基于嵌入式技術(shù)的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

何博文

（海南科技職業(yè)大學(xué)，海南 海口 571126）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)本身是從機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展中逐漸產(chǎn)生并發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)。而智能化技術(shù)能夠以計(jì)算機(jī)和數(shù)字信息為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的智能化管理和控制。將智能化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人的設(shè)計(jì)當(dāng)中，已經(jīng)成為當(dāng)前提高機(jī)器人工作效率和質(zhì)量的主要方式。嵌入式技術(shù)能夠以嵌入式處理器的形式被應(yīng)用到系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中，對基于嵌入式技術(shù)的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人的創(chuàng)新研發(fā)和優(yōu)化提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 嵌入式技術(shù)

嵌入式技術(shù)既可以指設(shè)備也可以指系統(tǒng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，嵌入式技術(shù)由內(nèi)部計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制，嵌入式系統(tǒng)只能夠在固化軟件中運(yùn)行，主要承擔(dān)專用功能的執(zhí)行任務(wù)。從嵌入式技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，該技術(shù)大多是用于針對特定任務(wù)定制的系統(tǒng)，常見的嵌入式技術(shù)應(yīng)用方式以嵌入式處理器和控制器為主[1]。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，嵌入式控制器也朝著更加微型化和功能化的方向發(fā)展。在這個發(fā)展的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)嵌入式技術(shù)與機(jī)器人的應(yīng)用之間存在一定的適配性，二者都能夠被廣泛地應(yīng)用到多個行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展當(dāng)中，將嵌入式技術(shù)與機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，能夠有效提升機(jī)器人設(shè)計(jì)的智能化程度。

2 以嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)智能機(jī)器人的措施分析

嵌入式技術(shù)的功能主要通過嵌入式系統(tǒng)展現(xiàn)出來，以設(shè)計(jì)智能機(jī)器人為主要目標(biāo)，需要將嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合，以此來不斷優(yōu)化智能機(jī)器人系統(tǒng)的功能。在對基于嵌入式技術(shù)的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行分析時，主要可以從以下4 個方面來入手。

2.1 設(shè)計(jì)智能機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械平臺

機(jī)械平臺是智能機(jī)器人能夠發(fā)揮性能作用的主要依據(jù)，當(dāng)前國內(nèi)外設(shè)計(jì)生產(chǎn)機(jī)器人以來的機(jī)器人機(jī)械模型主要以輪式、履帶式和腿式三種最為常見。其中，輪式機(jī)器人由于具有更為明顯的地面適應(yīng)性和可靠性，能夠被應(yīng)用到大部分的機(jī)器人制造當(dāng)中。以輪式機(jī)器人應(yīng)用的機(jī)械模型為智能機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械平臺搭建的主要原理，系統(tǒng)機(jī)械平臺主要由前部機(jī)構(gòu)、主體機(jī)構(gòu)、側(cè)向機(jī)構(gòu)和后部機(jī)構(gòu)四個主要的部分組成[2]。在搭建智能機(jī)器人的系統(tǒng)機(jī)械平臺時，需要以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和機(jī)器人整體對地面的適應(yīng)能力為主要目標(biāo)。

具體而言，在對智能機(jī)器人的前部機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，需要重點(diǎn)考慮機(jī)器人在運(yùn)動中可能遇到的障礙問題，以四桿機(jī)構(gòu)的方式，減少由于障礙問題導(dǎo)致的震動情況，保證機(jī)器人運(yùn)動過程的平穩(wěn)性。在智能機(jī)器人系統(tǒng)的動力驅(qū)動設(shè)計(jì)方面，主要可以在機(jī)器人主體的左右兩側(cè)設(shè)置分別設(shè)置被動適應(yīng)機(jī)構(gòu)，滿足驅(qū)動機(jī)器人的需求，將被動適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)置成平行四邊形，能夠有效提高機(jī)器人適應(yīng)各種障礙路面的能力[3]。對于智能機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)而言，由于機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要安裝在主體機(jī)構(gòu)當(dāng)中，因而對于機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅需要將機(jī)器人的各個部分連接起來，也需要能夠滿足支撐控制系統(tǒng)的需要。

2.2 智能機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是能夠?qū)χ悄軝C(jī)器人的機(jī)械裝置和設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人運(yùn)行要求的主要依據(jù)。在對智能機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時，最主要的就是保證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩個部分。結(jié)合以往智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)合起來，首先需要確定好系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體硬件結(jié)構(gòu)組成（圖1）。

在這一總體硬件設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，將臺式PC 主機(jī)與無線收發(fā)模塊聯(lián)系起來，可以滿足控制系統(tǒng)對于圖像語音的收集功能以及顯示播放功能，并通過對信息的收集，對機(jī)器人的周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，以便能夠及時將控制指令傳輸給現(xiàn)場機(jī)器人的控制端。現(xiàn)場機(jī)器人的控制端主要由程序下載模塊、核心控制板以及電源模塊三個主要的部分構(gòu)成[4]。其中，核心控制板能夠?qū)崿F(xiàn)對語音采集模塊、視頻采集模塊、人機(jī)交互模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊的信息交互。

語音采集和視頻采集是機(jī)器人能夠接收和判斷外界環(huán)境信息的主要模塊，是實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人運(yùn)動行為的主要依據(jù)。機(jī)器人在實(shí)際投入使用的過程中，主要通過監(jiān)聽周圍的情況來獲取相應(yīng)的語音和視頻信息。對于周圍環(huán)境語音信息的采集，一般需要通過控制系統(tǒng)中的芯片和微處理器來實(shí)現(xiàn)，對于周圍環(huán)境視頻信息的采集，則需要通過圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)視頻信息的采集，并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為視頻。基于嵌入式技術(shù)在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要求，無論是語音采集模塊還是視頻采集模塊的設(shè)計(jì)，都需要以盡可能的簡化信息采集和轉(zhuǎn)換的中間過程為主要目標(biāo)，減少外圍電路在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[5]。這樣不僅能夠有效提升音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸效率，也能夠提高數(shù)字和模擬信號輸出的清晰度和質(zhì)量效果。尤其是對于視頻采集模塊而言，如果在模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)用寄存器來滿足視頻信息的編程需求，可以讓智能機(jī)器人在采集視頻信息之后，通過修改曝光率、白平衡等措施來提高圖像的輸出質(zhì)量。

電機(jī)驅(qū)動和電源模塊是智能機(jī)器人行走運(yùn)動的主要動力來源，相比于一般的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要能夠讓機(jī)器人在自動行走運(yùn)動的過程中，實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的智能判斷，從而在一定程度上滿足機(jī)器人的智能化控制需求。基于這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，在對智能機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時，可以通過對直流電機(jī)的調(diào)速原理進(jìn)行控制來滿足控制機(jī)器人運(yùn)動速度的主要目標(biāo)。而由于直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中很容易對控制系統(tǒng)的核心開發(fā)板產(chǎn)生干擾，因而在設(shè)計(jì)直流電機(jī)過程中，可以利用光電耦合器來對核心開發(fā)板輸出的信號進(jìn)行隔離。而在對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中的電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時，考慮到電源輸出的電能需要供給控制系統(tǒng)所有模塊和顯示器的運(yùn)行，對于電源型號的選擇，需要在考慮較多的系統(tǒng)模塊電能分配要求基礎(chǔ)上，應(yīng)用12V 電瓶提供電能的同時，在電源模塊設(shè)置能夠滿足電壓變換功能的核心器件，避免因電源電流輸出過大而影響到各個模塊的正常運(yùn)行。

2.3 智能機(jī)器人的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)也是智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要組成部分，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到智能機(jī)器人的應(yīng)用性能和效果。智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)擁有對各種異常情況進(jìn)行處理的能力，而軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是能夠通過提升控制系統(tǒng)的實(shí)時性來實(shí)現(xiàn)對各種異常情況的有效處理。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以將一種基于嵌入式技術(shù)的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)與智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)合起來，有效滿足智能機(jī)器人的智能化控制任務(wù)需求。

具體而言，在對智能機(jī)器人的系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，結(jié)合以往機(jī)器人系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)考慮應(yīng)用軟件、內(nèi)核、系統(tǒng)服務(wù)以及驅(qū)動程序等部分的功能設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)整體需要以硬件平臺作為系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)；驅(qū)動程序能夠以既定的程序來實(shí)現(xiàn)硬件平臺中的各個模塊的正常運(yùn)行；內(nèi)核主要是指嵌入式操作系統(tǒng)；系統(tǒng)服務(wù)主要是依據(jù)智能機(jī)器人在信息采集模塊收集到的各項(xiàng)信息來提供服務(wù)的；而應(yīng)用程序則是控制系統(tǒng)運(yùn)行所依賴的主要程序。

對于智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，嵌入式技術(shù)與控制系統(tǒng)的有效結(jié)合，就主要體現(xiàn)在系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。為了能夠讓用戶更好的實(shí)現(xiàn)對智能機(jī)器人的管理和控制，在對控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，可以借助嵌入式操作系統(tǒng)和軟件來呈現(xiàn)出圖形式的用戶界面。依靠圖形界面，用戶可以實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)中各種應(yīng)用程序的開發(fā)。以這種圖形式的用戶界面為主要應(yīng)用優(yōu)勢的嵌入式操作系統(tǒng)，主要能夠通過應(yīng)用程序和豐富接口函數(shù)的方式，簡化窗口設(shè)計(jì)的流程和界面。例如，要在控制系統(tǒng)中繪制一幅背景圖片，需要在將位圖轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)支持的格式文件之后，由接口函數(shù)來調(diào)用位圖文件，讓位圖文件能夠呈現(xiàn)在函數(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面當(dāng)中，在用戶依據(jù)相應(yīng)的需求來設(shè)計(jì)函數(shù)之后，可以將函數(shù)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果呈現(xiàn)在智能機(jī)器人的液晶顯示屏上，從而得到需要的背景圖片。

在對智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，還需要做好對系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊和任務(wù)運(yùn)行的管理工作。該項(xiàng)管理工作主要可以通過在控制系統(tǒng)中建立任務(wù)管理機(jī)制的方式來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，可以將用戶任務(wù)劃分為6 個具體的系統(tǒng)任務(wù)部分（表1）。需要注意的是，在劃分好系統(tǒng)任務(wù)之后，還需要設(shè)置每個任務(wù)的優(yōu)先級，以便能夠更好地滿足任務(wù)管理機(jī)制的運(yùn)行要求。

表1 系統(tǒng)任務(wù)劃分

2.4 智能機(jī)器人的功能試驗(yàn)

在明確智能機(jī)器人的系統(tǒng)機(jī)械平臺和控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理之后，還需要結(jié)合當(dāng)前各個行業(yè)領(lǐng)域?qū)χ悄軝C(jī)器人的應(yīng)用要求，對智能機(jī)器人的功能進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)嵌入式系統(tǒng)能夠有效優(yōu)化智能機(jī)器人的系統(tǒng)運(yùn)行效果。例如，在視頻圖像采集模塊，對智能機(jī)器人的性能效果進(jìn)行分析，主要可以依據(jù)視頻圖像的清晰程度、攝像頭模塊的運(yùn)行情況以及圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男蕘砼袛唷?/p>

華北工控機(jī)器人控制系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)，就是一種專用嵌入式技術(shù)研發(fā)的機(jī)器人產(chǎn)品。該類型的機(jī)器人產(chǎn)品能夠采用英特爾、AMD、恩智浦、瑞芯微、飛騰等高性能的處理器打造的系列嵌入式計(jì)算機(jī)（圖2），可以高度集成于智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)之中。

該機(jī)器人產(chǎn)品作為一種典型的陪伴機(jī)器人，能夠集成應(yīng)用多種傳感器、控制器、通訊組件等，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，可以在運(yùn)行過程中采集各種各樣的環(huán)境信息，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺分析處理并轉(zhuǎn)化為控制信號，驅(qū)動機(jī)器人本體可以實(shí)現(xiàn)自主移動、情緒識別、場景識別、實(shí)時監(jiān)控、人機(jī)交互等功能，給使用者提供智能化的服務(wù)。

從當(dāng)前智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況來看，智能機(jī)器人需要具備智能巡線的功能，才能夠更好的服務(wù)于社會生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。智能機(jī)器人擁有的智能巡線能力，需要以更高質(zhì)量的視頻采集和對周邊環(huán)境信息的判斷來保證智能機(jī)器人的正常運(yùn)動軌跡，從而發(fā)揮智能巡線能力在不同領(lǐng)域中的作用。將嵌入式技術(shù)與智能機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合起來，一方面可以通過控制算法描述來滿足對機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)的調(diào)整和控制，另一方面也可以通過特征匹配來滿足對數(shù)字圖像進(jìn)行處理和匹配的功能要求。因而對智能機(jī)器人運(yùn)動驅(qū)動的控制和對圖像視頻信息的采集，都可以依靠嵌入式系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的融合來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

綜上所述，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對于保證智能機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、提升智能機(jī)器人的基本功能具有重要的作用。結(jié)合現(xiàn)階段智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和情況來看，要讓嵌入式技術(shù)能夠在智能機(jī)器人中發(fā)揮更大的作用，需要能夠兼顧智能機(jī)器人的操作系統(tǒng)和總體系統(tǒng)架構(gòu)的運(yùn)行情況，以提升智能機(jī)器人的專業(yè)性能為主要目標(biāo)，推動嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人系統(tǒng)的有效融合。