淺論電氣工程及自動(dòng)化在機(jī)器人方面的應(yīng)用

摘? 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技進(jìn)步，機(jī)器人在我們的日常生活中應(yīng)用越來越廣泛。不只是出現(xiàn)在工廠和實(shí)驗(yàn)室中，也出現(xiàn)在我們的身邊。如有些飯店使用機(jī)器人代替人作為向客人提供服務(wù)，商場(chǎng)中機(jī)器人被用于導(dǎo)引顧客等等。在機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展過程中，電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)通過改變機(jī)器人的硬件及運(yùn)算程序，使機(jī)器人具備更強(qiáng)的能力，從而使得其用途更加廣泛。

關(guān)鍵詞：電氣工程;自動(dòng)化;機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，需要綜合各方面的知識(shí)，如機(jī)械、電氣、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等等都有比較重要的應(yīng)用。機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)器人的執(zhí)行部分，必須具有良好的強(qiáng)度和剛度使之能夠適應(yīng)所要工作的環(huán)境，可以承擔(dān)所需的載荷。機(jī)器人涉及到的電氣工程及其自動(dòng)化有關(guān)知識(shí)主要涉及到下面幾方面的內(nèi)容，包括自動(dòng)控制功能所需的集成電路以及配套的傳感器、供電電路等電子元器件的組合。即便是計(jì)算機(jī)編程軟件，也要基于電氣元件來實(shí)現(xiàn)。因此除了機(jī)械構(gòu)件外，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)涵蓋了機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵性技術(shù)。

1 目前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，使用機(jī)器人可以大大提高生產(chǎn)效率。雖然該類機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十年時(shí)間，但技術(shù)一直在不斷進(jìn)步，尤其隨著智能+的AI時(shí)代來臨，目前的工業(yè)機(jī)器人多采用高精度的伺服機(jī)構(gòu)，如伺服電機(jī)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，提高操作精度。配合各種傳感器可以進(jìn)一步改善操作穩(wěn)定性。

在飛行機(jī)器人方面，隨著電池容量和嵌入式芯片性能的提升，以無人機(jī)為代表的飛行機(jī)器人具有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，除了完成航拍、在指定位置起降、運(yùn)輸物資等基本功能外，還能夠通過復(fù)雜的控制算法與其他無人機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)同編隊(duì)，共同完成復(fù)雜的任務(wù)。

在類人機(jī)器人方面，之前無法取得重大突破的一個(gè)重要原因是硬件的處理能力有限，而人類從事的工作往往是相當(dāng)復(fù)雜的，需要大量經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的積累儲(chǔ)備，并對(duì)于快速變化的情況做出迅速反應(yīng)，還可以在不斷地練習(xí)和經(jīng)歷中學(xué)習(xí)，進(jìn)一步優(yōu)化技能。因此目前已比較成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)可以為類人機(jī)器人提供算法支撐，從而使得這種機(jī)器人逐漸成為現(xiàn)實(shí)。目前有些商場(chǎng)已經(jīng)采用這種機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航，有些飯店也使用機(jī)器人作為服務(wù)員，可以通過語音和接觸與機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)問路、點(diǎn)菜等較為復(fù)雜的功能。

2 機(jī)器人上常用的電氣技術(shù)

2.1 機(jī)器人的感知能力

機(jī)器人的一個(gè)重要功能是其能夠感知外界環(huán)境中的信息并做出相應(yīng)的決策，這是電氣技術(shù)在機(jī)器人上的一個(gè)重要體現(xiàn)，這里我們從兩個(gè)比較常見的“感覺”入手對(duì)機(jī)器人的感知能力，包括機(jī)器人的“觸覺”和“聽覺”。

觸覺是生物感知外界環(huán)境的一種復(fù)雜的感覺，可以感受目標(biāo)的溫度、壓力等多種相關(guān)物理量。相關(guān)研究人員提出了一種“柔性”觸覺傳感器的概念，使得傳感器具有一種類似于皮膚的特性，提高傳感器對(duì)表面比較復(fù)雜的物體的感知能力。美國(guó)MSI公司最早對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究，并廣泛應(yīng)用于類人機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研制中。伊利諾伊大學(xué)的研究學(xué)者后來也開發(fā)出了一種基于聚肽亞胺和金屬薄膜的柔性觸覺傳感器，聚肽亞胺對(duì)于外界物體具有良好的貼附能力，提高了觸覺傳感器的性能。隨后，NASA甚至開發(fā)出了一種非接觸式的柔性皮膚，能夠適應(yīng)更加惡劣的使用環(huán)境。在觸覺傳感器的設(shè)計(jì)中，敏感材料的選擇是一個(gè)相當(dāng)重要的因素。這種柔性傳感器早期使用的材料為對(duì)聚偏二氟乙烯，這種材料相比普通的金屬薄膜具有良好的柔性和韌性。后來又有學(xué)者改用聚二甲基硅氧烷，傳感器的使用壽命得到進(jìn)一步提高。除了材料的改進(jìn)外，還可以在一個(gè)觸覺傳感器上集成眾多傳感器單元形成陣列，通過擴(kuò)大規(guī)模的方法來提高精度。

機(jī)器人具有的聽覺可以理解為機(jī)器人接收到外界的聲音信號(hào)后，具有一定的信號(hào)處理能力，可以提取聲音信號(hào)中所包含的信息，篩除掉無用的噪聲信號(hào)，并依據(jù)該信息做出一定的決策。實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中，先對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，再根據(jù)已有的語音庫(kù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而確定聲音種類。如果是人聲還可以提取其中的語義，如果是物體的聲音可以判斷發(fā)出聲音的物體種類及其性質(zhì)。當(dāng)然也可以通過聲音判斷物體的位置，這些都取決于機(jī)器人所規(guī)定的功能。

2.2 多傳感器信息融合技術(shù)

從前的機(jī)器人一般只會(huì)采用一種或簡(jiǎn)單幾種傳感器，且采集的信息往往是較為簡(jiǎn)單的物理量，包括位移、力、加速度等等。但隨著科技的發(fā)展以及功能要求的不斷提高，這些簡(jiǎn)單傳感器已經(jīng)無法滿足實(shí)際使用，還需要更高級(jí)的傳感器。如視覺傳感器、氣味傳感器等等。當(dāng)然，傳感器的簡(jiǎn)單組合不能實(shí)現(xiàn)所需的功能，還需要高效的信息融合算法。將分散的傳感器信息進(jìn)行整合，得到環(huán)境特性的全面展示。這些信息不僅可以提供給人使用，也能夠用于機(jī)器人的自動(dòng)控制。如在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位方面，一般采用自帶傳感器與GPS定位相結(jié)合的方式，以自帶傳感器為主，GPS信息用于地理信息的修正。這樣的配置主要是考慮到GPS通訊在室內(nèi)或封閉條件下不夠準(zhǔn)確，誤差較大，無法實(shí)現(xiàn)精確定位的問題。而在空曠環(huán)境中，GPS的精度要高于自帶的傳感器。高性能移動(dòng)機(jī)器人的自帶傳感器一般采用超聲波傳感器以及高精度的光纖陀螺，超聲波傳感器用于探測(cè)周圍的障礙物和目標(biāo)情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的提前判斷與預(yù)測(cè)。光纖陀螺用于目前位置的確定，提供位置信息。通過信息融合可以有效地提高位置信息的準(zhǔn)確性。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的前提是搭建一個(gè)優(yōu)秀的信息處理平臺(tái)，常見的是加強(qiáng)版的嵌入式DSP芯片。如德國(guó)Vision Component公司研發(fā)的VSCBC4018圖像處理芯片，具有400MHz的工作頻率，能夠?qū)崟r(shí)處理攝像頭經(jīng)I/O傳輸?shù)膱D像信息，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤、人臉識(shí)別等復(fù)雜功能。

過去由于算法不夠成熟以及處理器處理能力有限，實(shí)現(xiàn)信息融合需要多種算法的共同參與，如模糊算法、小波變換等，但現(xiàn)在只需要深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法就可以實(shí)現(xiàn)。多層神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先通過無監(jiān)督學(xué)習(xí)提高對(duì)于對(duì)象的泛化能力，迅速捕捉目標(biāo)的重要特征，再通過監(jiān)督學(xué)習(xí)對(duì)特征進(jìn)行提取匹配。在不斷的學(xué)習(xí)過程中可以為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)積累經(jīng)驗(yàn)，使之對(duì)常見的目標(biāo)具有更好的處理能力，性能不斷優(yōu)化。這也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比于其他信息融合算法的顯著優(yōu)勢(shì)。

采用多信息融合的方法也能夠保證機(jī)器人所獲取的信息具有一定的冗余度，可以提高機(jī)器人的容錯(cuò)性，也能夠提高機(jī)器人的抗干擾能力。舉例來說，有一種“拜占庭將軍”理論，即有些傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)干擾其他正常傳感器工作，這種干擾傳感器數(shù)量為m，設(shè)總傳感器數(shù)量為n，此時(shí)需要傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)至少為（3m+1）個(gè)。由于實(shí)際情況的復(fù)雜性，為提高系統(tǒng)可靠性，我們不知道哪些傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)誤動(dòng)作并干擾正常傳感器工作，因此需要盡量多設(shè)置一些傳感器。當(dāng)然這些不同類型的傳感器也有利于對(duì)環(huán)境情況的全面判斷，有助于提升機(jī)器人的整體性能。

3 結(jié)論與展望

電氣工程及自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)器人技術(shù)中可以應(yīng)用各種不同的領(lǐng)域中，不僅是傳感器以及自動(dòng)控制算法等。可以說，機(jī)械技術(shù)是機(jī)器人的骨架，而電氣技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)的靈魂所在。沒有靈魂的機(jī)器人不具備實(shí)現(xiàn)各種預(yù)設(shè)功能的條件，只有對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不行的。在近幾十年的發(fā)展過程中，也正是這些電氣及控制技術(shù)發(fā)展得最為迅猛，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面往往只是起到相應(yīng)的配套作用而停滯不前。隨著以智能+為代表的AI時(shí)代來臨，人工智能技術(shù)作為電氣及自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分必將大放異彩，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2019-11-11

作者簡(jiǎn)介：胡鴻豪，男，重慶人，研究方向：工學(xué)類。