机器人及其控制技术简述

孙上;胡鹏飞

【期刊名称】《金属世界》 【年(卷),期】2017(000)006 【总页数】6页(P14-18,31) 【作 者】孙上;胡鹏飞

【作者单位】锦州市慧泉高级中学,辽宁锦州 210700;北京科技大学自动化学院,北京 100083 【正文语种】中 文 内容导读

作为人工智能领域的关键挑战——机器人在生产生活各个方面的地位都愈加重要。文章介绍了机器人的多种定义，对机器人的分类进行了梳理。在此基础上，简述了机器人控制系统，并重点介绍了机器人视觉定位导航的实现方法。同时，结合我国机器人领域发展现状，文章对机器人今后发展方向进行了分析和展望。

各种各样的机器人会出现在动画里、电影里。《变形金刚》里的擎天柱善良、亲和、正直、博爱、帅气逼人、顾全大局；《星球大战》里的R2-D2(见图1)虽然看起来不过是一个会走路的垃圾桶，但它的真实身份却是了不起的太空船技工和电脑专家。也许在人们的认知里，既然称之为“机器人”，那么就一定有着类似人的外表，其实不然。那么到底什么是机器人，机器人如何工作，机器人现在发展现状又如何。本文将为大家做一个详细的介绍。

图1 《星球大战》中的机器人R2-D2 机器人定义及其分类 机器人“三原则”

1940年，美国著名科幻作家“机器人学之父”阿西莫夫提出了关于机器人的“三原则”：(1)机器人不应该伤害人类；(2)机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的除外；(3)机器人应能保护自己，与第一条相抵触的除外。

从阿西莫夫“三原则”看来，机器人不能伤害人类而应服务于人类，是定义机器人最重要的一个条件。

我国科学家对机器人的定义是：一种具备一些与人或其他生物相似智能能力的机器，例如感知能力、规划能力、动作能力和协调能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 机器人分类

目前机器人根据其用途的不同大致可以分为民用和军用两个类别，不同的机器人有着不同的用途以及工作场合。 ◆ 民用机器人

我们最常见也最熟悉的就是民用机器人。在民用机器人中，绝大多数都是工业机器人，它们广泛应用于生产制造领域中，可以说是机器人家族中的“老大哥”。现在工业机器人主要应用于以重工业为首的各种行业，例如工程机械、汽车制造工业、建筑业等；轻工业也有涉及，例如电子电器行业。图2为工业机器人在汽车生产中的应用。

图2 工业机器人用于汽车的装配生产

在工业应用中，机器人的用途主要有四个方面，即零件制造、材料加工、产品检验和装配。按照应用的方面大致可以分为焊接机器人、码垛机器人、装配机器人等几个大类。焊接机器人就是执行焊接任务的机器人，使用时在机器人的“长臂”末轴

安装用于焊接的焊钳或焊枪，使机器人在完成按照预先设定的动作时能够像人一样进行焊接、切割等机械加工操作，如图3所示。码垛机器人是将已经封装完毕的物体，按一定顺序码放在平面上，机器人可以进行自动堆码，然后推出，便于叉车运送，如图4所示。

民用机器人另外一个重要的应用领域即服务机器人，例如家庭服务机器人。作为“家中保姆”，家用机器人能够承担很多家务活，如清扫、洗刷、煮饭等，虽然目前它的推广应用受限于昂贵的价格，不过随着将来家用机器人造价的逐渐降低，它将真正做到“飞入寻常百姓家”。 图3 焊接机器人 图4 码垛机器人

就目前而言，普及最广的还是扫地机器人和清洁机器人。常见的扫地机器机身以圆盘型为主，采用无线操作，四周配有传感器，可检测周围障碍物，如碰到墙壁、桌椅或者其他障碍物，会自行转弯，选用其他路线进行打扫，市面上的扫地机器人一般都具有规划清扫地区、预约打扫、紫外杀菌、自行充电等功能，如图5所示。其他家用清洁机器人可广泛用于擦窗、厨具清洁等方面，操作简单、使用便捷、功能繁多，现今已经逐渐得到普及，成为现代家庭生活中的常用家电用品，如图6所示。

图5 扫地机器人

图6 家用清洁机器人洗碗

另外，竞技机器人同样有着很广泛的应用。在人形机器人方面，有NAO机器人以及其他主要由舵机构成的机器人，如图7所示；在仿生机器人方面，有仿蜘蛛的六足机器人等，如图8所示；从广义上来讲，循迹智能车等也属于机器人，如图9所示。 ◆ 军用机器人

机器人还有另一个大的应用方面——军用机器人。军用机器人在我们平常生活中接触相对较少，但其在军队建设、国防建设中扮演的角色越来越重要，成为各国军事发展中不容忽视的力量，广泛应用于工程保障、观测检测、指挥控制等。目前大致可以分为军事无人机、空间机器人等。 图7 机器人NAO正在进行足球比赛 图8 六足仿生机器人 图9 飞思卡尔智能车

军用无人机与其他军事飞行器，如战斗机、轰炸机等相比，有着独特的优势，其中最突出的一点便是无人员伤亡，此外还具有隐蔽性好、限制少、效率高等特点，已经成为现代空中军事力量中的一员，在现代战争中尤其是在近期的历次局部战争中的地位日渐突出，如图10为我国“翼龙”无人机。空间机器人作为一种不可或缺的特种机器人，主要作用是代替宇航员出舱，从而大幅降低成本以及人员风险，其在太空科学试验、出舱操作、空间探测等活动中都起到了至关重要的作用，如图11。

图10 我国“翼龙”无人机 图11 国际空间站的空间机器人 机器人控制技术简述 控制系统简述

这么多形形色色的机器人是如何自主工作的呢？机器人之所以可以自主工作，主要由两方面来确定，一是机构本体，二是控制系统。其中控制系统是影响机器人性能的关键，构成控制系统的要素有控制机构、驱动机构、检测机构。

控制机构有两种方式，一种是集中式控制，另一种是分散式控制。前者只有一台计算机，所以机器人的全部控制都由它去处理；后者与之相反，是将机器人的控制任务交给两台或者更多台计算机来分担，一般较为简单的机器人控制采用上下两级微

机，也就是主–从机，上级计算机(主机)常用于机器人整体系统的管理，包括系统内各机构之间的通信等，主机往往需要经过复杂计算以及将收到的信息与预先的设定进行对比，并根据结果等信息将对应的指令发送到从机，从机接受指令，按照指令进行对应的控制处理，实现既定运动。

驱动机构就是驱使机器人各关节等执行机构运动的机构，它的主要作用就是按照控制机构发出的电信号，使机器人进行相应的动作。一般情况下它接收电信号，输出线位移量或者角位移量。机器人使用的动力元件主要为电力驱动装置，如步进电机等，此外常见的还有液压泵、气泵等驱动装置。

检测机构的作用就是随时随地检测机器人本身的运动状态并实时反馈给控制机构。检测机构采用各种传感器构成，主要用于采集两类信息：内部信息和外部信息。前者对应的传感器用于检测机器人的自身状况，如某一点在某一时刻的姿态、位移等等，并将所测得的这些信息进行反馈，以便控制机构进行后续处理；后者对应的传感器用于帮助机器人感知周围环境，获取外界信息，使机器人根据探测到的周围环境做出与之适应的动作，实现“自动化”。 移动机器人定位导航

以移动机器人的定位导航为例，简单描述各个部分的配合工作。从检测机构来讲，用于定位以及导航的传感器有视觉传感器、激光雷达、毫米波雷达、红外测距、超声波测距等，每一种传感器都有其缺点和独特的优点，根据性能、造价成本等用于不同的场合。超声波和红外测距传感器一方面测量精度有限，另一方面容易受到其他干扰，所以一般只在检测普通障碍物时用到。毫米波雷达空间分辨率高，具有较强的穿透雾、烟和灰尘的能力，所以目前主要用于无人驾驶或辅助驾驶的防撞报警。移动机器人实现定位导航的最常用传感器是视觉传感器和激光雷达。这里选取视觉导航定位简单介绍。目前国内外应用较多的是在机器人中安装车载摄像机，也被称作基于局部视觉的导航方式。这种导航方式中，图像识别、路径规划等高层决策都

由装在机器人车体上的控制机构——车载计算机完成。视觉导航定位系统的工作原理简单说来就是利用摄像头或者CCD等传感器，对图像进行信息采集、压缩编码，然后将采集到的机器人周围环境信息反馈到一个已经搭建好的模型中，在模型中将机器人的位置融合到根据采集到的图像信息构建的地图里，从而实现机器人的定位与导航，如图12所示。其中进行图像采集的摄像头等属于检测机构，进行路径规划的学习系统等属于控制机构，而控制机构的“命令”得以实现则需要通过驱动机构来具体实施。

图12 视觉导航机器人工作流程 机器人未来展望 机器人发展趋势

结合最近几十年，尤其是进入新世纪以来机器人技术的发展趋势来看，机器人的智能化、拟人化必将越来越明显。从最近数年世界范围内生产研制的机器人产品来看，机器人技术发展的特征越来越明朗，主要有以下几个发展趋势：

(1) 机器人更加智能化，其中一个很重要的方面就是传感器的变革，不再局限于采集单一物理量的传统传感器，视觉触觉等新型传感器的应用和融合技术推广已经成为常态。

(2) 机器人更加模块化、一体化。例如将传统的驱动机构、检测机构、执行机构“打包”，实现“三位一体”；机器人的控制箱也采用集成结构，实现了体积不断缩小同时可靠性大大提高。

(3) 产品性能在不断提高，不论从稳定性、准确性还是速度上都有了明显提升，与此相对的是价格不断下降。

(4) 机器人定义涵盖的范围不断转移扩大，内涵和外延都在不断延伸，由传统的单一动作机器人向实现特定功能的智能化系统发展。 我国机器人发展现状及目标

我国在机器人方面的发展如何呢？我国从19世纪70年代后期，也就是改革开放之后才开始着力研制工业机器人，在“863计划”等项目的支持下，经过40多年的努力，目前已经取得了显著的成绩，各类机器人生产蓬勃展开，应用上遍及各行各业，尤其在工业机器人方面，市场已经成熟，接近或者达到了世界一流水平。虽然我国在某些关键技术上有所突破，但必须实事求是地承认与机器人强国还有一定差距，目前的技术相当于欧美、日本这些机器人技术产业发达国家19世纪90年代甚至是70—80年代的水平，集中体现在缺乏整体核心技术，尤其缺乏核心制造工艺与装备，许多高精尖的关键部件依然依赖进口。全国机器人产量很大，但具有中国完全知识产权的高端机器人所占比例较少。

我国机器人技术主题发展的战略目标是根据我国国民经济对自动化技术尤其是智能技术和先进制造的需求，围绕制造业信息化工程的关键技术装备以及国际前沿高技术发展方向，创新性地开展研究。

我国作为全球重要的汽车制造等重工业生产基地，工业机器人需求旺盛，具有稳定发展的市场，可以预见随着我国社会、经济的不断发展，国内机器人的市场需求量将会呈现井喷式增长。但，目前在国内工业机器人市场占据绝大多数份额的还是国外工业机器人企业，因此国内的工业机器人企业面临着巨大的竞争压力，一方面来自国外已经具备成熟技术的企业，另一方面来自国内快速发展的同类型企业。随着“中国制造2025”的提出，我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业走上了自主创新的快车道，但也必须清晰地认识到机遇与挑战并存，快速发展的同时也面临着巨大挑战，“站起来”、“走出去”意味着和国际接轨、参与国际分工，除了市场、企业的不断创新，政府也势必会从资金、政策多方面加大对该领域的投入和支持，不断注入新的发展活力。 结束语

机器人的发展取得了长足进步，在人工智能的浪潮中仍然具有十分广阔的前景。近

年来，机器人的发展呈现智能化、系统化，在语音交流、逻辑思辨能力等方面不断取得重大突破。如果说机器人的产生是人类科学技术发展的必然，那么在经历了萌芽、发展、成长这些阶段后，相信机器人的未来将更加光明。 摄影 刘鸿洲 参考文献

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