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一、機(jī)器人向智能化的發(fā)展 機(jī)器人是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，集成了運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)硬件與軟件、控制與傳感器、模式識(shí)別與人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)理論與技 術(shù)。同時(shí)，它又是一類典型的自動(dòng)化機(jī)器，是專用自動(dòng)機(jī)器、數(shù)控機(jī)器的延伸與發(fā)展。當(dāng)前，社會(huì)需求和技術(shù)進(jìn)步都對(duì)機(jī)器人向智能化發(fā)展提出了新的要求。 1． 自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展對(duì)智能機(jī)器人及系統(tǒng)提出了新的需求 隨著社會(huì)進(jìn)步的步伐日益加快，對(duì)自動(dòng)化的需求正在從制造業(yè)向工程、社會(huì)、生活等廣泛領(lǐng)域擴(kuò)展。原來在工廠結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的自動(dòng)機(jī)器或工業(yè)機(jī)器人，適合于 大規(guī)模、較少柔性和變動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)智能程度并無過高要求，而在廣泛領(lǐng)域內(nèi)所需要的自動(dòng)機(jī)器，則要滿足不同的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的不同需求，必須具有綜合集成 和自主的能力，向以技術(shù)集成為特征征的智能機(jī)器人發(fā)展。 2．信息技術(shù)與機(jī)器人的互動(dòng)發(fā)展提升了機(jī)器人的高技術(shù)含量 信息技術(shù)需要載體，用信息化改造傳統(tǒng)工業(yè)和各行各業(yè)，最后都要落實(shí)到用自動(dòng)機(jī)器去完成信息的物化，機(jī)器人就是其載體之一。而另一方面，信息技術(shù)的發(fā)展，特 別是高性能計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)和電子器件、模式識(shí)別和信號(hào)處理、軟件等技術(shù)的進(jìn)展，又可促進(jìn)機(jī)器人本身“智力”和“體質(zhì)”的增強(qiáng)，為機(jī)器人向智能化、多樣化 發(fā)展創(chuàng)造條件，機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)的這種互動(dòng)發(fā)展在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天更為突出，這使機(jī)器人的高技術(shù)含量不斷得到提升，始終處于高技術(shù)研究的前沿。 3．圍繞機(jī)器人的概念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新是國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的重要方面 機(jī)器人由于本身具有無限的想象空間，歷來是概念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新的源泉，無論是在空間、水下、救災(zāi)、服務(wù)、醫(yī)療、娛樂……領(lǐng)域，都可根據(jù)需要設(shè)想出具有對(duì)應(yīng) 功能的智能機(jī)器人，而且這種想象空間由低到高，永無止境。當(dāng)前，由于自動(dòng)化的概念正在急速向廣泛領(lǐng)域擴(kuò)展，而信息技術(shù)的發(fā)展又極大地提高了機(jī)器人的智能程 度，使這種想象空間的擴(kuò)展有了需求和實(shí)現(xiàn)的可能，從而會(huì)更加激勵(lì)圍繞機(jī)器人的概念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，并蘊(yùn)含著產(chǎn)生各種競(jìng)爭(zhēng)前核心技術(shù)的可能性，從而必然是國(guó) 際科技創(chuàng)新的重要競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。 4．機(jī)器人是自動(dòng)化領(lǐng)域中富有代表性和生命力的亮點(diǎn) 機(jī)器人是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，但隨著機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境和任務(wù)的復(fù)雜化，在非結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境下的信息綜合與處理、針對(duì)復(fù)雜任務(wù)的規(guī)劃和協(xié)調(diào)的難度和影響變得突出， 需要采用信息反饋、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)集成的理論、方法與技術(shù)去解決，控制學(xué)科在系統(tǒng)優(yōu)化和綜合集成方面的優(yōu)勢(shì)，將越來越在智能機(jī)器人中發(fā)揮主導(dǎo)作用。而智能 機(jī)器人作為一種自動(dòng)化系統(tǒng)，無論在理論與技術(shù)的覆蓋面與前沿性、與各種先進(jìn)信息技術(shù)的結(jié)合以及物理實(shí)現(xiàn)的多樣性方面都是其它任何一類自動(dòng)化系統(tǒng)所不能比擬 的。因此，機(jī)器人在自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)中的代表性和地位將隨著其應(yīng)用范圍的拓寬、所采用信息技術(shù)的更新和智能程度的提高，得到進(jìn)一步的認(rèn)可。 二、智能機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù) 在機(jī)器人向智能化的發(fā)展中，多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)是一類具有覆蓋性的技術(shù)集成平臺(tái)。如果說單個(gè)機(jī)器人的智能化還只是使個(gè)體的人變得更聰明，那么多機(jī)器人協(xié)作系 統(tǒng)則不但要有一批聰明的人，還要求他們能有效地合作。所以它不僅反映了個(gè)體智能，而且反映了集體智能，是對(duì)人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的想象和創(chuàng)新探索。 多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用背景，它與自動(dòng)化向非制造領(lǐng)域的擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，由于應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)向非結(jié)構(gòu)化，多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)任務(wù)的變化以及 環(huán)境的不確定性，必須具有高度的決策智能，因而，對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作的研究已不單純是控制的協(xié)調(diào)，而是整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與合作。在這里，多機(jī)器人系統(tǒng)的組織 與控制方式在很大程度上決定了系統(tǒng)的有效性。 多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)還是實(shí)現(xiàn)分布式人工智能的典范。分布式人工智能的核心是把整個(gè)系統(tǒng)分成若干智能、自治的子系統(tǒng)，它們?cè)谖锢砗偷乩砩戏稚?，可?dú)立地執(zhí)行任 務(wù)，同時(shí)又可通過通信交換信息，相互協(xié)調(diào)，從而同完成整體任務(wù)，這無疑對(duì)完成大規(guī)模和復(fù)的任務(wù)是富有吸引力的，因而很快在軍事、信及其他應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣 泛重視。多機(jī)器協(xié)作系統(tǒng)正是這種理念的具體實(shí)現(xiàn)，其中每機(jī)器人都可看作是自主的智能體，這種多智體機(jī)器人系統(tǒng)MARS（Multi— AgentRoboticSystems）現(xiàn)已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。 多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由于具有移動(dòng)功能，能在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下完成復(fù)雜任務(wù)，是多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)中最具典型意義和應(yīng)用前景、也是得到最廣泛研究的一類系統(tǒng)。以下就以多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)為代表，介紹智能機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)： 1．體系結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)中機(jī)器人之間邏輯上和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系，以及問題解能力的分布模式，它是多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作行為的基礎(chǔ)。一般地，多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為集中式（Centralized）和分式（Distributed）兩種。集中式體系結(jié)構(gòu)可用一個(gè)單一的主控機(jī)器人（Leader）來 規(guī)劃，該機(jī)器人具有關(guān)于系統(tǒng)活動(dòng)的所有信息。而分布式體系結(jié)構(gòu)則沒有這樣一個(gè)機(jī)器人，其中所有機(jī)器人相對(duì)于控制是平等的。盡管集中式體系結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)全局最 優(yōu)求解，但因考慮到不確定性影響，實(shí)際上人們更偏好分布式結(jié)構(gòu)。近年采，在分布式體系結(jié)構(gòu)中，為了克服機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中對(duì)環(huán)境建模的困難，，提高多移動(dòng) 機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的魯棒性和作業(yè)能力，一些學(xué)者采用了基于行為的反應(yīng)式控制體力，一些學(xué)者采用了基于行為的反應(yīng)式控制體系結(jié)構(gòu)，將合作行為建立在一種反應(yīng)模 式上，加快了移動(dòng)機(jī)器人對(duì)外界的響應(yīng)，避免了復(fù)雜的推理，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 2．感知 感知是智能機(jī)器人行動(dòng)的基礎(chǔ)，包括“感覺”（傳感）和“知道與理解”信息融合與利用）。在移動(dòng)機(jī)器人中最主要的感知問題是定位和環(huán)境建模問題[7]o雖然 已有里程計(jì)推算、基于視覺的路標(biāo)識(shí)別、基于地圖匹配的全局定位、陀螺導(dǎo)航、GPS等多種定位方法，但在未知非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，目前有GPS才能實(shí)現(xiàn)可實(shí)用的全 局定位。但GPS同時(shí)受到精度、安全等因素的限制。如何借助機(jī)器人之間的配合提高定位和環(huán)境建模能力，是研究多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)智能的重要內(nèi)容。近年來，提 出了多種環(huán)境地圖建立與定位的同步處理方法[8]，其中環(huán)境建模與定位過程是相互伴隨的，兩者在彼此迭代的過程中逐步清晰化，但往往要求苛刻的環(huán)境條件。 此外，在不少協(xié)作任務(wù)中只需要合作者間的相對(duì)位置信息，如編隊(duì)及局部避碰等，因此基于傳感器的局部定位也受到關(guān)注，機(jī)器人之間通過超聲、紅外、激光或視覺 等傳感器相互探測(cè)，然后通過統(tǒng)計(jì)、濾波等算法進(jìn)行信息融合，由此得到系統(tǒng)中各機(jī)器人的相對(duì)位置。 |
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