AI与IoT驱动的机器人自动化

基于人工智能和物联网的机器人自动化技术

2.1 引言

从技术上讲，自动化指的是运行某种模仿人类行为的动作或过程，而无需或只需极少的人工参与。此前，这种方式并不普及，大多数工作主要依靠人工完成；但随着技术和计算能力的进步，我们现在可以使用最先进的机器人和自动化[1]工具，从而轻松快速地执行任何任务。如果我们从更广泛的层面来看自动化，它主要应用于工业和制造业领域，这些领域是自动化的发源地，其中使用的自动化机器可用于喷漆、制造零部件、存储、监控等各种工作。如今，几乎所有的行业都在日常流程中使用这些自动化机器人。

工业革命[2]在推动自动化普及方面发挥了巨大作用，以至于不采用自动化流程被视为愚蠢的行为，因为不使用自动化会导致时间和金钱的浪费，毕竟“时间就是金钱”。

2.2 机器人技术简史

机器人技术一直是研究和创新中一个引人入胜的课题，其起源可以追溯到古代，但现代概念的形成始于工业革命。“机器人”一词在捷克语中意为“奴隶”，最初出现在一部关于工人在工厂装配线上工作的戏剧中[3]。此外，“机器人技术”[4]这一术语是由美国科幻作家艾萨克·阿西莫夫于1942年在他的小说《环行》中首次创造的。谁曾想到，曾经只存在于虚构作品中的机器人，将在不久的将来成为一项革命性的技术[5]？

第一个机器人于1950年由乔治·C·德沃尔发明[3]，他为一种可重新编程的操作装置“尤尼梅特”申请了专利。他试图将其销售给工业领域，但失败了。几年后的1960年，工程师兼商人约瑟夫·恩格尔伯格从德沃尔手中购得该专利，并对其进行了改进，制造出工业机器人，同时成立了一家名为尤尼梅ーション的公司来生产和销售这些机器人。他的工作和努力使他在工业领域获得了“机器人技术之父”的荣誉称号[6]。因此，令人惊奇的是，我们今天所拥有的机器人最初源于科幻小说，如今却正在彻底改变技术。

2.3 一些通用术语

• 人工智能 ：指让机器具备模仿人类行为和智能的能力，使其能够像人类一样行动和思考。这种智能被称为“人工”智能，是因为它是通过编程赋予机器的，不同于人类表现出的自然智能。“人工智能”（AI）这一术语最早由约翰·麦卡锡于1856年提出。人工智能是一项具有强大功能的颠覆性技术，可用于多种应用；例如，人工智能可用于玩游戏、监测患者健康状况以及作为交通控制系统。在教育领域，它可以充当独立且有效的导师；此外，还可用于疾病预测、天气预报等。由于其先进的特性和工具，人工智能的应用可能性无穷无尽[7]，其应用列表数不胜数。

图2.1中所示的人工智能维恩图表明，人工智能是机器学习（ML）和深度学习（DL）的超集。

• 机器学习 ：通过向机器输入数据来描述其学习行为。机器基于学习，利用统计推理和一些高级数学模型在数据中发现模式并进行预测[8]。它是人工智能的一个分支，在其后端运行并定义了各种算法流程，以使机器具备智能，从而做出准确的预测[9]。根据学习行为和数据类型，它被分为四种类型：
• 监督学习
• 无监督学习
• 半监督学习

• 强化学习

• 代理 ：指通过传感器感知环境，并根据代理所训练的预定定义规则，通过执行器执行动作的实体。就像人类拥有五种感官（即视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉）一样，我们根据感官获取的信息，通过四肢等执行动作。下图图2.2展示了代理的一个简单示意图。

代理作为人工智能技术的支柱，决定了它们的工作方式以及所涉及的应用类型。根据效用的不同，代理可分为不同类型[10]：
- 简单反射型智能体
- 基于模型的智能体
- 目标导向型智能体
- 效用导向型智能体

• 物联网 ：指将我们日常生活中使用的物品与互联网相互连接。物联网的基本理念是通过短距离无线设备（如Zigbee、蓝牙、射频识别以及各种类型的传感器和设备）将所有设备通过互联网连接起来，使它们能够相互通信，并在对等设备之间共享传感器数据，从而通过云服务为最终用户/客户提供便利。它是任何工业领域中需求最高的技术之一，预计从2019年到2025年将增长33.81%。物联网的基本建筑如下面图2.3所示。

• 机器人 ：能够在严苛环境中执行复杂任务的可编程机器。它们被设计如图2.4所示，通过内置或外置的控制器来自自动化任何人类任务，具体取决于需求。如今，机器人已被广泛应用于许多场所[14]，以执行危险或重复性任务，保护人类安全，尤其在工业领域的喷漆工作、仓库、装配线等场景中得到应用。因此，它们本质上正在实现环境的自动化，以减少人类劳动。如今，机器人已成为许多行业的必备设备；例如，它们在医疗保健、[15],教育、研发领域有应用，还被用于建筑、餐厅中的服务员等，几乎我们经济的所有领域。随着研究和创新的不断增加，越来越多的智能系统正在被准备，这些系统构成了现代社会的基础，并有助于重塑未来。

2.4 机器人自动化对人工智能和物联网的需求

机器人自动化在没有使用任何合适工具和技术的情况下，是最具挑战性和耗时的任务之一。如今，这一需求通过我们所拥有的最先进技术之一得以满足，即所谓的人工智能和物联网。借助这些技术，我们能够设计出更复杂、更强大的机器人。例如，

如果我们回顾最早的计算机形式以及我们现在拥有的计算机，即我们口袋中的强大计算机，就能看到巨大的差异。同样，技术正在改变我们的生活，并催生出我们曾经认为只可能存在于想象中的更先进的机械形式。

因此，尽管人工智能和物联网是必需的，因为它们集成了完善的工具和技术，足以使用传统编程打造强大的机器人，但与使用这些技术编写的代码相比，用传统方法编写相同的代码可能需要花费数月时间。基本上，人工智能和物联网在开发任何机器人系统方面都足够高效且有效。

2.5 人工智能与物联网在机器人技术中的作用

人工智能（AI）和物联网（IoT）是当今的技术，并且正日益先进。这些技术在工业中需求极高，因为所有正在进行的创新都基于它们。人工智能包含数学和统计模型，用于指导算法的运行，进而开发智能系统；而物联网则包含多种工具和技术，通过使用各种协议和设备，有效管理传感器及其互连通信。由于这些技术具有强大的能力，它们已被广泛应用于工业、医疗保健、商业以及经济的各个领域[16]。

这两种技术结合使用时，效益会大得多，因为物联网擅长收集数据，而人工智能则是处理大量数据的绝佳工具。由于物联网在数据处理方面会使用大数据或人工智能等其他技术，这意味着人工智能在物联网后端运行，并在包含这两者的任何系统或框架中发挥着重要作用[17]。一个完美的例子就是我们的语音用户界面设备，例如Alexa或谷歌家庭。它们通过一些数据进行训练，这些数据由人工智能处理，其引擎基于数据给出输出。

同样，在机器人技术中，这是一个由多种传感器和各种电气与机械设备组成的复杂系统，它们协同工作以完成指定的任务。在机器人技术中，对于识别和分类任务的情况，会使用计算机视觉，将成千上万的物体原始图像输入机器，经过训练后，机器便能够对物体进行分类和识别。在这种情况下，摄像头会从周围环境捕捉图像（属于物联网领域），并将图像传递给机器学习引擎进行处理，处理完成后，结果通过执行器或任何输出设备显示出来。

人工智能和物联网在机器人技术中的一些主要作用包括：
- 将基于规则的学习、理解、思考和推理等各种功能编程到机器人中，使其能够相应地执行任务。
- 根据机器人在工业、商业或商业用途中的应用情况，将各种有监督的、无监督的、半监督的或强化学习算法实现到机器人中。
- 建立机器人各个部件之间的多种连接，例如摄像头连接、Zigbee或蓝牙等无线模块、微控制器与执行器之间的连接等。
- 设置一个训练好的分类器或模型，以便机器人能够使用。
- 安装传感器和执行器，以感知环境并相应地执行操作。
- 创建一个推理引擎，基于感知序列或感知历史进行推理。
- 在某些情况下，启用语音合成以实现语音交流或语音控制，即语音用户界面（VUI）[17]。
- 通过云建立连接，以便能够远程配置或控制。

机器人的性能由其内存或感知序列决定，在训练过程中，模型会发现数据中的某种模式，这些模式构成了学习的基础。在创造机器人时，需要考虑多个方面，目标是开发一种认知架构，将推理、规划、反应、创造、从过去学习等功能集成其中[18]。受人类生物学的启发，我们试图在机器人中人工模拟各种生物行为，例如构建神经网络以模仿大脑的行为，并参照人体结构人工制造出各种关节。

除此之外，人工器官正在被创造以帮助有需要的人。尽管模拟人类大脑是一项极具挑战性的任务，但众多公司和研究人员正在夜以继日地工作，致力于构建可替代人类大脑的系统。其中一个项目是曼彻斯特大学开发的SpiNNaker，这是一台超级计算机，能够极快速地模拟人类大脑，不仅能思考，还可以创建我们大脑中神经元的模型，并能以远超世界上任何其他计算机的速度实时模拟这些神经元活动[19][20]。

在任何配备有传感器（温度、湿度、压力、振动、速度等）的支持物联网的设备中，会形成对环境的感知，这些信息通过无线设备经由路由器传输到云。随后，数据被输入到我们的安卓手机或任何用户界面设备中，并与现有数据库进行比较，根据其性能通过执行器执行某些动作，无论是警报器、蜂鸣器还是风扇，以通知系统管理员或用户。然后，借助人工智能，系统基于存储在云数据库中的感知序列，针对该情况采取行动来解决问题。

2.6 一些机器人系统的图示表示

• 工业机器人
  机械臂的管理员通过嵌入无线芯片的控制器进行控制，从而实现远程操控机械臂。中央系统使管理员能够管理设置，并配置机械臂需要运行的各种模式。该系统与机械臂相连，通过文件传输协议（FTP）等协议从系统收集数据，以获取有关任务内容及执行方式的指令。图2.5展示了该过程的示意图。

• 医疗机器人
  执行机器人手术的各个步骤如下面图2.6中的流程图所示。机器人手术的优势在于，它可以精确地进行手术，不会造成额外切口，也不会像人类医生那样犯错误，因为在手术过程中会持续监控以确保一切顺利进行。

• 农业机器人
  农业机器人对农民非常有帮助，因为农民在种植作物时确实非常辛苦，而且他们无需再担心季节性天气——从夏季的烈日到冬季的严寒。通过使用农业机器人，农民可以远程完成土地上的各种工作——只需坐在家中即可。图2.7展示了这些机器人是如何工作的。

机器人机械通过云无线连接，该云连接至农民家中或手机。农民可以使用手机或控制系统来控制机器人机械在田间执行动作。

2.7 机器人技术中使用的算法

人工智能基于某些算法运行，这些算法属于机器学习（ML）的研究范畴。这些算法的使用取决于待执行任务的类型以及要实现的最终目标。机器学习算法被分为以下图2.8所示的四种基本类型。

每个类别下的算法都是基于数学和统计推论推导得出的，并依据某种数学模型进行工作——所有内容都可以用数学模型来描述，而这些模型构成了机器人技术中所使用的机器学习算法的基础。在一些工业机器人中，机械臂的运动规划通过诸如贝叶斯滤波器等算法来实现。贝叶斯法则在机器人技术中具有某些令人着迷的作用，这些作用隐藏在一个简单的方程之下：

$$
Bel(x_t) = \eta P(z_t|x_t) \int P(x_t|u_t,x_{t-1}) Bel(x_{t-1}) dx_{t-1}
$$

上述表达可以理解为：
- 积分前的表达式可以理解为：先进行猜测，然后通过读取传感器数据来改进它。
- 积分内或积分后的表达式可以理解为：画出我们已知的内容，并尝试猜测以使其更好。

上述算法可用于推导出一些其他算法，例如：
1. 线性和非线性系统的算法 ：
- 线性：− 线性卡尔曼滤波器
- 非线性：− 扩展卡尔曼滤波器　− 无迹卡尔曼滤波器
2. 卡尔曼滤波器的改进版本 ：信息滤波器
3. 粒子滤波器 ：用于蒙特卡洛方法
4. 直方图滤波器 ：用于制作多维项目和直方图

有关机器人技术中使用的更多算法，请参阅[21, 22]。

2.8 机器人技术的应用

技术的进步带来了日新月异的创新，因为各个领域都在持续进行研究和实验。机器人技术具有广泛的应用和前景，几乎每个领域都在日常工作中利用它来执行人类无法完成的繁重任务。一些机器人技术的应用包括：

1) 工业应用

从工业革命开始，机器人在制造领域的应用就一直在持续稳步发展，自动化已成为工业中的一个关键方面，因为机械臂能够执行焊接、切割、弯曲、搬运、喷漆等各种任务。因此，它们被广泛应用于工业中的各种操作。

工业中使用的一些最常见的机器人包括：
- 关节型机器人
- SCARA机器人
- 并联机器人
- 直角坐标机器人
- 圆柱坐标机器人
- 球坐标机器人

详情请参见[23]。

2) 医疗服务业应用

医疗保健是最重要的且最复杂的工业领域，因其被视为任何国家的基本组成部分，需要给予最大程度的关注。因此，为该领域开启创新之门变得尤为重要。尽管目前仍处于发展阶段，但已有一些实验正在尝试使用机器人来替代护士，以执行一些常规任务，例如及时为患者提供药物、更换衣物、包扎伤口、抬举患者等。

一些正在改变医疗保健行业的机器人包括：
- 达芬奇 ：是一种能够以微小切口和极高精度执行外科手术操作的系统。
- 内窥镜机器人 ：是一种嵌入机器人的摄像头，可通过自然开口进入人体，搜索受损部位或卡在体内的异物，并追踪这些异物引发的疾病。
- 矫形器（外骨骼） ：对因手术导致行走异常的患者非常有用，可帮助他们行走，同时刺激虚弱的肌肉，促进更快康复。
- 靶向治疗微型机器人 ：具有微观尺寸，可对人体内的特定目标进行治疗。
- 其他一些机器人包括：消毒机器人、临床训练机器人、陪伴机器人、远程临场机器人代理、机器人护士、机器人辅助活检等。[25]

3) 外层空间应用

机器人现在被广泛应用于外层空间探索。它们作为无人驾驶飞行器被送往太空，以探索新的行星、恒星和其他天体。最著名的机器人是美国国家航空航天局发射的火星探测车，用于探索火星这颗行星。勇气号和机遇号是另外两个被送往火星的机器人，它们的机械臂被用来调查红色星球上的土壤和岩石。其他机器人，如凤凰号火星着陆器和好奇号火星车，也被送往火星进行更深入的探索。

4) 军事应用

国防是国家运行的关键要素，因此任何国家都会在其防御系统上投入大量资金。因此，机器人可以在使防御系统[26]更加高效和安全方面发挥重要作用。目前正在进行大量研究，以开发用于军队和国防的先进机器人系统。其中一种开创性的机器人是捕食者无人机，它是一种无人驾驶航空飞行器，能够更精确地拍摄照片，并能在无需飞行员的情况下准确地向目标发射导弹。

机器人可用于军事应用的一些关键原因如下：
- 它们不会疲倦
- 它们不知道恐惧是什么
- 它们可以日夜睁着眼睛
- 它们不会躲藏
- 它们执勤时不会说话
- 它们能在任何天气条件下履行职责
- 它们没有健康风险

以上几点足以说明机器人为什么可以用于军事目的。

5) 其他应用

其他应用包括：
- 智能家居系统，可智能监控家庭安全、管理能源消耗、保持适宜温度、清洁房屋，并根据需求提供适当的照明和空调
- 智能交通系统
- 在制作现实生活游戏方面
- 机器人警察
- 驾驶辅助等

2.9 案例研究

2.9.1 索菲亚

索菲亚是世界上第一个获得公民身份的机器人[28]，也是首个能够表达情感的机器人。它是由美国汉森机器人公司开发、在香港由首席创造者大卫·汉森研发的人形机器人。索菲亚最主要的特点是通过与人互动来理解并学习人类行为。它的外貌与人类非常相似，面部设计灵感来自英国女演员奥黛丽·赫本。正是由于其卓越的特性，沙特政府在10月于利雅得举行的未来投资峰会上授予她该国首位机器人公民的身份。索菲亚拥有迷人的女性面容，其眼睛是摄像头，能够识别人脸并以姓名向对方打招呼[30]。索菲亚可以做出约62种面部表情，还具备幽默感。她持续不断地学习，每天都在进步。人类与机器人之间的差距正日益缩小。索菲亚是尖端的人形机器人，已经改变了机器人技术的世界，而机器思维与人类思维之间不再有区别的那一天已不远了。

2.9.2 阿西莫

本田的阿西莫是一个四英尺高的类人机器人，可以在我们的家庭中作为完美的伴侣。它由本田技术的科学家们开发。其身体设计类似人类，能够说话，并能识别和与人互动。它可以和孩子们一起玩抛硬币游戏，还能用自己的手打开瓶子为人们提供冷饮。它具有强大的工作能力，可用于商店中的客户服务。阿西莫还可以像人类一样奔跑，速度达到每小时3.5英里。

然而，它尚未用于提议的目的，本田[27]正在持续进行一些高级升级，以使其更像人类。

2.9.3 猎豹机器人

麻省理工学院（MIT）研发的猎豹机器人[31]是首个能够完成后空翻的机器人。它是一种轻量且富有弹性的机器人，能够执行多种运动动作，例如正立或倒立行走。此外，它在不平坦地形上的行走速度比正常人类快两倍。

该机器人有四条腿，每条腿由三个低成本电机组成，易于更换，并采用低惯性、高扭矩设计，提供广泛的运动范围。它能够从意外外力中恢复。此外，其平衡能力远超其他机器人，可以轻松且即时地自我平衡。因此，可以说它是迄今为止唯一最先进的平衡和后空翻机器人[32]。

2.9.4 IBM Watson

IBM Watson是一个智能问答系统，能够回答以自然语言提出的问题。它以IBM的创始人兼首任首席执行官托马斯·J·沃森命名。最初，该系统是为问答（QA）目的而构建的，利用机器学习和认知思维来执行问答任务，但近年来Watson的功能已得到扩展[33]。如今，它不仅是一个问答系统，还具备说话、听、看、学习、解释以及作为推荐系统运作的能力。

2.10 结论

在本章节中，我们讨论了多种用于自动化领域的机器人技术，这些技术依托于工业界最受关注且最热门的两大技术系统——人工智能和物联网。根据其能力，这些技术被广泛应用于各种机器人应用场景中，包括医疗保健、制造业、国防、太空探索、餐厅、农业、家庭等。针对需求，我们定义了各类机器人的角色，并通过图示方式描述了每个角色。此外，我们还探讨了一些在机器人技术中使用的算法，以及如何根据需求利用这些算法推导其他算法。在明确应用的基础上，我们介绍了多个机构或公司所取得的一些最受欢迎且令人惊叹的成就的案例研究，详细描述了他们的发明及其为现代世界带来的创新性变革，这些成果有助于让我们的生活变得更加美好。