機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析及其未來(lái)展望

即使在目前嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，仍有面向各個(gè)新應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)出來(lái)。在制造業(yè)方面，盡管增長(zhǎng)速度受到資金的限制，機(jī)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(jī)器人市場(chǎng)也在增長(zhǎng)中。與此同時(shí)，曾經(jīng)是科幻小說(shuō)素材的消費(fèi)機(jī)器人時(shí)代已隨著清掃機(jī)器人的出現(xiàn)而到來(lái)并開(kāi)始改變我們的日常家庭生活。

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

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

?縮短實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的總時(shí)間(從傳感器到執(zhí)行器)以增強(qiáng)機(jī)器人的性能；

?具有先進(jìn)的人工智能以增強(qiáng)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(jī)器人的體積并提高能效；

?具有能量監(jiān)測(cè)和發(fā)電能力以延長(zhǎng)自主工作時(shí)間。

我們可以通過(guò)研究機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀來(lái)窺探或展望機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)。把具有代表性的機(jī)器人吊上解剖臺(tái)并認(rèn)真審視其“解剖結(jié)構(gòu)”無(wú)疑是完成這個(gè)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(kāi)始，這里，我們首先對(duì)機(jī)器人的“器官”進(jìn)行分類。我們可以把機(jī)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(jī)器人的輸入絕大部分來(lái)自所包含的傳感器。就像我們自己的五官一樣，傳感器向機(jī)器人提供有關(guān)外部世界的信息。舉例來(lái)說(shuō)，自主行走型機(jī)器人需要了解周?chē)h(huán)境以便走動(dòng)，而以感知環(huán)境信息為主要目標(biāo)的機(jī)器人需要把信息反饋給遠(yuǎn)程操作員(火星車(chē)是一個(gè)特別有名的例子)。無(wú)論哪種情況，傳感器都是機(jī)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出種類繁多的傳感器，許多傳感器可通過(guò)電子接口應(yīng)用在機(jī)器人中。對(duì)機(jī)器人而言，CMOS成像器、紅外線測(cè)距儀、壓力傳感器和加速度計(jì)是更為常見(jiàn)的傳感器。

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

通訊

對(duì)于機(jī)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(shí)時(shí)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(jī)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(shí)時(shí)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(shí)響應(yīng)。但在某些情況下，如在控制遙控型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)，外部通訊的實(shí)時(shí)性則具有至關(guān)重要的作用，因?yàn)槿魏瓮涎佣伎赡茉斐墒鹿省?

未來(lái)對(duì)機(jī)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(kāi)發(fā)的高速協(xié)議將受到機(jī)器人設(shè)計(jì)者的歡迎并被加以利用。

控制

控制或處理節(jié)點(diǎn)是機(jī)器人系統(tǒng)的“腦”。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理能力將決定機(jī)器人實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工作方式的能力。

機(jī)器人領(lǐng)域不僅對(duì)處理能力有更高的需求，某些控制方面的功能對(duì)機(jī)器人也很重要。由于機(jī)器人需要移動(dòng)，為使機(jī)器人及周?chē)锛庠馄茐?，機(jī)器人應(yīng)具有中斷水平的實(shí)時(shí)處理能力。在某些情況下，碰撞檢測(cè)和避障處理在靠近動(dòng)作機(jī)構(gòu)但與主控制節(jié)點(diǎn)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(duì)刺激猶如“潛意識(shí)”般地做出反應(yīng)。

軟件正在成為機(jī)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(jì)算機(jī)(因而機(jī)器人)能夠更好地自己學(xué)習(xí)如何來(lái)完成任務(wù)。對(duì)控制算法的改進(jìn)也正在進(jìn)行中。

在談到MobileRobots公司工程人員的硬件/軟件比例時(shí)，該公司首席執(zhí)行官JeanneDietsch說(shuō)：“我們是一家軟件公司?！笔聦?shí)上，MobileRobots公司生產(chǎn)自己的硬件機(jī)器人平臺(tái)，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(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步類似于人類物種的進(jìn)化。對(duì)生拇指和其它物理進(jìn)步必須借助大腦功能的改進(jìn)才會(huì)更好地發(fā)揮作用。

因而，控制和處理基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)步是機(jī)器人取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)化的必要條件。

執(zhí)行器

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

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

這些“納米肌肉”將改變機(jī)器人移動(dòng)的方式，幫助機(jī)器人設(shè)計(jì)師模仿人類和動(dòng)物的動(dòng)作。這種合金很輕，其機(jī)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(dòng)的機(jī)器人，在機(jī)器人中最常見(jiàn)的電源是電池。但電池顯然是機(jī)器人長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)部署的限制因素，而且，如所周知，運(yùn)動(dòng)會(huì)相對(duì)消耗更多的能量。另外，電池可能也是機(jī)器人系統(tǒng)中最大和最重的一個(gè)部分，對(duì)于要求體積小機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這將給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)問(wèn)題。

因而，機(jī)器人行業(yè)將會(huì)對(duì)電池技術(shù)的任何進(jìn)步迅速加以利用。

在未來(lái)，預(yù)計(jì)對(duì)自行發(fā)電的機(jī)器人的需求將會(huì)增加。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了利用太陽(yáng)能和其它能量收獲方法以增加其能量供給的機(jī)器人。電源領(lǐng)域最近的創(chuàng)新之一是RoboticTechnology公司的Eatr機(jī)器人(強(qiáng)動(dòng)力自主戰(zhàn)術(shù)機(jī)器人)，它可以收集和燃燒生物體來(lái)增加其能量供給。

未來(lái)

機(jī)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(huì)看到這樣的機(jī)器人，成千上萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的傳感器連接到一些較小的處理節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接到更大的中央處理節(jié)點(diǎn)，后者通過(guò)遠(yuǎn)程鏈接與中心站及其它機(jī)器人進(jìn)行通訊。這些傳感器將向機(jī)器人提供反饋，機(jī)器人利用這些信息驅(qū)動(dòng)輕巧的執(zhí)行器迅速高效地完成手頭的任務(wù)，并在此過(guò)程中通過(guò)自學(xué)習(xí)不斷改進(jìn)控制方法。

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