基于知識庫人工智能機器人設(shè)計

萬新峰

（德州科技職業(yè)學院，山東德州 251200）

0 引言

由于傳統(tǒng)知識庫機器人對外界感應效果低，在搜集、組織知識和信息時存在許多問題，不能滿足采集需求，因此提出了基于知識庫人工智能機器人的設(shè)計。人工智能機器人總體架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云技術(shù)層和應用層，實現(xiàn)對知識和信息的正確分析和判斷。

隨著科學技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，人工智能技術(shù)得到了前所未有的提升，人工智能在社會各領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[1]?，F(xiàn)代智能機器人可以完成人類在復雜惡劣環(huán)境下無法完成的任務(wù)，能夠進行精密復雜數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)精準信息采集、準確監(jiān)測相關(guān)參數(shù)和全方位查看周圍環(huán)境，工作效率高，節(jié)省了大量人力成本。智能知識庫具有智能性知識管理系統(tǒng)，能夠?qū)χR庫中的知識進行查詢、插入、修改和刪除，有效控制知識安全、知識共享、并發(fā)控制、故障恢復等，解決了傳統(tǒng)機器人知識庫管理困難，查找緩慢、效率低，缺乏安全保障等問題，提高了知識庫管理系統(tǒng)的水平[2]。

1 機器人結(jié)構(gòu)配置設(shè)計

在知識庫人工智能機器人設(shè)計中，通過構(gòu)建操作能力強、感知能力強的機器人功能，建立高靈活性的硬、軟件系統(tǒng)，利用攝像頭對指標數(shù)據(jù)特征進行全方位的采集，通過客戶端將不同數(shù)據(jù)連接起來，從而不斷獲取服務(wù)器傳回的相關(guān)數(shù)據(jù)，相關(guān)硬件設(shè)備將獲取的當前數(shù)據(jù)特征進行檢測與判斷，為機器人提供穩(wěn)定可靠的運行[3]。

知識庫人工智能機器總體結(jié)構(gòu)配置主要包括應用層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云技術(shù)層4 個部分。其中，應用層位于總體架構(gòu)的最頂層，負責信息交互，由移動終端、調(diào)度中心、管理軟件等組成的，軟件系統(tǒng)將獲取的信息進行可視化處理后，提供給用戶精準可靠的數(shù)據(jù)；感知層是機器人總體架構(gòu)的核心層，將感知采集的環(huán)境信息進行傳輸；網(wǎng)絡(luò)層將感知層的數(shù)據(jù)信息安全可靠的傳輸?shù)礁鱾€層次之中，實現(xiàn)機器人系統(tǒng)與移動端的連接；在局域網(wǎng)支持下，云技術(shù)層將軟硬件資源與關(guān)聯(lián)知識庫統(tǒng)一起來，利用虛擬化技術(shù)，避免數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)流程，可直接訪問服務(wù)器就能快速準確地獲取機器人系統(tǒng)所感知的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析、交流與共享，具有成本低、效率高的優(yōu)點[4-6]。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)置

知識庫人工智能機器人可實現(xiàn)多個模態(tài)下的參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理與信息傳輸（圖1）。

在機器人結(jié)構(gòu)配置中主要包括傳感器模塊、攝像頭模塊、嵌入式微處理器、環(huán)境感知模塊、電源模塊和移動終端等。機器人控制系統(tǒng)通過識別數(shù)據(jù)特征進行指令傳達后，驅(qū)動機構(gòu)按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號執(zhí)行相應的動作。結(jié)構(gòu)還設(shè)置了實時監(jiān)控檢測裝置，可將監(jiān)測的信息反饋給控制系統(tǒng)，通過與設(shè)定信息比較后，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，確保機器人動作符合預定的要求[7]。遠程視頻服務(wù)擴展了視頻監(jiān)控應用的范圍，可以準確獲取外界情況的變化，及時調(diào)整機器人的動作以適應外界環(huán)境的變化，提高了機器人運動的精度。將PC 機通過局域網(wǎng)與服務(wù)器直接連接，可以進行遠程控制與播放，提高了信息反饋效率，而機器人系統(tǒng)中每個模塊都包含了一個或多個線程，這些線程可以根據(jù)需求進行有用線程啟動或無用線程阻塞，有效提升了機器人系統(tǒng)工作的效率[8]。

1.1.1 微處理器

機器人系統(tǒng)微處理器采用32 位以上S3C2416XH40 型號微處理器，這種嵌入式結(jié)構(gòu)與功能硬件的有效融合，可以去除冗余數(shù)據(jù)、降低功耗，滿足機器人系統(tǒng)應用要求。其內(nèi)部集成芯片選用通用CPU 板卡，負責信號處理、語音合成、數(shù)據(jù)特征識別等，具有體積小、重量輕、可靠性強的優(yōu)點，可以進行實時多任務(wù)的操作能力，任務(wù)完成效率高。

圖1 機器人結(jié)構(gòu)配置

1.1.2 集線器

USB 集線器是一個移動電源，作為提供擴展通訊設(shè)備可以為機器人移動終端充電，能夠?qū)⒁粋€接口擴展為多個實現(xiàn)并聯(lián)分流。電源適配器在標準220 V 電壓下，計算機USB 接口是通過主板上USB 集線器芯片擴展的，如果USB 集線器不帶外接電源，將會增加連接移動硬盤的供電負擔，產(chǎn)生的功耗較大，當USB 集線器帶外接電源，那么USB 網(wǎng)卡能夠正常工作，功耗較小。

1.1.3 電機驅(qū)動板

機器人電機驅(qū)動板采用L298N 型號的配套裝置，驅(qū)動芯片可同時控制兩個直流減速電機，具有過熱自斷功能和反饋檢測功能。L298N 型號直流電機驅(qū)動板作為電機驅(qū)動器，在電壓范圍5～50 V 內(nèi)提供2～3 A 電流，能夠驅(qū)動直流電機和步進電機，通過主控芯片對控制電平進行設(shè)定，確保電機的正常運轉(zhuǎn)，操作簡單，速度高，能夠滿足直流電機驅(qū)動需求。

1.1.4 機器人結(jié)構(gòu)

機器人結(jié)構(gòu)包括機械手、行走移動機構(gòu)、傳感器、控制部分、信息處理部分等，在交互環(huán)境下，機械手可以完成各種各種，機器人靠移動機構(gòu)來行走。人工智能機器人依靠傳感器來感知自身和周圍環(huán)境變化，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制機器人的動作，信息處理裝置負責信息機械合理的采集、分析和判斷，并作出實時決策方案。

1.1.5 環(huán)境感知模塊

環(huán)境感知模塊可進行多模態(tài)環(huán)境下參數(shù)的采集、處理與更新，為用戶提供精準可靠的定位感知服務(wù)，可在多個終端、網(wǎng)絡(luò)情況下為特定用戶提供實時數(shù)據(jù)。多模態(tài)環(huán)境感知模塊通過對不同環(huán)境信息進行不同模態(tài)的處理方式，利用關(guān)聯(lián)知識庫將數(shù)據(jù)型消息進行簡化顯示，根據(jù)環(huán)境模態(tài)特點分別對速度模態(tài)、精準度模態(tài)、思維模態(tài)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀妆蝗死斫獾男畔⒛Ｊ?，獲取的數(shù)據(jù)信息速度快、精準性高、可靠性強，可以應對各種復雜惡劣的工作環(huán)境，提高了機器人的工作效率。

1.2 機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

知識庫人工智能機器人系統(tǒng)通過攝像頭傳輸數(shù)據(jù)，移動終端接收信息并處理信息后，在移動APP 上顯示。在設(shè)計中需要明確模態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識庫種類、存儲方式和檢索方法，以實現(xiàn)最優(yōu)配置，關(guān)聯(lián)知識庫將配置的相關(guān)文件、獲取的關(guān)鍵字相關(guān)聯(lián)，聯(lián)性，通過對將配置信息、變更信息和版本信息處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中。一旦機器人檢測異常情況，那么需在已經(jīng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫中檢索并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)異常數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)鍵詞檢索，對負荷要求的數(shù)據(jù)按照摘要形式展現(xiàn)出來供用戶挑選，模態(tài)數(shù)據(jù)匹配結(jié)果受關(guān)鍵字選擇影響，必須進行正確無誤的匹配選擇，避免影響機器人的運作。

1.2.1 基于知識庫信息采集

（1）視頻采集。在S3C2416XH40 型號嵌入式微處理器下，設(shè)置了視頻內(nèi)核驅(qū)動設(shè)備，提供視頻采集需求。驅(qū)動設(shè)備可以進行統(tǒng)一編程接口，同時也可提供無線電通信數(shù)據(jù)接口，利用相關(guān)程序控制攝像頭位置，并選擇合理的攝像角度，實時采集不同方向和范圍的信息。接口編程將采集的視頻圖像進行閾值比較，判斷圖像是否出現(xiàn)變化，視頻采集過程中采取雙緩沖邊傳輸邊采集的方式，提高了視頻采集的速度，經(jīng)過內(nèi)設(shè)的內(nèi)存緩沖池中JPEG 壓縮后，將有用數(shù)據(jù)全部保存到緩沖池中，獲取全部視頻采集結(jié)果。

（2）指標數(shù)據(jù)采集。指數(shù)數(shù)據(jù)采集是將傳感器發(fā)送過來的采集信號進行采集，并將這些采集數(shù)據(jù)作為檢測對象指標，采集速度快、質(zhì)量高，數(shù)據(jù)經(jīng)過校準檢測后結(jié)果精準可靠。具體采集流程為：從知識庫中定義接收中斷級，中斷CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）接收，查看CAN 總線是否出現(xiàn)接收中斷現(xiàn)象。如果中斷，則從知識庫接收緩沖區(qū)域讀取新信息并保存，否則無法采集指標數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程中需要預熱在進行采集，一旦監(jiān)測到有故障信息時，觸發(fā)CAN 接收中斷，機器人將會停止運行，避免發(fā)生意外事故。

1.2.2 機器人移動控制

知識庫機器人移動過程中受移動終端APP 的控制，通過移動終端獲取機器人實施準確位置，再通過GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）將維度信息發(fā)送到移動客戶端，并對運行狀態(tài)圖進行實時顯示。移動終端APP 通過構(gòu)造坐標系對數(shù)據(jù)圖形化進行處理，當感知機器人所傳回的實施數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，移動終端將發(fā)出震動或界面提示等預警動作。由于不同工作環(huán)境的影響，機器人在信息傳輸過程中受到噪聲污染等外界因素的干擾，導致檢測效果不精準產(chǎn)生較大誤差，因此采取了超聲避障設(shè)計，降低噪聲的影響（圖2）。

通過有效規(guī)避噪聲污染和外界因素的干擾，提高了不同模態(tài)下關(guān)聯(lián)知識庫人工智能機器人的工作效率。移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用數(shù)字控制上層的方式，利用直流電機控制機器人的下層行動，在雙橋直流電機驅(qū)動芯片強大的驅(qū)動能力下，通過電機開關(guān)、電機轉(zhuǎn)向組合來調(diào)速控制機器人的行為，確保機器人正確有效地進行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、前進和轉(zhuǎn)彎等一系列規(guī)范動作。

圖2 超聲避障流程設(shè)計

2 結(jié)束語

知識庫作為收集、處理、分享全部知識的信息系統(tǒng)，在當今知識密集型時代下，信息的管理尤為重要。為實現(xiàn)高效的知識存儲、流轉(zhuǎn)和共享的系統(tǒng)，設(shè)計了知識庫人工智能機器人的管理策略，提高了知識的收集、管理和推送，滿足了現(xiàn)代知識管理效益最大化的需求。智能型知識庫的人工智能機器人在作業(yè)過程中發(fā)揮了重要作用，通過對獲取的知識進行處理與存儲后，再將這些海量、及時有效的數(shù)據(jù)提供給用戶。知識庫人工智能型機器人系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了智能化知識采集、知識轉(zhuǎn)換、知識分享等功能，并結(jié)合多模態(tài)信息融合技術(shù)，優(yōu)化自然語言處理、連續(xù)語音識別等相關(guān)應用和處理技術(shù)，大大提高了知識庫的管理效率。