淺談微型機器人的控制

黑龍江省齊齊哈爾市實驗中學 孟慶喆

淺談微型機器人的控制

黑龍江省齊齊哈爾市實驗中學 孟慶喆

機器人技術是當代最具有代表性的高技術領域之一。對于機器人技術的研究和應用形成了一門新的綜合型的技術學科—機器人學。作為機器人的核心部分，機器人控制技術也經歷了經典控制技術、現代控制技術和智能控制技術的發展過程。機器人控制系統的設計，是一個典型的認識世界和改造世界的過程

微型機器人；控制

1 前言

隨著世界科學的不斷發展，傳統的機器由于功能單一、很難勝任復雜工作的特點，因此越來越不能滿足現代生產生活的需要，然而機器人的出現改變這一困境。機器人通過編程來設定多種行為，根據不同的編寫程序組合可以獨立完成很多復雜的工作任務，所以這就更加明確“自動化”的概念，傳統的機器僅僅能在某一方面實現“剛性自動化”，機器人的出現實現了“柔性自動化”這一目標，產生了柔性生產工藝，利用計算機數控機床實現不同類型產品的小批量生產，所以機器人的出現，對于整個人類生產生活過程產生了巨大的改變，大大提高了生產效率。目前用于工業生產的機器人以第一代機器人為主，這種機器人在生產過程中扮演至關重要的角色，主要通過各種遙控器控制來進行操作。21世紀初期，為了進一步提高機器人的性能，在原來一代機器人的基礎上安裝了多種傳感系統，例如溫度傳感系統、觸覺傳感系統等，目的是為了增強機器人對周圍環境的感知能力，有了這些傳感系統，機器人可以完成許多難度更高更復雜的工作任務，例如環境探測、精密儀器的安裝與校核等任務都可以勝任，這就是第二代機器人的優勢所在。近幾年，隨著生產力和科學技術的不斷進步，人們對機器人的性能又有了更高的要求，比如利用機器人進行深水探測、外部空間探測活動，在救災或者更加復雜危險的環境中能夠獨立排除險情，能夠妥善處理環境中一些不可預測的事故。所以這就決定了目前機器人不只能擁有感知能力，而且還應該擁有超高的處理問題能力以及面對突發事故時擁有決策和處理能力，主要工作是根據所處的環境特點和工作任務獨立制定出自身運行的方案，也就是讓機器人“智能化”，就是通常我們所說的第三代機器人。隨著機器人的大力發展，逐漸興起了一門新興學科---機器人學，主要是由計算機科學、機械電子學、信息控制科學等科學交叉而形成，目前是科學界非常前沿的一門學科，具有非常光明的發展前景。

2 微型機器人發展中面臨的問題

（1）當前微型機器人的發展進程中，微型化驅動技術在此進程中占據著非常重要的地位，其水平的高低決定著微型機器人的發展水平，所以目前微型機器人開發研究的主要方向包括：降低耗能、簡化結構、位移輸出和力輸出較大、線控性能優良、體積小，環境發生變化時響應時間少等方面。

（2）目前機器人的主要能源來自于電能，然而對于微型機器人來說，供電導線會對微型機器人的運動能力極為不利，尤其是在復雜的地形中非常不利于機器人的運動。所以要想改善微型機器人這一窘境，就必須對從無電纜微波能源和無線傳輸方面入手，與此同時開發研究體積小和儲能大的微型電池。

（3）目前在核電、醫療、軍事方面，使用微型機器人的一個非常重要的前提就是確保安全性和可靠性，其次還應當有在面臨復雜環境中能夠排除故障和正確解決問題的能力。

（4）微型機器人與普通機器人相比，并不僅僅是在體積上的縮小，還應當在微型驅動器和精加工技術方面的突破，同時還要求設計者在結構理論方面的創新，設計出更有利于微型機器人移動的方案。

（5）微型機器人應該具備能夠獨立完成某一項或者多項工作的能力，第一步工作就是機器人必須具備自身定位和環境的識別能力，研究視覺感應系統，提高機器人的圖像處理效率，因此可以運用人工智能技術和神經網絡等先進的技術來解決機器人獨立工作的難題。

3 微型機器人的控制

機器人學是根據機器人技術的研究而產生的一門綜合類學科，它包括了機械學、力學、計算機科學與技術、控制理論及控制工程、電子信息科學、人工智能、人類學等眾多領域的科學。距離世界上第一臺遙控機械手臂問世已經過去50多年，在這50多年中，隨著計算機科學技術的發展、自動控制理論的行程以及工業生產的迫切需求，已經相繼產生出來了三代機器人，分別是第一代可編程的示教型再現行機器人，第二代利用安裝傳感器具備一定自主能力的機器人，第三代為智能機器人。最初的機器人僅僅只能完成一些簡單的抓取、放置、焊接等工作，然而如今開發出能夠獨立行走，能夠進行語言交流并具備一定思維能力的智能機器人。

根據機器人控制技術的研究發展進程來看，這是一個由簡單到復雜的發展過程，在某些方面也符合了馬克思主義認識論，能夠說明人類認識世界和改造世界是在實踐的基礎上的辯證統一。總而言之，機器人的發展歷程在哲學方面具有很重要的現實意義，機器人技術是當代科學發展高新領域中非常重要的一門技術。為了以后機器人更好的研究和發展，科學界又形成了一門新的綜合類型的學科一一機器人學。控制理論和技術是機器人學發展的核心技術，其也主要經歷了經典控制技術、現代控制技術、智能控制技術三個階段，因此從哲學的角度上看機器人的控制理論和技術也是一個非常典型的認識世界和改造世界過程。

圖1 層級歸并控制系統

4 小結

從機器人控制的發展看來，它一方面受制于計算機硬件、傳感器等的發展，另一方面也與計算機軟件理論的發展息息相關。總體而言，它有一個從功能單一到多元，從針對特定硬件的軟件到可移植的通用的機器人平臺的發展趨勢。而現在，機器人軟件主要是以跨平臺，分層控制，模塊化，分布式，便于開發，便于軟件復用為主要特點。關于機器人軟件的發展可以總結所示。20世紀90年代Windows的出現帶來了個人電腦的普及，相信隨著機器人平臺的統一化，機器人也會迎來一個繁榮發展的春天。

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