感应机器人系统总体方案设计
感应机器人系统总体方案设计
1.1 智能机器人研究背景
目前,国内外对机器人的研究不断深入,已经开发出各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人,推出了各种样机,如移动机器人、微型机器人、水下机器人、军用机器人、服务娱乐机器人、仿人机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性,是智能机器人与一般自动化装备的重要区别。智能机器人从外观上已远远脱离了最初的工业机器人所具有的形状和局限,更加符合各种不同应用环境的特殊要求,其功能和智能程度大大增强,从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间[1]。
智能机器人是一个在感知- 思维- 效应方面全面模拟人的机器系统,外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场, 可以全面地考察人工智能各个领域的技术,研究它们相互之间的关系[2]。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60 年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期, 到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统，宣告了感知机器人的诞生,在80 年代得到了广泛应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。
智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身,就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器的智能分为两个层次:①具有感觉、识别、理解和判断功能；②具有总结经验和学习的功能。所以,人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人[3]。
1.2 智能机器人国内外研究现状
机器人技术的发展经历了三个阶段，从最开始的示教再现机器人到第二代的有感觉的机器人，一直到现在的智能机器人，共经历了40 多年的时间。智能机器人带有多种传感器，能将多种传感器得到的信息进行融合，有效地适应环境的变化，具有自主学习的能力。智能机器人涉及很多关键技术，近年来多传感器信息耦合技术、导航和定位技术、路径规划技术、机器人视觉技术及人机接口技术的发展都带动了智能机器人技术的发展。
1.2.1 国外发展现状
在各国智能机器人技术的发展中，美国在国际上一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。近年来,美英等国研制出第二代军用智能机器人，其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅等能力,能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。日本由于一系列扶植政策，各类机器人发展迅速。政府巨大资助给其带来了硬件优势，促进了智能机器人技术的发展。同时，日本分析了机器人的发展趋势，其机器人技术下一步发展重点确定为家用机器人，走进人们日常生活的仿人机器人将是机器人开发的方向。例如，在日本的工厂里，生产线机器人已经被广泛运用；餐馆里，机器人可以做寿司；农田里，机器人可种植水稻并负责看管稻田；在大公司里，有负责接待客人并帮客人倒茶的机器人，还有负责清洁卫生的机器人；在家庭中，有能够陪老人聊天、给老人喂饭的保姆机器人；机器人甚至有望进入日本人的宗教领域，科学家正在设计可以主持神道教仪式的机器人。
欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位，全球约1/3的工业机器人是由欧盟机器人制造商制造的。同时，欧盟委员会还呼吁欧盟产业界加快机器人重要零部件在欧盟的研发和生产速度，以便能有效应对来自亚洲的激烈竞争和避免对世界其他地区的战略性依赖[6]。根据欧盟委员会2008年6月10日发表的一份新闻公报, 到2010年，欧盟对机器人研发的投资在2007年的基础上实现翻番，即斥资4亿欧元来支持机器人的研发活动。
1.2.2 国内研究现状
我国机器人技术起步并不晚，而且国家越来越重视智能机器人技术的发展，政府投入力度增大，相关科研机构和企事业单位在机器人的研发领域开展了大量工作，形成了一批具有较强科研实力的公司和院校，如中科院沈阳自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司、清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、东北大学等。各高校和研究所已经形成区域优势，如清华大学设计了动态步行双足机器人THBIP-II。哈尔滨工程大学设计了双足机器人HEUBR_1，中科院沈阳自动化研究所等研制的蛟龙号载人潜水机器人7000米级海试已经成功[4]。这些成绩的取得都推动了智能机器人技术的发展。
1.3 智能机器人技术存在的问题与挑战
目前在生产生活中应用的大部分是第二代机器人，智能机器人技术还没有完全应用到生产生活中去。由于其开发难度大、周期长、资金投入高，大部分研究还处于理论研究阶段。智能机器人技术所涉及的关键技术较多，任何一个技术存在缺陷都会阻碍智能机器人技术的发展，因此智能机器人技术的发展还面临很多挑战[5]。
1）智能机器人技术的研究比较分散，未能形成合力。目前国内外都大力开展智能机器人技术的研究，但是不同机构交流和联合都较少，各家分散研究，这样在同种技术研究方面就造成了财力、物力和时间等的浪费。
2）机器人产业链不够细化。由于智能机器人技术是一个多交叉的学科，涉及的关键技术较多，同时种类也较为丰富，这就造成了机器人在产业化的时候也出现很多交叉，分工不明细，重复研究、重复生产的现象较为严重，使得产业链不够完善、不够细化。
3）智能机器人技术研究中产学研脱节现象严重。虽然随着时代以及技术的发展，部分高校或研究机构已经和企业逐步实现了联合，但是依然处于起步阶段，没有真正将理论与实践相结合，将理论研究产品化，没有走出一条产学研相结合的道路。因此，很多研究没有用武之地，无法和实际结合，而很多企业又缺乏高水平的研究人才，无法创新、进步。
4）在智能机器人技术研究的过程中过度的追求高指标、高性能。智能机器人技术发展才刚刚起步，其中有很多待解决的问题，一个细节考虑不周就有可能造成重大的损失，但过多追求高指标、高性能往往阻碍了机器人真正发展的道路，失去了细致分析问题解决问题的机会[6]。
5）创新能力不足，制约了机器人市场的开拓。在机器人研究的过程中，拿来主义现象较为严重，没有创新意识，缺乏自己的独创品牌，照搬走老路的现象较为严重，要想机器人事业得到突飞猛进的发展就需要不断地开拓创新，满足市场的需求，进一步促进智能机器人产业的发展，形成良性循环。
1.4 智能机器人技术的未来发展
智能机器人技术是未来技术发展的制高点，是未来新兴产业的支撑点，是未来战争的主力军，是未来社会服务的最佳帮手[7]。智能机器人技术有着非常广阔的应用前景，未来将朝着以下几个方面发展：
1）发展智能机器人产业集群。面向新兴制造业，深入研究分析产学研用之道，提高集成技术，使智能机器人发展真正做到产业化，系统集成化，实现资源优势互补。
2）关键功能部件和核心技术的发展。探索新的高强度轻质材料，专门研究关键部件，从细节解决问题，掌握核心技术，注重多传感系统和控制技术的发展，研究机器人控制器的标准化和网络化；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驱动器技术；研究仿生感知、控制机制、生物神经系统理论与方法[8]；将机器人机构向着模块化、可重构方向发展。
3）更灵巧、更智能、更安全。机器人机构越来越灵巧，控制系统越来越小，智能越来越高，并朝着一体化方向发展；为使智能机器人真正走向应用，为人类服务，机器人使用的安全性必将越来越好。
总之，我国智能机器人技术虽然得到了长足的发展，但还落后于世界先进水平。而智能机器人技术是高尖端技术的体现，具有较大的应用需求，具有较好的应用前景。为此，我们要认清形势，明确发展目标，努力缩小与世界先进水平的差距。
2 智能机器人系统总体设计方案
2.1 智能机器人系统总体方案的设计
智能机器人系统组成：机械系统，控制系统。控制系统分为：软件部分，硬件部分。该智能旅游机器人马达转速为5000转/分,其最大功率26.5W,控制系统采用飞思卡尔的16位微控制MC9S12XS128单片机作为控制单元,作为智能车的“大脑”,是系统的核心部分。它负责接收赛道采集的数据、赛车速度等反馈信息,并对这些信息进行恰当的处理,形成合适的控制量来对蛇机与驱动电机进行控制。并使用C语言编写控制程序,通过CodeWarrior IDE编译软件的在线调试,自主构思设计控制方案,包括系统设计,光电传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、舵机控制等。根据以上设计方案,该智能机器人主要包含硬件、软件、机械三大部分,XS128MCU(主控制举元)、道路识别传感器、电源、舵机驱动、电机驱动五大模块设计,见图2. 1所示智能汽车系统方框图[9]。
图2-1 系统总体方框图
2.2 智能机器人机械系统介绍
智能机器人机械系统组成：前后轮、PCB固定板、电池架、底座、直流驱动电动机、硬质电路板、摄像头及其支架、舵机、触碰传感器、光电传感器、激光传感器。实体模型图如图2-2所示：
图2—2 智能机器人实体图
2.2.1 车体底座
智能机器人车体底座是智能机器人机械构架的重要基础，决定了智能机器人各方面的性能参数。因为车体底座搭载了智能机器人主要的部件，如PCB固定板、硬质电路板、各类传感器以及在PCB板上面通过四个铜柱支撑的摄像头和摄像头支架，语音识别模块和可调稳压模块。如图2—3所示。
1.1 智能机器人研究背景
目前,国内外对机器人的研究不断深入,已经开发出各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人,推出了各种样机,如移动机器人、微型机器人、水下机器人、军用机器人、服务娱乐机器人、仿人机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性,是智能机器人与一般自动化装备的重要区别。智能机器人从外观上已远远脱离了最初的工业机器人所具有的形状和局限,更加符合各种不同应用环境的特殊要求,其功能和智能程度大大增强,从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间[1]。
智能机器人是一个在感知- 思维- 效应方面全面模拟人的机器系统,外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场, 可以全面地考察人工智能各个领域的技术,研究它们相互之间的关系[2]。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60 年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期, 到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统，宣告了感知机器人的诞生,在80 年代得到了广泛应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。
智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身,就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器的智能分为两个层次:①具有感觉、识别、理解和判断功能；②具有总结经验和学习的功能。所以,人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人[3]。
1.2 智能机器人国内外研究现状
机器人技术的发展经历了三个阶段，从最开始的示教再现机器人到第二代的有感觉的机器人，一直到现在的智能机器人，共经历了40 多年的时间。智能机器人带有多种传感器，能将多种传感器得到的信息进行融合，有效地适应环境的变化，具有自主学习的能力。智能机器人涉及很多关键技术，近年来多传感器信息耦合技术、导航和定位技术、路径规划技术、机器人视觉技术及人机接口技术的发展都带动了智能机器人技术的发展。
1.2.1 国外发展现状
在各国智能机器人技术的发展中，美国在国际上一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。近年来,美英等国研制出第二代军用智能机器人，其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅等能力,能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。日本由于一系列扶植政策，各类机器人发展迅速。政府巨大资助给其带来了硬件优势，促进了智能机器人技术的发展。同时，日本分析了机器人的发展趋势，其机器人技术下一步发展重点确定为家用机器人，走进人们日常生活的仿人机器人将是机器人开发的方向。例如，在日本的工厂里，生产线机器人已经被广泛运用；餐馆里，机器人可以做寿司；农田里，机器人可种植水稻并负责看管稻田；在大公司里，有负责接待客人并帮客人倒茶的机器人，还有负责清洁卫生的机器人；在家庭中，有能够陪老人聊天、给老人喂饭的保姆机器人；机器人甚至有望进入日本人的宗教领域，科学家正在设计可以主持神道教仪式的机器人。
欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位，全球约1/3的工业机器人是由欧盟机器人制造商制造的。同时，欧盟委员会还呼吁欧盟产业界加快机器人重要零部件在欧盟的研发和生产速度，以便能有效应对来自亚洲的激烈竞争和避免对世界其他地区的战略性依赖[6]。根据欧盟委员会2008年6月10日发表的一份新闻公报, 到2010年，欧盟对机器人研发的投资在2007年的基础上实现翻番，即斥资4亿欧元来支持机器人的研发活动。
1.2.2 国内研究现状
我国机器人技术起步并不晚，而且国家越来越重视智能机器人技术的发展，政府投入力度增大，相关科研机构和企事业单位在机器人的研发领域开展了大量工作，形成了一批具有较强科研实力的公司和院校，如中科院沈阳自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司、清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、东北大学等。各高校和研究所已经形成区域优势，如清华大学设计了动态步行双足机器人THBIP-II。哈尔滨工程大学设计了双足机器人HEUBR_1，中科院沈阳自动化研究所等研制的蛟龙号载人潜水机器人7000米级海试已经成功[4]。这些成绩的取得都推动了智能机器人技术的发展。
1.3 智能机器人技术存在的问题与挑战
目前在生产生活中应用的大部分是第二代机器人，智能机器人技术还没有完全应用到生产生活中去。由于其开发难度大、周期长、资金投入高，大部分研究还处于理论研究阶段。智能机器人技术所涉及的关键技术较多，任何一个技术存在缺陷都会阻碍智能机器人技术的发展，因此智能机器人技术的发展还面临很多挑战[5]。
1）智能机器人技术的研究比较分散，未能形成合力。目前国内外都大力开展智能机器人技术的研究，但是不同机构交流和联合都较少，各家分散研究，这样在同种技术研究方面就造成了财力、物力和时间等的浪费。
2）机器人产业链不够细化。由于智能机器人技术是一个多交叉的学科，涉及的关键技术较多，同时种类也较为丰富，这就造成了机器人在产业化的时候也出现很多交叉，分工不明细，重复研究、重复生产的现象较为严重，使得产业链不够完善、不够细化。
3）智能机器人技术研究中产学研脱节现象严重。虽然随着时代以及技术的发展，部分高校或研究机构已经和企业逐步实现了联合，但是依然处于起步阶段，没有真正将理论与实践相结合，将理论研究产品化，没有走出一条产学研相结合的道路。因此，很多研究没有用武之地，无法和实际结合，而很多企业又缺乏高水平的研究人才，无法创新、进步。
4）在智能机器人技术研究的过程中过度的追求高指标、高性能。智能机器人技术发展才刚刚起步，其中有很多待解决的问题，一个细节考虑不周就有可能造成重大的损失，但过多追求高指标、高性能往往阻碍了机器人真正发展的道路，失去了细致分析问题解决问题的机会[6]。
5）创新能力不足，制约了机器人市场的开拓。在机器人研究的过程中，拿来主义现象较为严重，没有创新意识，缺乏自己的独创品牌，照搬走老路的现象较为严重，要想机器人事业得到突飞猛进的发展就需要不断地开拓创新，满足市场的需求，进一步促进智能机器人产业的发展，形成良性循环。
1.4 智能机器人技术的未来发展
智能机器人技术是未来技术发展的制高点，是未来新兴产业的支撑点，是未来战争的主力军，是未来社会服务的最佳帮手[7]。智能机器人技术有着非常广阔的应用前景，未来将朝着以下几个方面发展：
1）发展智能机器人产业集群。面向新兴制造业，深入研究分析产学研用之道，提高集成技术，使智能机器人发展真正做到产业化，系统集成化，实现资源优势互补。
2）关键功能部件和核心技术的发展。探索新的高强度轻质材料，专门研究关键部件，从细节解决问题，掌握核心技术，注重多传感系统和控制技术的发展，研究机器人控制器的标准化和网络化；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驱动器技术；研究仿生感知、控制机制、生物神经系统理论与方法[8]；将机器人机构向着模块化、可重构方向发展。
3）更灵巧、更智能、更安全。机器人机构越来越灵巧，控制系统越来越小，智能越来越高，并朝着一体化方向发展；为使智能机器人真正走向应用，为人类服务，机器人使用的安全性必将越来越好。
总之，我国智能机器人技术虽然得到了长足的发展，但还落后于世界先进水平。而智能机器人技术是高尖端技术的体现，具有较大的应用需求，具有较好的应用前景。为此，我们要认清形势，明确发展目标，努力缩小与世界先进水平的差距。
2 智能机器人系统总体设计方案
2.1 智能机器人系统总体方案的设计
智能机器人系统组成：机械系统，控制系统。控制系统分为：软件部分，硬件部分。该智能旅游机器人马达转速为5000转/分,其最大功率26.5W,控制系统采用飞思卡尔的16位微控制MC9S12XS128单片机作为控制单元,作为智能车的“大脑”,是系统的核心部分。它负责接收赛道采集的数据、赛车速度等反馈信息,并对这些信息进行恰当的处理,形成合适的控制量来对蛇机与驱动电机进行控制。并使用C语言编写控制程序,通过CodeWarrior IDE编译软件的在线调试,自主构思设计控制方案,包括系统设计,光电传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、舵机控制等。根据以上设计方案,该智能机器人主要包含硬件、软件、机械三大部分,XS128MCU(主控制举元)、道路识别传感器、电源、舵机驱动、电机驱动五大模块设计,见图2. 1所示智能汽车系统方框图[9]。
图2-1 系统总体方框图
2.2 智能机器人机械系统介绍
智能机器人机械系统组成：前后轮、PCB固定板、电池架、底座、直流驱动电动机、硬质电路板、摄像头及其支架、舵机、触碰传感器、光电传感器、激光传感器。实体模型图如图2-2所示：
图2—2 智能机器人实体图
2.2.1 车体底座
智能机器人车体底座是智能机器人机械构架的重要基础，决定了智能机器人各方面的性能参数。因为车体底座搭载了智能机器人主要的部件，如PCB固定板、硬质电路板、各类传感器以及在PCB板上面通过四个铜柱支撑的摄像头和摄像头支架，语音识别模块和可调稳压模块。如图2—3所示。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1948.html
