人工智能在机器人领域的开发应用

《人工智能在机器人领域的开发应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人工智能在机器人领域的开发应用（4页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、开发与创新人工智能在机器人领域的开发应用许彦峰，孙汉旭(北京邮电大学自动化学院，北京100876)摘 要：近些年来，机器人学和人工智能作为两个不同的学科，各自发展着，均取得了很好的成果。同时， 在一些领域，二者又相互结合，并取得了很好的效果。本文在查阅大童文扶资料的基础上，对近 些年来国内外人工帮能在机器人领域的应用做了一个比校全面的总结，并提出了一些设想和展.望。关字：机器人；人工智能；专家系统；控制；规划中图分类号：TP249文献标识码：A文章编号：1002-6673 (2004) 01-004-45994-2010 China .Academic Journal Electronic P

2、ublishing House. All rights reserved.K： Fwww. 开发与创新5994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.K： Fwww. 开发与创新0引言在现代的工业制造，航空航天，交通矿业等领域， 机器人越来越发挥着乗要的作用。一些日本的专家预 测，到2010年，只有5%的体力劳动需要由人来完成， 其余大量的体力劳动要由机器人来承担。随着机器人的 普及，机器人安全，规划，控制等领域也日益承受着巨 大的挑战。本文在参阅了大fit文献的基础上，总结了

3、近些年国 内外的科研成果，描绘了一个机器人与人工智能相结合 的比较完整的框架。本文重点介绍了专家系统与机器人 相结合的情况。首先，提出了目前智能机器人所受到的 各种限制，然后提出专家系统所具有的一些长处，以及 专冢系统与机器人相结合所带来的突破。包括在机器人 规划和机器人安全等领域。可以看到，结合的结果将使 质量、稳定性、适应能力和安全等方面都得到提高。其 次介绍了人工智能与机器人控制相结合的情况。1专家系统在机器人领域的应用1.1机器人能力的局限当今大多数机器人被看作是笨拙的、缓慢的、缺乏 智能的。它们只圧用来完成一些非常特定的任务。教机 器人像人类一样完成一些任务也是非常困难的。按 Nit

4、zen的说法，这是机器人以下的一些特点决定的：(1) 操作器的能力有限。机器人的末端操作器灵活 性有限，不能像人的手那样灵活操作，因此只能操作特 定形状及大小的器件。(2) 开环控制。如今的机器人多数都是开环控制， 收稿日期：2003-11-2基金项目：3I家“863计划”资妙砍目(2002AA742030)。4如搬运、焊接等操作，开环操作导致精确性很难保证。(3) 无法进行错误诊断。绝大多数机器人无法对非 预期的故障进行诊断并修复。机器人系统经常无法确认 机器人是否按原计划工作。(4) 有限的可移动性。今天的机器人常常会被引导 方式所限制。这些机器人无法自由运动，避障能力也很 有限。他们常常

5、只能在确定的环境中运动。1.2专家系统的特点专家系统(ES)是一项很新的技术，直到1980年才 开始有商业应用。专家系统本身具有一些潜在的优点：它 可利用宅贵的专家知识，可以在不确定的环境中运行，可 增加系统的可靠性和反应时间(2-耳。1985年以后，专家系 统得到迅速的发展。尽管只有短短二十几年的发展，专 家糸统已经在以下领域显示出它强大的生命力。(1解释：从传感器的数据推导岀状态描述。(2) 预测：从给定的状态推导出可能的结果。(3) 诊断：通过观察得出町能的系统故障。(4) 设计：在一定的约束下配置对象。(5) 规划：设计行为序列。(6) 监视：检査观察所得的结果与计划的差异。(7) 调

6、试：提出解决系统故障的方法。(8) 维修：执行一个计划来管理维修过程。(9) 控制：单独或与传统控制方法相结合，完成控 制过程。2机器人与专家系统的结合机器人学与人工智能(AI)领域的关系十分密切。 有些人甚至认为，机器人学是人工智能的一个应用。还 有人认为，专家系统也是人工智能的一个应用。因此， 机器人学和专家系统两个领域之间，必然存在看许多潜 在的联系。2.1专家系统增加了机器人系统的可靠性在机器人系统中，无论堤机器人本身还是机器人所 处的环境都有可能发生故障。对于实时系统来说，及时 发现和解决故障是一件困难的事情。它包括监控机器人 的运行。检测故障，诊断原因，向操作者提供解决问题 的参考

7、办法，或者直接产生行为规划去控制机器人执行。： 这个过程可以完全或部分交给专家系统来执行。一个基 于专家系统的故障恢复系统的原型已经被明尼苏达大学 开发出来了，这个基于规则的系统功能还很有限。北 京智能谷科技有限公司开发的电机故障诊断系统就是通： 过向用户咨询各种现象来最终进行故障的诊断。|2.2专家系统可以用来增加机器人系统的安全性安全问题随时可能发生。事故所带来的损失是无法 估量的。有时甚至威胁到人的生命。例如，安全规则规； 定人不可以进入到机器人的工作环境。但是，仍然时常 有人进入而发生專故，他们中有的是对安全规定的邈 视，有的则是一时的疏忽。还有一种情况是已经下了命 令让机器人停止运行

8、但由于控制系统岀现一些故障导致 机器人仍在继续运行。如果在机器人环境集成了安全监 视专家系统，许多这类事故都可以避免。“机器人智能安全系统(R1SS)”是由Martin - I Marietta宇航公司为美国航空航天局(NASA)的航天飞 机开发的。R1SS检测机器入工作中的异常.如果侦测到 有异常，系统将会进行诊断并采取适当的措施。监测信 息来自工作环境、机器人本身、传感器、其他计算机以： 及操作人员。校正的操作可能输出到机器人控制器，其 他机器的控制器以及显示设备。机器人原计划的操作将 被挂起或改变问。2.3专家系统可用于机器人规划机器人规划包括任务规划和轨迹规划c国内外许多 专家在机器人

9、任务规划上利用AI技术进行了大胆的尝 试。机器人规划是一项非常艰巨的任务。利用AI技术 进行的一些尝试，如启发式搜索、语义网络、谓词逻 辑、框架等，在有限的区域已经取得了一定的成果。如 PULP-I,已经具有一定的学习功能。但是速度十分缓慢。 由蔡自兴，傅京孙等人开发的ROPES叫 在时间上有了 ： 很大的改进。另外，ROPES还可以产生多个结果并对结 果进行评估。另一个具有规划功能的机器人系统是 Freddy 30他是一个非常庞大和复杂的系统，包括多个机 器人、微型计算机、本地网络以及各种传感器。n : RoboCup世界杯是目前世界上规模最大，参赛人数炭多 的的机器人比赛，也是智能机器人领

10、域最重要的一次国 际盛令。创立RoboCup的目的就是为了促进人工智能和 机器人学的研究。通过足球这个具有普遍意义的平台. 来评价各种理论、算法和智能体系结构。我国选手将基 于专寰系统的轨迹规划理论用于其中，在仿真组比赛中 取得了骄人的成绩。仿真足球机器人比赛在标准软件平 台上进行，平台设计充分体现了在控制、通讯、传感等 方面的实际限制，仿真组比赛是目前参赛项目中参赛人 数最多的一种。仿真机器人足球队的研究重点是球队的 髙级功能，包括动态多智能体系统中的合作、决策、实 时规划等人工智能研究的热点问题同。3人工智能在机器人控制领域的应用在过去的几十年，机器人控制理论得到了极大的发 展。国内外专家

11、学者做出了许多有益的尝试，取得了丰 硕的成果川。然而，大多数控制方法需要合适的数学 模熨。但由于机器人动力学的非线性、时变性、名关节 强耦合及变惯童等复杂性，不仅其数学模型的参数，就 连数学模型的类型都很难准确确定。由在线进行系统辨 识的方法确定的动态数学模型将随着负载和机器人型位 的变化而不断变化。其巨大的计算量使这种方法根本无 法应用到实际中去。因此在实际应用中，我们看到最多 的应用还是PI, PD和PID控制。另一方面，人类的操作员在执行相似任务的时候， 并不需要知道什么数学模型，却能够执行得很好。因 此，采用一种方式模拟人类的行为而不需要大倉的数学 计算的控制方法自然而然地被提出来，这

12、就是所谓的智 能控制。智能控制涉及到人工智能的多个领城，包括专 家系统、神经元网络以及模糊控制等。纯粹采用专家系统的智能控制系统将会免去大量复杂 的计算，从而极大地提高系统的整体反应速度。然而.基 于规则的系统也有它的弱点，为了便系统能够处理各种异 骨慣况.系统的规则将塑非常短杂的即便如此.也很难 将所有情况都考虑进去，因此，专家系统与常规控制相结 合的形式是比较具有实用性的。如中科院的隋清，马颂徳 等将专家系统与PID控制相结合，取得满意的效果问。还 有人使用专家系统来决定系统辨识模型，选择故障诊断工 具零*切。图1是典型的专家系统与普通控制器相结合的 方式。其中的控制器可以是简单的P1D控

13、制器，也可以是 不同的系统辨识工具，故障诊断工具等。5994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.K： Fwww. 开发与创新在机器人控制中常用的智能控制方式是模糊控制。 其基本方式如图1所示昭。从传感器得来的数据，一般来说都是非模糊的，首 先要进行模期化处理。模糊化后的数据都存储在与控制 器直接相连的数据库中，基于知识的控制语句将各种情 况均考虑进去，直接得出控制的模糊值，模糊值通过解 模糊化单元得岀实际控制值。这种控制方法适合于通过 传感器的数据直接驱动控制器的场合。用符

14、号的方式代替传统的数据公式的方式来进行控制 在某些特定的情况下有一些明显的优点。尤其是在数学模 型不易建立的场合。这是因为用语言符号建立的公式，其 着眼点和人类的思维是一致的c其处理过程就像人类的操 作员的处理过程。他的处理完全来自实际的经验。十几年夹，用神经元网络来控制机器人变得非常流行。 从控制的角度来考虑，神经元控制具冇如下一些特性：(1) 分布式的非线性。(2) 从经验进行学习的能力。(3) 强壮的平行多处理能力。(4) 在尚未进行训练情况下的表现。常见的神经元机器人控制器如图2所示。圈2神经元网络采用不同的结构可用于不同的应用，因 此它引起了人们广泛的兴趣。从控制的角度来看，神经 元

15、网络在非线性控制方面的表现是最突出的。由于神经 元网络不是基于模型的，因此他被看作是机器人传统控 制之外的另一个可行的控制方法。他可以模拟人类的思 维方式。在机器人控制方面，神经元网络还有一些很特别的 优点。它可以被训练来进行运动学的正解和逆解。可以 来表示n个关节的机械臂的各种输人与输出关系。关于 用神经元网络控制机械臂.许名人已经讲行的大最的研 究I叫4结论不难看岀，不久的将来，“智能机器人”将在工 业、服务业、军事、航空航天等领域发挥越来越重要的 作用。今天，尽管我们的机器人已经具备了一定的智 :能，但距离真正的“智能机器人”还有相当大的差距。 随着生理学，行为学等学科的发展，随着我们对

16、人脑的 工作方式的理解进一步的加深，随肴机器视觉和自然语 言理解等人工智能领域在机器人上的应用，机器人终将 :成为真正意义上的“智能机器人”。这是充满了生机与 活力科研领域。涉考文猷：1 Nitean. D. Development of Intelligent Robot, in Aleander , I (ED) Tlie world Yearbook of Robotic R&D. Konan Page: London, 1985.2 Thompson. D, R et al A Knowledge -Based System for Continuous Seam Welding in

17、 the Autonomous Manufacturing Envircnment. in Lu and Komanduri Watennan, D. A guide to Expert System. Addison-Wesley. 19854 Smith, R.E. and M, Cini. Robot Tracking and Control Issues in* an Intelligent Error Recovery System IEEE. 19865 Mamiiez. CA Artificial Intelligence Applied to Robot Fail Safe O

18、perations. Robots 96 蔡自兴徐光佑.人工智能极其应用(M(第二版)清华大:学岀版社 1996.7 Mowforth, P. and I. Bratko. Al and Robotics; Flexibility and Integretion Robotics. Vol. 1987,5.8 Xia Min. Liu lin. Zheng Zhiqiang. Robot Planning Theory Based on Expert System and Its Application in RoboCup Proceeding of the 4th World Congre

19、ss on Intelligent Control and Automation 20029 JJ Craig. Adaptive control of mechanical manipulators Addison Wesley. Reading, Mass. 1986.10 M.W. Spong and M. Vidyasagar, Robot Dynamics and Control John Wiley and Hons. New York, 198911 F.L. bwis. C.T. Abdallah and DM Dawson, Control of Robotic Manipu

20、lators Maxwell Macmillan, 1993.12 隋清.鲁逾.马颂穗基于专家系统的机器人PID控制卩 模式帜别与人工秤能.V。. 1994 . 3.13 R Lingarar, L. Liu, M A Ellbestawi and N K Sinha Knowledge -Based adaptive control in manufacture aystema: aIcase Mudy IEEE Transactions on Sysems, Man and Cybernetics, vol. SMC-20, 1990.14 MH Rai bed. Analytical e

21、quations vs. table look -up for , manipulation. Proc. IEEE Conf. On Decision & Control 199715 C.W. de Silva and A.G.J. McFarlane, Knowledge-based controlapproach for robotic manipulators.Inlemalional Journal ofControl. 1989.16 Nareh K Sinha, Intelligent control of robot: status future and future per

22、spectives. IEEE, 1998.17 EM Scharf and N.J. Mandic. Hie application of a fuzzy controller to the control of multi -degree of freedom robot arm. in hdustrial Applications of Fuzzy Control, edited by M.sugeno, North-Holland, 1989.18 R Palm Fuzzy controller for a sensor guided robot . manipulator. Fuzz

23、y Sets and Systems, vol.31.19 R.Lingarkar, Liu, Gary Bone, MA Elbestawi and Naresh K Sinha, fuzzy controller for force regulation in robotic maching. Proc. Canadian Conf. On Electrical & Cmputer Engineering, Ottawa, 199020 A.Nedugandi and D.J Wenzel, A novel approach to robot control using fuzzy log

24、ic. Proc. IEEE Inl Conf. On System, Man and Cybernetics. 1991.21 A.Guez and JW Selinsky, neurocontroller with guaranteed performance for rigid robots. IEEE International JointConference on Neural Networks, 1990(22 Ishiguro Akio el al. A neural network compensator for uncertainties of robotic manipul

25、ators【EEE Trans. On Industrial Electronics (23 T. Yabuta and T Yamada, Possibility of neural network controller for robotic manipulators Proceedings of Ini. Conf. On Robotics & Automation, 1990.(24 K Tsutsumi and H, Matsumrjto, Neural computation and learning strategy for manipulator position contro

26、l. IEEE conf. On Neural Networks, 1987作者简介：许彥峰.北京邮电丈学 溥士研究生。孙汉旭，男.北京邮电大学自动化学Ft睨长。北索邮电大学 博士生导师，国家863课题专家组专家.北京航空航天大学博士 半业.环从张启先院士。卡內虑梅隆大学访问学看。$年从亨机 若人领城的软学科研工作。994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.enki.nd开发与创新994-2010 China .Academic Journal Electronic Pub

27、lishing House. All rights reserved.enki.nd开发与创新The Application of Al Technique in Robotics FieldXU Yan-feng, SUN Han-xu(School of automation, Beijing University of Post and communication, Beijing 100876tChina)Abstract: recent yean, robotics and Al technique developed very much. In some field, the tw

28、o technology integrated. The integration of Al technology into robotics make many improvements This paper outlines a framework for the applications of Al cechnobg)r in robotics field. And give a view of future perspectivesKeywords： robot； Al； expert system； control； phning中国机械工程学会举办“工业工程师”培训班一、培训对叙：

29、从事机械制造业、汽车制造业、石油、化工、轻工业（家用电器）、国防工业系统等行业及民营 企业的管理层人员、项目负责人等。二、培训内客：工作研究与价值流分析（流程分析；作业分析；生产线平衡；操作分析；时间测定；宽放率； 标准资料等）；企业物流技术（物流基础知识、方法及工具；工作程序和注意事项，如物料分类、确定当量系数、 物流*分析、系统布置设计及物料形状分析、物流址确定及确定物流密切度等级等；了解物流信息及编码标准；物流 自动化与设备运用；物流成本控制、评价和管理等知识）；企业信息化（企业信息化的主要内容与原理；企业信息 化的总体规划；企业物流和业务诡程的重组与企业信息化；企业信息化的实施）；6a

30、使学员了解实施6a的策略及 程序；如何发现质量问题；质最控制和质童优化；质最改进的技术路线及系统解决问题的方法与技术）。聘请有丰底经验的专家教授采用最新教学方式，互动式教学。授课与案例分析相结合，突出实践与应用。三、培训时间：2004年4月，约5天。四、培训地点：浙江省杭州市（具体时间、地点另行通知）。五、证书与继续教育登记：凡报名参加培训班的学员.均颁发中国科协继续教育证书。按规定可直接进行继续教 育登记，并作为专业技术人员职务聘任、晋升的必备条件；也可以作为申请工业工程师的条件之一。六、报名与收费：首次参加培训的学员950元培训费，100元资料费；高级会员和曾参加过我院继续教育培训的 学员可享受优惠价900元培训费。定址：北京市海淀区首都体育馆南路2号机械工程师进修学院，100044电话：010-8830.1645 传真：6836.1096 联系人：付萍电子信箱：cceemecmes.org详见 或 http:/www.china-994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.enki.nd