作者：郭瑞军 李璐晨 关萌
来源：《工业技术创新》2017年第02期
摘 要：智能型服务机器人是市场需求与科技进步的产物，它能够为人们的生活提供极大便利。分析了智能型服务机器人运作环节中的四大关键技术—传感器、智能控制、导航定位和路径规划。以多功能清洁机器人和医疗型服务机器人的应用为例，对各自的设计特点进行了阐述。
关键词：智能型服务机器人；传感器；智能控制；导航定位；路径规划
中图分类号： TP242.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-8412 （2017） 02-136-03
工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.02.037
引言
与已经比较成熟的传统工业机器人相比，我国的智能型服务机器人研制工作起步不算晩。在2000年后，国家就出台了引领智能产业发展的战略。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中对智能型服务机器人给予了明确定义——非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备，并且将其列为未来15年重点发展的前沿技术[1]。
本文首先以智能型服务机器人为切入点，通过对传感器、智能控制、定位服务以及路径规划环节的分析，讨论关键技术点及其技术措施。之后，分别以多功能清洁机器人和医疗型服务机器人为研究对象，讨论不同功能下智能型服务机器人的工作系统组成，为其进一步发展提供可参考的资料。
1 智能型服务机器人的关键技术
智能型服务机器人在工作过程中面对的难点是：对工作环境做出判断、把握正确的数据处理方法、将处理结果反映到实际操作上。针对上述难点，智能型服务机器人的关键技术主要体现为四大环节：传感器、智能控制、导航定位和路径规划。
1.1 传感器
同一般机器人相比，智能型服务机器人对周边环境的辨别要求较高，因此环境感知处理器和信号接收器是传感器的两大关键元件。目前能够运用到的传感器设备有：红外线传感器、力传感器、超声波传感器等。不同功能的传感器相互配合，使得智能型服务机器人获得的外部环境信息更加全面，从而为之后的动作操控提供准确信息。
1.2 智能控制
在接受到足够的外部环境信息后，智能型服务机器人接下来需根据这些信息做好内部控制。目前机器人智能控制技术主要有三种——神经网络、模糊控制及优化计算。以神经网络技术为例，它是基于人和生物活动的基本性而研究的，其技术核心就是信息的处理和演算。再如模糊控制，则是根据逻辑推理得出的一套数字控制技术[2]。
1.3 导航定位
智能型服务机器人系统中，自主导航是一项非常重要的技术，因为随着科学技术的发展，智能型服务机器人的一些操作需要脱离人为控制，那么自主导航就是其实现前提。目前，相关技术人员主要是基于传感器融合技术与神经网络控制技术构建具体的智能型服务机器人导航定位系统，如图1所示。
1.4 路径规划
智能型服务机器人在实际工作过程中不免遇到突发状况，特别是计划之外的阻碍物，这时路径规划的重要性得以体现。路径规划方法大致可分为传统方法与智能方法。前者主要根据自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法对机器人工作路径做出判断，但是不具备最优选择功能，以及对突发状况的改变功能。后者是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中，提高机器人避障精度，加快规划速度，满足实际应用需要[3]。
2 智能型服务机器人的主要应用
通过上述分析可了解到我国智能型服务机器人的发展现状，以及在设计过程中涉及的关键技术。然而，根据智能型服务机器人种类的不同，其关键设计侧重点也不同。下面以多功能清洁机器人和医疗型服务机器人的应用为例，对各自的设计特点展开讨论。
2.1 多功能清洁机器人
清洁型机器人的关键是控制系统的设计，而控制系统包括运动控制系统和感知系统。运动控制系统是闭环控制系统，可确保机器人的运动是可控的；感知系统用于检测清洁机器人周边的障碍物，将相关信息上传给机器人，完成对垃圾清扫任务。
2.1.1 运动控制系统
清洁机器人的能量消耗主要有两方面：首先是功能模块，其次是控制系统及电机驱动电路。清洁机器人若要具有自主实现工作的能力，必须具备一个可靠电源，使得系统在各种环境中稳定工作，其中电源电路设计犹为重要。调查得知，12.6 V/6 900 mAh可充电聚合物锂电池是运用比较广泛的电能提供源，其结构示意图如图2所示。
2.1.2 信息采集模块
清洁机器人属于移动型机器人的范畴，故其采用的传感器可分为两大类：内部状态感知传感器和外部状态感知传感器。前者又可细分为：加速度传感器、速度传感器、编码器等，后者则包括：红外测距传感器、视觉传感器、超声波传感器、激光扫描仪等。如前文所述，现有移动机器人一般都是采取多传感器融合的方式进行周边环境的感知。考虑到各种传感器的优缺点，同时考虑到清洁机器人需在避障的基础上完成吸尘和拖地任务[4]，因此信息采集模块采用红外测距传感器和光电编码器。
红外测距传感器遇到不同距离的障碍物时，红外信号反射强度也不同。基于这一原理进行障碍物距离的检测，其优点在于方向性好、探测角度小、测量精度高。在清洁机器人设计过程中，系统较多采用GP2Y0A21红外测距传感器，如图3所示。该传感器具有探测距离远、精度高、体积小、安装方便等优点。其额定电压为5 V，额定电流为30 mA，结构尺寸为29.5 mm×13 mm×13.5 mm，检测距离为10～80 cm，系模拟量输出，便于实时计算障碍物与机器人之间的距离。
光电编码器的主要作用是检测移动型机器人的速度和位置，安装在行走电机的轴上。其中使用的DSP2812芯片的一大亮点是拥有EVA、EVB事件管理器，且提供了编码器的接口。然而，DSP提供给I/O接口的工作电压为3.3 V，而光电编码器输出电压为5 V，如果将5 V信号直接接在I/O接口上，则可能会损坏芯片。此时，可以通过电源芯片XL1410进行电流转换，利用光电编码器返回的信号测得电机转速。对于无法获得电机转向的问题，需要在编码器中增加一组发光与接收装置，确保两对发光和接收装置错开光栅节距的1/4，此时两组脉冲序列相位A和B相差90°，正转时A相超前B相，反转时反之，如此即可解决。
2.2 医疗型服务机器人
与一般的医疗临床机器人相比，服务机器人在医疗方面的主要作用是帮助患者进行恢复及保养，所以首先要明确其设计要求，其后才是其应用。
首先是安全性要求。医疗型服务机器人实现的是人与机器的实时协调运作，并且服务对象多为病人，而病人存在不同程度的运动功能障碍，如肌肉控制力不足导致的身体平衡性和协调性变差、关节僵硬导致的活动范围不足等。因此，在产品研发设计中，安全性是必需的前提。在整体结构设计时，各个零部件在保证足够强度的前提下，应尽量选取轻质材料；机器人设备与患者患肢的链接位置应在保证安全性和稳定性的前提下，具备一定的可调性和训练舒适性，比如在康复训练中，需符合患者生理特点，防止训练过程中过量或异常的训练模式导致患者二次损伤。在控制系统设计中，则应根据实际运行情况，进行人机系统的实时控制与反馈，提高系统的自适应能力。此外，多重安全保护器件也是必不可少的[5]。
以康复型服务机器人为例，它在脚踏机构的设计方面最为重要。脚踏机构是患者患肢与康复型机器人的连接部位，因此其设计在满足人体足部与机器人稳定连接的前提下，还要为使用者提供康复训练的舒适性。该机构通过脚踏轴与导轨滑块连接，实现椭圆形轨迹运动。此外，机构可绕脚踏轴旋转，使得人体踝关节在人体矢状面内转动。在患者使用下肢康复机器人时，通过脚踏机构的捆绑装置固定人体小腿下部和人体脚背，可实现足部的连接固定。在人体下肢与机器人的接触部位安装缓冲材料，可满足人体使用过程中足部的舒适性。最后，在脚踏板上安装力传感器，可实现康复训练的过程中对足部底力的实时反馈监测。
3 结语
随着科技水平发展愈发迅速，智能型服务机器人的需求与出现是必然的。随着智能型服务机器人领域的日益革新，人们在生活或工作中面对的复杂、重复的问题必然会在机器人的协助下得以减轻。所以，应继续加强智能型服务机器人的重视程度，不断改善技术条件，使其为人类做出更多的贡献。
参考文献
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