智能控制在機器人技術中的應用
摘要：機器人的智能從無到有、從低級到高級，隨著科學技術的進步而不斷深人發展。計算機技術、 網絡技術 、人工智能、新材料和MEMS技術的發展，智能化、網絡化、微型化發展趨勢凸顯出來。本文主要探討智能控制在機器人技術中的應用。
關鍵詞：智能控制 機器人 技術
1、引言
工業機器人是壹個復雜的非線性、強耦合、多變量的動態系統，運行時常具有不確定性，而用現有的機器人動力學模型的先驗知識常常難以建立其精確的數學模型，即使建立某種模型，也很復雜、計算量大，不能滿足機器人實時控制的要求。智能控制的出現為解決機器人控制中存在的壹些問題提供了新的途徑。由於智能控制具有整體優化，不依賴對象模型，自學習和自適應等特性，用它解決機器人等復雜控制問題，可以取得良好效果。
2、智能機器人的概述
提起智能機器人，很容易讓人聯想到人工智能。人工智能有生物學模擬學派、心理學派和行為主義學派三種不同的學派。在20世紀50年代中期，行為主義學派壹直占統治地位。行為主義學派的學者們認為人類的大部分知識是不能用數學方法精確描述的，提出了用符號在計算機上表達知識的符號推理系統，即專家系統。專家系統用規則或語義網來表示知識規則。但人類的某些知識並不能用顯式規則來描述，因此，專家系統曾壹度陷人困境。近年來神經網絡技術取得壹定突破，使生物模擬學派活躍起來。智能機器人是人工智能研究的載體，但兩者之間存在很大的差異。例如，對於智能裝配機器人而言，要求它通過視覺系統獲取圖紙上的裝配信息，通過分析，發現並找到所需工件，按正確的裝配順序把工件壹壹裝配上。因此，智能機器人需要具備知識的表達與獲取技術，要為裝配做出規劃。同時，在發現和尋找工件時需要利用模式識別技術，找到圖樣上的工件。裝配是壹個復雜的工藝，它可能要采用力與位置的混合控制技術，還可能為機器人的本體裝上柔性手腕，才能完成任務，這又是機構學問題。智能機器人涉及的面廣，技術要求高，是高新技術的綜合體。那麽，到底什麽是智能機器人呢?到目前為止，國際上對智能機器人仍沒有統壹的定義。壹般認為，智能機器人是具有感知、思維和動作的機器。所謂感知，即指發現、認識和描述外部環境和自身狀態的能力。如裝配作業，它要能找到和識別所要的工件，需要利用視覺傳感器來感知工件。同時，為了接近工件，智能機器人需要在非結構化的環境中，認識瘴礙物並實現避障移動。這些都依賴於智能機器人的感覺系統，即各種各樣的傳感器。所謂思維，是指機器人自身具有解決問題的能力。比如，裝配機器人可以根據設計要求，為壹個復雜機器找到零件的裝配辦法及順序，指揮執行機構，即動作部分去裝配完成這個機器，動作是指機器人具有可以完成作業的機構和驅動裝置。因此，智能機器人是壹個復雜的軟件、硬件的綜合體。雖然對智能機器人沒有統壹的定義，但通過對具體智能機器人的考察，還是有壹個感性認識的。
3、智能機器人的體系結構
智能機器人的體系結構主要包括硬件系統和軟件系統兩
個方面。由於智能機器人的使用目的不同，硬件系統的構成也不盡相同。結構是以人為原型設計的。系統主要包括視覺系統、行走機構、機械手、控制系統和人機接口。如圖1所示：
2.1視覺系統
智能機器人利用人工視覺系統來模擬人的眼睛。視覺系統可分為圖像獲取、圖像處理、圖像理解3個部分。視覺傳感器是將景物的光信號轉換成電信號的器件。早期智能機器人使用光導攝像機作為機器人的視覺傳感器。近年來，固態視覺傳感器，如電荷耦合器件CCD、金屬氧化物半導體CMOS器件。同電視攝像機相比，固體視覺傳感器體積小、質量輕，因此得到廣泛的應用。視覺傳感器得到的電信號經過A/D轉換成數字信號，即數字圖像。單個視覺傳感器只能獲取平面圖像，無法獲取深度或距離信息。目前正在研究用雙目立體視覺或距離傳感.器來獲取三維立體視覺信息。但至今還沒有壹種簡單實用的裝置。數字圖像經過處理，提取特征，然後由圖像理解部分識別外界的景物。
2.2行走機構
智能機器人的行走機構有輪式、履帶式或爬行式以及類人型的兩足式。目前大多數智能機器人.采用輪式、履帶式或爬行式行走機構，實現起來簡單方便。1987年開始出現兩足機器人，隨後相繼研制了四足、六足機器人。讓機器人像人類壹樣行走，是科學家壹直追求的夢想。
2.3機械手
智能機器人可以借用工業機器人的機械手結構。但手的自由度需要增加，而且還要配備觸覺、壓覺、力覺和滑覺等傳感器以便產生柔軟、.靈活、可靠的動作，完成復雜作業。
2.4控制系統
智能機器人多傳感器信息的融合、運動規劃、環境建模、智能推理等需要大量的內存和高速、實時處理能力。現在的馮?諾曼結構作為智能機器人的控制器仍然力不從心。隨著光子計算機和並行處理結構的出現，智能機器人的處理能力會更高。機器人會出現更高的鉀能。
2.5人機接口
智能機器人的人機接口包括機器人會說、會聽以及網絡接日、話筒、揚聲器、語音合成和識別系統，使機器人能夠聽懂人類的指令，能與人以自然語言進行交流。機器人還需要具有網絡接n，人可以通過網絡和通訊技術對機器.人進行控制和操作。
隨著智能機器人研究的不斷深入、越來越多的各種各樣的傳感器被使用，信息融合、規劃，問題求解，運動學與動力學計算等單元技術不斷提高，使智能機器人整體智能能力不斷增強，同時也使其系統結構變得復雜。智能機器人是壹個多CPU的復雜系統，它必然是分成若幹模塊或分層遞階結構。在這個結構中，功能如何分解、時間關系如何確定、空間資源如何分配等問題，都是直接影響整個系統智能能力的關鍵問題。同時為了保證智能系統的擴展，便於技術的更新，要求系統的結構具有壹定開放性，從而保證智能能力不斷增強，新的或更多傳感器可以進入，各種算法可以組合使用口這便使體系結構本身變成了壹個要研究解決的復雜問題。智能機器人的體系結構是定義壹個智能機器人系統各部分之間相互關系和功能分配，確定壹個智能機器人或多個智能機器人系統的信息流通關系和邏輯上的計算結構。對於壹個具體的機器人而言，可以說就是這個機器人信息處理和控制系統的總體結構，它不包括這個機器人的機械結構內容。事實上，任何壹個機器人都有自己的體系結構。目前，大多數工業機器人的控制系統為兩層結構，上層負責運動學計算和人機交互，下層負責對各個關節進行伺服控制。
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