袁致煥

蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院 江蘇蘇州 215000

1 智能型服務機器人的關鍵技術

智能型服務機器人在工作過程中面對的難點是：對工作環(huán)境做出判斷、把握正確的數(shù)據(jù)處理方法、將處理結果反映到實際操作上。針對上述難點，智能型服務機器人的關鍵技術主要體現(xiàn)為四大環(huán)節(jié)：傳感器、智能控制、導航定位和路徑規(guī)劃。

1.1 傳感器

同一般機器人相比，智能型服務機器人對周邊環(huán)境的辨別要求較高，因此環(huán)境感知處理器和信號接收器是傳感器的兩大關鍵元件。目前能夠運用到的傳感器設備有：紅外線傳感器、力傳感器、超聲波傳感器等。不同功能的傳感器相互配合，使得智能型服務機器人獲得的外部環(huán)境信息更加全面，從而為之后的動作操控提供準確信息。

1.2 智能控制

在接受到足夠的外部環(huán)境信息后，智能型服務機器人接下來需根據(jù)這些信息做好內(nèi)部控制。目前機器人智能控制技術主要有三種——神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制及優(yōu)化計算。以神經(jīng)網(wǎng)絡技術為例，它是基于人和生物活動的基本性而研究的，其技術核心就是信息的處理和演算。再如模糊控制，則是根據(jù)邏輯推理得出的一套數(shù)字控制技術[1]。

1.3 路徑規(guī)劃

智能型服務機器人在實際工作過程中不免遇到突發(fā)狀況，特別是計劃之外的阻礙物，這時路徑規(guī)劃的重要性得以體現(xiàn)。路徑規(guī)劃方法大致可分為傳統(tǒng)方法與智能方法。前者主要根據(jù)自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢場法對機器人工作路徑做出判斷，但是不具備最優(yōu)選擇功能，以及對突發(fā)狀況的改變功能。后者是將遺傳算法、模糊邏輯以及神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能方法應用到路徑規(guī)劃中，提高機器人避障精度，加快規(guī)劃速度，滿足實際應用需要。

2 智能型服務機器人的主要應用

2.1 多功能清潔機器人

清潔型機器人的關鍵是控制系統(tǒng)的設計，而控制系統(tǒng)包括運動控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，可確保機器人的運動是可控的；感知系統(tǒng)用于檢測清潔機器人周邊的障礙物，將相關信息上傳給機器人，圓滿完成對垃圾清掃任務。

（1）運動控制系統(tǒng)。清潔機器人的能量消耗主要有兩方面：首先是功能模塊，其次是控制系統(tǒng)及電機驅(qū)動電路。清潔機器人若要具有自主實現(xiàn)工作的能力，必須具備一個可靠電源，使得系統(tǒng)在各種環(huán)境中穩(wěn)定工作，其中電源電路設計猶為重要。調(diào)查得知，12.6V/6900mAh可充電聚合物鋰電池是運用比較廣泛的電能提供源。

（2）信息采集模塊。清潔機器人屬于移動型機器人的范疇，故其采用的傳感器可分為兩大類：內(nèi)部狀態(tài)感知傳感器和外部狀態(tài)感知傳感器。前者又可細分為：加速度傳感器、速度傳感器、編碼器等，后者則包括：紅外測距傳感器、視覺傳感器、超聲波傳感器、激光掃描儀等。如前文所述，現(xiàn)有移動機器人一般都是采取多傳感器融合的方式進行周邊環(huán)境的感知。

紅外測距傳感器遇到不同距離的障礙物時，紅外信號反射強度也不同?；谶@一原理進行障礙物距離的檢測，其優(yōu)點在于方向性好、探測角度小、測量精度高。在清潔機器人設計過程中，系統(tǒng)較多采用GP2Y0A21紅外測距傳感器，如圖3所示。該傳感器具有探測距離遠、精度高、體積小、安裝方便等優(yōu)點。

光電編碼器的主要作用是檢測移動型機器人的速度和位置，安裝在行走電機的軸上。其中使用的DSP2812芯片的一大亮點是擁有EVA、EVB事件管理器，且提供了編碼器的接口。然而，DSP提供給I/O接口的工作電壓為3.3V，而光電編碼器輸出電壓為5V，如果將5V信號直接接在I/O接口上，則可能會損壞芯片。此時，可以通過電源芯片XL1410進行電流轉(zhuǎn)換，利用光電編碼器返回的信號測得電機轉(zhuǎn)速。對于無法獲得電機轉(zhuǎn)向的問題，需要在編碼器中增加一組發(fā)光與接收裝置，確保兩對發(fā)光和接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4，此時兩組脈沖序列相位A和B相差90°，正轉(zhuǎn)時A相超前B相，反轉(zhuǎn)時反之，如此即可解決。

2.2 醫(yī)療型服務機器人

與一般的醫(yī)療臨床機器人相比，服務機器人在醫(yī)療方面的主要作用是幫助患者進行恢復及保養(yǎng)，所以首先要明確其設計要求，其后才是其應用。

首先是安全性要求。醫(yī)療型服務機器人實現(xiàn)的是人與機器的實時協(xié)調(diào)運作，并且服務對象多為病人，而病人存在不同程度的運動功能障礙，如肌肉控制力不足導致的身體平衡性和協(xié)調(diào)性變差、關節(jié)僵硬導致的活動范圍不足等。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設計中，安全性是必需的前提。在整體結構設計時，各個零部件在保證足夠強度的前提下，應盡量選取輕質(zhì)材料；機器人設備與患者患肢的鏈接位置應在保證安全性和穩(wěn)定性的前提下，具備一定的可調(diào)性和訓練舒適性，比如在康復訓練中，需符合患者生理特點，防止訓練過程中過量或異常的訓練模式導致患者二次損傷。以康復型服務機器人為例，它在腳踏機構的設計方面最為重要。腳踏機構是患者患肢與康復型機器人的連接部位，因此其設計在滿足人體足部與機器人穩(wěn)定連接的前提下，還要為使用者提供康復訓練的舒適性。該機構通過腳踏軸與導軌滑塊連接，實現(xiàn)橢圓形軌跡運動。

3 結語

隨著科技水平發(fā)展愈發(fā)迅速，智能型服務機器人的需求與出現(xiàn)是必然的。隨著智能型服務機器人領域的日益革新，人們在生活或工作中面對的復雜、重復的問題必然會在機器人的協(xié)助下得以減輕。所以，應繼續(xù)加強智能型服務機器人的重視程度，不斷改善技術條件，使其為人類做出更多的貢獻。