机器人技术构成及应用简介

机器人涵盖多种技术。主要包括系统化、感知、计算机、识别处理、判断、控制、传动技术等。

◆系统化

系统化是机器人的重要技术范畴。通过系统化将多项技术融合，或按照使用目的构建系统，是机器人开发的关键。迅速开展系统化的方式方法有很多，近年来，采用模块化和模拟器的方式最为流行。传统的机器人开发过程大多是“从零开始”，每一项功能都要进行研发，效率不高。而机器人组件出现之后，许多功能的再利用性提高了，一直以来的机器人开发方式也得以改变。机器人组件的设计模式遵循OMG（对象管理组织，Object Management Group）的相关标准，并已实现大量的应用。例如，OpenRTC-aist是日本一个开源的系统开发包，包括机器人作业智能模块、移动智能模块、通信模块等，应用这些组件有助于便捷地开发机器人系统。由于这些组件的大多源代码是公开的，开发者可以很方便地扩充更多的功能。除了机器人组件以外，OSRF（开源机器人基金会，Open Source Robotics Foundation）推动的ROS（机器人操作系统，Robot Operating System）也正在开始普及，基于ROS可以开发很多应用软件。而且，机器人组件与ROS正逐步开始兼容，进一步提升了机器人系统开发的便利性。同时，模拟器作为一种用于快速开发的工具也是不可或缺的，目前根据具体用途的差异，有多种机器人开发模拟器，如OpenHRP、Webot、Gazebo、Choreonoid等都可离线模拟机器人的行动环境。

◆感知

机器人是一个综合了感知（sense）、判断（plan）、执行（act）等过程的复杂系统。这里所说的“感知”是第一个必备要素。人类有五种感觉器官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉），在机器人上广泛使用的有“三觉”传感器，即：视觉、听觉、触觉传感器。同时，还有“激光测距传感器”“GPS传感器”等机器人所特有的，赋予机器人人类不具备的感知功能的传感器。尤其值得一提的是距离图像传感器，它在近几年来已经成为了机器人自律行动的基础。无人驾驶汽车就是因为采用了这些传感器，才得以实现无人驾驶。以往，这些传感器由于尺寸大小的关系，嵌入机器人内部比较困难，但近年来随着精密加工技术的进步，这些传感器在一些小型机器人中也可以使用了。除此之外，加速度传感器、陀螺仪传感器等智能手机如今广泛使用的传感器越来越小型化、低价化，开始在无人机等需要进行姿势控制的机器人设计中发挥重要的作用。

◆计算机

计算机性能的提升让以往计算成本很高的算法也可以实时处理。如图像处理、A∗路径寻找算法等，便携式计算机也可以进行实时处理，这使得机器人自律行动的进程加速了。与此同时，一些处理器不断地缩小体积和降低电耗，也使得自律行动机器人的小型化成为可能。此外，还有一些大量配置处理器的分散协调控制型机器人的开发也很流行。

同时，一些高级机器人都有自己的操作系统，届时的问题就是实时性。近年来，Linux等操作系统虽然具备了某种程度的实时性，但在进行严密的周期控制时，需要的是真正意义上的实时操作系统。根据功能的不同，ART-Linux，ITRON，VxWorks将被广泛使用。这些操作系统应用了近年来流行的多核处理器，给每个内核进行功能分配，可以同步进行实时处理。

◆识别处理

机器人通过数据处理与分析来识别状态，这些识别技术渐渐地开始走入我们的生活之中。例如，智能手机用语音识别技术来实现文字输入已经很普遍；汽车中感知车距，将交通事故防患于未然的功能也很常见。这些识别技术大多是作为一个模块，由开发商提供的，使用非常方便。比如，在机器人组件或ROS之中，已包含了大量的识别模块。

①语音识别

Julius（由日本京都大学和日本信息处理机构联合开发的一个实用而高效的双通道大词汇连续语音识别引擎）是应用较多的语音识别引擎。

②图像识别

OpenCV（由英特尔开发的开源计算机视觉库）是应用较多的图像处理库。不仅包括基本的图像处理，还包括人脸检测和深度学习等新技术，有望成为通用性较高的图像处理库。

③自我定位

对于自律移动机器人来说，自我定位是一项最重要的技术。目前，大多采用蒙特卡罗方法（Monte Carlo method）进行位置测算，即使机器人处于动态变化的环境之中，也能够实现准确的自我定位。

◆判断

基于对状态的识别如何就执行作出决策，需要进行判断。也就是说，需要进行所谓的“思考”。比如判断如何行走，也就是制定“路径计划”，主要是指为自律移动机器人制定一条规避障碍物，抵达目的地的最优化路径。这里面常用的算法是代克思托演算法（Dijkstra＇salgorithm）。(www.xing528.com)

◆控制

控制赋予机器人“执行”选择好的行动的能力，以往较难控制的步行机器人、飞行机器人等，如今都可以稳定地进行控制。

①步行机器人

近年来，步行控制理论取得了显著的进展，美国波士顿动力公司的Bigdog、Petman等步行机器人，即使受到外界的阻力，也能够稳定地保持步行姿态。目前，美国谷歌以Atlas为平台的机器人技术研发正处于产业化阶段。

②飞行机器人

近年，四旋翼飞行器（Quadrotor）等飞行机器人使用起来越发便捷。来自陀螺仪传感器或加速度传感器的数值被用来推测姿势，控制旋翼转动，使机器人按照预定的轨道飞行和往返。

◆传动

机器人的传动系统一般使用电力驱动，也就是电机。此外，还有气压驱动和液压驱动（图1-1）。

图1-1 工业机器人的驱动方式分类

①电力驱动

有的电机是独立运转的，但大多则是作为控制电路的一部分。在控制电路中，电机与计算机互相通信，能够控制角度和角速度。

②气压驱动

相对于电力驱动来说，使用气压驱动的传动系统重量较轻、功率较高，除了适用于关节结构的驱动外，还在很多需要具备跳跃功能的机器人中被广泛采用。

③液压驱动

液压驱动主要的优势是能满足大功率的需求。例如，4足步行机器人Bigdog就是采用了液压驱动传动器，才实现了在107kg体重下154kg的负重。