机器人概论.doc

智能机器人智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当发达的“大脑”。在脑中起作用的是中央计算机，这种计算机跟操作它的人有直接的联系。最主要的是，这样的计算机可以进行按目的安排的动作。正因为这样，我们才说这种机器人才是真正的机器人，尽管它们的外表可能有所不同。机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合1，统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用，可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能；给机器人加上相关的医疗模块(ccd、camera、立体麦克风、图像采集卡等)和专用医疗传感器部件我对智能机器人的定义为:具备某些与生物类似的智能能力,且具有高度灵活性的自动化机器.既然提到了智能,那么何为智能?智能就是让没有生命力的材料制成的机器具有感知能力.,动作能力,规划能力和协同能力等.为了实现这些功能就要将多学科知识综合应用,如机械工程,电子技术,控制工程,计算机科学,传感技术,仿生学等学科.或许在以前能运动的一台机器就可以称作机器人,但智能机器人绝不局限于此,智能机器人更注重量化的概念,即机器人的每一个动作都要有一定的精度,而非单纯的实现.智能机器人控制系统 机器人控制系统包含2部分：一是上位机，一般采用pc，它完成机器人的运动轨迹规划、传感器信息融合控制算法、视觉处理、人机接口及远程处理等任务；二是下位机，一般采用多单片机系统或dsp等作为控制器的核心部件，完成电机伺服控制、反馈处理、图像处理、语音识别和通信接口等功能。 如果采用多单片机系统作为下位机，每个处理器完成单一任务，通过信息交换和相互协调完成总体系统功能，但其在信号处理能力上明显有所欠缺。由于dsp擅长对信号的处理，而且对此智能机器人来说经常需要信号处理、图像处理和语音识别，所以采用dsp作为智能机器人控制系统的控制器2。 控制系统以dsp(tms320c54x)为核心部件，由蓝牙无线通信、gsm无线通信(支持gprs)、电机驱动、数字罗盘、感觉功能传感器(视觉和听觉等)、医疗传感器和多选一串口通信(rs-232)模块等组成，控制系统框图如图2所示。 (1)系统通过驱动电机和转向电机控制机器人的运动，转向电机利用数字罗盘的信息作为反馈量进行pid控制。 首先说机器人的控制技术,机器人控制系统是机器人的重要组成部分以完成特定的工作任务,它的基本功能有:记忆功能,包括储存工作顺序,运动方式,运动速度等有关信息;与外围设备的联系功能，包括输入和输出接口，通信接口，网络接口，同步接口;传感器接口，包括位置检测，力觉，触觉，视觉等；坐标设置功能，包括关节，绝对用户自定义坐标系等；位置伺服功能，包括机器人多轴连动，运动控制，速度和加速度控制，动态补偿等；示教功能。故障诊断安全保护功能，包括运行时系统状态监视，故障状态下的安全保护和故障自诊断。由以上看出智能机器人的进行需要复杂的多学科知识，寻找具有柔顺性和智能性控制策略已成为智能机器人研究当中最为迫切的问题之一，通常智能机器人系统模型是非常复杂的，具体概括为以下三点：1）模型的不确定性，智能控制的研究对象通常存在严重的不确定性；2）系统的高度非线性，机器人是一个典型的非线性对象，而现在的非线性控制理论还不成熟，有些方法也过于复杂；3）控制任务的复杂性，它要求系统中对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力，有自动躲避障运动到期望目标位置的能力等机器人传感技术是先进机器人的 三大关键要素之一。通常根据用途的 不同机器人传感器可分为两大类：用于检测机器人自身状态的内部传感器和用于检测机器人相关环境参数的外部传感器。试想机器人的结构和控制系统都很完美，没有传感器的精确传递和感知信息，那么就称不上智能化。内部传感器是用来测量机器人自身状态的功能元件。它可以检测速度，加速度等运动量。线位移，角位移等几何量，还有倾斜角和振动等物理量。常用于反馈元件，检测机器人自身的状态参数。其中包括位置传感器,速度传感器，加速度传感器，倾斜角传感器等。位置传感器包括位置和角度检测传感器，通常的有电位器式，电容式，电感式，光电式，霍尔元件式，磁栅式以及机械式位置传感器。在选择传感器时，要根据各关节和连杆的运动定位精度要求，重复精度要求以及运动范围要求；加速度传感器，常用的有应变片式和伺服式传感器；倾斜角传感器，根据测量原理，倾斜角传感器分为液体式，垂直振子式和陀螺式。外部传感器则主要用于测量机器人周边环境参数，通常跟机器人的目标识别，作业安全等因素有关，可分为接触式传感器和非接触传感器，主要包括以下几点：1接近觉传感器，它是一种粗略的距离感觉，主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近，又可分为1）接触式接近觉传感器，2）电容式接近觉传感器，3）感应式接近觉传感器，4）气压式接近觉传感器5）超声波式接近觉传感器。2触觉传感器，它是机器人与环境直接作用的检测和感知，又可分为：接触觉传感器，压觉传感器，滑觉传感器，力觉传感器。3听觉传感器，要想机器人同人一样能听懂指挥语言，就需要听觉传感器对人发出的各种声音进行检测，然后通过语言识别系统识别出命令，执行命令。听觉传感器通常有动圈式和电容式，语音识别芯片，可大致分为三个部分：语音特征提取，拾取算法，语义理解。4视觉传感器，机器人通过视觉系统更多的获取周围世界的信息，人们采取了很多措施来解决这个问题，如视频摄像头，光电转换器件，形状识别传感器。在实际应用中，单独应用以上各种传感器会受一定的条件限制，现代技术中多应用多传感器融合技术，即采用某种形式对传感器信息进行综合，融合处理，不同类型信息的多种形式的处理系统。机器人视觉与视频信号的传输 机器人采集的视频信号有2种作用：提供机器人视觉；将采集到的家庭成员的静态图像和动态画面传给远程医疗中心。 机器人视觉的作用是从3维环境图像中获得所需的信息并构造出环境对象的明确而有意义的描述。视觉包括3个过程： (1)图像获取。通过视觉传感器(立体影像的ccd camera)将3维环境图像转换为电信号。 (2)图像处理。图像到图像的变换，如特征提取。 (3)图像理解。在处理的基础上给出环境描述。 机器人听觉与音频信号的传输 机器人采集的音频信号也有2种作用：一是提供机器人听觉；二是借助于音频信号，家庭成员可以和医生进行沟通，医生可以了解家庭成员的健康状况和心态。音频信号的传输为医生对家庭成员进行医疗保健提供了语言交流的途径。 机器人听觉是语音识别技术，医疗保健智能机器人带有各种声交互系统，能够按照家庭成员的命令进行医疗测试和监护，还可以按照家庭成员的命令做家务、控制数字化家电和照看病人等。 智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。 智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识”中单独形成了一种使它得以“生存”的外界环境实际情况的详尽模式。它能分析出现的情况，能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。当然，要它和我们人类思维一模一样，这是不可能办到的。到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。这些要素实质上就是相当于人的眼、鼻、耳等五官，它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传成器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。对运动要素来说，智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。 智能机器人智能机器人根据其智能程度的不同，又可分为三种： 传感型机器人又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构，它具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作交互型机器人机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。 自主型机器人在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性，自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数，调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究，所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因此，许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。 一是初级智能机器人.它和工业机器人不一样,具有象人那样的感受,识别,推理和判断能力.可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序,也就是它能适应外界条件变化对自己怎样作相应调整.高级智能机器人二是高级智能机器人.它和初级智能机器人一样,具有感觉,识别,推理和判断能力,同样可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序.所不同的是,修改程序的原则不是由人规定的,而是机器人自己通过学习,总结经验来获得修改程序的原则.所以它的智能高出初能智能机器人.这种机器人已拥有一定的自动规划能力,能够自己安排自己的工作.这种机器人可以不要人的照料,完全独立的工作,故称为高级自律机器人.这种机器人也开始走向实用。 智能机器人技术还有很大的发展空间，它的发展势必会提高人类社会的质量。尤其是其中的仿人机器人，它可以应用于各个领域，如可以促进人体医学，生物学和仿生学的发展。仿人机器人就是要模仿人的某些技能，如双脚直立行走，自主判断，利用工具等，目前，由于人体医学和生物学发展速度的限制，医学界和生物界对人体的工作机理了解还不是十分透彻，如精确的人体运动学和动力学，人体大脑的工作机理等。另外仿人机器人不能仅限制在仿人上，还应该模仿其他生物的一些特殊功能，如狗的嗅觉，蝙蝠的听觉，蜻蜓的视觉等。相信在不远的未来可以将这些技术仿生，运用到特殊场合，各需所用，许多人类不具备的功能都会出现在机器人身上。驱动源的改进，目前机器人的驱动源有在线提供能源和离线自带电源两种。当然离线自带电源比在线提供能源具有更大的活动空间。理想的能源应该具有高的 能源密度，耐高温，耐腐蚀，可再生，低成本等。但是，现在自带能源的容量有限，而且仿人机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积减小，重量轻而且有容量大，也是仿人机器人要面临的问题。对此新型材料的研发是关键。良好的群体协作和人类合作，人类除有智能外还有一个突出的特点就是团队合作，发挥群体智慧。将来，高智慧的仿人机器人也应该具有这种能力，它们之间应该能够团结合作，并且能主动与人类合作，协同人类完成自身不能完成的任务。自然界中的人经过一个漫长的优化，成为万物之主。微型机器人在未来的发展前景也很可观，由于微型机器人体积是纳米级的，它可以应用到医学界。当今有许多癌症患者无法得到康复是因为癌细胞在捣鬼，而通常药物对其没有针对性，在杀死癌细胞的同时会对人体健康