智能机器人方案设计开发

作为面向未来的现代化技术,机器人技术涉及的相关学科有传感器、计算机、通讯、控制、人工智能、微电子等技术学科、仿生学、材料科学、数学方法等诸多学科。机器人技术可以认为是和网络,基因,通信,计算机技术等一样的高新技术。一、智能机器人技术简介机器人在我国科学家口中的定义是一种具有高度灵活性的自动化机器,因为它具备一些如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力等智能能力与人或生物相似,所以它的定义在我们眼里

作为面向未来的现代化技术,机器人技术涉及的相关学科有传感器、计算机、通讯、控制、人工智能、微电子等技术学科、仿生学、材料科学、数学方法等诸多学科。机器人技术可以认为是和网络,基因,通信,计算机技术等一样的高新技术。

一、智能机器人技术简介

机器人在我国科学家口中的定义是一种具有高度灵活性的自动化机器,因为它具备一些如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力等智能能力与人或生物相似,所以它的定义在我们眼里多种多样。一套机器人主要包括:(1)设备上面或周围的传感器,可提供有用信息反馈通过感知周边环境然后向装备。(2)可以与周边环境进行互交的车轮盘平台、手臂或者别的装备的机械设备。(3)按照实际情况控制系统执行指定动作并且根据设备运行情况处理传感输入。

可以有效地提高产品的产量和质量的机器人是最原始形式的工业机器人,广泛应用在在装配、切割、焊接、除锈、喷漆等方面,有效的改善了人们的劳动条件。作为必然的发展趋势和根本结果,机器人预计在不久的将来社会中必将会得到广泛应用和发展。

工业机器人和特种机器人,是研究机器人的专家们从应用需要出发将机器人分成的两大类。工业机器人是指为工业制造业多关节机械手或多自由度机器人机器人,用于非制作业并服务于人类的各种先进机器人,也就是除上述工业机器人之外的称为特种机器人。当前,从应用需要出发,机器人也同样被国际上研究机器人的学者们分成了两类:一类是制作环境下的工业机器人。另一类则是非工业制造环境下的服务与仿生机器人

我国取得了傲人显著成绩在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面,尽管我们国家机器人学研究起步较晚,但进步很快。为了让我国机器人变得更加先进,我们需要加大对单片机技术的研究和发展。

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二、单片机技术与智能机器人控制系统

2.1驱动系统

单片机对机器人控制系统中的动能控制,核心操作是应用芯片技术将芯片进行集成驱动实现这一要求。为了实现控制机器人的驱动,要对较弱的电流信号进行加强和放大,还要对驱动继电器后置控制操作电机。为了有效地保护基极和放大电流,在驱动模块中加入了三极管,一种存在驱动模块中的自动开关继电器的独特之处是保护和转换了电路,进而使电路正反转来实现电路的自动调节功能,对机器向前、向后等简单动作进行操作。这一技术的运用是靠驱动模块电路的,该电流的输入优点在于不会干扰其他控制系统的同步运营,驱动电机可以安全运行。保证了机器人前进、后退运动的精准度。

2.2视觉控制系统

机器人视觉系统的叫法,其实讲的是为了转换为机器人能够识别的信号,进而进行分析解释从获取外界环境物体的图像,从而辨识物体的系统。人眼的视觉捕捉和识别功能可以被机器人完成通过机器人的视觉系统。机器人实际运动时的过程是,首先进行实时定位通过定位传感器,经过模数转换,再放大信号功率,最后位置信息被接收后传入到单片机中。将接收的信号和具有初始阈值单片机对比后再进行滤波处理,最后将得到的信号反馈到驱动电机,控制系统会自动进行调节,机器人会根据电机转速输入信号频率的不同按照不同设定方向行走。机器人完全通过视觉感知技术对外部世界进行辨识的。

2.3地面探测系统

地面探测系统借鉴的是模仿人的听觉功能,利用机器人的接受功能将声音信号通过过滤进行判断并转化成执行指令。机器人自动通过控制系统进行相应的操作,当机器人安装的亚超声模块中就会通过控制系统进行相应的操作,当传感器接收到外部的亚超声信号时就会自动模仿人类的听觉功能。为了使模拟时触发到单片机上的控制模块(用于亚超声信号的接收),特意设计了光电开关在开关模块上。为了保持位于单片机上的开关,控制开关所默认接收的信号为低电平新号。

2.4校正步伐系统

两个光电耦合器安装在机器人腿上的挡片之中,在机器人在步行测试中,光电耦合器的开启和关闭,由腿部的挡片循环往复控制。机器人的正常行走依托的是单片机校正步伐系统,该系统相应控制单元收到交替间歇的信号的时候,倘若控制系统收到的信号是叠加连续的,说明机器人前后的步伐出现了不协调,马上需通过步伐校正系统对机器人的行走进行校正操作。而导致机器人两只脚的行走脚步不相同的直接原因是:两只脚的一般转动速率不相同。机器人在实际运动之中出现前后左右协调步伐紊乱的现象,就只能借助借助校正步伐系统(主要是通过光电耦合器实现的)才能进行纠正。

三、智能机器人控制系统开发方案

机器人智能行走和各种感观功能,是靠单片机控制技术可以实现的。机器人在启动后要能够进行正常的行走运动,可以通过语音给机器人发出“搜索目标”类似的指令,作为相应的操作指令,“正在搜索目标中”这时的提示会出现在液晶显示屏幕上。朝着指定的目标进行移动时,系统会通过语言系统在当机器人找到指定目标时提示。机器人会在前进移动过程中发现障碍物体时,通过相应的视觉控制系统和红外测距系统。为了能改变路线,避让障碍物,测量障碍物体与机器人之间的相对位置,同时液晶显示屏上会出现对应的提示。碰到障碍物触发时,会激发语言系统操作,触觉系统会在机器人行走过程中触发,控制人员会收到相应的语音提示,系统会同时报告相应的情况;系统在前方路段出现特殊断层等情况时,发出相应的语音警告并且做出后退或停止的操作。为了保障机器人的正常走路,校正步伐系统会在机器人在行走过程中发生步伐错误时启动,纠正电机的不同步问题。

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四、蓝牙智能机器人方案设计示例

随着科学技术的发展,人类成功研制了许多现代化、高科技的机器设备,这些设备往往在某些方面具有不可比拟的优势以及强大的功能。但是,和自然界的生物比起来,在结构特点、运动特性、适应性、生存能力等方面却望尘莫及。这是因为自然界的生物经历了亿万年的适应、进化、发展过程,经受住了严酷的自然选择,这才使得生物体在这些方面得天独厚、巧夺天工,使其生物特性趋于完美。道法自然,通过向自然界学习来获取技术发明的灵感,采用仿生学原理,往往能够设计出运动特性更加灵活、结构特点更加合理的机器设备。

4.1智能昆虫机器人技术开发原理

由于地球上环境的恶化,自然灾害频繁发生,因此需要能够适应复杂、恶劣、危险环境的高度自动化装备来进行作业,保障相关人员的生命安全,提高救援效率与作业能力。而仿生学正是通过研究生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用,从自然界来获取设计研究的灵感,设计出同时兼具机器与生物共同优点的机器设备。这些机器设备在军事、救灾等方面有着诸多用途;譬如在军事行动中进行攻击、排雷等危险作业,在救灾时进入危险环境对人员进行搜救以及物资的运输等;另外,在人类进行太空探索、星球探测和深海探测等未知环境的探索时也发挥着不可替代的作用。

智能昆虫机器人的设计研究主要涉及到嵌入式、蓝牙通信、传感器、数字电子与模拟电子等技术。随着近年来电子技术与计算机技术等学科的飞速发展,嵌入式技术作为一门综合交叉性技术,也得到了长足的进步。嵌入式系统作为一种能够执行特定功能、软硬件可裁剪的应用型系统,能够适应应用系统对于功耗、成本、可靠性等方面的严格要求,所以在近年来取得了极大的发展。作为嵌入式系统的一种典型应用,目前普遍使用的移动端设备———智能手机也属于嵌入式设备的范畴。通过移动端嵌入式设备作为控制终端,对具有专用功能的嵌入式应用产品进行远程便捷控制,诞生了许多现代化产品,大大地方便了人们的生活与工作。

经过30多年的发展,嵌入式技术已经跨越了4个阶段:最初阶段嵌入式技术只是利用单个芯片为核心的可编程控制器所设计构建的系统;之后发展到包含有C P U以及简单的操作系统的新式嵌入式技术,进入了嵌入式技术发展的第2阶段;而第3阶段的标志则是成熟的嵌入式系统;目前正处于的第四阶段,其主要标志就是互联网技术的引入,是计算机、通信、微电子以及半导体等技术融合的结果。

蓝牙通信技术自1994年由爱立信首先提出后,由于其对于多设备连接的支持,解决了数据同步问题,因此得到了迅速的发展,目前管理机构B luetooth SIG(Bluetooth SpecialInterest Group,蓝牙技术联盟)已经发布了第5代版本“蓝牙5”。目前较为先进的蓝牙模块均采用了蓝牙低功耗技术(Bluetooth low energy,BLE),在实现更远距离传输的同时,降低了模块功耗。

另外,作为信息技术的三大支柱之一,传感器、计算机和通信技术一样都是现代信息技术发展程度的重要标志。传感器是获取信息的重要手段,能够将特定的被测物理量转换成可用的输出信号。传感技术随着现代科学的进步也得到了长足的发展,总的来说,传感器技术的发展经历了3个阶段:结构型传感器、固体传感器、智能传感器。由于其与现代科学关系密切,对各学科的进一步发展有巨大的促进与助力,许多发达国家把其当做一个时代的标志,而我国也在“十五”计划中将传感器列为重点科技研究发展项目之一。

与轮式机器人相比,昆虫机器人在非结构化、恶劣的地理环境中具有得天独厚的优势,可以到达常规轮式机器设备无法行动的地方进行作业。本文基于Arduino主控实现的智能昆虫机器人,集成了距离传感器、蓝牙通信、红外通信、信号灯、蜂鸣器和TTL串口语音模块,并通过主控芯片ATmega328的总体协调控制,解决了在实际作业中所遇到的自动避障、远程控制、集群交互通信、智能提示等问题,在面对复杂地形时拥有更强的适应能力和灵活性。

4.2智能昆虫机器人总体架构

根据智能昆虫机器人的主要功能需求,设计了如图1所示的硬件总体架构。

图 1 智能机器人硬件总体架构

其中,通过Risym HC-05无线蓝牙模块来实现蓝牙通信,该模块负责与手机控制端APP进行通信,接收APP发来的指令请求,转交给ATmega328微处理器执行。GP2Y0A21距离传感器实时监测机器人周边环境中障碍物信息,并将所获取的传感器数据发送给ATmega328微处理器进行处理。电源模块负责为机器人整体供电。串口调试模块负责与PC机连接进行固件的烧写以及相关调试工作。系统中共集成了3个微型伺服电机,为机器人行走提供动力。红外通信模块实现了收、发两部分功能,为机器人之间的协作通信提供支持。蜂鸣器模块用于机器人遇到障碍或者紧急状况时的警报提示。TTL串口语音模块用于向用户进行语音提示以及语音交互。信号灯模块对电源状态、蓝牙连接状态和数据传输状态进行提示。

五、智能机器人方案设计流程

5.1主控模块

主控模块的核心即ATmega328微控制器,系统时钟频率为16 MHz,正常工作电压为直流5 V,主控模块包含有4个数字输入口,4个模拟输入口,两个P WM口,1组UART端口,1组I2C端口,1个Micro USB接口,2组电源端口。

5.2硬件接口设计

(1)接口概述:为了实现机器人所需功能,硬件主控板集成的接口如表1所示。基于结构与功能模块设计,硬件主控板结构如图5所示。

表 1 智能机器人硬件接口列表

(2)ICSP接口:ICSP-in circuit serial programmable,在线串口编程,其本质是一种在线烧写程序的方式,主要功能是将用户代码编译并烧写到微处理器ROM中。

5.3通信协议

机器人与移动端之间的通信采用蓝牙通信,蓝牙协议的体系结构自下而上可分为3个部分:硬件层、协议层、应用层。其中,硬件层主要包括链路管理层(LM)、基带层(BB)和射频层(RF)。协议层包括逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)和电话通信协议(TCS)。

与常用的Socket套接字通信模式类似,Bluetooth Socket通信中由Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket分别充当客户端和服务器。首先由服务器端Bluetooth Server Socket对象创建一个Bluetooth Socket对象,调用Bluetooth Server Socket的accept()来获取,而客户端则通过调用Bluetooth Device的createRfcomm Socket To Service Record()来获取;在服务器启动服务之后,accept()进行阻塞,直到客户端connect()成功连接服务器,服务器将Bluetooth Socket对象返回给客户端,建立连接后,服务器和客户端的Bluetooth Socket对象能够获取到输入输出流,从而进行下一步的通信。

5.4机器人软件开发

根据蓝牙连接流程依次进行蓝牙的连接与通信测试。首先打开蓝牙,通过搜索设备搜索机器人中集成的蓝牙模块进行配对,配对成功之后通过CONNECT建立连接,连接建立之后即可通过控制按钮控制机器人行动。

昆虫机器人移动端控制测试结束后,对昆虫机器人进行了自动避障测试,测试结果证明机器人能够在多种不规则地形中行动,并在合理范围内对所遇障碍进行自动规避。另外,通过多个机器人之间的联合测试,验证了机器人之间进行红外集群通信的有效性,并利用特定机器人对智能语音提示与蜂鸣器警告功能进行了测试,结果证明了TTL串口语音模块的有效性。

六、智能机器人的历史与发展前景

智能机器人是一种具备一些与人或其他生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,具有高度灵活性的自动化机器。智能机器人相较于一般机器人而言,具有感知周围环境的能力,并且能对周围的环境进行分析,调整自己的行为来达到操作者的要求,甚至能够在信息不充分及环境迅速变化的情况下完成动作。智能机器人的应用场景随技术的不断发展而得到极大的扩展,在诸如工农业发展、社会服务、军事等各个领域,智能机器人都有着极大的发展空间和应用前景。

机器人技术的发展,是科学技术共同发展的结果,它的发展起源于第二次世界大战后,人员的匮乏以及人口老龄化的加剧,劳动力越来越紧缺,而传统的机器人离不开人的控制,这时人们对机器人的智能化需求不断提高,技术的发展使得机器人变得越来越趋向于智能化。

我们一般把机器人分为三代:第一代是“可编程机器人”;第二代是“感知机器人”;第三代就是智能机器人。20世纪80年代,人工智能的发展呈壮大之势,几年后艺术机器人AARON诞生,能够创作一些抽象派画作。随着人工智能的爆发,许多智能机器人也开始逐步诞生,像智能园丁、手术机器人这样的智能化机器人层出不穷。而现在智能机器人的发展仍未止步,我们也期待着更便捷的机器人的诞生。

按现在的趋势来看,智能机器人将会向更智能化的方向发展:能处理更多信息、能完成更复杂的指令、有着更人性化的人机界面、操作更为简单等。智能机器人从诞生至今,与我们日常生活的关系变得越来越密切,从商业到军事,再到医疗等领域,无一不存在智能机器人的身影,随着智能机器人的功能日益丰富,越来越多的岗位被智能机器人占据,部分岗位甚至不再需要人类,这时很多人开始担心自己的就业问题。

七、智能机器人的应用场景

7.1智能机器人在商业方面的应用

智能机器人在商业方面的应用最为普遍的就是扫地机器人,扫地机器人运用了信息融合技术和机器视觉技术,能够自动在房间内完成地板清理工作,从而完成地面清理。其通过自身雷达对房间布局进行测绘,并自动规划最佳清扫路线,在电量不足的情况下也能够自动回到充电处进行充电。

快递分拣也是智能机器人比较典型的应用领域,最近一些快递公司的全自动快递分拣机器人引起广泛关注。快递分拣机器人主要对长不超60cm,宽不超50cm,重量在5kg以下的小件包裹进行分拣。分拣员只需要将货物放置在分拣机器人上,剩下的由分拣机器人处理。分拣机器人能够自动对货物进行扫码、称重,并能根据货物的投送地点自动规划最佳的投送路径。

7.2智能机器人在军事方面的应用

智能军用机器人可在战场上更高效地执行各种各样的任务以及取代人类从事笨重或高危险作业。智能机器人在军事方面有着广泛的应用前景,因而受到世界各国的重视。“三防”侦查机器人在战场上可被用于对核沾染、化学染毒和生物污染进行侦测、识别、标记和取样。

智能机器人在军事方面用的比较多的是在无人机领域,北航研发的融合了更先进的飞控系统的天鹰无人机在侦查时能自动对目标进行搜索和跟踪;电子对抗时,只需要地面控制人员发送一条指令,天鹰无人机就能自动综合处理目标位置、自身人物设备性能以及自身飞行高度和速度等信息,自动生成最佳航线,并自动进入攻击状态或对抗状态,也具备了自动对目标进行打击的能力。

7.3智能机器人在医疗方面的应用

智能机器人在医疗方面可用于疾病诊断,如对医疗图像进行分析、对疾病的判断、通过对相似病例的比对提出治疗方案等。在诸如癌症治疗等这样信息复杂且规模巨大的医学领域,人类难以全面分析所有信息,因而误诊时有发生。全面分析各方面信息,从而减少误诊率,就是智能机器人疾病诊断的价值所在。据IBM称,沃森也许比此前任何一台机器处理信息更快速,提出诊疗建议更智能。沃森可以通过询问病人的病症、病史,通过使用人工智能技术等,综合从各渠道获取的信息,迅速给出诊断提示和治疗意见。沃森对病人的诊断甚至能比高资历医生更准确。

手术是救治病人的一类重要手段,而需要手术的病人多的时候,人类有限的体力、眼力和精力往往难以应付。手术机器人的诞生则大大减轻了人类的负担,高倍率的三维镜头让人看得更清楚,从而提高手术精度,利用机械臂可以使切出来的伤口更细小,主刀医生操控机械臂进行手术也避免了手术过程中流汗的麻烦,控制系统的智能减震也避免了因医生手抖而造成的误操作。

前几年出现的“达芬奇”手术机器人对葡萄皮进行缝合的画面让人们为手术机器人的精准而惊叹,它能将精准、不知疲倦的手术机器人势必会成为人类医疗领域的好帮手。

八、智能机器人的关键技术

8.1人机交互技术

人机交互就是通过计算机输入、输出设备,以有效的方式实现人与计算机对话的技术。随着计算机技术的发展,人与计算机之间的对话语言更加的多种多样,它可以是声音信号、动作信号,甚至是脑电波信号等。

传统的机器人只能够按照已经编好的程序指令执行动作,需要改变任务的话就需要对程序进行改动,甚至是重新编写一整套程序,而如今的智能机器人通过先进的人机交互技术已经可以做到随时修改任务指令,而且不需要对程序进行编写,只需要一句话或者一个动作就可以让机器人去执行另外的指令。与传统机器人相比较,智能机器人的交互方式更方便也更灵活。

人机交互的应用领域十分广泛,如应用于可穿戴式计算机的动作识别技术,应用于虚拟现实、遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术,应用于智能手机的智能语音输入技术等。

8.2信息融合技术

信息融合就是指利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合处理,以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。综合处理各种各样的信息是智能机器人的价值之一,当智能机器人收集到如气压、温度、湿度等多种信息后,需要解决信息冗余的问题,就必须进行信息融合。

在军事领域上,飞机的飞行受风速、风向、海拔等因素的影响,我们需要综合考虑这一系列信息从而做出决策,这时就会使用到信息融合技术。如上文说到的天鹰无人机对自身任务设备、目标位置、飞行高度及速度等信息的综合处理,就是将这一系列参数进行信息融合,自动生成最佳航线便是对信息融合后的决策。

8.3机器视觉技术

机器需要感知外界环境,最重要的就是通过机器视觉技术获取外界信息。机器视觉是指把视觉信息作为输入,并对信息进行处理,进而提取出有用的信息提供给机器。

机器视觉系统在现代化自动生产过程中广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。如在医疗图像分析上,通过机器视觉技术,医疗系统可以将图像信息转化为数字化信号,从而能进行对图像的血细胞分类计数、染色体状况分析等操作;在金属探伤方面,通过机器视觉技术,对金属内部状况进行分析。

一些涉及不适宜人类工作的环境或人类视觉的精度不足以满足要求的领域,常常会用到机器视觉,类似于金属板表面自动控伤系统、汽车车身检测系统、智能交通管理系统、汽车生产流水线检测系统等与机器视觉技术密切相关。

结语

本文就智能昆虫机器人的工作原理与相关技术进行了研究分析,并深入探究了该类型机器人在实际应用中所具有的优势与具体适用场景。基于以上研究分析,对昆虫机器人的总体架构、核心模块、系统实现提出了具体的解决方案,可以实现自动避障、远程控制、集群通信交互、智能提示等功能,并通过在实际运行环境中测试进行了验证。

另外,单片机技术技术广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域,是自动控制技术的核心之一。机器人运动变得更为协调了,结构设计制造变得更为简化了,因为单片机技术在机器人控制系统中的广泛应用所以提高了机器人的稳定性。当前,我国机器人控制系统中对单片机技术的运用还处在起步阶段,智能机器人的发展也将随着单片机控制技术的不断发展和完善实现质的飞跃。

智能机器人的发展对传统行业造成了不小的冲击,却也催生出了类似于“机器人助手”新的职业,就像是在工业革命中诞生的传统机械替代了手工,却也带来了新的职业一样。人类的工作将会由简单重复的工作过渡到更有创造性的工作上,智能机器人的普及是无法避免的,我们只能不断提高自己的综合素质来避免自己被替代。