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机器人时代

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人工智能,千秋大计

2015年1月23日,日本政府公布了《机器人新战略》

日本《机器人新战略》提出三大核心目标,即:“世界机器人创新基地”、“世界第一的机器人应用国家”、“迈向世界领先的机器人新时代”。

未来,机器人在“服务业”与“医疗护理”中的应用将占据相当大的市场份额。日本经济产业省发布的《2012年机器人产业市场趋势》报告显示,2035年,日本机器人市场50%左右的订单来自服务业的需求。

这份报告中的服务业,主要包括医疗护理、物流、教育、娱乐、家政等。而日本《机器人新战略》中将应用领域分为四大部分,即:“制造业”、“服务业”、“医疗护理”、“公共建设”。种种迹象显示,未来,机器人在“服务业”与“医疗护理”中的应用将占据相当大的市场份额。

机器人时代

政府产业布局

政策规划,产业契机

相关数据显示,中国2014年一年的机器人销售量为57100台,而此前从未达到这个数字。

这种爆发式增长将在预测期内继续:2018年中国的机器人的安装量的占比将超过世界的1/3。

Technavio最新报告显示,2012年至2016年全球服务机器人销量复合增速已高达19%,超过工业机器人6%的复合增速,到2016年将达到607万台。

而在中国,由于消费需求的拉动和国家相关政策的鼓励,这股风潮也在快速升温。

“机器人的大脑”与人脑有什么区别

“机器人的大脑”与人脑有什么区别

机器人之所以称为“人”,是因为它有自己的“大脑”。机器人的“大脑”应具有人工智能,具有自动收集信息、判断、推理、执行的能力。目前,机器人的“大脑”是电脑,电脑还远远比不上人的大脑。因为

①电脑的可靠性差。电脑是由磁、硅等电子元件组成的,只要有

一个元件损坏,整个电脑就不能正常工作了,根本谈不上自行修补,可靠性相对较差;而人脑的元件是神经细胞,总数达149亿个,即使有10%的神经细胞受损,仍然能正常工作,同时受损的细胞有些还能自行修复,因此,人脑的可靠性强。

②电脑的效率低。与当前电脑不同的是,人脑不仅非常完善,而且体积小,能耗少,效率高。人脑有149亿个神经细胞,体积才O. OOl5平米,所需的能量只有1OW左右。人的眼睛、耳朵比电脑输入输出设备要小得多,效率要高得多。

所以,要发展机器人,就必须详细研究人的大脑的神经活动。机器人“大脑”的工作能力之所以远不如人脑,主要是两者间的“基本元件”不同。目前电脑的基本元件是集成电路,人脑的基本元件是神经细胞。要想模仿人脑制造出具有定思维能力的电脑,首先必须模仿神经细胞制造出电脑的基本元件。目前,这种研究正在进行之中。

机器人的动力

 

机器人的动力

 

机器人的运动,从物理的角度讲,是一种机械能的表现。但是外界输给机器人的能量是如何转变为机械能的呢?机器人的动力源又是什么呢?

机器人的前身,即那些自动偶人和自动钟,大多借助于发条,也就是机械能之间的传递。今天的机器人动力源已变得多种多样,有气动的、液压的、电动的。气动的和液压的动力源有一个共同点,即通过一个阀门来控制。当机器人接收到一个控制信号时,阀门打开,活塞高压气体或高压液体通过阀门推动活塞运动伸长,若另一个阀门打开,就收缩。它们带动机器人肢体运动,达到做功的目的。

气动与液压动力源除了控制上的共同点外,最大的区别源于气体与液体的特性。气体可以被压缩,而液体不能被压缩。气动动力多用于负载较轻、精度不高的机器人驱动上,液压动力则多用于负载较重、精度较高的机器人驱动上。由于近几年来电动动力的发展,气动和液压动力有被取代之势,但是由于它们的防爆炸性能比电动的好,战在喷漆等应用领域仍占据优势。

电动动力源应用比较广泛,它的种类也比较多。有一种步进电机,当控制信号传来,电机即可转动一个角度,同时带动关节轴转动一个小角度,随着控制信号的加入,电机就一步一步地转动。当信号停止时,电机就停止运动。由于这种电机输出力矩比较小,又加上输出的角度不需返回与控制信号比较,转角是否达到原来要求并不知道,因此在输出受到较大力的阻挡时,可能会造成误差。所以在负载较大、精度要求较高的情况下,一般不采用这种动力源。

在电动动力源中,用得最多的是伺服电机。这种伺服电机可以使控制达到较高的精度,因为它实现了一种闭路控制。这种伺服电机发展很快,有直流伺服电机、直接驱动直流伺服电机、直流无刷伺服电机等。这些动力源的优点主要是本身的重量轻而输出力矩大;动作准确、反应快;安全可靠、寿命长;价格也比较便宜。

除了上进这些动力源外,科学家们正在研宄更类似人肌肉的动力源。前不久,日本东北大学一位教授研制出新型的机器人肌肉——静电促动器”。这是很多个波纹形薄膜片重叠在一起的装置,薄膜片的表面都涂上了绝缘漆。当给这种装置加上电压时,金属膜片产生的静电吸引力使各个金属膜片之间相互强烈地吸引,使之整体收缩,就像人的肌肉收缩一样。当去掉电压时,由于静电吸引力消失,薄膜片又恢复了原状,像人的肌肉松弛一样。

还有些科学家正在研制一种聚合物“肌肉”,当通电时,这种聚合物肢体就像人的肌肉一样收缩,当切断电源时,聚合物肢体就松弛了。这也是一种电能转换成机械能的过程。当然,这种聚合物的“肌肉”要达到实用水平,恐怕还要一段时间的努力。科学技术发展得这么快,谁知道还会有什么新的机器人动力源出现呢?

 

机器人的皮肤

机器人的皮肤

人的皮肤主要起保护内脏,排除汗液,感觉事物等作用。那么机器人的皮肤有什么用途呢?机器人的皮肤,并不仅仅指的是外部构造(那只相当于人的衣服),更主要指的是它的身体感觉部分,也就是相当于人的触觉部分。

机器人的皮肤触觉具体包括触觉、压觉、滑觉、硬度觉以及冷热觉等。这对于机器人的行动有着重要意义。机器人的触觉系统由触觉传感器及其控制部分组成,触觉能检测机器人的手是否碰到、抓到了物体,前面是否遇到了障碍物,并可了解物体的大致形状。压觉可以检测到机器手与物体之间的压力大小,从而确定出物体抓牢程度大小,调整抓握物体的方式。滑觉可以检测机器手与物体的滑动程度,测出物体切向力的大小,从而决定如何使物体不脱手。机器人的硬度觉和冷热觉可以帮助机器人判断物体的性质,从而决定是否握取物体。

机器人的神经

机器人的神经

20世纪40年代末,维纳创立的控制论和香农提出的采样定理可以说为机器人神经网络的控制奠定了理论基础。控制在机器人动作中是一个核心问题,与能源、信息、执行机构都直接发生着关系。

第一代机器人具有最基本的控制能力,它的主要特点是,除了人赋予的动作命令外,不接收其他的外部信息。它所接收的信息,都是机器人机体的内部信息。那么,当人命令机器人腰部转动90度时,它的神经网络是如何控制的?当人把“腰转动”的命令输入电脑时,电脑会产生控制信号,信号放大器接受命令并将其放大,再传给驱动装置。驱动装置也就是电动机,电动机转动时能带动机器人的腰关节转动。为了使之转动得快速、平稳,人们在其躯体上的适当位置安装了各种感觉装置,也称之为传感器。这些传感器可以测出转动的加速度、速度以及转角,这些测量结果,都作为机器人机体的内部信息反馈给电脑。反馈信号送到电脑中与控制信号比较,如果相等,说明关节的转动角度已符合要求,即转了90度,误差信号为零。这时,电动机就停转了。如果反馈信号与控制信号不相等,其中的误差信号将使电动机继续转动,直到转动角度符合要求为止。

加速度反馈信号和速度反馈信号,可以起到调整转动的动态品质的作用,即调节其转动过程中是否有大的振荡,达到预定值的时问是否太长等等。这些就要涉及到控制系统设计中的更多理论知识了。这只是一个腰关节的控制,而实际上,机器人可能有好几个关节,如上肢的肩关节、肘关节、腕关节(包括腕的上下、左右摆动及旋转),这样就有六个关节,需要有六个这样的关节控制。当然,随着控制关节数的增多,必须考虑相互之间的协调,控制起来就更难了。计算机这个机器人的“大脑”,就是通过整个神经网络来解决这些问题,完成人对机器人的系列动作要求。

机器人的语言

 

机器人的语言

机器人与人之问的信息交流,如向人报告情况、接收指令等,主要是靠语言。机器人的语言发出部分就是它的嘴巴。机器人的嘴巴由扬声器和语音

合成与处理系统组成。机器人的语言发出方式有三种。一种是较为简单的语音系统,就是在磁介质或语音芯片中预先存储好常用的单词和短语,需要

时,由控制系统根据所要表达的内容合成相应的语言段,再通过扬声器传播出去。这种语言发出方式较为简单、直观叫作语音编辑方式。

另一种语言发出方式,叫作参量合成方式。它将人的语音事先进行了深入地处理,分成相应的参量,作为基本数据,存储在机器人的语音仓库中。

当需要表达时,由合成系统根据相应的语义,利用语音参量进行合成,最后以语音波的方式,将语言信息传播出去。

还有种语言发出方式,叫作法则合成方式。它直接将语音信息变换成个个音素,固化在芯片中。需要时,再合成为相应的语言输出。这种方式是最

为复杂的语言输出方式。

机器人的耳朵

 

机器人的耳朵

机器人的语言接收部分当然就是它的耳朵了。机器人当然不能是聋子,它必须要有自己的耳朵,即语言输入系统。机器人耳朵的工作原理与它的语言输出系统相仿,它把这过程逆过来就行了。机器人的耳朵实际上就是它的话筒以及相应的语音识别系统。机器人接收到语音后,把它分解转换为相应的参量,如数字方式的信息,与预先储存在机器人电脑巾的参量进行比较,就能“明白”语言的内容,以便通过相应的控制系统,采取与语言指令相应的行动。

较为先进的语音接收系统,则是将话筒收到的语音信息,通过模,数转换器,转换为进制数字信息,然后存储起来。接着将这语音数字信息进行加工,计算出它们特参量的正规矢量。最后,求出正规矢量,将它与机器人电脑中存储的语音标准值进行比较,就能明白所发出的语音中的信息。这样,机器人就可以按指令做工作了。

机器人的眼睛

机器人的眼睛

人类获取的外界信息的80%来自于眼睛,机器人更是如此。机器人如果没有眼睛,就什么也干不成。机器人的眼睛,也就是视觉器官,它要获得环境中有关各种信息,如形状、位置、大小、颜色、物体的形态(固体还是液体)等等,就必须有眼睛。机器人的眼睛不但要能获得上述各种信息,还要把它们准确地传递到大脑中去,也就是说,要有视神经。因此,机器人的眼睛,应是由视觉器官即视觉传感器以及相应的视觉传输控制系统组成。

机器人的视觉器官是种视觉传感器,可以用光学系统,或者用超声波传感系统。若采用光学系统,就要有一台摄像头和三维图像数据处理系统,由它们来采集环境中物体的各项数据,并将这些数据传到机器人的大脑即电脑中去。电脑对这些数据进行处理,如进行坐标校准等,再与储存在里面的各种物体的数据进行比较,机器人就能“看到”前面是什么物体,它们具体在哪里了。

若机器人采用超声波系统,就要有超声波的发射和接收系统。它利用发射和接收到的超声波所需时问等信息进行准确定位;利用接收到的反射波的波形数据(波峰和波谷情况等),判断物体的形态和类别。

机器人的大脑

机器人大脑

在电子计算机发明出来以前,机器人可以说没有“大脑”。机器人只不过是机器手,根本谈不上是机器人。计算机的发明使机器手终于“进化”成为机器人了。机器人的大脑就是一台灵巧的计算机,这样机器人就不再是被动地工作,而是成了能主动采集数据、独立作出分析判断和推理、具有自我学习能力的“高级助手”了。

机器人的大脑可以说是机器人的控制巾心。它能记忆知识、进行运算、逻辑判断、进行简单的联想预测;它能对其动作的轨迹进行快速计算,从而确定手臂和关节坐标的数据,控制手臂、腿脚的自由移动;它还能适时控制各种传感器,进行信号接收和处理;它还应有自我诊断、修复功能。具有这样功能的机器人,它的大脑应是一台特殊的电脑,即拥有实时操作系统、能进行人机交流的高级语言、运算速度极高的电脑。

由于目前机器人的大脑是由机械和电子器件构成的,效率、稳定性、可靠性等都不高,这就阻止了机器人的进一步发展。为了使机器人有更强大的功能,我们必须研究人类的大脑。因为,人之所以成为“万物之灵”,就是因为有一个比任何动物都发达的大脑。发展智能机器人,就是要造出能模仿人的大脑工作的真正的“脑”。人脑的140亿个细胞仍然是科学家们研究的核心目标。随着生物学、脑神经科学和微电子科学技术的迅速发展,科学家们的设想将能够逐步实现。这种大脑能够模仿人的某些感觉和思维功能,进行逻辑推理,作出判断。按定的规则输入信息,它就能根据脑中储存的信息,进行比较分析,并输出结果,从而代替了人脑的部分劳动,更进步地解放生产力。

机器人的组成

机器人组成

我们人类有手,能做各种各样的动作;有腿有脚,能走路;有眼睛,能看到东西;有嘴巴,能说话;有耳朵,能听到声音;有皮肤,能感觉到凉热软硬,知道碰上了什么东西;有大脑,能思维。我们研制机器人是为了代替人的工作,也要有这样的功能。它们又是通过什么样的组成和结构来实现这些功能的呢?

为了自身的移动,机器人必须有自己的下肢,即腿或脚。现在,双脚行走的机器人也已研制出来。本着从易到难的原则,科学家们研制出了轮式、六腿、四腿机器人。

为了控制手臂和腿的活动,机器人还必须要有大脑,能进行逻辑推理和数字计算,也就是要有电脑。这样,机器人才知道什么时候能动、怎样动。

为了能获取或移动物体目的机器人还必须有自己的视觉和触觉。

这就需要机器人有类似人类眼睛和皮肤的图像接收器和各种传感器,一种类似于神经系统的信号传递系统。

为了能正确发出和接收语音信息,智能程度较高的机器人还应有自己的嘴巴和耳朵。机器人的嘴巴和耳朵是由语音输出、接收、识别和处理系统组成的。