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《机器人构建实战》——1.3 机器人系统的组成

简介:

本节书摘来异步社区《机器人构建实战》一书中的第1章,第1.3节,作者:丘柳东 ,王牛 ,李瑞峰 ,陈阳,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

1.3 机器人系统的组成

不同学科由于研究的侧重点不一样,对机器人的组成也有不同的理解与层次划分。不同的定义也会造成机器人的组成划分不一致。实际上,大部分的机器人系统组成部分或多或少都会存在重叠,并非没有共性。

本书认为一个较为完整的机器人系统由3部分、6个子系统组成,如图1.3所示。这3部分是感知部分、执行部分和控制部分;6个子系统分别是信息检测系统、信息融合系统、驱动系统、机械系统、人机交互系统、决策系统。

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1.3.1 控制部分

控制部分的重要性如同人的大脑,人类如果丧失了脑的思考能力,则变得如木偶一般。控制部分包括人机交互系统与决策系统两部分。

(1)人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系交流的子系统,人机交互系统涉及如何获取外部控制命令,以及如何表达自身的状态等。简单的人机交互可能只是一个报警信号,复杂的人机系统则可能涉及许多学科,例如通信技术(如何获取远程甚至是超远程的命令信息)、自然语言处理(如何分析操作人员的语言命令)等。

人机交互系统也有可能会借助感知部分获取必要的信息,例如在接收语音命令时,需要感知部分进行语音的检测与信号的转换,以及语音命令的分析等。

(2)决策系统

控制系统的任务是根据感知部分提供的感知信息以及执行任务要求,进行合理的分析与决策,提供执行指令给执行部分完成指定的运动和功能。感知部分如果对执行部分不进行监测,如一般工业机器人末端的移动,这样的控制方式称为开环控制;如果进行信息的反馈,如具有跟踪功能的机器人,这样的控制方式称为闭环控制。

控制系统可以很简单,如温度报警,只需要温度超过警戒温度立刻报警;也可以很复杂,美国IBM公司生产的深蓝超级国际象棋电脑,有32个大脑(微处理器),每秒可以计算2亿步。1997年的深蓝超级国际象棋电脑可搜寻及估计随后的12步棋,而一名人类象棋高手大约可估计随后的10步棋。

1.3.2 感知部分

机器人的感知部分类似于人体中的各种感觉或者它们的综合,例如视觉、听觉等都属于感知部分。感知部分的主要任务是获取外部信息并进行信息处理与融合,对外界环境进行描述和理解,提供给决策部分,作为决策的参考或依据。

(1)信息检测系统

信息检测系统主要由传感器及其数据转换处理模块组成,获取环境状态中有意义的信息。信息检测系统可以分为内部传感器模块和外部传感器模块,内部传感器模块主要检测机器人的状态,例如速度、加速度、能量等,外部传感器模块主要检测机器人工作环境的状态,例如温度、场景分布等。检测到的信息可以直接被控制部分利用,并由控制系统直接做出判断(类似于人的条件或无条件反射),更多的是经过信息融合系统综合处理后再传送至控制部分(类似于人们综合客观环境影响后再做出判断和行动的过程)。

(2)信息融合系统

机器人身上一般会安装多个传感器,以便检测各种有用的环境状态。有些环境状态信息只需要单一的传感器进行检测,例如温度、湿度等状态,而有些环境状态则需要多个传感器进行配合,共同作用才能成功得到该环境状态的信息,这样就需要将多个检测信息进行融合处理,例如轮式机器人的速度,需要将各个轮子的速度检测后,再按照相应速度合成算法进行计算,才能得到最终机器人的速度。信息融合系统将相互独立的检测信息,融合成更高级的感知信息,能够帮助机器人更好地认知自身与外部环境。

1.3.3 执行部分

执行部分相当于人的躯干与血液系统。反映的是机器人最终的执行结果。缺少了执行部分的机器人,事实上只相当于一个信息处理器。执行部分的执行效果直接体现了机器人的控制智能,也在一定程度上影响机器人的总体智能。

(1)驱动系统

驱动系统主要指驱动机械系统的驱动设置,是机器人的动力来源。根据驱动源的不同,驱动系统可分为电动、液压、气动3种,以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连,也可通过传动装置与机械系统间接相连。驱动系统影响到机器人反应的快速性与准确性。

(2)机械系统

除了安装感知、控制部分与其他必要结构的机械机构外,机械系统主要是指机器人的运动结构,常见的运动结构有关节式、轮式、复合式等。关节式结构的机器人常见的有工业机器人(典型关节式)、类人型机器人(足式);轮式机器人常见的有服务机器人、巡逻机器人等,轮式机器人的运动控制相对于足式机器人来说,控制简单,所以在服务领域应用广泛;复合式运动结构主要应用在复杂地形中,利于救援机器人,既要能在平底与低坡度表面运动,又能够做上下楼梯等升降运动。

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