謝小寶

摘要：智能移動機器人是一種能在復(fù)雜環(huán)境下自主工作、動態(tài)決策與自主規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行的綜合控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)智能控制技術(shù)發(fā)展前沿，有利于推動未來生產(chǎn)生活方式變革。基于此，本文主要分析智能移動機器人技術(shù)當前的發(fā)展現(xiàn)狀、升級改造策略以及未來的發(fā)展趨勢，旨在推動智能移動機器人控制技術(shù)升級和發(fā)展，以供參考。

關(guān)鍵詞：智能機器人；體系結(jié)構(gòu)；升級改造

一、智能移動機器人的概述

二十世紀六十年代，針對機器人開展的現(xiàn)代化研究已經(jīng)出現(xiàn)，但由于時代的局限性，當時機器人研究的目標主要是使機器人滿足相應(yīng)的科技要求，例如，指認性功能技術(shù)控制，需要機器人在智能識別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，辨別相應(yīng)的對象類型，并根據(jù)系統(tǒng)所規(guī)劃的工作路徑，完成較簡單的推理和分析工作。如今，智能移動機器人技術(shù)的核心支撐主要包括智能機器人移動路徑的規(guī)劃、行為的控制，與機器人信號傳輸?shù)男畔⒓夹g(shù)等。

二、智能移動機器人的現(xiàn)狀

據(jù)文獻資料數(shù)據(jù)預(yù)測研究顯示，智能移動機器人在未來很可能會朝著高智能機器人、情感連接機器人以及視覺導(dǎo)向機器人的方向發(fā)展。當前，智能移動機器人應(yīng)用并沒有得到普及，多數(shù)數(shù)字弱勢群體對機器人的工作體系以及構(gòu)成結(jié)構(gòu)知之甚少，甚至認為智能移動機器人只是智能家居中的構(gòu)成部分，例如，智能電視機或智能機器掃地機等。實際上，傳統(tǒng)智能移動機器人領(lǐng)域早已在我國的科技領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域等多個方面得以應(yīng)用，智能移動機器人的融入和應(yīng)用可以提升生產(chǎn)效率和工作水平。但隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，生產(chǎn)控制技術(shù)節(jié)奏的加快，傳統(tǒng)的智能移動機器人已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。因此，需要借助進一步升級和改造技術(shù)，以此提升智能移動機器人工作過程中的智能性，推動我國現(xiàn)代化發(fā)展。

三、智能移動機器人體系結(jié)構(gòu)

隨著工業(yè)控制技術(shù)不斷發(fā)展，各行業(yè)對機器人的應(yīng)用需求日益增加。因此，需要進一步優(yōu)化和升級傳統(tǒng)機器人的內(nèi)部構(gòu)架應(yīng)用技術(shù)，經(jīng)歷了半個多世紀的研究，機器人控制技術(shù)逐步走向成熟，成為現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)核心發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。當前，機器人的研究目的是滿足日常生產(chǎn)生活中更多的執(zhí)行需求，而智能移動機器人主要包括分級遞階結(jié)構(gòu)機器人、包容結(jié)構(gòu)機器人和混合結(jié)構(gòu)機器人三種類型。

（一）分級遞階結(jié)構(gòu)機器人

分級遞階結(jié)構(gòu)是智能移動機器人在發(fā)展初期階段的一種基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，遵循“感知—思維—行動”的基本規(guī)律，即層次向上，智能增加，精度降低；層次下降，智能降低。在早期的機器人創(chuàng)造和生產(chǎn)過程中，這種機器人系統(tǒng)較為常見，分級結(jié)構(gòu)可以對機器人的大腦發(fā)出較簡潔且容易辨別的指令，如圖1所示。隨著科技的進步和變遷，傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代人類社會多功能的需求，由此，分級結(jié)構(gòu)也必須要不斷優(yōu)化和升級，并拓展新的領(lǐng)域和功能。分級結(jié)構(gòu)機器人構(gòu)架的前期排序工作中周期長，且設(shè)置控制技術(shù)繁瑣，機器人的工作效率提升有限。

圖1 ?分級遞階式控制結(jié)構(gòu)

（二）包容結(jié)構(gòu)機器人

包容結(jié)構(gòu)機器人是智能移動機器人處理動態(tài)環(huán)境不確定和在模仿動物的低級反射反行為，與分級遞階結(jié)構(gòu)的機器人構(gòu)造相比，包容結(jié)構(gòu)的機器人體現(xiàn)出的功能更加多元，如圖2所示。包容結(jié)構(gòu)機器人是分級遞階機器人的延伸和發(fā)展，能使機器人的操作功能和執(zhí)行功能同步實現(xiàn)，適合快速反射行為，在路線規(guī)劃、目標識別控制技術(shù)較好，且前期排序的時間較短，工作效率高，能識別較復(fù)雜的工作命令，但在功能規(guī)劃和構(gòu)架方面缺少全局指導(dǎo)和防調(diào)。

圖2 ?包容式控制結(jié)構(gòu)

（三）混合結(jié)構(gòu)機器人

混合結(jié)構(gòu)機器人是分級遞階結(jié)構(gòu)和包容結(jié)構(gòu)相互融合的機器人系統(tǒng)，客觀上，可以被視為一個相對獨立的操作系統(tǒng)。從功能結(jié)構(gòu)上混合結(jié)構(gòu)的機器人漫游層、規(guī)劃層、趨向總目標層、應(yīng)急避障層和解死層，從下到上，越高層，優(yōu)先級越高，如圖3所示。因此，混合結(jié)構(gòu)的機器人相比于分級遞階結(jié)構(gòu)和包容結(jié)構(gòu)的機器人體現(xiàn)的功能操作更具優(yōu)勢。它采用目前較先進的處理技術(shù)，能幫助機器人識別各類型操作任務(wù)，并執(zhí)行一系列的動態(tài)操作。需要注意的是，分級遞階結(jié)構(gòu)和包容結(jié)構(gòu)相互混合的機器人構(gòu)造是一個獨立存在的處理系統(tǒng)，是總體反應(yīng)構(gòu)架中的重要構(gòu)成部分，也是反應(yīng)結(jié)構(gòu)機器人持續(xù)發(fā)展和延伸后誕生的產(chǎn)物。

圖3 ?混合型控制結(jié)構(gòu)

四、智能移動機器人中的重要技術(shù)構(gòu)成

（一）路徑規(guī)劃技術(shù)

智能移動機器人是基于路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展，在多種可以被選擇的路徑方案中擇優(yōu)挑選出一條較便捷的途徑。路徑規(guī)劃技術(shù)誕生于二十世紀七十年代，當前國內(nèi)外對路徑規(guī)劃技術(shù)研究較活躍，不過，在機器人領(lǐng)域中的應(yīng)用不夠完善，尤其是考慮到對于不同工作需求的智能機器人，在工作過程中對路徑規(guī)劃和選擇的需求差異性較大，常見的有環(huán)境信息已知局部路徑規(guī)劃、環(huán)境信息不完全和未知路徑規(guī)劃技術(shù)。因此，智能移動機器人應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域在控制技術(shù)中較重要，需要從通觀全局的角度上選擇一條更好的路徑。

（二）多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合技術(shù)控制是利用多個傳感器合理支配和使用觀測信息，控制性能穩(wěn)定，是智能移動機器人控制技術(shù)較關(guān)鍵的構(gòu)成部分。其中，信息融合主要是能在面臨不同的外界環(huán)境下，通過微型傳感器設(shè)備快速抓取周邊環(huán)境中的信息數(shù)據(jù)，并整合和深度處理，再根據(jù)周邊環(huán)境的需求展示數(shù)據(jù)。由于智能移動機器人的應(yīng)用場所具有較大差異，應(yīng)用周圍環(huán)境和資源較復(fù)雜。因此，通過傳感器技術(shù)的數(shù)據(jù)抓取以及深度處理工作，實現(xiàn)對各類型數(shù)據(jù)信息的分類和總和，能更精準地針對周圍環(huán)境的特征作出反應(yīng)并執(zhí)行命令。

（三）導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是在智能移動機器人領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)位置的重要技術(shù)。對于智能移動機器人而言，智能移動機器人在不同的場合下進行動態(tài)性的工作，能辨別位置方向并找出路徑規(guī)劃技術(shù)，是智能移動機器人應(yīng)用價值的關(guān)鍵。因此，導(dǎo)航技術(shù)是智能移動機器人中較核心的應(yīng)用技術(shù)。智能移動機器人導(dǎo)航技術(shù)常見有慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航、路標導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等，在智能移動機器人領(lǐng)域的應(yīng)用中，智能移動機器人在自主操作和識別的過程中學會選擇合適的行走規(guī)劃路徑，面臨前方障礙物時能自動識別。因此，導(dǎo)航技術(shù)賦予了智能移動機器人感知能力，可以辨別和確認周邊環(huán)境中存在的可能危及前行路線的障礙，進一步與路徑規(guī)劃技術(shù)融合，有效躲避障礙物。

五、智能移動機器人技術(shù)的升級與改造

（一）主動視覺技術(shù)的升級改造

主動視覺技術(shù)是視覺導(dǎo)航系統(tǒng)較主要的控制技術(shù)，是當前智能移動機器人研究領(lǐng)域中的重點研究技術(shù)，主要解決障礙物和路標的探測及識別，利用視覺探測路標完成智能移動機器人導(dǎo)航。智能移動機器人能根據(jù)當前周圍環(huán)境中所處的狀態(tài)，例如，幾何位置、姿態(tài)、攝像機的成像光學條件等問題，調(diào)整各個控制部分的參數(shù)，使其達到較佳的成像狀態(tài)，優(yōu)化系統(tǒng)完成特定的視覺任務(wù)。在智能移動機器人控制技術(shù)升級和改造的過程中，可以通過融入主動視覺技術(shù)，進一步提升機器人對周圍環(huán)境的識別能力和反應(yīng)能力，尤其是精準辨別光線、位置、圖像條件，從而進一步提升智能移動機器人操作執(zhí)行過程中的安全性以及靈活調(diào)整工作狀態(tài)，提升任務(wù)完成的精確度。主動視覺系統(tǒng)的構(gòu)成，需要通過圖像采集平臺的大規(guī)模利用以及自主狀態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用，有效提升智能移動機器人快速辨別周圍環(huán)境信息的能力。這項技術(shù)需要予以大量的數(shù)據(jù)存儲以及圖像識別技術(shù)，并以高速運轉(zhuǎn)的計算速度為前提條件，才能在短時間內(nèi)對周圍環(huán)境作出反應(yīng)。因此，依托主動視覺技術(shù)是智能移動機器人未來控制重點研究技術(shù)，完善智能移動機器人的執(zhí)行能力，更好地掌握周邊環(huán)境的各項細節(jié)信息，使其更精準地完成任務(wù)。

（二）超聲波測速技術(shù)的應(yīng)用

超聲波技術(shù)是智能移動機器人機械振蕩領(lǐng)域中的重要組成部分，超聲波在傳遞和反彈的過程中具有彈性介質(zhì)的特征，超聲波傳遞速度快，達到了光波傳遞速度的百萬分之一，且在傳遞過程中，尤其在縱向方向分辨率較高，即使在充滿障礙物的煙塵條件下或光線視角不好的黑暗環(huán)境中仍可以實現(xiàn)對物質(zhì)測量結(jié)果的有效反彈，在各個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。但超聲波技術(shù)在應(yīng)用的過程中對色彩、光線以及電磁元素感應(yīng)不敏感，但該技術(shù)可以在視角不足和特殊環(huán)境下精準運行，具有抗干擾能力強的特征。因此，智能移動機器人的優(yōu)化和升級中超聲波測速技術(shù)融入和應(yīng)用是必然。通過超聲波測速技術(shù)能增加前方物體聲波反饋功率，借助能量轉(zhuǎn)換器在空氣中對超聲波進行輸出控制，如果智能移動機器人運行過程中的周圍環(huán)境出現(xiàn)障礙物，超聲波會在短時間內(nèi)完成超聲波反射，進而被機器人的智能轉(zhuǎn)換器接受，快速測算與障礙物之間的實際距離，提升機器人對前方障礙物測距的精準度。

（三）基礎(chǔ)行為控制技術(shù)的升級

智能移動機器人基礎(chǔ)行為控制技術(shù)基于反應(yīng)式系統(tǒng)的進一步升級和優(yōu)化，主要包括反應(yīng)式結(jié)構(gòu)以及慎思結(jié)構(gòu)兩部分。其中，反應(yīng)式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)主要是指智能移動機器人無法根據(jù)周圍環(huán)境所處的狀況做出自我思維活動，只能根據(jù)控制系統(tǒng)提出的命令執(zhí)行動作。而基于基礎(chǔ)行為控制系統(tǒng)是反映系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和升級，許多研究學者早已開始基于行為控制方式對智能移動機器人的行為控制優(yōu)化展開了研究。著名機器人研究專家Maja Matatic和他的團隊認為，基于行為控制方法的機器人是工程機器人與人工智能機器人之間相互銜接的重要橋梁，通過行為方法進行研究，可促使智能移動機器人不斷朝著智能體發(fā)展方向發(fā)展。在當前的智能移動機器人研究工作中，可以通過機器人預(yù)先設(shè)定好相應(yīng)的移動框架，借助相應(yīng)的約束條件，精準操控機器人。除此之外，行為控制方法對智能移動機器人展開的研究甚至還涉及生物靈感應(yīng)用，也就是說，借助生物對外界環(huán)境的天然感應(yīng)為機器人未來功能執(zhí)行和路徑規(guī)劃提供了更大的自由空間。Maja Matatic和他的團隊認為控制智能機器人系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，必須建立在行為方法理論的基礎(chǔ)上，為了推動機器人向更智能和靈活的方向發(fā)展，需要鼓勵建設(shè)智能移動機器人技術(shù)孵化平臺，致力于研究集基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)、智能移動機器人技術(shù)孵化、產(chǎn)業(yè)培育為一體的協(xié)同創(chuàng)新平臺，使機器人在識別和操作過程中能具備一定的自主思考空間，提升智能移動機器人在執(zhí)行命令過程中的穩(wěn)定性與精準性。

六、結(jié)語

綜上所述，隨著科學技術(shù)快速發(fā)展，智能移動機器人已逐步開始在不同的發(fā)展領(lǐng)域展現(xiàn)自身實力。在推動智能移動機器人的進一步優(yōu)化和升級方面，要從智能移動機器人的控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)以及聲波系統(tǒng)等多個方面進行升級與改造，優(yōu)化智能系統(tǒng)設(shè)計，以推動智能移動機產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科技支撐，確保未來的智能移動機器人可以根據(jù)不同職能需求、不同環(huán)境領(lǐng)域和不同行業(yè)要素為人類提供更加高效、更加便捷的服務(wù)。

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