。机器人专用中间件有两种:RT和ROS。RT有开源版本;ROS()是欧美广泛使用的机器人开发开源平台。
物联网将设备连接到互联网。当云计算和机器人结合在一起,就变成了云机器人。以前生产线上的设备都是用PLC控制器编程,设备被控制在很小的范围内。现在,由于物联网技术的快速发展,物联网机器人应运而生。
机器人通常可以分为三个部分:感知、认知和行为控制。感知是基于视觉、听觉和各种传感器的信息处理;认知部分负责更高级的语义处理,如推理、规划、记忆和学习。行为控制部分专用于控制机器人的行为。
柔性机器人技术是指在机器人的研究、开发、设计和制造中使用柔性材料,控制方式为记忆合金和气体驱动。柔性材料因其可以可控地改变形状而被广泛应用于管道故障检测、医疗诊断、调查和检测。目前成功应用的方向:机器人抓取,柔性机器人在抓取柔软易碎的物体方面优于传统的刚性机器人;医疗康复和辅助可穿戴柔性设备目前也取得了成功。
液态金属就是液态金属,主要用于消费电子领域。这种金属具有熔化后成形能力强、硬度高、耐腐蚀、耐磨性高的特点。
《终结者》中液态金属机器人的身体是由可以恢复记忆的液态金属制成的,每一滴液态金属都是它的CPU。这些CPU具有独立的思维,既可以独立工作,也可以自组装,相互协作。
继2014年发现电控可变形液态金属后,清华医学院与中科院理化技术研究所合作,于2015年3月研制出无需外部动力即可自主移动的液态金属机器。这一成果为开发实用的智能电机、血管机器人、流体泵送系统、柔性致动器甚至更复杂的液态金属机器人奠定了基础。
肌电控制技术是指利用人体肌电信号控制机器人手臂的技术,可以增强人机交互的自然性和主动性,主要应用于远程控制、医疗康复等领域。肌电控制技术是典型的生物电控制的“人机系统”。目前比较成熟的应用是肌电控制的假肢,与其他方法控制的假肢相比有很多优势。
触觉技术采用基于电学原理和微粒触觉技术的新型触觉传感器。目前,光子皮肤仍在研发中,它使机器人拥有类似人类皮肤的灵敏触觉,从而使机器人对物体的形状、纹理和硬度更加敏感,最终能够胜任医疗、探索等一系列复杂任务。
语音交互技术是指语音识别、深度语义理解等技术的深度融合,使机器更加智能,使人与机器的交互和人与人的交互一样。
这种交互方式让机器人像是你的一个朋友,而不是一个机器人,可以让人有一种自然的交互体验。
情感识别技术是指通过综合人的面部表情、语音特征、肢体语言等多状态特征,通过感知技术的综合判断,对人的情感乃至心理活动进行有效识别,使机器人获得类似人类的观察、理解和反应能力。该技术可应用于残疾人康复、刑事调查和鉴定、救灾和娱乐体验。
脑机接口(Brain-computer interface,BCI)技术通过对神经系统的电活动和特征信号的采集、识别和转换,使人脑发出的指令直接传输到指定的机器终端。这项技术对于人类和机器人之间的交流具有重要意义。
脑机接口(BCI)是神经工程领域的领先技术。通过解码大脑活动信号获得思维信息,可以实现人脑与外界的直接交流。顾名思义,脑机接口是研究如何用神经信号直接与外部机械交互的技术。脑机接口可以分为植入式和非植入式两大类。植入式电极比非植入式电极精度更高,也可以编码更复杂的命令(如3D运动)。不植入更安全,更容易接受。
未来,机器人将接管人类的大部分甚至全部工作,人类的工作将面临巨大的挑战,但机器人也将带来新的职业机会。
机器人离我们的生活越来越近,给人类带来了越来越多的便利。未来机器人和物联网会逐渐结合,深度融合,通过物联网获取参数,为人类和机器人决策提供参考,同时辅助机器人完成一些指令。最终物联网和机器人将深度融合,机器人通过物联网扩展能力,物联网成为机器人的远程触角,物联网和机器人将深度融合,实现更好的为人类服务。