淺談微型機(jī)器人的控制

黑龍江省齊齊哈爾市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 孟慶喆

淺談微型機(jī)器人的控制

黑龍江省齊齊哈爾市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 孟慶喆

機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代最具有代表性的高技術(shù)領(lǐng)域之一。對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用形成了一門(mén)新的綜合型的技術(shù)學(xué)科—機(jī)器人學(xué)。作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制技術(shù)也經(jīng)歷了經(jīng)典控制技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是一個(gè)典型的認(rèn)識(shí)世界和改造世界的過(guò)程

微型機(jī)器人；控制

1 前言

隨著世界科學(xué)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器由于功能單一、很難勝任復(fù)雜工作的特點(diǎn)，因此越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)生活的需要，然而機(jī)器人的出現(xiàn)改變這一困境。機(jī)器人通過(guò)編程來(lái)設(shè)定多種行為，根據(jù)不同的編寫(xiě)程序組合可以獨(dú)立完成很多復(fù)雜的工作任務(wù)，所以這就更加明確“自動(dòng)化”的概念，傳統(tǒng)的機(jī)器僅僅能在某一方面實(shí)現(xiàn)“剛性自動(dòng)化”，機(jī)器人的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”這一目標(biāo)，產(chǎn)生了柔性生產(chǎn)工藝，利用計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)不同類型產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)，所以機(jī)器人的出現(xiàn)，對(duì)于整個(gè)人類生產(chǎn)生活過(guò)程產(chǎn)生了巨大的改變，大大提高了生產(chǎn)效率。目前用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人以第一代機(jī)器人為主，這種機(jī)器人在生產(chǎn)過(guò)程中扮演至關(guān)重要的角色，主要通過(guò)各種遙控器控制來(lái)進(jìn)行操作。21世紀(jì)初期，為了進(jìn)一步提高機(jī)器人的性能，在原來(lái)一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上安裝了多種傳感系統(tǒng)，例如溫度傳感系統(tǒng)、觸覺(jué)傳感系統(tǒng)等，目的是為了增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的感知能力，有了這些傳感系統(tǒng)，機(jī)器人可以完成許多難度更高更復(fù)雜的工作任務(wù)，例如環(huán)境探測(cè)、精密儀器的安裝與校核等任務(wù)都可以勝任，這就是第二代機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)所在。近幾年，隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)機(jī)器人的性能又有了更高的要求，比如利用機(jī)器人進(jìn)行深水探測(cè)、外部空間探測(cè)活動(dòng)，在救災(zāi)或者更加復(fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境中能夠獨(dú)立排除險(xiǎn)情，能夠妥善處理環(huán)境中一些不可預(yù)測(cè)的事故。所以這就決定了目前機(jī)器人不只能擁有感知能力，而且還應(yīng)該擁有超高的處理問(wèn)題能力以及面對(duì)突發(fā)事故時(shí)擁有決策和處理能力，主要工作是根據(jù)所處的環(huán)境特點(diǎn)和工作任務(wù)獨(dú)立制定出自身運(yùn)行的方案，也就是讓機(jī)器人“智能化”，就是通常我們所說(shuō)的第三代機(jī)器人。隨著機(jī)器人的大力發(fā)展，逐漸興起了一門(mén)新興學(xué)科---機(jī)器人學(xué)，主要是由計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械電子學(xué)、信息控制科學(xué)等科學(xué)交叉而形成，目前是科學(xué)界非常前沿的一門(mén)學(xué)科，具有非常光明的發(fā)展前景。

2 微型機(jī)器人發(fā)展中面臨的問(wèn)題

（1）當(dāng)前微型機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程中，微型化驅(qū)動(dòng)技術(shù)在此進(jìn)程中占據(jù)著非常重要的地位，其水平的高低決定著微型機(jī)器人的發(fā)展水平，所以目前微型機(jī)器人開(kāi)發(fā)研究的主要方向包括：降低耗能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、位移輸出和力輸出較大、線控性能優(yōu)良、體積小，環(huán)境發(fā)生變化時(shí)響應(yīng)時(shí)間少等方面。

（2）目前機(jī)器人的主要能源來(lái)自于電能，然而對(duì)于微型機(jī)器人來(lái)說(shuō)，供電導(dǎo)線會(huì)對(duì)微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力極為不利，尤其是在復(fù)雜的地形中非常不利于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。所以要想改善微型機(jī)器人這一窘境，就必須對(duì)從無(wú)電纜微波能源和無(wú)線傳輸方面入手，與此同時(shí)開(kāi)發(fā)研究體積小和儲(chǔ)能大的微型電池。

（3）目前在核電、醫(yī)療、軍事方面，使用微型機(jī)器人的一個(gè)非常重要的前提就是確保安全性和可靠性，其次還應(yīng)當(dāng)有在面臨復(fù)雜環(huán)境中能夠排除故障和正確解決問(wèn)題的能力。

（4）微型機(jī)器人與普通機(jī)器人相比，并不僅僅是在體積上的縮小，還應(yīng)當(dāng)在微型驅(qū)動(dòng)器和精加工技術(shù)方面的突破，同時(shí)還要求設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)理論方面的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出更有利于微型機(jī)器人移動(dòng)的方案。

（5）微型機(jī)器人應(yīng)該具備能夠獨(dú)立完成某一項(xiàng)或者多項(xiàng)工作的能力，第一步工作就是機(jī)器人必須具備自身定位和環(huán)境的識(shí)別能力，研究視覺(jué)感應(yīng)系統(tǒng)，提高機(jī)器人的圖像處理效率，因此可以運(yùn)用人工智能技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的技術(shù)來(lái)解決機(jī)器人獨(dú)立工作的難題。

3 微型機(jī)器人的控制

機(jī)器人學(xué)是根據(jù)機(jī)器人技術(shù)的研究而產(chǎn)生的一門(mén)綜合類學(xué)科，它包括了機(jī)械學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制理論及控制工程、電子信息科學(xué)、人工智能、人類學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)。距離世界上第一臺(tái)遙控機(jī)械手臂問(wèn)世已經(jīng)過(guò)去50多年，在這50多年中，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、自動(dòng)控制理論的行程以及工業(yè)生產(chǎn)的迫切需求，已經(jīng)相繼產(chǎn)生出來(lái)了三代機(jī)器人，分別是第一代可編程的示教型再現(xiàn)行機(jī)器人，第二代利用安裝傳感器具備一定自主能力的機(jī)器人，第三代為智能機(jī)器人。最初的機(jī)器人僅僅只能完成一些簡(jiǎn)單的抓取、放置、焊接等工作，然而如今開(kāi)發(fā)出能夠獨(dú)立行走，能夠進(jìn)行語(yǔ)言交流并具備一定思維能力的智能機(jī)器人。

根據(jù)機(jī)器人控制技術(shù)的研究發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，這是一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，在某些方面也符合了馬克思主義認(rèn)識(shí)論，能夠說(shuō)明人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上的辯證統(tǒng)一?？偠灾瑱C(jī)器人的發(fā)展歷程在哲學(xué)方面具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展高新領(lǐng)域中非常重要的一門(mén)技術(shù)。為了以后機(jī)器人更好的研究和發(fā)展，科學(xué)界又形成了一門(mén)新的綜合類型的學(xué)科一一機(jī)器人學(xué)?？刂评碚摵图夹g(shù)是機(jī)器人學(xué)發(fā)展的核心技術(shù)，其也主要經(jīng)歷了經(jīng)典控制技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、智能控制技術(shù)三個(gè)階段，因此從哲學(xué)的角度上看機(jī)器人的控制理論和技術(shù)也是一個(gè)非常典型的認(rèn)識(shí)世界和改造世界過(guò)程。

圖1 層級(jí)歸并控制系統(tǒng)

4 小結(jié)

從機(jī)器人控制的發(fā)展看來(lái)，它一方面受制于計(jì)算機(jī)硬件、傳感器等的發(fā)展，另一方面也與計(jì)算機(jī)軟件理論的發(fā)展息息相關(guān)?？傮w而言，它有一個(gè)從功能單一到多元，從針對(duì)特定硬件的軟件到可移植的通用的機(jī)器人平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。而現(xiàn)在，機(jī)器人軟件主要是以跨平臺(tái)，分層控制，模塊化，分布式，便于開(kāi)發(fā)，便于軟件復(fù)用為主要特點(diǎn)。關(guān)于機(jī)器人軟件的發(fā)展可以總結(jié)所示。20世紀(jì)90年代Windows的出現(xiàn)帶來(lái)了個(gè)人電腦的普及，相信隨著機(jī)器人平臺(tái)的統(tǒng)一化，機(jī)器人也會(huì)迎來(lái)一個(gè)繁榮發(fā)展的春天。

[1]羅怡．雙壓電薄膜細(xì)小管道機(jī)器人的研究[D]．上海大學(xué)博士學(xué)位論文,2001．

[2]彭冬亮,吳鐵軍．微型機(jī)器人的模型及研究方向[J]．科技通報(bào),2003,19(1)：6-9．

[3]張永順．國(guó)外微型管內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展[J]．機(jī)器人,2000,22(6)：506-513．

[4]徐小云,顏國(guó)正,等．六足移動(dòng)式微型仿生機(jī)器人的研究[J]．機(jī)器人,2002,24(5)：427-431．

[5]李勃,吳月華,等．基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的腹腔手術(shù)微型機(jī)器人[J]．光學(xué)精密工程,2001,9(6)：535-538．