张生学科前沿.docx

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张生学科前沿

专业型硕士学位研究生

学院：

电子信息工程学院

姓名：

张生

学号：

Z160445

年级：

16级

专业：

控制工程

报告课题：

智能机器人发展趋势和感想

第一导师：

李学军

填表日期：

2016年12月27日

引言

机器人会往什么方向发展？

不同的人可能会有不同的想法，本文就是基于自己对智能机器人的理解以及结合近几年机器人的发展成果，专注于机器人应用的新兴领域，提出了几个比较有代表性的发展方向。

由于硬件等条件的限制，本文的展望依据来自学校从事研究机器人的老师，以及网络上的研究机器人的学者和从事机器人开发的工程人员，包括自动化领域的知名论坛Hizook（著名的机器人博客）。

根据这些方面的资源，本文把机器人的展望压缩到六个发展展望，并在文章的结尾，写了对这些发展趋势的一些个人感想。

1.协作机器人:

机器人助手和伙伴

机器人控制通常有两种方式：

直接遥控和充分自我控制；问题是遥控很麻烦，充分自我控制往往又如科幻电影。

综合两者的优缺点，可以从中找到一个平衡点，让人类和机器人协作完成任务，比如下图的PR2机器人递药给人。

美国国家机器人倡议（NRL）提供7000万发展协作机器人项目，目标是把机器人从工产和实验室扩展到人们的日常生活，就像当年计算机由军用到民用。

这些机器人必须是安全的，价格相对便宜且使用方便，机器人利用其长处配合人类完成工作。

该项目的应用范围是广泛的，但机器人的一个关键方面是明确的：

即与人的互动。

所以希望看到将来协作类机器人有更大发展。

为了评估协同技术,需要在合适的应用任务上进行验证,下面将对常见的典型应用任务进行描述。

1）聚集、觅食和编队。

在聚集任务中,机器人的目标是像羊群一样聚集起来。

聚集行为可以增加动物找到食物的机会,提高生存机率等,所以在多机器人系统中实现该行为非常必要。

觅食任务可以看作一种带约束的聚集任务,需要各个成员捡拾散布在环境中的目标物体并避免冲突,主要模拟废物清理、排雷等任务。

编队任务也可以看作是聚集任务的一个特例,只是最终聚集的形式需要保持预定的几何配置形式,并要求在行进中保持多机器人系统的特定编队队形。

2）探索和覆盖。

在探索任务中,机器人必须遍历环境以搜集尽可能多的环境信息,如常见的SLAM,就要求机器人在环境中移动时,同时实现定位和建图工作。

探索任务的一个具体实例是RoboCup的机器人团队营救任务,即在灾难后的废墟中寻找受害者。

覆盖任务要求机器人遍历环境中的所有自由空间,其应用包括清雪、除草、汽车车身喷漆等。

3）多目标观测。

多目标观测（cooperativemultirobotobservationofmultiplemovingtargets,CMOMMT）是较新的多机器人系统测试问题,其要求机器人团队检测和跟踪一组移动的目标,而每一个目标至少受到某一个机器人的监视,并最终通过优化控制策略来最大化正常监视的时间。

多机器人的多目标观测和安保、监视和识别问题等都有密切联系。

4）推箱子和物体搬运任务。

推箱子的任务要求机器人合作推箱子来达到期望的配置,基本上所有的推箱子任务都是固定在一个平面上进行。

但物体搬运任务则要完成抬起和运送物体2个子任务,且多假定单个机器人无法独立抬起物体,从而大大增加了问题的复杂度，如工业环境中大型物体的搬运任务。

5）机器人足球。

机器人足球是研究多机器人协作任务的常见平台,不确定的动态环境,加上对抗性的任务场景,使得机器人足球比赛极具挑战性,这就需要考虑如何通过协同操作提高系统能。

6）多机器人的动态追捕。

未知环境下的多机器人动态追捕问题也是多机器人合作与协调的典型问题,这缘于该问题牵涉到多机器人合作与协调的多个方面,如环境探索、信息共享与融合、自适应与学习、动作决策和冲突消解等问题

存在的问题及发展趋势

总的说来,近30年以来,多机器人系统研究已经取得长足进展,但是还面临诸多的技术挑战。

1）建立更为高效和紧凑的多机器人系统结构,开发更为合理的组织和协调策略,仍然是需要进一步研究的基础性问题;提高系统的适应性和鲁棒性,并使多机器人系统适合于大规模运行的情况,也是需要深入研究的问题。

2）利用多机器人系统和人的交互,可以充分结合人的高层决策智能和多机器人系统的底层协同能力,提高系统的性能。

但是,如何设计合理的人机交互接口,加强人与多机器人系统的理解是将来的一个研究方向。

3）如何在软、硬件异构的机器人之间实现相互通信和相互协调,真正建立具备跨语言、跨平台的多机器人分布式系统。

在现有CORBA基础上,进一步研究面向Agent设计的互操作技术,是将来研究的重要方向。

4）基于突现行为的集群机器人系统虽然控制简单,配置灵活,但是如何合理设计本地局部交互规则和控制规律,以可控的方式生成期望的高层突现行为,是非常值得研究的问题。

5）加强实物形式的多机器人系统研究。

在积极开展仿真系统研究的基础上,重视利用实物系统验证提出的算法和理论是将来发展的必然方向。

2.云机器人:

机器人共享技术

有些研究小组正在探索云计算基础设施上的机器人，依靠云计算机处理大量的数据。

这种方法可以直接调用“云机器人”，将使机器人不需要做复杂的计算，如图像处理和语音识别，甚至可以立即下载新的技能。

很多相关项目都在进行中。

特别是，谷歌有一个小团队，创建机器人云服务，如果这种技术流行起来，对该领域可能是结构性的转变（想象每个机器人使用“Google地图”进行导航）。

在欧洲，一个重大项目RoboEarth，其目标是开发“机器人万维网”，一个巨大的云数据库，机器人可以共享有关的对象，环境和任务的信息（见下图）。

许多其他项目正在形成，我们预计“云机器人”将成为一个时髦词。

云机器人就是云计算与机器人学的结合。

就像其它网络终端一样，机器人本身不需要存储所有资料信息，或具备超强的计算能力，只是在需要的时候可以连接相关服务器并获得所需信息。

云机器人并不是指某一个机器人，也不是某一类机器人，而是指机器人信息存储和获取方式的一个学术概念。

这种信息存取的方式的好处是显而易见的。

比如，机器人通过摄像头可以获取一些周围环境的照片，上传到服务器端，服务器端可以检索出类似的照片，可以计算出机器人的行进路径来避开障碍物，还可以将这些信息储存起来，方便其它机器人检索。

所有机器人可以共享数据库，减少开发人员的开发时间。

当机器人处于陌生的、非结构化的环境时，就不能读懂环境并有效应对一些事情。

面对人类生活环境的多样性，机器人能否自我学习，如今快速发展的传感器技术可以让研究者们收集大量的传感器信息，数据挖掘工具也能够提取更有效的模型，强大的互联网技术（如云计算）可以让开发者获取比机器自我学习更多的信息。

3.基于智能手机机器人：

新的机器人智能

随着计算机嵌入式技术的发展，蓝牙和智能手机在我们日常生活中已经变得越来越常见，机器人也正逐渐走进我们的生活。

在传统机器人控制领域，一般是采用无线遥控器的方式，没有可视化界面，互动性差，功能单一。

随着近几年计算机技术的发展，控制机器人已可交由电脑来完成，实现了可视化，增强了人机互动，但电脑体积庞大，并不适合携带，可移动性差。

直到各种轻巧智能设备的出现，控制机器人的方法和手段也越来越多样。

现在无线遥控器或笨重的电脑上控制机器人已经不能满足人们的要求，各种新的技术不断涌现。

蓝牙技术使我们远程控制机器人成为可能，智能手机使我们可以在可视化界面下控制机器人，而且这些使我们控制机器人增添了更多强大的功能应用，而不仅仅是简单地控制机器人。

智能手机作为控制器也便于携带，将机器人控制融入日常生活的技术实现，随着服务性机器人进入千家万户，将极大地改变人们未来的生活模式。

4.机器人佣工：

制造业的未来

2012年，富士康公布了惊人的机器人计划，打算在未来三年增加100万台机器人。

虽然仍有许多不确定因素，包括他们是否可以保持产量。

但可以肯定的是，市场对灵活、高效、安全的工业机器人存在巨大的需求，新一代工业机器人将更加灵巧和便宜。

工业机器人大范围应用将开启一个新时代。

在制造工业中引入工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的面向延伸人的体力和智力的新一代生产工具。

根据最近一次中国人口普查数据显示，中国10~14岁人口数量减少约5%，照此速度，到2015年左右，将迎来新一轮缺工高潮，因此机器人技术开发和实现人工替代将是大势所趋，中国制造是必然之势。

　　据中国纺织工业联合会副会长兼秘书长、中国纺织机械器材工业协会名誉理事长高勇透露，中国纺织占据全球半壁江山，但随着经济结构的调整、棉花政策的变化以及成本上升的影响，纺纱工业进入调整期。

在调整中，用工调整是重点，从总体来看，纺织产业万锭用工从计划经济时代300人到前几年的100人，随着新技术的推广，采用最先进的成套设备，现在用工已经减少到16人。

东昌纺机机器人项目主要是针对并条机、粗纱机之间等难以降低用工的环节进行使用机器人，从自动化向智能化转型。

目前，纺织企业均为人工操作，不仅精度不高，效率也低下，操作工人紧缺。

而东昌纺机机器人项目由几方合作，研发生产目标为纺织机械，在工艺流程等方面达到国际化水平。

该项目的建设将进一步推广纺织行业先进工艺技术的应用，带动相关技术在同行业的发展和提高，对行业发展将起到引领作用，这对改变我国目前纺织行业自动化程度不高的现状具有巨大的推动作用。

对于黄岛区的工业经济结构来说，东昌纺机智能化机器人项目的实施具有更加深远的作用。

5.临场感机器人：

你在现实世界中的化身

临场感技术是指通过多传感器子系统将机器人及其现场环境的信号（视觉、力觉、触觉、运动觉等）检测、处理并反馈到操作者处，在操作者周围生成关于远地环境映射的虚拟环境，从而使操作者产生身临其境的感觉。

具有多自由度、具有力觉、触觉临场感的主从遥控机械手装置，该装置一方面通过操作者周围的多传感器系统将操作者的位置和运动信息（手臂和手等）实时检测并作为控制指令送到远地从机械手控制器中；另一方面将远地从机器手感知到的环境信息以及从机器手和环境的相互作用信息（视觉的、力觉的、触觉的）实时地反馈给本地操作者，使操作者产生身临其境的感受，从机器手仿佛是操作者肢体在远地的延伸，从而操作者能够真实地感受到从机器手和环境的交互状况，正确地决策，有效地控制从机器手完成复杂的任务。

该机器人不仅可以满足空间探索和海洋开发以及原子能应用的需要，而且可以广泛地运用于远程医疗、远程救护、远程教育等领域，以及战场、防化、消防等危险及有害环境中的作业。

6.仿生学：

人类和机器之间的结合

机器人仿生学已经涉及结构、材料、功能、控制以及系统仿生等多方面。

虽然整体发展水平较低,应用范围也较窄,但带给人们的启示是巨大的。

21世纪,人类的科学技术将高度发展,要解决象智能机器人、拟人机器人这样的科学难题,必须向自然界学习,从自然界为人类提供的丰富多彩的实例中寻求解决问题的途径。

通过对自然界更完美的学习、模仿、复制和再造,发现和发展相关的理论和技术方法,这正是机器人仿生学的研究任务和发展趋势。

结构仿生是通过研究生物肌体的构造,建造类似生物体或其中一部分的机械装置,通过结构相似实现功能相近。

功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能,如思维、感知、运动、操作等,这在智能机器人的研究中具有重大意义。

感想

这学期我们在研究性学课前沿上学习了智能机器人。

我对此非常感兴趣。

我们的课程主要为对智能机器人进行了解与它在实际应用的领域。

我们对它并不是很了解，但是经过了这节课程后，对它有了一定的认识。

智能机器人无论是在工业领域，还是娱乐领域，都是当今社会非常缺少的元素。

它的出现减少了使用大量的人类劳动力，提高了人类的生产效率，丰富了人类的生活。

有些智能机器人还能代替人类在极端恶劣的环境中工作，这样保护了人类免受极端环境之苦。

智能机器人并非是一定要有实体，它可以是在计算机上的某种程序，例如：

智能聊天工具……等一切得到人类指令并进行人性化判断和回复的，在我认为都可称作智能机器人。

智能机器人在当今社会变得越来越重要，越来越多的领域和岗位都需要智能机器人参与，这使得智能机器人的结构越来越复杂，性能要求也越来越高，对智能机器人的研究也越来越频繁。

虽然我们现在仍很难在生活中见到智能机器人的影子。

但在不久的将来，随着智能机器人技术的不断发展和成熟。

随着众多科研人员的不懈努力，智能机器人必将走进千家万户。

更好的服务人们的生活，让人们的生活更加舒适和健康，让人们更加高效快捷的工作和学习。