許方恒

摘要：近年來機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，機(jī)器人在社會各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向家庭服務(wù)、勘探、醫(yī)療等方面發(fā)展。智能型服務(wù)機(jī)器人是科技發(fā)展的成果，也是市場需求的結(jié)果，智能型服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用為人們的生產(chǎn)生活帶來極大的便利，受到社會各界的重視。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，對智能型服務(wù)機(jī)器人的需求量也越來越多，智能型服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用前景廣闊，加強(qiáng)對智能型服務(wù)機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)，對解決一些社會問題，提高人們的生活質(zhì)量有重要的意義。

關(guān)鍵詞：智能型服務(wù)機(jī)器人；智能控制；導(dǎo)航定位

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）13-0186-03

Design and Research of Intelligent Service Robot

XU Fang-heng

（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

Abstract：In recent years， robot technology has been developing rapidly. Robots have been applied more and more widely in all fields of society， from traditional industry to family service， exploration， medical treatment and so on. Intelligent service robot is the result of the development of science and technology and the result of market demand. The application of intelligent service robot has brought great convenience to people's production and life， and has attracted the attention of all walks of life. With the development of social economy and the improvement of people's living standard， the demand for intelligent service robots is more and more ，the application prospect of intelligent service robot is broad， to strengthen the research and design of intelligent service robot is of great significance to solving some social problems and improving people's quality of life.

Key words：intelligent service robot； intelligent control； navigation and positioning

20世紀(jì)90年代中后期，我國開始了對服務(wù)機(jī)器人的研究，2005年服務(wù)機(jī)器人市場初具規(guī)模。相比歐美等發(fā)達(dá)國家，我國服務(wù)機(jī)器人的研究相對較晚，隨著對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)重視程度的提升，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。服務(wù)機(jī)器人是特種機(jī)器人，主要應(yīng)用于社會服務(wù)領(lǐng)域，可以從事醫(yī)用康復(fù)、監(jiān)護(hù)、清洗、維護(hù)保養(yǎng)等多方面的工作，在服務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。智能型服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)包括導(dǎo)航定位、傳感器、路徑規(guī)劃和智能控制。本文以醫(yī)療型服務(wù)機(jī)器人和功能清潔機(jī)器人為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 智能型服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 傳感器

智能型服務(wù)機(jī)器人需要在工作中判斷工作環(huán)境，正確處理數(shù)據(jù)和反映操作結(jié)果。智能型服務(wù)機(jī)器人和一般的機(jī)器人相比，需要更高的辨別周圍環(huán)境的能力，能夠及時準(zhǔn)確地感知周圍的環(huán)境。相關(guān)的兩個關(guān)鍵元件是信號接收器和環(huán)境感知處理器。傳感器的類型多樣，常應(yīng)用的設(shè)備有超聲波傳感器、力傳感器、紅外線傳感器等[1]。不同的傳感器有不同的功能，通過功能的相互配合，提高智能型服務(wù)機(jī)器人獲取外界環(huán)境信息的能力，為之后的操作提供全面的、準(zhǔn)確的信息。

1.2 導(dǎo)航定位

智能型服務(wù)機(jī)器人中的導(dǎo)航定位是非常重要的技術(shù)，隨著社會需求的提升和技術(shù)的發(fā)展，需要智能型服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠自主導(dǎo)航，脫離人為控制進(jìn)行相關(guān)操作。如下圖，當(dāng)前智能型服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、傳感器融合技術(shù)。

機(jī)器人的感官知覺和識別能力是最直接最關(guān)鍵的技術(shù)，智能型服務(wù)機(jī)器人需要能夠?qū)χ車男畔⒂忻翡J的感知能力，并向系統(tǒng)進(jìn)行反饋。當(dāng)前智能機(jī)器人的視覺能力還比較弱，需要進(jìn)一步改進(jìn)完善。機(jī)器人在視覺控制的同時，要有圖像計(jì)算能力、處理能力，綜合處理搜集的信息。智能家居生活中的機(jī)器人，需要有高的控制能力。在算法處理上，智能型服務(wù)機(jī)器人涉及自學(xué)習(xí)能力、語義分析、自然語言處理、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，使機(jī)器人能夠有人類有問必答、自然交互和能聽會說的綜合技術(shù)。智能型服務(wù)機(jī)器人主要為客戶提供服務(wù)，在控制全程操作的同時，精確計(jì)算數(shù)據(jù)，因此需要必備的算法處理系統(tǒng)。機(jī)器人的應(yīng)用節(jié)省了人力物力，智能型服務(wù)機(jī)器人是主要研究領(lǐng)域之一。機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要綜合應(yīng)用多個學(xué)科。家居服務(wù)的機(jī)器人通過由無線通信系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)構(gòu)成。視覺系統(tǒng)幫助感知外部環(huán)境，并為機(jī)器人決策提供參考[2]。在使用中需要即時采集圖像，經(jīng)過處理和分析圖像，向決策系統(tǒng)輸入。圖像分割技術(shù)是圖像處理的重要技術(shù)之一，關(guān)系著圖像處理的結(jié)果。圖像分割技術(shù)是將捕捉的圖像進(jìn)行劃分，選擇有價值的信息。灰度圖像分割技術(shù)應(yīng)用廣泛，研究比較早，有成熟的算法。彩色圖像設(shè)置的信息量大于灰度圖像，信息面更廣，已經(jīng)引起廣泛重視。信息搜集完成后需要分析處理，信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了信息處理能力的提升[3]。對于家居服務(wù)的機(jī)器人來說，搜集家居環(huán)境的數(shù)據(jù)，然后分析總結(jié)，功能的多樣性能夠滿足家居服務(wù)的需求。如果環(huán)境不達(dá)標(biāo)，機(jī)器人會有相應(yīng)的提示，住戶根據(jù)提示凈化環(huán)境，為室內(nèi)環(huán)境的改善提供依據(jù)。

1.3 智能控制

智能型服務(wù)機(jī)器人接收到外部環(huán)境信息后，需要依據(jù)信息進(jìn)行內(nèi)部控制，智能控制技術(shù)包括模糊控制、優(yōu)化計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模糊控制是以邏輯推理為基礎(chǔ)的數(shù)字控制技術(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是依據(jù)人和生物活動的基本性而研究出的技術(shù)，主要是對信息進(jìn)行處理和演算，滿足智能控制的需求。

1.4 路徑規(guī)劃

外部環(huán)境復(fù)雜多變，智能型服務(wù)機(jī)器人在工作中不可避免地會遇到各種突發(fā)狀況，尤其是意外出現(xiàn)的阻礙物，需要智能型服務(wù)機(jī)器人能夠自動規(guī)劃路徑，完成服務(wù)。路徑規(guī)劃有傳統(tǒng)的規(guī)劃方法，也有智能規(guī)劃方法。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃主要是通過圖搜索法、自由空間法、人工勢場法等，使機(jī)器人判斷工作的路徑，但是機(jī)器人缺乏對突發(fā)狀況的改變功能，也沒有最優(yōu)選擇的功能。智能路徑規(guī)劃方法是結(jié)合人工智能方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊邏輯、遺傳算法等，提高規(guī)劃的速度和避開障礙物的準(zhǔn)確度，選擇最佳的路徑[4]。路徑規(guī)劃中安全性十分重要，常規(guī)路徑規(guī)劃算的安全性重視不足，通過多層次的路徑規(guī)劃，能夠充分利用智能空間的信息，快速獲取動態(tài)資料，全面了解障礙物的信息。機(jī)器人能夠迅速避開障礙物，具有良好的實(shí)時性。完成避開障礙物的操作后，機(jī)器人可以靈活選擇不同的目標(biāo)制導(dǎo)策略，在動態(tài)規(guī)劃中選擇可靠的路徑。

2智能型服務(wù)機(jī)器人的主要應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 醫(yī)療型服務(wù)機(jī)器人

智能型服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域有重要的作用，智能型服務(wù)機(jī)器人和一般醫(yī)療臨床機(jī)器人不同，要明確設(shè)計(jì)的要求，才能真正在實(shí)際中發(fā)揮作用。智能型服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療中主要是發(fā)揮幫助患者恢復(fù)和保養(yǎng)的作用。醫(yī)療型服務(wù)機(jī)器人對安全性要求高，服務(wù)的對象主要是病人，需要人和機(jī)器的高度協(xié)調(diào)?；颊呖赡艽嬖诓煌潭鹊倪\(yùn)動功能障礙，比如關(guān)節(jié)僵硬、肌肉的控制力不足等，影響患者的活動范圍和身體的協(xié)調(diào)性。醫(yī)療應(yīng)用的智能型服務(wù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)中就要考慮患者的情況，保證患者使用的安全性。智能型服務(wù)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要盡量選擇輕質(zhì)的材料，但前提是要保證機(jī)器人的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。要重視智能型服務(wù)機(jī)器人和患者患肢的連接的穩(wěn)定性、安全性，同時兼顧患者的生理特點(diǎn)，注重患者訓(xùn)練的舒適性和可調(diào)節(jié)性。比如在患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練中，使用智能型服務(wù)機(jī)器人要防止異常訓(xùn)練模式，或者過量的訓(xùn)練，避免二次損傷患者的傷處。智能型服務(wù)機(jī)器人在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要能夠?qū)崟r控制和反饋人機(jī)系統(tǒng)，要有多重安全保護(hù)的器件，同時要保證系統(tǒng)高的自適應(yīng)能力。

以醫(yī)療領(lǐng)域中康復(fù)型服務(wù)機(jī)器人為例，在設(shè)計(jì)中要注重腳踏機(jī)構(gòu)。服務(wù)機(jī)器人和患者患肢的連接主要通過腳踏機(jī)構(gòu)。智能型服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅要保證連接的穩(wěn)定性，同時要保證患者能夠舒適地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[6]。腳踏機(jī)構(gòu)的連接主要使用導(dǎo)軌滑塊、腳踏軸，運(yùn)動軌跡為橢圓形?；颊哌M(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，人體的小腿小部和腳背由腳踏機(jī)構(gòu)的捆綁裝置進(jìn)行固定。為滿足足部的舒適度要求，在機(jī)器人和人體下肢的接觸部位使用緩沖材料。腳踏板上安裝有力傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測反饋康復(fù)訓(xùn)練的過程和結(jié)果。

2.2 多功能清潔機(jī)器人

多功能清潔領(lǐng)域的智能型服務(wù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，控制系統(tǒng)包括感知系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)。感知系統(tǒng)主要是對周圍的障礙物進(jìn)行感知檢測，向機(jī)器人傳達(dá)相關(guān)的信息，促進(jìn)清掃任務(wù)的完成。運(yùn)動控制系統(tǒng)主要控制機(jī)器人的運(yùn)動，是閉環(huán)控制系統(tǒng)。提供清潔服務(wù)的智能型服務(wù)機(jī)器人，主要在功能模塊、控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動電路上能量消耗比較大，因此需要有可靠的電源能夠滿足各種環(huán)境的工作需求。如下圖，應(yīng)用比較廣泛的電能提供源是12.6V/6900mAh可充電聚合物鋰電池。

圖2 鋰電池結(jié)構(gòu)

清潔服務(wù)的機(jī)器人屬于移動型的機(jī)器人，使用的傳感器一方面是外部狀態(tài)感知傳感器，包括編碼器、速度傳感器、加速度傳感器等，一方面是外部狀態(tài)感知傳感器，包括超聲波傳感器、視覺傳感器、紅外測距傳感器、激光掃描儀等。目前設(shè)計(jì)的移動機(jī)器人通常融合多種傳感器，精準(zhǔn)地感知周圍的環(huán)境[7]。傳感器也有各自的優(yōu)勢和劣勢，清潔機(jī)器人需要在完成清潔任務(wù)的同時，避開各種障礙物，綜合考慮各種情況在，在清潔機(jī)器人的信息采集模件設(shè)計(jì)中，使用光電編碼器、紅外測距傳感器。光電編碼器能夠?qū)σ苿有蜋C(jī)器人的速度和位置進(jìn)行檢測，通常光電編碼器安裝在行走電機(jī)的軸上。光電編碼器使用DSP2812芯片，不僅提供編碼器的接口，而且有EVA、EVB事件管理器。光電編碼器的輸出電壓是5V，但DSP提供的是3.3V，如果直接連接會損害芯片，需要進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試。電機(jī)轉(zhuǎn)向無法獲取的，需要額外增加發(fā)光和接收裝置，解決轉(zhuǎn)向問題。

對于不同的障礙物，紅外測距傳感器會有不同的信號反射強(qiáng)度，因此可以用于檢測障礙物的距離。紅外測距傳感器探測角度小，有良好的方向性，以極高的測量精確度，較好地適用于清潔機(jī)器人。清潔機(jī)器人系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中大多采用GP2Y0A21紅外測距傳感器，安裝方便，并且體積小，精確度高，探測的距離遠(yuǎn)，能夠?qū)C(jī)器人和障礙物的距離進(jìn)行實(shí)時計(jì)算。

3 結(jié)語

總之，經(jīng)過多年的探索研究，機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)，但仍存在一系列的問題。智能型服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用廣闊，在設(shè)計(jì)中要與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的問題進(jìn)行修正，走在時代的前沿。

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