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机器人所用到的技术

1.机器人基本结构
下图中标识了机器人的结构。它是由输入设备、控制器、输出设备三个部分组成。从这个角度来说,机器人是一种高度集成了各种设备的机器。
机器人的基本结构
 
下图中所示是特斯拉机器人组装工厂的一角,是目前最先进的工业机器人。他们能够协同工作,共同来组装完成一辆汽车。它与我们想象中的机器人最大的不同之处在于它会协同工作。
特斯拉组装机器人
2.机器人系统架构
机器人的工作模式是see-think-act,所以自然而然地就形成了“传感一计划一行动”(SPA)结构。从感知进行映射,经过一个内在的世界模型的构造,再由此模型规划一系列的行动,最终在真实的环境中执行这些规划。与之对应的软件结构称为经典模型,也称为层次模型、功能模型、工程模型或三层模型,这是一种由上至下执行的可预测的软件结构。
SPA机器人系统最典型的结构是建立三个抽象层,分别称为行驶层(Pilot)(最低层)、导航层(Navigator)(中间层)、规划层(Planner)(最高层)。传感器获取的数据经过下面两层的预处理后达到最高“智能”层作实施决策,实际的行驶(如导航和行驶功能)由下面各层执行,最低层再次成为与小车的接口,将驾驶指令发送给机器人的执行器。
3.机器人系统
把各种传感器、控制模块、执行构件等多个设备组合在一起,构建一个机器人系统,面临很多复杂的问题,这样机器人专用的中间件就会起到很大作用;研究开发机器人需要高度整合各种各样设备,如果完全从零开始开发,那么在技术上、时间上、金钱上都需要投入巨大的成本。把机器人需要的各类软件要素总结在一起,专门开发用于机器人的中间件,再开发机器人的效率就大为提升,人们就能够实现高速开发、提升可维护性,可以与外部系统更灵活联动。
1)高效利用网络环境
机器人接收到信息和命令后,组合指令来执行系列任务。这样常需要机器人连网随时获取指令和利用外部资源,特别是存在云端服务器上的资源。
2)机器人专用中间件
开发者在实际研究开发构建机器人时,面临的最大困难是怎样把多个构成要素组合为一个整体系统。机器人专用中间件可以很好地帮助解决问题,机器人专用中间件有RT和ROS两种。RT有开源版本的OpenHRP3;ROS(Robot Operating System)是一个在欧美地区广泛应用的机器人开发开源平台。
3)连接到云端的机器人
物联网把设备连接到互联网,当云计算和机器人技术结合后,就成了云机器人。以前生产线上的设备靠PLC控制器编程,在小范围进行设备控制。现在由于物联网技术的快速发展,创造了物联网机器人。
4.机器人相关技术
机器人技术通常可以分为三个部分:感知、认知和行为控制。感知基于视觉、听觉及各种传感器的信息处理;认知部分负责更高级的语义处理,如推理、规划、记忆、学习等;行为控制部分则是专门对机器人的行为进行控制。
5.机器人新技术
1)“软体的机器人”——柔性机器人技术
柔性机器人技术是指将柔性材料用于机器人的研发、设计和制造上,控制方式采用记忆合金、气体驱动等。因为柔性材料能够可控地改变自身的形状,所以在管道故障检查、医疗诊断、侦查探测领域应用广泛。目前应用比较成功的方向:机器人的抓取,在对软性的、易碎的物品抓取方面,软体机器人要优于传统的刚性机器人;医疗康复,辅助穿戴式柔性设备目前也取得了成功。
2)“机器人可变形”一一液态金属控制技术
液体金属即液态金属,主要应用于消费电子领域,这种金属具有熔融后塑形能力强、高硬度、抗腐蚀、高耐磨等特点。
《终结者》中的液态金属机器人T1000的身体是由可还原记忆的液态金属构成,T1000的每一滴液态金属都是它的CPU,这些CPU拥有独立的思维,既可以分散独立工作,也能自我组合,相互协作。
在2014年发现电控可变形液态金属后,清华医学院和中科院理化技术研究所合作在2015年3月研制出完全摆脱外部电力,可以自主运动的液态金属机器。这一成果为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了基础。
3)“生物信号控制的机器人”——生肌电控制技术
生肌电控制技术是指利用人类肌电信号来控制机器臂的技术,这种技术可以增强人机交互的自然性和主动性,主要应用在远程控制、医疗康复等领域。肌电控制技术是一种生物电控制的典型“人一机系统”,目前比较成熟的应用是肌电控制假肢,与其他方式控制的假肢比起来有很多的优越性。
4)“机器人也可以有皮肤”一一敏感触觉技术
触觉技术采用基于电学、微粒子触觉技术等原理等新型触觉传感器,目前还在研究开发光子皮肤,使机器人拥有类似人类皮肤的敏感触觉,从而让机器人对物体的外形、质地和硬度更加敏感,最终胜任医疗、勘探等一系列复杂工作。
5)机器人会话:智能语音交互技术
语音交互技术是指将语音识别、深度语义理解等技术深度融合起来,使机器更加智能,让人与机器的交互如同人与人的交互一样。
这样的交互方式让机器人就好像是你的一个朋友,而不是一台机器人,它能让人产生自然的交互体验。
6)“机器人可以有'心理活动,"一一情感识别技术
情感识别技术是指通过综合人类面部表情、语音特征以及肢体语言等多状态特征,并通过感知技术综合判断,实现对人类情感甚至是心理活动的有效识别,使机器人获得类人类的观察、理解、反应能力。这个技术可应用于助残康复、刑侦鉴别、灾害救援和娱乐体验等领域。
7)“用意念操控机器”——脑机接口技术
脑机接口
脑机接口(Brain Machine Interface)技术通过对神经系统的电活动和特征信号的收集、识别及转化,使人脑发出的指令直接传递给指定的机器终端,这种技术在人与机器人的交流沟通中有重大意义。
脑一机接口是神经工程领域领先发展、重点研发的前沿技术。通过解码大脑活动信号获取思维信息,实现人脑与外界的直接交流。从定义上说,脑机接口就是研究如何用神经信号与外部机械直接交互的技术,脑机接口分为植入式和非植入式两大类,植入式电极比非植入式精确度高,还可以编码更复杂的命令(如3D运动)。非植入式更安全,接受程度更高。
8)“机器人为你带路”——自动驾驶技术
通过深度学习、机器学习、人机交互等多种技术的融合发展,已经可以实现汽车、飞机、船舶等交通工具的自动驾驶。应用自动驾驶技术可以解放人类的双手,使人类的生活更加便利。
自动驾驶的最终形态是无人驾驶,也在不断朝着那个方向努力。高级辅助驾驶已经在很多品牌上实现了,正向真正的无人驾驶迈进。
9)“机器人之间可互联”一一机器人云服务技术
机器人云服务技术是让机器人本身作为一个执行终端,可以将数据传到云端进行存储与计算,能实现即时响应需求的功能,可以有效实现数据的互通和知识共享,从而为用户提供无限扩展、按需使用的机器人服务方式。