機器人控制技術(shù)論文(2)
機器人控制技術(shù)論文
機器人控制技術(shù)論文篇二
智能控制在機器人技術(shù)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(shù)的進步而不斷深人發(fā)展。計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、新材料和MEMS技術(shù)的發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化發(fā)展趨勢凸顯出來。本文主要探討智能控制在機器人技術(shù)中的應用。
關(guān)鍵詞：智能控制 機器人 技術(shù)
1、引言
工業(yè)機器人是一個復雜的非線性、強耦合、多變量的動態(tài)系統(tǒng)，運行時常具有不確定性，而用現(xiàn)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(shù)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(xiàn)為解決機器人控制中存在的一些問題提供了新的途徑。由于智能控制具有整體優(yōu)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(lián)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，行為主義學派一直占統(tǒng)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(shù)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(tǒng)，即專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)用規(guī)則或語義網(wǎng)來表示知識規(guī)則。但人類的某些知識并不能用顯式規(guī)則來描述，因此，專家系統(tǒng)曾一度陷人困境。近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得一定突破，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，對于智能裝配機器人而言，要求它通過視覺系統(tǒng)獲取圖紙上的裝配信息，通過分析，發(fā)現(xiàn)并找到所需工件，按正確的裝配順序把工件一一裝配上。因此，智能機器人需要具備知識的表達與獲取技術(shù)，要為裝配做出規(guī)劃。同時，在發(fā)現(xiàn)和尋找工件時需要利用模式識別技術(shù)，找到圖樣上的工件。裝配是一個復雜的工藝，它可能要采用力與位置的混合控制技術(shù)，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(gòu)學問題。智能機器人涉及的面廣，技術(shù)要求高，是高新技術(shù)的綜合體。那么，到底什么是智能機器人呢?到目前為止，國際上對智能機器人仍沒有統(tǒng)一的定義。一般認為，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(fā)現(xiàn)、認識和描述外部環(huán)境和自身狀態(tài)的能力。如裝配作業(yè)，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(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，認識瘴礙物并實現(xiàn)避障移動。這些都依賴于智能機器人的感覺系統(tǒng)，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(jù)設(shè)計要求，為一個復雜機器找到零件的裝配辦法及順序，指揮執(zhí)行機構(gòu)，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(yè)的機構(gòu)和驅(qū)動裝置。因此，智能機器人是一個復雜的軟件、硬件的綜合體。雖然對智能機器人沒有統(tǒng)一的定義，但通過對具體智能機器人的考察，還是有一個感性認識的。
3、智能機器人的體系結(jié)構(gòu)
智能機器人的體系結(jié)構(gòu)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩
個方面。由于智能機器人的使用目的不同，硬件系統(tǒng)的構(gòu)成也不盡相同。結(jié)構(gòu)是以人為原型設(shè)計的。系統(tǒng)主要包括視覺系統(tǒng)、行走機構(gòu)、機械手、控制系統(tǒng)和人機接口。如圖1所示：
2.1視覺系統(tǒng)
智能機器人利用人工視覺系統(tǒng)來模擬人的眼睛。視覺系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tài)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(zhì)量輕，因此得到廣泛的應用。視覺傳感器得到的電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即數(shù)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。但至今還沒有一種簡單實用的裝置。數(shù)字圖像經(jīng)過處理，提取特征，然后由圖像理解部分識別外界的景物。
2.2行走機構(gòu)
智能機器人的行走機構(gòu)有輪式、履帶式或爬行式以及類人型的兩足式。目前大多數(shù)智能機器人.采用輪式、履帶式或爬行式行走機構(gòu)，實現(xiàn)起來簡單方便。1987年開始出現(xiàn)兩足機器人，隨后相繼研制了四足、六足機器人。讓機器人像人類一樣行走，是科學家一直追求的夢想。
2.3機械手
智能機器人可以借用工業(yè)機器人的機械手結(jié)構(gòu)。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(chǎn)生柔軟、.靈活、可靠的動作，完成復雜作業(yè)。
2.4控制系統(tǒng)
智能機器人多傳感器信息的融合、運動規(guī)劃、環(huán)境建模、智能推理等需要大量的內(nèi)存和高速、實時處理能力?，F(xiàn)在的馮?諾曼結(jié)構(gòu)作為智能機器人的控制器仍然力不從心。隨著光子計算機和并行處理結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，智能機器人的處理能力會更高。機器人會出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)接日、話筒、揚聲器、語音合成和識別系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)接n，人可以通過網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)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(guī)劃，問題求解，運動學與動力學計算等單元技術(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復雜。智能機器人是一個多CPU的復雜系統(tǒng)，它必然是分成若干模塊或分層遞階結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，功能如何分解、時間關(guān)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(tǒng)智能能力的關(guān)鍵問題。同時為了保證智能系統(tǒng)的擴展，便于技術(shù)的更新，要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有一定開放性，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(jié)構(gòu)本身變成了一個要研究解決的復雜問題。智能機器人的體系結(jié)構(gòu)是定義一個智能機器人系統(tǒng)各部分之間相互關(guān)系和功能分配，確定一個智能機器人或多個智能機器人系統(tǒng)的信息流通關(guān)系和邏輯上的計算結(jié)構(gòu)。對于一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(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，它不包括這個機器人的機械結(jié)構(gòu)內(nèi)容。事實上，任何一個機器人都有自己的體系結(jié)構(gòu)。目前，大多數(shù)工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)為兩層結(jié)構(gòu)，上層負責運動學計算和人機交互，下層負責對各個關(guān)節(jié)進行伺服控制。
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