人工智能核心技术

4 机器人技术

    机器人技术（Robotics）将机器视觉、自动规划等认知技术整合至极小却高性能的传感器、致动器、以及设计巧妙的硬件中，这就催生了新一代的机器人，它有能力与人类一起工作，能在各种未知环境中灵活处理不同的任务。例如无人机，还有可以在车间为人类分担工作的“cobots”，还包括那些从玩具到家务助手的消费类产品。

图4 机器人

机器人的分类

    关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式：

    示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

    数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

    感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

    适应控制型机器人：机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。

    学习控制型机器人：机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

    智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

    我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

机器人的组成部件

    机器人作为一个系统，它由如下部件构成：

    机械手或移动车，这是机器人的主体部分，由连杆，活动关节以及其它结构部件构成，使机器人达到空间的某一位置。如果没有其它部件，仅机械手本身并不是机器人。（相当于人的身体或手臂）；

    末端执行器，连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务。机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。（相当于人的手）

    驱动器，驱动器是机械手的“肌肉”。常见的驱动器有伺服电机，步进电机，气缸及液压缸等，也还有一些用于某些特殊场合的新型驱动器。驱动器受控制器的控制。

    传感器，传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。机器人控制器需要知道每个连杆的位置才能知道机器人的总体构型。人即使在完全黑暗中也会知道胳膊和腿在哪里，这是因为肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器将信息反馈给了人的大脑。大脑利用这些信息来测定肌肉伸缩程度进而确定胳膊和腿的状态。对于机器人，集成在机器人内的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给控制器，于是控制器就能决定机器人的构型。机器人常配有许多外部传感器，例如视觉系统，触觉传感器，语言合成器等，以使机器人能与外界进行通信。

    控制器，机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。假如要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须为35°，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器（输送电流到电动机），使驱动器运动，然后通过关节上的反馈传感器（电位器或编码器等）测量关节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。

    处理器，处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并且监督控制器与传感器协调动作。处理器通常就是一台计算机（专用）。它也需要拥有操作系统，程序和像监视器那样的外部设备等。

    软件，用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系统，用来操作计算机。第二块是机器人软件，它根据机器人运动方程计算每一个关节的动作，然后将这些信息传送到控制器，这种软件有多种级别，从机器语言到现代机器人使用的高级语言不等。第三块是例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序），或者是为了执行特定任务而开发的。

    在许多系统中，控制器和处理器放置在同一单元中。虽然这两部分放在同一装置盒内甚至集成在同一电路中，但他们有各自的功能。