智能移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀及展望

吳彥兵

【摘 要】與已經(jīng)比較成熟的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，我國(guó)的智能型服務(wù)機(jī)器人研制工作起步不算晩。在2000年后，國(guó)家就出臺(tái)了引領(lǐng)智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中對(duì)智能型服務(wù)機(jī)器人給予了明確定義——非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類(lèi)提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備，并且將其列為未來(lái)15年重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】智能移動(dòng)機(jī)器人；技術(shù)現(xiàn)狀；展望

眾所周知，在全世界發(fā)展范圍內(nèi)，都投入了大量的時(shí)間和資金進(jìn)行智能機(jī)器人的項(xiàng)目研究，因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)的進(jìn)展在某種程度上代表了一個(gè)國(guó)家綜合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展程度，伴隨著信息科技時(shí)代的到來(lái)，智能機(jī)器人獲得了更為廣闊的發(fā)展空間。因?yàn)闄C(jī)器人的更新?lián)Q代速度很快，所以我們應(yīng)該打破傳統(tǒng)研究方面的禁錮，使得機(jī)器人更加人性化、智能化，很好的與實(shí)際生活生產(chǎn)相融入。

一、智能移動(dòng)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

縱觀世界發(fā)展總體動(dòng)向，對(duì)于機(jī)器人的起始研究時(shí)間大約于20世紀(jì)60年代，其研究的主要用途就是進(jìn)行對(duì)象識(shí)別，還具備一些簡(jiǎn)單的智能化標(biāo)準(zhǔn)，可以優(yōu)化路徑，完成簡(jiǎn)單的事物推理。因?yàn)閷W(xué)無(wú)止境，科技發(fā)展的腳步從未停止，科研人員也在與時(shí)俱進(jìn)，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新原有設(shè)備，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間不懈的努力，終于使得機(jī)器人基本實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化、智能化。最為常見(jiàn)的就是可以快速對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行有效感知，人們對(duì)系統(tǒng)輸入指令后，能夠快速、自主的對(duì)任務(wù)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，選擇最為有效的解決策略。因此，我們對(duì)完全具備獨(dú)立性能的智能移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)分析，主要包括：

（一）分級(jí)結(jié)構(gòu)

分層結(jié)構(gòu)是最基本、最常使用的構(gòu)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，其使用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)感知與策劃、執(zhí)行要點(diǎn)的分離，使得操作可以按部就班的進(jìn)行。

（二）反應(yīng)結(jié)構(gòu)

反應(yīng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，具備同時(shí)操作操作功能和執(zhí)行功能，不僅可以做到滿足二者同時(shí)操作的要求，而且反應(yīng)迅速，運(yùn)行快。

（三）慎思/反應(yīng)混和結(jié)構(gòu)

對(duì)于慎思/反應(yīng)混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展而言，既可以看作是統(tǒng)一的整體，也可以獨(dú)立運(yùn)行，因?yàn)槠渚C合反應(yīng)系統(tǒng)極為強(qiáng)大。常用于處理異步操作，可以稱之為對(duì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的改革和創(chuàng)新。

二、智能型服務(wù)機(jī)器人的主要應(yīng)用

（一）多功能清潔機(jī)器人

清潔型機(jī)器人的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，可確保機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是可控的；感知系統(tǒng)用于檢測(cè)清潔機(jī)器人周邊的障礙物，將相關(guān)信息上傳給機(jī)器人，圓滿完成對(duì)垃圾清掃任務(wù)。

1.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

清潔機(jī)器人的能量消耗主要有兩方面：首先是功能模塊，其次是控制系統(tǒng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。清潔機(jī)器人若要具有自主實(shí)現(xiàn)工作的能力，必須具備一個(gè)可靠電源，使得系統(tǒng)在各種環(huán)境中穩(wěn)定工作，其中電源電路設(shè)計(jì)猶為重要。

2.信息采集模塊

清潔機(jī)器人屬于移動(dòng)型機(jī)器人的范疇，故其采用的傳感器可分為兩大類(lèi)：內(nèi)部狀態(tài)感知傳感器和外部狀態(tài)感知傳感器。前者又可細(xì)分為：加速度傳感器、速度傳感器、編碼器等，后者則包括：紅外測(cè)距傳感器、視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、激光掃描儀等。如前文所述，現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人一般都是采取多傳感器融合的方式進(jìn)行周邊環(huán)境的感知。考慮到各種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)考慮到清潔機(jī)器人需在避障的基礎(chǔ)上完成吸塵和拖地任務(wù)，因此信息采集模塊采用紅外測(cè)距傳感器和光電編碼器。

（一）醫(yī)療型服務(wù)機(jī)器人

首先要明確其設(shè)計(jì)要求，其后才是其應(yīng)用。首先是安全性要求，醫(yī)療型服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的是人與機(jī)器的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)作，并且服務(wù)對(duì)象多為病人，而病人存在不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙，如肌肉控制力不足導(dǎo)致的身體平衡性和協(xié)調(diào)性變差、關(guān)節(jié)僵硬導(dǎo)致的活動(dòng)范圍不足等。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中，安全性是必需的前提。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)零部件在保證足夠強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量選取輕質(zhì)材料；機(jī)器人設(shè)備與患者患肢的鏈接位置應(yīng)在保證安全性和穩(wěn)定性的前提下，具備一定的可調(diào)性和訓(xùn)練舒適性，比如在康復(fù)訓(xùn)練中，需符合患者生理特點(diǎn)，防止訓(xùn)練過(guò)程中過(guò)量或異常的訓(xùn)練模式導(dǎo)致患者二次損傷。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制與反饋，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。此外，多重安全保護(hù)器件也是必不可少的。

三、智能移動(dòng)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展路徑

（一）智能機(jī)器人逐漸民用化

隨著工業(yè)革命的完成，我們的生產(chǎn)不斷實(shí)現(xiàn)規(guī)范化生產(chǎn)模式，以此奠定了機(jī)器人成為輔助人類(lèi)進(jìn)行生產(chǎn)生活的重要組成部分，就像人們接受手機(jī)電腦一樣，智能機(jī)器人同樣會(huì)受到廣泛歡迎。相較于現(xiàn)階段，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)無(wú)限擴(kuò)大，大到航天航空領(lǐng)域，小到一個(gè)家庭，都在運(yùn)用計(jì)算機(jī)管家。而且，機(jī)器人會(huì)不斷向多元化方向發(fā)展，民用化帶來(lái)的突出變化在于機(jī)器人將會(huì)和日常商品一樣，可供眾多家庭選擇。

（二）智能機(jī)器人的安全性進(jìn)一步加強(qiáng)

在當(dāng)前，對(duì)于智能機(jī)器人研發(fā)利用存在爭(zhēng)議最大的問(wèn)題就是安全問(wèn)題。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，機(jī)器人會(huì)涉足更為廣闊的發(fā)展領(lǐng)域，因此出現(xiàn)故障的形式也會(huì)呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢(shì)，像是在醫(yī)療領(lǐng)域，如果想運(yùn)用機(jī)器人完成高難度手術(shù)，那么，就需要做好對(duì)安全系數(shù)的科學(xué)評(píng)估。因此，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，為了有效提升其整體安全性能，會(huì)不斷完善容錯(cuò)能力和糾正能力。

（三）人機(jī)交互

在現(xiàn)階段的發(fā)展過(guò)程中，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)人機(jī)交互的發(fā)展模式，像是蘋(píng)果系列已經(jīng)推出的語(yǔ)音助手，可以幫助人們有效解決實(shí)際存在的問(wèn)題，雖然應(yīng)用起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是系統(tǒng)清晰地展示出人機(jī)交互的邏輯思維，可以根據(jù)人的情感變化做出反應(yīng)，這看似相互獨(dú)立的個(gè)體，將會(huì)在未來(lái)有機(jī)的結(jié)合在一起，人機(jī)互動(dòng)模式也就成為未來(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著科技水平發(fā)展愈發(fā)迅速，智能型服務(wù)機(jī)器人的需求與出現(xiàn)是必然的。隨著智能型服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的日益革新，人們?cè)谏罨蚬ぷ髦忻鎸?duì)的復(fù)雜、重復(fù)的問(wèn)題必然會(huì)在機(jī)器人的協(xié)助下得以減輕。所以，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)智能型服務(wù)機(jī)器人的重視程度，不斷改善技術(shù)條件，使其為人類(lèi)做出更多的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宏昊，房國(guó)志，王旭峰，孫慧.在電子實(shí)習(xí)中引入智能移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)[J].黑龍江科技信息，2011（36）.endprint