智能服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

袁致煥

蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 江蘇蘇州 215000

1 智能型服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

智能型服務(wù)機(jī)器人在工作過程中面對的難點(diǎn)是：對工作環(huán)境做出判斷、把握正確的數(shù)據(jù)處理方法、將處理結(jié)果反映到實(shí)際操作上。針對上述難點(diǎn)，智能型服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)為四大環(huán)節(jié)：傳感器、智能控制、導(dǎo)航定位和路徑規(guī)劃。

1.1 傳感器

同一般機(jī)器人相比，智能型服務(wù)機(jī)器人對周邊環(huán)境的辨別要求較高，因此環(huán)境感知處理器和信號接收器是傳感器的兩大關(guān)鍵元件。目前能夠運(yùn)用到的傳感器設(shè)備有：紅外線傳感器、力傳感器、超聲波傳感器等。不同功能的傳感器相互配合，使得智能型服務(wù)機(jī)器人獲得的外部環(huán)境信息更加全面，從而為之后的動作操控提供準(zhǔn)確信息。

1.2 智能控制

在接受到足夠的外部環(huán)境信息后，智能型服務(wù)機(jī)器人接下來需根據(jù)這些信息做好內(nèi)部控制。目前機(jī)器人智能控制技術(shù)主要有三種——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制及優(yōu)化計算。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，它是基于人和生物活動的基本性而研究的，其技術(shù)核心就是信息的處理和演算。再如模糊控制，則是根據(jù)邏輯推理得出的一套數(shù)字控制技術(shù)[1]。

1.3 路徑規(guī)劃

智能型服務(wù)機(jī)器人在實(shí)際工作過程中不免遇到突發(fā)狀況，特別是計劃之外的阻礙物，這時路徑規(guī)劃的重要性得以體現(xiàn)。路徑規(guī)劃方法大致可分為傳統(tǒng)方法與智能方法。前者主要根據(jù)自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢場法對機(jī)器人工作路徑做出判斷，但是不具備最優(yōu)選擇功能，以及對突發(fā)狀況的改變功能。后者是將遺傳算法、模糊邏輯以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法應(yīng)用到路徑規(guī)劃中，提高機(jī)器人避障精度，加快規(guī)劃速度，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

2 智能型服務(wù)機(jī)器人的主要應(yīng)用

2.1 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，而控制系統(tǒng)包括運(yùn)動控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，可確保機(jī)器人的運(yùn)動是可控的；感知系統(tǒng)用于檢測清潔機(jī)器人周邊的障礙物，將相關(guān)信息上傳給機(jī)器人，圓滿完成對垃圾清掃任務(wù)。

（1）運(yùn)動控制系統(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)計猶為重要。調(diào)查得知，12.6V/6900mAh可充電聚合物鋰電池是運(yùn)用比較廣泛的電能提供源。

（2）信息采集模塊。清潔機(jī)器人屬于移動型機(jī)器人的范疇，故其采用的傳感器可分為兩大類：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：紅外測距傳感器、視覺傳感器、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。

紅外測距傳感器遇到不同距離的障礙物時，紅外信號反射強(qiáng)度也不同?；谶@一原理進(jìn)行障礙物距離的檢測，其優(yōu)點(diǎn)在于方向性好、探測角度小、測量精度高。在清潔機(jī)器人設(shè)計過程中，系統(tǒng)較多采用GP2Y0A21紅外測距傳感器，如圖3所示。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、精度高、體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

光電編碼器的主要作用是檢測移動型機(jī)器人的速度和位置，安裝在行走電機(jī)的軸上。其中使用的DSP2812芯片的一大亮點(diǎn)是擁有EVA、EVB事件管理器，且提供了編碼器的接口。然而，DSP提供給I/O接口的工作電壓為3.3V，而光電編碼器輸出電壓為5V，如果將5V信號直接接在I/O接口上，則可能會損壞芯片。此時，可以通過電源芯片XL1410進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，利用光電編碼器返回的信號測得電機(jī)轉(zhuǎn)速。對于無法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)向的問題，需要在編碼器中增加一組發(fā)光與接收裝置，確保兩對發(fā)光和接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4，此時兩組脈沖序列相位A和B相差90°，正轉(zhuǎn)時A相超前B相，反轉(zhuǎn)時反之，如此即可解決。

2.2 醫(yī)療型服務(wù)機(jī)器人

與一般的醫(yī)療臨床機(jī)器人相比，服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療方面的主要作用是幫助患者進(jìn)行恢復(fù)及保養(yǎng)，所以首先要明確其設(shè)計要求，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)時協(xié)調(diào)運(yùn)作，并且服務(wù)對象多為病人，而病人存在不同程度的運(yùn)動功能障礙，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)致的活動范圍不足等。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中，安全性是必需的前提。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，各個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)練過程中過量或異常的訓(xùn)練模式導(dǎo)致患者二次損傷。以康復(fù)型服務(wù)機(jī)器人為例，它在腳踏機(jī)構(gòu)的設(shè)計方面最為重要。腳踏機(jī)構(gòu)是患者患肢與康復(fù)型機(jī)器人的連接部位，因此其設(shè)計在滿足人體足部與機(jī)器人穩(wěn)定連接的前提下，還要為使用者提供康復(fù)訓(xùn)練的舒適性。該機(jī)構(gòu)通過腳踏軸與導(dǎo)軌滑塊連接，實(shí)現(xiàn)橢圓形軌跡運(yùn)動。

3 結(jié)語

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，人們在生活或工作中面對的復(fù)雜、重復(fù)的問題必然會在機(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，使其為人類做出更多的貢獻(xiàn)。