《機器人作業系統ROS原理與應用》——1.1 智能機器人概念及其特點

本節書摘來自華章出版社《機器人作業系統ros原理與應用》一 書中的第1章，第1.1節，作者：周興社 楊剛 王岚，更多章節内容可以通路雲栖社群“華章計算機”公衆号檢視。

1954年，美國人喬治·德沃爾制造出了世界上第一台可程式設計的機器人；1959年，德沃爾與美國發明家約瑟夫·英格伯格聯手制造出了第一台工業機器人，自此之後，機器人大體經曆了如下三個發展階段。第一代機器人稱為示教再現型機器人，它是通過計算機控制一個多自由度的機械，并通過示教存儲程式和資訊，在工作時讀取資訊，發出指令，機器人就可以根據事先示教的結果，再現出同樣的動作，如汽車點焊機器人隻要對其示教點焊過程，它就總是重複同樣的操作，不過因為其對于外界環境沒有感覺，因而操作力大小、點焊品質等均無從知曉。第二代機器人稱為帶感覺的機器人，通過為其配置各類傳感器，其具有一定程度的力覺、觸覺、視覺等感覺能力，如當搬運機器人抓住一樣物體時，它就能自動感覺出實際的用力大小，并能通過視覺感受和識别出物體的形狀、大小及其顔色。第三代機器人即智能機器人，目标是隻需要告訴它做什麼，而不用告訴它怎麼做，它就能完成感覺、運動、推理和人機互動等功能和機能，目前還隻在局部有這種智能的概念和含義，随着科學技術的不斷發展，智能的概念與内涵将會越來越豐富。

到目前為止，在世界範圍内還沒有一個統一的智能機器人的定義。1956年，馬文·明斯基提出了他對智能機器的了解：“智能機器能夠建立周圍環境的抽象模型，一旦遇到問題，便能夠從抽象模型中尋找解決方法”。該定義對此後30年智能機器人的研究方向産生了重要影響。

還有一種了解是智能機器人是具備某些與生物類似的智能能力且具有高度靈活性的自動化機器。大多數專家認為智能機器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認知周圍的環境狀态；二是運動要素，用來對外界做出反應性動作；三是思考要素，根據感覺要素所得到的資訊，思考應采用什麼樣的動作。

國内科學家對機器人的定義是：“智能機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力。”在研究和開發作業于未知及不确定環境下的機器人的過程中，人們逐漸認識到機器人技術的本質是感覺、決策、行動和互動技術的結合，是以将具有感覺、思考、決策和動作的技術系統統稱為智能機器人，其是具有感覺能力、規劃能力、動作能力和協同能力的一種高度靈活性的自動化機器。

1.?智能機器人的發展背景

機械的使用放大并延伸了人的四肢能力，計算機的使用提升了人腦的功能，而機器人的使用将大大拓展人類的綜合能力。進入21世紀以來，智能機器人的研發和應用得以快速發展，其主要發展背景包含以下幾個方面：

1）制造業勞動力的價格越來越高，而産品的價格卻越來越低，企業需要利用機器人改變傳統制造業依賴密集型廉價勞動力的生産模式。

2）人類壽命和生活品質越來越高，然而能夠提供老齡化服務的人力資源卻越來越少，是以需要利用智能化機器裝置提供優質服務。

3）自然災害、人為災害及戰争仍在頻繁發生，而人類難以适應此類環境，是以需要機器人代替人來執行任務。

4）人類探索深海、太空等極端環境的活動越來越頻繁，而人類在此類環境中的生存能力極低且代價很高，是以需要利用機器人實作遠端互動作業。

2.?初級與進階智能機器人

智能機器人正在由初級階段向進階階段發展。初級智能機器人具有像人那樣的感受、識别、推理和判斷的能力，可以根據外界條件的變化，在一定範圍内自行修改程式，也就是它能适應外界條件的變化并對自己進行相應的調整。不過，修改程式的原則将由人預先給以規定。這種初級智能機器人已擁有一定的智能水準，雖然還沒有自動規劃的能力，但這種初級智能機器人已走向成熟，達到了實用的水準。

進階智能機器人和初級智能機器人一樣，具有感覺、識别、推理和判斷的能力，同樣可以根據外界條件的變化，在一定範圍内自行修改程式。所不同的是，修改程式的原則不是由人預先規定的，而是機器人自己通過學習、總結經驗來獲得修改程式的原則，是以它的智能程度更高。這種機器人已擁有一定的自動規劃能力，能夠自己安排自己的工作。這種機器人可以不要人的照料，完全獨立地工作，故稱為進階自律機器人，這類機器人也開始走向實用。

3.?特種智能機器人

特種智能機器人具有較大的應用前景。随着人們對機器人技術智能化本質認識的加深，人們開發出了各式各樣的具有感覺、決策、行動和互動能力的特種智能機器人，如水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世。對不同任務和特殊環境的自适應性，也是智能機器人與一般自動化裝備的重要差別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業機器人所具有的形狀，而是更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，進而為機器人技術開辟出更加廣闊的發展空間。

将智能機器人的技術（如傳感技術、智能技術、控制技術等）擴散和滲透到各個領域形成各式各樣的新機器——機器人化機器。目前與資訊技術的互動和融合又産生了“軟體機器人”“網絡機器人”等名稱，這也說明了機器人所具有的創新活力。

智能機器人的特點就是智能，其具體展現在以下幾方面。

自主性：是指其可以在特定的環境中，不依賴任何外部控制，無需人為幹預，完全自主地執行特定的任務。

适應性：是指它可以實時識别和測量周圍的物體，根據環境的變化調節自身的參數，調整動作政策，以及處理緊急情況。

互動性：是指機器人可以與人、外部環境及與其他機器人之間進行資訊交流。

學習性：是指機器人在自主感覺環境變化的基礎上，可以形成和進化出新的活動規則，自主獨立地活動和處理問題。

協同性：是指在實時互動的基礎上，機器人可以依據需求和任務實作機機協作和人機協同。

智能機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、資訊和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。智能機器人應用是衡量一個國家工業化和資訊化發展水準的重要标志。