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導(dǎo)讀：本文對(duì)工業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和智能特征做介紹。

作者：蔣明煒

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

智能機(jī)器人是智能產(chǎn)品的典型代表。智能機(jī)器人至少要具備以下三個(gè)要素：一是感知要素，用來認(rèn)識(shí)周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動(dòng)要素，對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)作；三是思考要素，根據(jù)感知要素所得到的信息，思考采用什么樣的動(dòng)作。

人們通常把機(jī)器人劃分為三代。第一代是可編程機(jī)器人，這種機(jī)器人一般可以根據(jù)操作人員所編的程序，完成一些簡單的重復(fù)性操作。這一代機(jī)器人是從20世紀(jì)60年代后半葉開始投入使用的，目前在工業(yè)界已得到廣泛應(yīng)用。

第二代是感知機(jī)器人，又叫作自適應(yīng)機(jī)器人，它是在第一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有不同程度的感知周圍環(huán)境的能力。

第三代機(jī)器人具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制，它可以把感知和行動(dòng)智能化地結(jié)合起來，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，被稱為智能機(jī)器人。

智能機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的根本區(qū)別在于，智能機(jī)器人具有感知、識(shí)別、判斷及規(guī)劃功能，因此機(jī)器的智能又可分為兩個(gè)層次，一是具有感知、識(shí)別、理解和判斷功能，二是具有總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。

智能機(jī)器人由于用途不同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能也千差萬別，這里僅就工業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和智能特征做介紹。圖2.3是智能機(jī)器人的基本構(gòu)成。

▲圖2.3 智能機(jī)器人的基本構(gòu)成

01 環(huán)境感知能力

智能機(jī)器人最顯著的智能特征是對(duì)外和對(duì)內(nèi)的感知能力。

外部環(huán)境感知能力由外部感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由一系列外部傳感器（包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等）進(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作。這些傳感器包括碰撞傳感器、遠(yuǎn)紅外傳感器、光敏傳感器、麥克風(fēng)、光電編碼器、熱釋電傳感器、超聲傳感器、連續(xù)測距紅外傳感器、數(shù)字指南針、溫度傳感器等。

內(nèi)部感知系統(tǒng)由一系列用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)的傳感器構(gòu)成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的各個(gè)坐標(biāo)的位置、速度、加速度、壓力和軌跡等，并監(jiān)測各個(gè)部件的受力、平衡、溫度等。

由外部環(huán)境感知系統(tǒng)和內(nèi)部感知系統(tǒng)獲得的信息組成智能感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€(gè)側(cè)面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對(duì)傳感器信息進(jìn)行綜合或融合處理，不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。

傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)工程、模糊理論等在信息、檢測和控制領(lǐng)域的新理論和新方法。

02 控制能力

智能機(jī)器人的系統(tǒng)控制能力由智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從內(nèi)外部傳感器反饋回來的信號(hào)，經(jīng)過知識(shí)庫和專家系統(tǒng)辨識(shí)并應(yīng)用不同的算法分析和決策，進(jìn)而發(fā)出控制指令，支配機(jī)器人去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。

如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則該機(jī)器人的控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，反之則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)又可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)，而根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)和連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)。

如何分析處理這些信息并做出正確的控制決策，需要專家系統(tǒng)的支持。專家系統(tǒng)解釋從傳感器采集到的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出機(jī)器人狀態(tài)描述，從給定的狀態(tài)推導(dǎo)并預(yù)測可能出現(xiàn)的結(jié)果，通過運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)，診斷出系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障。

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和約束條件，規(guī)劃設(shè)計(jì)出一系列的行動(dòng)，監(jiān)測所得的結(jié)果與計(jì)劃的差異，提出維護(hù)系統(tǒng)正確運(yùn)行的方法。人工智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合，形成整個(gè)閉環(huán)控制過程，這需要大量的知識(shí)、規(guī)則、算法、模式識(shí)別等技術(shù)的支持。

03 學(xué)習(xí)能力

隨著對(duì)智能機(jī)器人的要求不斷提高，機(jī)器人所面臨的環(huán)境通常無法預(yù)知，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境成為主流。在動(dòng)態(tài)多變的復(fù)雜環(huán)境中，機(jī)器人如果要完成復(fù)雜的任務(wù)，其學(xué)習(xí)能力就顯得極為重要了。

在這種情況下，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)根據(jù)所面臨的外部環(huán)境和任務(wù)通過學(xué)習(xí)不斷地調(diào)節(jié)自身，在與環(huán)境交互的過程中抽取有用的信息，使之逐漸認(rèn)識(shí)和適應(yīng)環(huán)境。通過學(xué)習(xí)可以不斷提高機(jī)器人的智能水平，使其能夠應(yīng)對(duì)一些意想不到的情況，從而彌補(bǔ)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中造成的可能存在的不足。

因此，學(xué)習(xí)能力是機(jī)器人應(yīng)該具備的重要能力之一，它為處于復(fù)雜多變環(huán)境下的機(jī)器人在環(huán)境理解規(guī)劃與決策等方面提供了有效保障，從而改善整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

04 接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力

智能機(jī)器人和所有智能產(chǎn)品一樣，未來都要成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)終端，因此智能機(jī)器人要具備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力。

用信息物理融合系統(tǒng)（CPS）的原理構(gòu)建通信模塊，對(duì)內(nèi)與智能控制系統(tǒng)集成，采集機(jī)器人的所有運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)外通過標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)卡接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間，機(jī)器人與物流系統(tǒng)之間、其他應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界之間的集成。

智能物聯(lián)系統(tǒng)打破傳統(tǒng)物理世界和信息系統(tǒng)的界限，將數(shù)據(jù)變成及時(shí)而有用的信息，讓用戶充分享用虛擬和現(xiàn)實(shí)世界的各種資源。

本文摘編自《智能制造：AI落地制造業(yè)之道》（ISBN：978-7-111-69931-6），經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

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