徐扬生:智能机器人引领高新技术发展

2010-8-12 08:53 来源: 科学时报
收藏到BLOG

  加大对智能机器人科学的基础研究,加强对机器人核心技术的攻关,培育机器人产业市场,不仅能够带动智能机器人技术本身的发展,同时也必将引领其他相关高新技术的发展和壮大。

  在人类历史上,当某种技术被全力推进时,往往会催生一大批相关的高新技术。

  二战后美国的阿波罗计划就是典型例子,没有阿波罗计划,诸如高速计算机这样的技术是不可能诞生的。正因如此,从上世纪60年代后期开始发展的智能机器人技术,也正在对许多高新技术产业和科学研究起着重要的引领作用。

机器人技术的发展与基本元素

  早期机器人主要表现为简单的操作手,其任务是抓取部件,进行位置变换或工位转移,并完成一些单一的加工处理任务。随着操作手在工业生产过程中数量逐渐增多、任务日益多样,操作手之间开始交互和联结,形成上下游链条关系,并最终实现了工业生产中机器人和机器人构成的流水线。在这一阶段,机器人代替人工作,降低工人的劳动强度及技能要求,并能提高产品的质量及稳定性。

  随着空间技术的发展,空间机器人应运而生。其主要任务是在太空环境下对航天器表面进行检测和维修。空间机器人不再工作于结构化的环境、完成既定的任务,它随时随地需要对周围工况进行感知和判断。

  在复杂工况下完成任务的需求对机器人技术的发展起到了革命性的推动作用,使机器人技术从执行单一任务的研究,发展为结合传感器、控制器、执行器的集成技术。这一阶段,机器人可以完成人不能完成的任务,拓展了人类工作范围,突破人类在生理上的限制。

  近20年来,微电子、通信、计算机、人工智能、控制和图像处理等学科的突飞猛进,为机器人的高度智能化奠定了基础。机器人不再是冷冰冰的生产工具,它逐渐成为日常生活中人类的助手和伴侣,在生活、健康、娱乐等多方面对人类提供服务,由此产生了巨大的服务机器人产业。比如,在家庭医疗监护方面,普通家庭往往只有一个温度计,必须等到病征明显才能发现疾病。医疗机器人可工作于家庭环境,对用户的生理状况做自动测量并对生理指标进行智能判断或提交医护人员,及时报警、提早诊断,达到“治未病”的效果。同时,医疗机器人还可帮助医生实现复杂的手术,减小创口、扩展视野、提高灵敏度和可控性。再如,在家庭服务方面,机器人可像一个管家一样对家居生活进行全方面的照顾,辅助老人和小孩料理生活,并在主人离开时,实现家庭监控。在这一阶段,机器人的工作对象发生了根本性的转变,由物及人,成为人类的朋友和伙伴。

  尽管机器人种类千差万别、任务多种多样,但从机器人科学技术的本质上来说,主要包含三个基本要素,即感知、决策和动作。

  感知功能:机器人信息的输入,就像人的五官负责采集工作环境的数据一样。感知技术主要是传感器技术和通信技术,前者负责将实际世界的物理特性转换为机器人可理解的数字量,而后者则负责将数字量快速、无误地传递到机器人的决策层。

  决策功能:机器人智能性的表现,就像人的大脑对感知到的信息作出判断并为下一步动作发出指令。决策技术主要是人工智能技术及智能控制技术,它要求机器人能够实时地、闭环地处理各类工况,而不仅仅是完全按照预定程序进行开环执行。

  动作功能:决策器的命令必须得到执行,而执行需要由一系列动作来得以实现,就像人的运动系统在大脑的命令下产生实际动作一样。实现动作功能的主要技术为执行机构技术,包括手臂、手爪、移动平台、驱动器,同时也涵盖了执行机构的控制器,如电机控制器、压力控制器等等。

智能机器人技术的特征

  机器人科学与技术有着显著的特征。

  首先,机器人技术是智能技术。智能性是机器人的核心,这也是机器人之所以能够称之为“人”的主要原因。智能性表现为对工作环境的自动识别与判断,其工作指令根据反馈信息自动生产,而不是基于开环设计。智能性也是机器人技术的难点,尽管目前人工智能技术已经获得了较大的突破,但相对于人的智能而言,机器人还十分笨拙、聪明度很低,尚需改进。

  其次,机器人技术是综合性技术。综合性是指机器人技术是集成技术,是典型的交叉学科。机器人技术的发展,必须建立在单一技术发展之上,而任何一个单一技术的突破,都可为机器人技术带来革命性的转变。例如MEMS技术的发展,使机器人小型化成为现实,催生出诸如血管机器人等一系列的微型机器人。

  第三,机器人技术要求实时性。不管是早期的工业机器人,还是现在的空间机器人、服务机器人,都要求对现实情况作出快速的反应。机器人的工作,归根到底就是人的工作,甚至是人类活动的拓展和延伸。人能够快速地对各种不可预知的突发情况作出实时的响应,这就要求机器人也必须有此能力才能保证工作任务的完成。

  第四,机器人技术是交互技术。机器人是人类的朋友和伙伴,就必须能够理解人的意图和思想,就必须实现与人和社会的交流。例如语音识别技术和语音合成技术,就是帮助机器人“听”懂人类的语言,并将自己的回应转化为语音“说”给人类听。人机交互技术的本质就是让机器人具有与人交流的能力,并且这一交流过程越自然越好。

  第五,机器人技术是平台技术,能带来极大的平台效应。机器人技术是仿人技术,人能做什么,机器人就能做什么。因此,机器人技术实际上是一个技术平台,搭配什么样的任务,就能变成特定的机器人。例如,将机器人配置为驾驶员,则可实现无人驾驶车,将机器人设计为飞行员,即为无人机。

智能机器人对高新技术产业的引领作用

  机器人技术整合各领域的研究成果,有机集成各领域的技术优势,并且应用范围广泛,因此,对现代化的新技术产业有着极其重要的引领作用。

  第一,对制造装备业的引领作用。在制造、装配、加工等行业中,机器人引领着更新换代和产业转型。目前,我国工业竞争力主要来自于廉价的劳动力资源,形成了众多粗放型、劳动密集型产业。然而,此发展模式的弊端日益凸显。一方面,随着国民收入的增长,我国的劳动力成本逐年增加,相对于越南、马来西亚、泰国等东南亚国家而言,已无优势。另一方面,此模式导致我国长期处于产业价值链末端,以加工业为主体,附加价值小,抗风险能力差。因此,产业转型与升级、变“中国制造”为“中国创造”迫在眉睫。机器人技术在工业生产中具体表现为工业生产流水线和各类智能设备与装置,将提高制造装备的智能化水平,大大提升生产效率、产品质量、作业安全性,并增加产品的种类。只有拥有高精度、高可靠性的工业机器人才能保证制造产业的高附加值、高创新性和高技术瓶颈,才能提升我国制造业的水平。同时,高质量的服务机器人需要高质量的机械元器件,包括微型电机、传感器等。机器人的高速发展将要求这些机械零部件具有更优的性能。

  第二,对家用电子行业的引领作用。在电子行业,机器人引领着电子产品的性能和需求。服务机器人最终将成为一种家用电子产品,正如洗衣机、冰箱一样。同时,与传统家电相比,服务机器人是种类繁多的电子产品,不仅有老人或小孩专用的,也有工人专用的,不仅有家庭专用的,也有社区专用的。一个机器人是由众多电子元件搭建而成,用户对机器人的高要求,实际上就转化为对电子元件的高要求;机器人市场的扩大,实质上也必将带动电子元件市场的扩大。同时,机器人的智能技术与电子产品相结合,将形成一大批具有智慧的电子产品,极大提升电子产品的性能,增加电子产品的种类。

  第三,对医疗诊断业的引领作用。在医疗器械产业中,机器人引领着家庭监护的普及和医疗水平、生活水平的提高。其第一表现就是健康水平的提高,人们对健康的重视,必将带来家庭监护的广阔市场。机器人技术集成了生理参数采集,生理指标判断,远程医疗等各种功能,将成为未来家庭生活的必备产品。同时,将机器人运用于手术过程,可辅助医生提高动作的稳定性、精确度、灵活性。例如达芬奇手术机器人,可将医生在病人体外的动作精确传递到机械臂,转化为手术器械在病人体内的动作,从而完成以前很难完成的外科手术。尽管其价格高达数千万人民币,但目前销量已上千台,由此可见,医疗机器人的市场前景十分广阔。因此,机器人技术对医疗诊断业的引领作用表现在医疗仪器的家用化、便携化、小型化和智能化,另一方面也表现在提高医疗诊断水平上。

  第四,对仪器仪表业的引领作用。在仪器仪表行业中,机器人引领着传感器的研发和革命,为了达到甚至超越人类五官的灵敏度和分辨率,机器人所使用的传感器必须具有高质量和多样性。目前,味觉和嗅觉传感器的研发最为滞后,此根本原因就在于过去对此类传感器的需求不够,因此研发投入就少。机器人技术的发展,将会对此带来直接需求。比如,目前已有的炒菜机器人仅能按照预定的程序实现烹饪,如果能够加入味觉和嗅觉传感器,则将会引起一场饮食革命——机器人可根据人的口味设定,自行地增加或减少各种作料,最终调节到最佳口味。

  第五,对航空航天的引领作用。在航空航天产业中,机器人引领着长距离的空间探索以及航天器的低成本和自维护。机器人已成为空间探索不可缺少的工具,特别是在耗时长、路程远的深度空间探索中,如月球、火星探索,机器人已基本取代了人的作用。同时,在近地轨道空间中,用空间机器人对卫星进行维护,或是直接将机器人技术运用到下一代卫星设计中形成智能卫星,已成为提高卫星寿命、降低使用成本和自我防卫能力的必经之路。智能机器人在航天方面的引领作用不仅体现在对航天器的维护保养、提高性能上,而且开辟了新一代航天器的发展途径。

智能机器人对相关学科的引领作用

  对产业的引领作用,仅体现了机器人在实际应用上的效果。但作为一种集成技术,任何一个机器人技术的突破都必须建立在单项技术的革命上。因此,大力发展智能机器人技术,必将带动相关学科的发展,对学科的基础研究同样起着重要的引领作用。

  第一,图像的理解。视觉是人类获取信息最重要的来源。人看到一幅图像,马上能够理解图像的内容和含义。然而,机器视觉并非易事。现有的机器人主要还是以压力传感器、位置传感器等工业传感器为主,尽管机器人开始有搭载摄像头的趋势,但对视觉的理解仍然较低,往往需要有明显的特征点作为辅助,同时抗干扰能力弱,对光照条件,部分遮挡等常见问题不能找到可靠的方法。机器人技术对图像理解的要求是迫切的,也是急需的,它是保证机器人能够工作于人类生活环境的重要条件。因此,对智能机器人的研究势必提高人类对图像的深入理解。人类对图像的理解十分基本也非常重要,目前已经对许多领域(如医学、气象、航天等)产生了巨大的影响。

  第二,人与机器的交互。机器人作为一种可以被称之为“人”的机器,必须具备和人交互的能力。人和人之间的交流,主要以语言为主,这就涉及到语音识别、语音合成、自然语言理解等众多领域的研究。同时,机器人可配搭超过人类感知能力以外的传感器,可使得人机交互水平甚至高于人和人之间的交互水平。最典型的例子就是脑机接口,通过采集人的脑电波信号,利用信号处理、特征提取、模式分类等技术,即可将其意图进行识别,并直接被机器人所理解。

  第三,智能的描述。究竟什么是智能,智能在人脑中的储存方式和表达方式是什么,如何描述智能等一些问题既是哲学问题、生理学问题、认知学问题,同时也是机器人学问题。人工智能的发展,已经对智能作出了初步的描述,如符号主义、联结主义、行为主义等。但这些研究以及基于这些研究的具体实现,目前都不能完美地表达智能存在的方式。智能提取是指如何去学习和获得人类已有的智慧,并通过具体的描述方式,让机器人得以掌握,并根据新的数据自发地推理、派生和演化出新的知识。对于智能提取的研究,已经诞生了神经网络、统计学习、专家系统、模糊推理等多种智能提取和运算方法。为了让机器人更加聪明,具有堪比人类甚至超越人类的智慧,必须加深智能本质的研究。

  第四,规划与控制。机器人要独立自主地完成工作,就必须对自身的行为进行规划和控制。规划涉及到动作规划、任务分配、工作调度、工程优化等,而控制涉及到姿态控制、运动控制、能量控制等。目前,规划和控制理论主要应用于工业、航天、军事等领域,具有环境定义明确、工作任务结构化等特点。如何保证机器人能顺利地工作于人类日常生活环境,研究非结构化工作场景的智能规划控制方法极为重要,在理论、算法研究、实际应用等多层面都极可能产生全新的成果。

  第五,网络的推广。单一的机器人是分布式的工作节点。如果将机器人连接成为一个网络,即可形成信息量大、功能强、任务复杂的大型网络平台。计算机网络的实质是信息的互联,物联网的实质是全球实际资源的定位,而机器人网络除了具有信息、资源互联网,更增加了工作任务互联、行为动作互联、决策管理互联等更高层次的网络环境。机器人网络给人类生活描绘了美好的前景,同时其顺利实施也必须以网络技术为前提。这就要求网络的实时性、安全性、稳定性都得到大幅度的提升,从而直接推广了网络的研发和应用。

迎接千家万户的机器人时代

  目前,相关领域的技术突破,从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持,为机器人的应用范围拓宽了道路。机器人的应用范围已涵盖国防、航空航天、服务、教育甚至普通家庭生活,一场新的机器人技术研究高潮和发展契机业已到来。在这个承前启后的关键时刻,让我们先闭起眼睛,梦想一下,下一代机器人到底会对我们的生活带来怎样的影响。

  当人们每天为交通堵塞而苦恼时,人们梦想有一种全自动汽车可以将主人从家里送到办公室,这是最安全、最节能、最省时的交通工具。全自动汽车,实际上就是一个具有负载能力的移动的机器人。其最终的目标是实现交通的自动驾驶、零事故、最优路径选择、智能交通管理。实现自动驾驶要求机器人进行驾驶员行为学习,这将引领机器学习理论的发展;零事故要求机器人进行环境识别和运用车车通信等技术手段,这将引领图像识别、故障诊断、车载通信等技术;最优路径选择,要求能按照地图实现最佳的导航策略,这其中涉及地理信息系统、路径规划、优化理论。

  当人类逐渐步入老龄化社会,人们梦想是否有一种机器人老人伴侣,他能在家居环境中为老人的生活提供照顾,并对老人的生理状况进行监测,发生异常时,及时报警。为监测生理状况,就必须研发无创的生物传感器,为照顾生活,就必须识别老人的意图;为监测异常,就必须具有行为识别能力;为及时报警,就需要实时网络通信。

  上述两例充分说明了千家万户的机器人时代将是人类在可见的未来能实现的梦想。加大对智能机器人科学的基础研究,加强对机器人核心技术的攻关,培育机器人产业的市场前景,不仅能够带动智能机器人技术本身的发展,同时也必将引领其他相关高新技术的发展和壮大。

  让我们举起双手,迎接千家万户的机器人时代来临吧!