智能型服务机器人的设计与研究

许方恒

摘要：近年来机器人技术发展迅速，机器人在社会各领域的应用越来越广泛，从传统的工业领域向家庭服务、勘探、医疗等方面发展。智能型服务机器人是科技发展的成果，也是市场需求的结果，智能型服务机器人的应用为人们的生产生活带来极大的便利，受到社会各界的重视。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对智能型服务机器人的需求量也越来越多，智能型服务机器人的应用前景广阔，加强对智能型服务机器人的研究设计，对解决一些社会问题，提高人们的生活质量有重要的意义。

关键词：智能型服务机器人；智能控制；导航定位

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0186-03

Design and Research of Intelligent Service Robot

XU Fang-heng

（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

Abstract：In recent years， robot technology has been developing rapidly. Robots have been applied more and more widely in all fields of society， from traditional industry to family service， exploration， medical treatment and so on. Intelligent service robot is the result of the development of science and technology and the result of market demand. The application of intelligent service robot has brought great convenience to people's production and life， and has attracted the attention of all walks of life. With the development of social economy and the improvement of people's living standard， the demand for intelligent service robots is more and more ，the application prospect of intelligent service robot is broad， to strengthen the research and design of intelligent service robot is of great significance to solving some social problems and improving people's quality of life.

Key words：intelligent service robot； intelligent control； navigation and positioning

20世纪90年代中后期，我国开始了对服务机器人的研究，2005年服务机器人市场初具规模。相比欧美等发达国家，我国服务机器人的研究相对较晚，随着对机器人产业重视程度的提升，机器人产业迅速发展。服务机器人是特种机器人，主要应用于社会服务领域，可以从事医用康复、监护、清洗、维护保养等多方面的工作，在服务领域发挥着日益重要的作用。智能型服务机器人的关键技术包括导航定位、传感器、路径规划和智能控制。本文以医疗型服务机器人和功能清洁机器人为例，进行设计研究。

1 智能型服务机器人的关键技术

1.1 传感器

智能型服务机器人需要在工作中判断工作环境，正确处理数据和反映操作结果。智能型服务机器人和一般的机器人相比，需要更高的辨别周围环境的能力，能够及时准确地感知周围的环境。相关的两个关键元件是信号接收器和环境感知处理器。传感器的类型多样，常应用的设备有超声波传感器、力传感器、红外线传感器等[1]。不同的传感器有不同的功能，通过功能的相互配合，提高智能型服务机器人获取外界环境信息的能力，为之后的操作提供全面的、准确的信息。

1.2 导航定位

智能型服務机器人中的导航定位是非常重要的技术，随着社会需求的提升和技术的发展，需要智能型服务机器人系统能够自主导航，脱离人为控制进行相关操作。如下图，当前智能型服务机器人的导航定位系统主要采用神经网络控制技术、传感器融合技术。

机器人的感官知觉和识别能力是最直接最关键的技术，智能型服务机器人需要能够对周围的信息有敏锐的感知能力，并向系统进行反馈。当前智能机器人的视觉能力还比较弱，需要进一步改进完善。机器人在视觉控制的同时，要有图像计算能力、处理能力，综合处理搜集的信息。智能家居生活中的机器人，需要有高的控制能力。在算法处理上，智能型服务机器人涉及自学习能力、语义分析、自然语言处理、大数据处理等技术，使机器人能够有人类有问必答、自然交互和能听会说的综合技术。智能型服务机器人主要为客户提供服务，在控制全程操作的同时，精确计算数据，因此需要必备的算法处理系统。机器人的应用节省了人力物力，智能型服务机器人是主要研究领域之一。机器人的设计需要综合应用多个学科。家居服务的机器人通过由无线通信系统、视觉系统、决策系统构成。视觉系统帮助感知外部环境，并为机器人决策提供参考[2]。在使用中需要即时采集图像，经过处理和分析图像，向决策系统输入。图像分割技术是图像处理的重要技术之一，关系着图像处理的结果。图像分割技术是将捕捉的图像进行划分，选择有价值的信息。灰度图像分割技术应用广泛，研究比较早，有成熟的算法。彩色图像设置的信息量大于灰度图像，信息面更广，已经引起广泛重视。信息搜集完成后需要分析处理，信息技术的发展促进了信息处理能力的提升[3]。对于家居服务的机器人来说，搜集家居环境的数据，然后分析总结，功能的多样性能够满足家居服务的需求。如果环境不达标，机器人会有相应的提示，住户根据提示净化环境，为室内环境的改善提供依据。

1.3 智能控制

智能型服务机器人接收到外部环境信息后，需要依据信息进行内部控制，智能控制技术包括模糊控制、优化计算、神经网络。模糊控制是以逻辑推理为基础的数字控制技术。神经网络技术是依据人和生物活动的基本性而研究出的技术，主要是对信息进行处理和演算，满足智能控制的需求。

1.4 路径规划

外部环境复杂多变，智能型服务机器人在工作中不可避免地会遇到各种突发状况，尤其是意外出现的阻碍物，需要智能型服务机器人能够自动规划路径，完成服务。路径规划有传统的规划方法，也有智能规划方法。传统路径规划主要是通过图搜索法、自由空间法、人工势场法等，使机器人判断工作的路径，但是机器人缺乏对突发状况的改变功能，也没有最优选择的功能。智能路径规划方法是结合人工智能方法，比如神经网络技术、模糊逻辑、遗传算法等，提高规划的速度和避开障碍物的准确度，选择最佳的路径[4]。路径规划中安全性十分重要，常规路径规划算的安全性重视不足，通过多层次的路径规划，能够充分利用智能空间的信息，快速获取动态资料，全面了解障碍物的信息。机器人能够迅速避开障碍物，具有良好的实时性。完成避开障碍物的操作后，机器人可以灵活选择不同的目标制导策略，在动态规划中选择可靠的路径。

2智能型服务机器人的主要应用设计

2.1 医疗型服务机器人

智能型服务机器人在医疗领域有重要的作用，智能型服务机器人和一般医疗临床机器人不同，要明确设计的要求，才能真正在实际中发挥作用。智能型服务机器人在医疗中主要是发挥帮助患者恢复和保养的作用。医疗型服务机器人对安全性要求高，服务的对象主要是病人，需要人和机器的高度协调。患者可能存在不同程度的运动功能障碍，比如关节僵硬、肌肉的控制力不足等，影响患者的活动范围和身体的协调性。医疗应用的智能型服务机器人在设计中就要考虑患者的情况，保证患者使用的安全性。智能型服务机器人在结构设计中，要尽量选择轻质的材料，但前提是要保证机器人的结构强度[5]。要重视智能型服务机器人和患者患肢的连接的稳定性、安全性，同时兼顾患者的生理特点，注重患者训练的舒适性和可调节性。比如在患者进行康复训练中，使用智能型服务机器人要防止异常训练模式，或者过量的训练，避免二次损伤患者的伤处。智能型服务机器人在控制系统设计中，需要能够实时控制和反馈人机系统，要有多重安全保护的器件，同时要保证系统高的自适应能力。

以医疗领域中康复型服务机器人为例，在设计中要注重脚踏机构。服务机器人和患者患肢的连接主要通过脚踏机构。智能型服务机器人的设计不仅要保证连接的稳定性，同时要保证患者能够舒适地进行康复训练[6]。脚踏机构的连接主要使用导轨滑块、脚踏轴，运动轨迹为椭圆形。患者进行下肢康复训练，人体的小腿小部和脚背由脚踏机构的捆绑装置进行固定。为满足足部的舒适度要求，在机器人和人体下肢的接触部位使用缓冲材料。脚踏板上安装有力传感器，能够实时监测反馈康复训练的过程和结果。

2.2 多功能清洁机器人

多功能清洁领域的智能型服务机器人在设计中控制系统是关键，控制系统包括感知系统、运动控制系统。感知系统主要是对周围的障碍物进行感知检测，向机器人传达相关的信息，促进清扫任务的完成。运动控制系统主要控制机器人的运动，是闭环控制系统。提供清洁服务的智能型服务机器人，主要在功能模块、控制系统和电机驱动电路上能量消耗比较大，因此需要有可靠的电源能够满足各种环境的工作需求。如下图，应用比较广泛的电能提供源是12.6V/6900mAh可充电聚合物锂电池。

图2 锂电池结构

清洁服务的机器人属于移动型的机器人，使用的传感器一方面是外部状态感知传感器，包括编码器、速度传感器、加速度传感器等，一方面是外部状态感知传感器，包括超声波传感器、视觉传感器、红外测距传感器、激光扫描仪等。目前设计的移动机器人通常融合多种传感器，精准地感知周围的环境[7]。传感器也有各自的优势和劣势，清洁机器人需要在完成清洁任务的同时，避开各种障碍物，综合考虑各种情况在，在清洁机器人的信息采集模件设计中，使用光电编码器、红外测距传感器。光电编码器能够对移动型机器人的速度和位置进行检测，通常光电编码器安装在行走电机的轴上。光电编码器使用DSP2812芯片，不仅提供编码器的接口，而且有EVA、EVB事件管理器。光电编码器的输出电压是5V，但DSP提供的是3.3V，如果直接连接会损害芯片，需要进行电流转换，对电机的转速进行测试。电机转向无法获取的，需要额外增加发光和接收装置，解决转向问题。

對于不同的障碍物，红外测距传感器会有不同的信号反射强度，因此可以用于检测障碍物的距离。红外测距传感器探测角度小，有良好的方向性，以极高的测量精确度，较好地适用于清洁机器人。清洁机器人系统在设计中大多采用GP2Y0A21红外测距传感器，安装方便，并且体积小，精确度高，探测的距离远，能够对机器人和障碍物的距离进行实时计算。

3 结语

总之，经过多年的探索研究，机器人技术不断发展和改进，但仍存在一系列的问题。智能型服务机器人应用广阔，在设计中要与先进技术相结合，根据实际应用的问题进行修正，走在时代的前沿。

参考文献：

[1]王影， 倪晋超， 刘麒，等. 基于Internet+服务型智能机器人关键技术研究[J]. 吉林化工学院学报， 2017， 34（1）：54-58.

[2]王志敏， 宋欣， 杨磊，等. 智能型家庭服务机器人的设计与实现[J]. 科技创新与应用， 2016（15）：1-3.

[3]谭等泰. 智能餐厅服务机器人系统的设计与实现[J]. 甘肃科技， 2016， 32（8）：14-16.

[4]曹琛， 常乐. 一种智能家居服务机器人的家居服务设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2016， 16（10）：62-66.

[5]陈曦， 杨雅慧， 赵嘉麒，等. 智能导诊服务机器人的设计与实现[J]. 物联网技术， 2017， 7（11）：70-73.

[6]张国梁， 李秀智， 徐涛，等. 基于RTM的自主服务机器人智能化分散控制[J]. 北京工业大学学报， 2017， 43（7）：969-977.

[7]蔡沛. 基于STM32智能餐厅服务系统机器人的设计[J]. 信息通信， 2017（9）：93-95.