物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能機(jī)器人系統(tǒng)的探索與實(shí)踐

鐘元權(quán)

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院 安徽 合肥 231201）

1.基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人的系統(tǒng)概述

1.1 智能機(jī)器人系統(tǒng)概述

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能機(jī)器人并未清晰定義,但是其功能方向較為明確,是將智能機(jī)器人視為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的個(gè)體參照,而物聯(lián)網(wǎng)則可以視為環(huán)境平臺(tái)。 在環(huán)境平臺(tái)提供了外部數(shù)據(jù)信息之后,才能夠在特定空間范圍內(nèi)由智能系統(tǒng)自主判斷執(zhí)行方案的可行性。 將智能機(jī)器人的系統(tǒng)集成于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中,能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人加載傳感器系統(tǒng),收集室內(nèi)外的環(huán)境信息,包括該空間內(nèi)的移動(dòng)物體位移參量、形狀參量、動(dòng)作規(guī)律參量等等,是智能機(jī)器人在自主決策環(huán)節(jié)中必不可少的信息對(duì)比要素。 因此,智能機(jī)器人以服務(wù)為導(dǎo)向完成了諸多假定性的任務(wù),而物聯(lián)網(wǎng)提供了空間環(huán)境信息的對(duì)比數(shù)據(jù),才最終支持了系統(tǒng)自主決策的機(jī)制產(chǎn)生,為機(jī)器人智能化的發(fā)展提供了應(yīng)用層面的輔助和支持。 并完成諸如家居、醫(yī)療、巡檢、救災(zāi)、配送等各類應(yīng)用場(chǎng)景的智能化處理模式,形成自主作業(yè)和智能監(jiān)控的便利條件。

1.2 發(fā)展智能機(jī)器人系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義

響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,推進(jìn)科技發(fā)展,社會(huì)進(jìn)步是智能機(jī)器人系統(tǒng)所提供的技術(shù)性支持。 人工智能行業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),受到國(guó)家的大力支持,積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,通過借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化下一代智能機(jī)器人系統(tǒng)的功能性與核心技術(shù),將促進(jìn)多種自助服務(wù)的升級(jí),為眾多領(lǐng)域在智能控制系統(tǒng)的發(fā)展中得到助力。在革新行業(yè)服務(wù)模式的過程中能夠發(fā)現(xiàn),當(dāng)服務(wù)行業(yè)引進(jìn)人工智能機(jī)器人系統(tǒng)之后,實(shí)際上創(chuàng)建了另一種全新的智能服務(wù)模式,將會(huì)支持服務(wù)行業(yè)變得更加智能化和簡(jiǎn)單化。 同時(shí)發(fā)展智能機(jī)器人系統(tǒng)可以緩解人才緊缺狀況。目前服務(wù)行業(yè)作為人才缺口主要領(lǐng)域,服務(wù)機(jī)器人的投放將會(huì)有效緩解服務(wù)行業(yè)人才緊缺的情況,能夠促進(jìn)各行各業(yè)的服務(wù)質(zhì)量穩(wěn)步提升。 在加速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)的過程中。 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng),能夠推動(dòng)人工智能與各行業(yè)的創(chuàng)新性融合,在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流產(chǎn)業(yè)、金融行業(yè)、商務(wù)領(lǐng)域、家居服務(wù)等重點(diǎn)行業(yè)中開啟人工智能的試點(diǎn)示范,進(jìn)而推動(dòng)人工智能的規(guī)模化應(yīng)用,全面提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展的智能化水平。

2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的智能機(jī)器人系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能機(jī)器人中的應(yīng)用，是將智能化的邏輯思維注入其中，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)多種使用功能。 最為普遍的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層級(jí)可以劃分為：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層、功能層、感知層。

2.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要由軟件系統(tǒng)的功能導(dǎo)向?yàn)槿蝿?wù)指派類型,在應(yīng)用層完成了主要的功能設(shè)定方向,諸如工業(yè)、家庭、醫(yī)療等不同方向的應(yīng)用指標(biāo),決定了智能機(jī)器人的指令執(zhí)行條件與方法。 因此,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下, 智能機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用層并非單純的軟件系統(tǒng)功能定位,而是需要設(shè)置完整的執(zhí)行條件與指令類型,進(jìn)而完成諸多假定性的執(zhí)行命令,為智能機(jī)器人自主決策執(zhí)行條件提供相應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是架構(gòu)數(shù)據(jù)信息虛擬鏈接的系統(tǒng)層級(jí)。 在網(wǎng)絡(luò)層中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架構(gòu)方案主要以藍(lán)牙傳輸為主,在結(jié)合了傳感器技術(shù)與RFID 標(biāo)簽技術(shù)之后,完成了指令信息的快速傳輸。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之所以能夠完成信息傳輸,主要借助了傳感器的信息導(dǎo)入,在系統(tǒng)內(nèi)部分析了指令需求之后,借助RFID 標(biāo)簽所得任務(wù)輸出的具體方向,便在網(wǎng)絡(luò)層確定了任務(wù)導(dǎo)向的最終結(jié)果。 因此,網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建了智能機(jī)器人在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的信息交互,且需要在傳感器感應(yīng)范圍之列收集對(duì)比信息,才能最終完成指定任務(wù)。

2.3 系統(tǒng)層

系統(tǒng)層是智能機(jī)器人架構(gòu)邏輯思維的系統(tǒng)層級(jí)。智能機(jī)器人之所以能夠自主完成各種任務(wù)類型,取決于系統(tǒng)決策機(jī)制的完備度。 當(dāng)決策機(jī)制較為完整時(shí),系統(tǒng)決策并不會(huì)出現(xiàn)邏輯次序的混亂,可以借助物聯(lián)網(wǎng)信息的對(duì)比分析,明確具體任務(wù)類型的最佳推導(dǎo)方案。而在決策機(jī)制并不完整的情況下,邏輯次序極易出現(xiàn)混亂,系統(tǒng)層并無法提供唯一解集或最優(yōu)解集,因此相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)也會(huì)有所限制。

2.4 功能層

功能層在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中屬于信息交互的系統(tǒng)層級(jí),需要以視頻監(jiān)控、自動(dòng)充電、語音交互、或者視頻信息的交互來完成預(yù)設(shè)功能的自主執(zhí)行。在功能層自主完成新交互的過程中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及虛擬空間的嵌入式技術(shù)或無線射頻技術(shù)提供了信息交互的可能性。 因此,交互信息在導(dǎo)入、分析、輸出等多次流程中并未喪失對(duì)于外界信息的索取能力,保障了智能機(jī)器人的基礎(chǔ)功能始終存在。只要智能機(jī)器人并未脫離物聯(lián)網(wǎng)所假設(shè)的信息空間環(huán)境, 其信息交互功能便始終存在,并且能夠完成具體的指令需求。

2.5 感知層

感知層是智能機(jī)器人系統(tǒng)了解外部信息的必要環(huán)節(jié),需要借助多種傳感器類型完成對(duì)于音頻、視頻、溫度、濕度等環(huán)境信息的考察。而這些信息也正是智能機(jī)器人獨(dú)立完成任務(wù)指令的基礎(chǔ)條件,需要依靠RFID 在自動(dòng)識(shí)別外部環(huán)境信息,從而構(gòu)建完整的信息獲取渠道。因此,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之所以能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人系統(tǒng)提供技術(shù)支持,也取決于感知層的設(shè)計(jì)效果,并最終完善了智能機(jī)器人在空間信息獲取時(shí)的便捷性。

3.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能機(jī)器人系統(tǒng)中的多種應(yīng)用路徑

3.1 普適機(jī)器人單獨(dú)作業(yè)的運(yùn)行方案

普適機(jī)器人系統(tǒng)是從普適計(jì)算的角度出發(fā),將感知、智能、行為等功能導(dǎo)向,分別設(shè)置在嵌入式機(jī)器人、軟件機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)中,并借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成室內(nèi)環(huán)境信息的交互。 其應(yīng)用場(chǎng)合更加適應(yīng)醫(yī)院、商場(chǎng)、家庭等室內(nèi)空間的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。目前在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下,普適機(jī)器人的學(xué)術(shù)研究方向更加側(cè)重于運(yùn)用感知設(shè)備提高智能化服務(wù)質(zhì)量。 而普適機(jī)器人所所以能夠完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的合并運(yùn)用,主要依靠輸入輸出設(shè)備、電機(jī)控制、語音與圖像識(shí)別、任務(wù)執(zhí)行管理、以及軟件包管理等多種技術(shù)的綜合運(yùn)用。 其中的技術(shù)應(yīng)用方向如表1 所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人組織協(xié)同作業(yè)模式

網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)是借助物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了全局感知的機(jī)構(gòu)擴(kuò)展,能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人系統(tǒng)擴(kuò)增相應(yīng)的感知范圍。 在增強(qiáng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的可操作性和移動(dòng)性功能之后, 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)更加側(cè)重于全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的定位、導(dǎo)航、環(huán)境感知、節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)、路徑規(guī)劃、目標(biāo)跟蹤、多機(jī)器人組合隊(duì)形控制等方面,并逐步完成了空洞填補(bǔ)、節(jié)點(diǎn)替換、數(shù)據(jù)收集、自主部署、故障恢復(fù)等重要功能。 簡(jiǎn)而言之,在以往時(shí)期機(jī)器人系統(tǒng)在完成商品挑選時(shí)需要配合人工指令甄別可選擇商品的具體類型,通常情況下以SCADA 集中控制系統(tǒng)為核心,其自動(dòng)控制效果并不完備。而在借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后,可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來強(qiáng)化任務(wù)指令的自動(dòng)化水平,已經(jīng)具備了端側(cè)自行控制的運(yùn)行效果。 以Google 公司設(shè)計(jì)的無人車智能機(jī)器人系統(tǒng)為例。 其基礎(chǔ)運(yùn)行條件便是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),架構(gòu)了車體在城市間運(yùn)行條件的基礎(chǔ)定位信息。 借助控制駕駛原理,通過在車體四周安裝的諸多傳感器,持續(xù)不斷地收集車輛本身以及四周的各種精確數(shù)據(jù),由車內(nèi)的處理器進(jìn)行分析和運(yùn)算,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果來控制車子行駛,并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送到中央數(shù)據(jù)庫,提供給所有的無人車智能機(jī)器人系統(tǒng)。 那么在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用下,每臺(tái)無人車能不斷的從云端更新數(shù)據(jù)庫,學(xué)習(xí)各種突發(fā)狀況,進(jìn)而保持車行安全距離,并快速反應(yīng)轉(zhuǎn)向動(dòng)作。 也達(dá)到了借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的互助模式支持多臺(tái)智能機(jī)器人系統(tǒng)的距離控制,才能完成無人駕駛技術(shù)的升級(jí)與實(shí)現(xiàn)。因此,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相當(dāng)于補(bǔ)充了網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的組織協(xié)同作業(yè)模式,并未不同終端提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,有助于加強(qiáng)多臺(tái)智能終端的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性與覆蓋面。

3.3 智能空間機(jī)器人的功能開發(fā)

智能空間機(jī)器人系統(tǒng)是從異構(gòu)數(shù)據(jù)收集與融合進(jìn)行研究的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方向,側(cè)重于關(guān)注特定環(huán)境下信息交互的服務(wù)效果。諸如遠(yuǎn)程看護(hù)、娛樂、行為監(jiān)控等方面的功能開發(fā),其應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)環(huán)境。 此前日本東京大學(xué)Hashimoto 等是最早開發(fā)智能空間機(jī)器人系統(tǒng)的科學(xué)團(tuán)隊(duì),利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠強(qiáng)化智能空間機(jī)器人的環(huán)境識(shí)別能力,針對(duì)事件需求完成特定任務(wù)類型的指定動(dòng)作,諸如輔助老人行動(dòng)、或者完成物品傳遞等功能。之后的相關(guān)研究主要傾向于智能空間機(jī)器人的物理識(shí)別精準(zhǔn)度。 相關(guān)研究提出了解決機(jī)器人調(diào)用網(wǎng)絡(luò)化資源的鍵技術(shù),其中包括：Jini 3、UPNP、Web 服務(wù)等。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的依賴性較為明顯,因此后續(xù)開發(fā)的智能空間機(jī)器人也注重解決單目攝像頭在智能家居空間內(nèi)的信號(hào)傳遞問題,而采用視覺技術(shù)與RFID 技術(shù)也是智能機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)對(duì)室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的主要方式，能夠借助布式傳感器加強(qiáng)空間環(huán)境的甄別效果,進(jìn)而完成物品操作或搜尋的執(zhí)行命令。 除此之外,在云計(jì)算借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能機(jī)器人系統(tǒng)之后,能夠開發(fā)出全新的云端機(jī)器人系統(tǒng),對(duì)于智能生產(chǎn)線的發(fā)展同樣具有更高的應(yīng)用價(jià)值。 以往時(shí)期生產(chǎn)線中所使用的常規(guī)設(shè)備由PLC 類型的控制器在編程后進(jìn)行小范圍控制。 而應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技術(shù)后,便可以實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)空間的智能控制。 諸如借助高速無線通信或光通信的信息傳遞方式, 通過Hadoop、Spark、Storm、Deep Learning 等大數(shù)據(jù)處理方案,開放RT 中間件或ROS開源平臺(tái),從而支持物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人完成更為復(fù)雜的任務(wù)類型。

4.結(jié)語

綜上所述， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用路徑較為廣闊，從而開發(fā)效果來看，借助網(wǎng)絡(luò)環(huán)境加強(qiáng)智能機(jī)器人系統(tǒng)的識(shí)別能力、決策條件、信息交互是極為重要的發(fā)展方向。從普適機(jī)器人單獨(dú)作業(yè)的運(yùn)行方案，到網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人組織協(xié)同作業(yè)模式，再到智能空間機(jī)器人的功能開發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷升級(jí)與革新，必將支持智能機(jī)器人逐步優(yōu)化其使用功能，并達(dá)到更為智能化的服務(wù)功能輸出，為機(jī)器人系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供助力與支持。