機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析及其未來展望

即使在目前嚴(yán)峻的經(jīng)濟形勢下，仍有面向各個新應(yīng)用領(lǐng)域的機器人不斷涌現(xiàn)出來。在制造業(yè)方面，盡管增長速度受到資金的限制，機器人的數(shù)量仍在不斷增加。另外，醫(yī)療、服務(wù)、空間和軍事領(lǐng)域等機器人市場也在增長中。與此同時，曾經(jīng)是科幻小說素材的消費機器人時代已隨著清掃機器人的出現(xiàn)而到來并開始改變我們的日常家庭生活。

目前的增長并非僅僅是短期的狂熱。許多枯燥、骯臟和危險的工作最終將由機器人來完成，但技術(shù)將如何發(fā)展才能滿足這個未來需求呢？

要使機器人真正成為我們生活中無處不在的東西，必須在下列方面取得技術(shù)進步：

?縮短實時系統(tǒng)響應(yīng)的總時間(從傳感器到執(zhí)行器)以增強機器人的性能；

?具有先進的人工智能以增強自主決策能力;

?傳感器和執(zhí)行器更為小巧和輕便以減小機器人的體積并提高能效；

?具有能量監(jiān)測和發(fā)電能力以延長自主工作時間。

我們可以通過研究機器人技術(shù)的現(xiàn)狀來窺探或展望機器人技術(shù)的未來。把具有代表性的機器人吊上解剖臺并認(rèn)真審視其“解剖結(jié)構(gòu)”無疑是完成這個任務(wù)的好方法。

任何好醫(yī)生都知道解剖研究應(yīng)從器官分類開始，這里，我們首先對機器人的“器官”進行分類。我們可以把機器人的構(gòu)件按照電子功能分為5大類：傳感器、通訊部分、控制部分、執(zhí)行器和電源。

傳感器

除操作程序之外，機器人的輸入絕大部分來自所包含的傳感器。就像我們自己的五官一樣，傳感器向機器人提供有關(guān)外部世界的信息。舉例來說，自主行走型機器人需要了解周圍環(huán)境以便走動，而以感知環(huán)境信息為主要目標(biāo)的機器人需要把信息反饋給遠(yuǎn)程操作員(火星車是一個特別有名的例子)。無論哪種情況，傳感器都是機器人解剖結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

人們已經(jīng)為科學(xué)研究和工程實現(xiàn)設(shè)計出種類繁多的傳感器，許多傳感器可通過電子接口應(yīng)用在機器人中。對機器人而言，CMOS成像器、紅外線測距儀、壓力傳感器和加速度計是更為常見的傳感器。

在大量現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上，機器人傳感技術(shù)的未來將向更小、更輕、性價比更高且更易于整合的方向發(fā)展。

通訊

對于機器人而言，內(nèi)部和外部通訊都是至關(guān)重要的。

內(nèi)部通訊直接決定了操作的實時性。猶如人類的神經(jīng)系統(tǒng)，內(nèi)部通訊把信息從傳感器饋送給處理器或機器人的控制部分。內(nèi)部通信協(xié)議的速度直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

實時性并不是外部通訊的一貫性要求，如下載程序或數(shù)據(jù)文件就不需要即時響應(yīng)。但在某些情況下，如在控制遙控型機器人的運動時，外部通訊的實時性則具有至關(guān)重要的作用，因為任何拖延都可能造成事故。

未來對機器人通訊的要求，不論是內(nèi)部通訊還是外部通訊，都將歸結(jié)為“更快”。特別地，更寬的帶寬和為其它行業(yè)開發(fā)的高速協(xié)議將受到機器人設(shè)計者的歡迎并被加以利用。

控制

控制或處理節(jié)點是機器人系統(tǒng)的“腦”。對傳感器數(shù)據(jù)的處理能力將決定機器人實現(xiàn)先進工作方式的能力。

機器人領(lǐng)域不僅對處理能力有更高的需求，某些控制方面的功能對機器人也很重要。由于機器人需要移動，為使機器人及周圍物件免遭破壞，機器人應(yīng)具有中斷水平的實時處理能力。在某些情況下，碰撞檢測和避障處理在靠近動作機構(gòu)但與主控制節(jié)點分離的處理器中完成。這種類型的外設(shè)控制可以分擔(dān)主處理器的處理負(fù)荷并對刺激猶如“潛意識”般地做出反應(yīng)。

軟件正在成為機器人領(lǐng)域中最重大的研發(fā)領(lǐng)域。研究人工智能，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是使計算機(因而機器人)能夠更好地自己學(xué)習(xí)如何來完成任務(wù)。對控制算法的改進也正在進行中。

在談到MobileRobots公司工程人員的硬件/軟件比例時，該公司首席執(zhí)行官JeanneDietsch說：“我們是一家軟件公司。”事實上，MobileRobots公司生產(chǎn)自己的硬件機器人平臺，而且是少數(shù)幾家這樣做的公司之一，但該公司的創(chuàng)新主要在軟件方面。

在某種程度上，機器人技術(shù)的進步類似于人類物種的進化。對生拇指和其它物理進步必須借助大腦功能的改進才會更好地發(fā)揮作用。

因而，控制和處理基礎(chǔ)設(shè)施的進步是機器人取得實質(zhì)性進化的必要條件。

執(zhí)行器

機器人系統(tǒng)區(qū)別于其它電子系統(tǒng)的特性之一是移動。只有具有移動能力的系統(tǒng)才能歸類到機器人。要使機器人移動，就必須為之提供執(zhí)行器。最常見的執(zhí)動器是電動機(直流、步進或伺服電機)，盡管也使用非電磁(如氣動和液壓)執(zhí)行器。

電機技術(shù)的創(chuàng)新及更好的材料和更先進的制造能力已逐步減小了電機的尺寸并提高了電機的效率，但執(zhí)行器技術(shù)的真正創(chuàng)新將來自其它領(lǐng)域，如可電彎曲的合金。

這些“納米肌肉”將改變機器人移動的方式，幫助機器人設(shè)計師模仿人類和動物的動作。這種合金很輕，其機械性能與我們自己的肌肉相近。

總之，材料領(lǐng)域的研究將向我們提供響應(yīng)速度更快、力量更大、重量更輕、可充當(dāng)為肌型執(zhí)行器的合金。

電源

由于有線電源不適于自行移動的機器人，在機器人中最常見的電源是電池。但電池顯然是機器人長期現(xiàn)場部署的限制因素，而且，如所周知，運動會相對消耗更多的能量。另外，電池可能也是機器人系統(tǒng)中最大和最重的一個部分，對于要求體積小機動性強的機器人來說，這將給機械設(shè)計帶來問題。

因而，機器人行業(yè)將會對電池技術(shù)的任何進步迅速加以利用。

在未來，預(yù)計對自行發(fā)電的機器人的需求將會增加。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了利用太陽能和其它能量收獲方法以增加其能量供給的機器人。電源領(lǐng)域最近的創(chuàng)新之一是RoboticTechnology公司的Eatr機器人(強動力自主戰(zhàn)術(shù)機器人)，它可以收集和燃燒生物體來增加其能量供給。

未來

機器人技術(shù)還有很多創(chuàng)新有待完成。如果該技術(shù)繼續(xù)沿著目前的道路前行，我們將會看到這樣的機器人，成千上萬甚至上百萬的傳感器連接到一些較小的處理節(jié)點，這些節(jié)點連接到更大的中央處理節(jié)點，后者通過遠(yuǎn)程鏈接與中心站及其它機器人進行通訊。這些傳感器將向機器人提供反饋，機器人利用這些信息驅(qū)動輕巧的執(zhí)行器迅速高效地完成手頭的任務(wù)，并在此過程中通過自學(xué)習(xí)不斷改進控制方法。

我們并不懷疑這一切將會發(fā)生，尚不明確的只是何時會變成現(xiàn)實。