审视机器人“解剖结构” 窥探机器人技术的未来
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  国际机器人及智能装备产业联盟执行主席罗军介绍,目前我国已经提前进入机器人时代,机器人的市场需求跃居全球第一,并有可能在未来30年左右保持最大市场增速。但是,我国机器人企业在国内的市场占比却只有不到20%,其余80%的市场被国外机器人企业所占有。

  罗军介绍说,目前一个机器人可替代3.6个人,但其成本却是人工成本的5-10倍。成本因素成为限制我国机器人发展的关键因素。

  罗军透露说:为提升我国机器人产业的市场竞争力,降低机器人的生产和研发成本,明年上半年国务院将会出台关于扶持机器人和智能制造的一些大政策,预计工信部及科技部有望斥资上百亿扶持资金。

  在制造业方面,尽管增长速度受到资金的限制,机器人的数量仍在不断增加。另外,医疗、服务、空间和军事领域等机器人市场也在增长中。与此同时,曾经是科幻小说素材的消费机器人时代已随着清扫机器人的出现而到来并开始改变我们的日常家庭生活。

  目前的增长并非仅仅是短期的狂热。许多枯燥、肮脏和危险的工作最终将由机器人来完成,但技术将如何发展才能满足这个未来需求呢?

  要使机器人真正成为我们生活中无处不在的东西,必须在下列方面取得技术进步:

  缩短实时系统响应的总时间(从传感器到执行器)以增强机器人的性能;

  具有先进的人工智能以增强自主决策能力;

  传感器和执行器更为小巧和轻便以减小机器人的体积并提高能效;

  具有能量监测和发电能力以延长自主工作时间。

  我们可以通过研究机器人技术的现状来窥探或展望机器人技术的未来。把具有代表性的机器人吊上解剖台并认真审视其解剖结构无疑是完成这个任务的好方法。

  任何好医生都知道解剖研究应从器官分类开始,这里,我们首先对机器人的器官进行分类。我们可以把机器人的构件按照电子功能分为5大类:传感器、通讯部分、控制部分、执行器和电源。

  传感器

  除操作程序之外,机器人的输入绝大部分来自所包含的传感器。就像我们自己的五官一样,传感器向机器人提供有关外部世界的信息。举例来说,自主行走型机器人需要了解周围环境以便走动,而以感知环境信息为主要目标的机器人需要把信息反馈给远程操作员(火星车是一个特别有名的例子)。无论哪种情况,传感器都是机器人解剖结构的重要组成部分。

  人们已经为科学研究和工程实现设计出种类繁多的传感器,许多传感器可通过电子接口应用在机器人中。对机器人而言,CMOS成像器、红外线测距仪、压力传感器和加速度计是更为常见的传感器。

  在大量现有传感器的基础上,机器人传感技术的未来将向更小、更轻、性价比更高且更易于整合的方向发展。

  通讯

  对于机器人而言,内部和外部通讯都是至关重要的。内部通讯直接决定了操作的实时性。犹如人类的神经系统,内部通讯把信息从传感器馈送给处理器或机器人的控制部分。内部通信协议的速度直接影响系统的响应速度。

  实时性并不是外部通讯的一贯性要求,如下载程序或数据文件就不需要即时响应。但在某些情况下,如在控制遥控型机器人的运动时,外部通讯的实时性则具有至关重要的作用,因为任何拖延都可能造成事故。

  未来对机器人通讯的要求,不论是内部通讯还是外部通讯,都将归结为更快。特别地,更宽的带宽和为其它行业开发的高速协议将受到机器人设计者的欢迎并被加以利用。

  控制

  控制或处理节点是机器人系统的脑。对传感器数据的处理能力将决定机器人实现先进工作方式的能力。

  机器人领域不仅对处理能力有更高的需求,某些控制方面的功能对机器人也很重要。由于机器人需要移动,为使机器人及周围物件免遭破坏,机器人应具有中断水平的实时处理能力。在某些情况下,碰撞检测和避障处理在靠近动作机构但与主控制节点分离的处理器中完成。这种类型的外设控制可以分担主处理器的处理负荷并对刺激犹如潜意识般地做出反应。

  软件正在成为机器人领域中最重大的研发领域。研究人工智能,特别是神经网络的目的是使计算机(因而机器人)能够更好地自己学习如何来完成任务。对控制算法的改进也正在进行中。

  在谈到Mobile Robots公司工程人员的硬件/软件比例时,该公司首席执行官Jeanne Dietsch说:我们是一家软件公司。事实上,Mobile Robots公司生产自己的硬件机器人平台,而且是少数几家这样做的公司之一,但该公司的创新主要在软件方面。

  在某种程度上,机器人技术的进步类似于人类物种的进化。对生拇指和其它物理进步必须借助大脑功能的改进才会更好地发挥作用。

  因而,控制和处理基础设施的进步是机器人取得实质性进化的必要条件。

  执行器

  机器人系统区别于其它电子系统的特性之一是移动。只有具有移动能力的系统才能归类到机器人。要使机器人移动,就必须为之提供执行器。最常见的执动器是电动机(直流、步进或伺服电机),尽管也使用非电磁(如气动和液压)执行器。

  电机技术的创新及更好的材料和更先进的制造能力已逐步减小了电机的尺寸并提高了电机的效率,但执行器技术的真正创新将来自其它领域,如可电弯曲的合金。这些纳米肌肉将改变机器人移动的方式,帮助机器人设计师模仿人类和动物的动作。这种合金很轻,其机械性能与我们自己的肌肉相近。

  总之,材料领域的研究将向我们提供响应速度更快、力量更大、重量更轻、可充当为肌型执行器的合金。

  电源

  由于有线电源不适于自行移动的机器人,在机器人中最常见的电源是电池。但电池显然是机器人长期现场部署的限制因素,而且,如所周知,运动会相对消耗更多的能量。另外,电池可能也是机器人系统中最大和最重的一个部分,对于要求体积小机动性强的机器人来说,这将给机械设计带来问题。

  因而,机器人行业将会对电池技术的任何进步迅速加以利用。

  在未来,预计对自行发电的机器人的需求将会增加。目前,已经出现了利用太阳能和其它能量收获方法以增加其能量供给的机器人。电源领域最近的创新之一是Robotic Technology公司的Eatr机器人(强动力自主战术机器人),它可以收集和燃烧生物体来增加其能量供给。

  未来

  机器人技术还有很多创新有待完成。如果该技术继续沿着目前的道路前行,我们将会看到这样的机器人,成千上万甚至上百万的传感器连接到一些较小的处理节点,这些节点连接到更大的中央处理节点,后者通过远程链接与中心站及其它机器人进行通讯。这些传感器将向机器人提供反馈,机器人利用这些信息驱动轻巧的执行器迅速高效地完成手头的任务,并在此过程中通过自学习不断改进控制方法。

  我们并不怀疑这一切将会发生,尚不明确的只是何时会变成现实。

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