機(jī)器人是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)、傳感器、自動(dòng)控制、人機(jī)交互、仿生學(xué)等多個(gè)學(xué)科。因此，機(jī)器人領(lǐng)域中需要研究的問題非常多，而其中感知、定位和控制是機(jī)器人技術(shù)的三個(gè)重要問題。下面主要針對(duì)智能機(jī)器人中的環(huán)境感知、自主定位、運(yùn)動(dòng)控制等方面，簡(jiǎn)述其中的用到的一些技術(shù)。

 

 

　　環(huán)境感知

 

　　目前，在結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)環(huán)境中，以機(jī)器視覺為主并借助于其他傳感器的移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境感知、場(chǎng)景認(rèn)知及導(dǎo)航技術(shù)相對(duì)成熟。而在室外實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境的多樣性、隨機(jī)性、復(fù)雜性以及天氣、光照變化的影響，環(huán)境感知的任務(wù)要復(fù)雜得多，實(shí)時(shí)性要求更高，這一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。多傳感器信息融合、環(huán)境建模等是機(jī)器人感知系統(tǒng)面臨的技術(shù)任務(wù)。

 

　　基于單一傳感器的環(huán)境感知方法都有其難以克服的弱點(diǎn)。將多種傳感器的信息有機(jī)地融合起來，通過處理來自不同傳感器的信息冗余、互補(bǔ)，就可以構(gòu)成一個(gè)覆蓋幾乎所有空間和時(shí)間的檢測(cè)系統(tǒng)，可以提高感知系統(tǒng)的能力。因此，利用機(jī)器視覺信息豐富的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合由雷達(dá)傳感器、超聲波雷達(dá)傳感器或紅外線傳感器等獲取距離信息的能力，來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境的感知成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

 

　　使用多種傳感器構(gòu)成環(huán)境感知系統(tǒng)，帶來了多源信息的同步、匹配和通信等問題，需要研究解決多傳感器跨模態(tài)跨尺度信息配準(zhǔn)和融合的方法及技術(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，并不是所使用的傳感器及種類越多越好。針對(duì)不同環(huán)境中機(jī)器人的具體應(yīng)用，需要考慮各傳感器數(shù)據(jù)的有效性、計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

 

　　所謂環(huán)境建模，是指根據(jù)已知的環(huán)境信息，通過提取和分析相關(guān)特征，將其轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可以理解的特征空間。構(gòu)造環(huán)境模型的方法分為幾何建模方法和拓?fù)浣７椒?。幾何建模方法通常將移?dòng)機(jī)器人工作環(huán)境量化分解成一系列網(wǎng)格單元，以柵格為單位記錄環(huán)境信息，通過樹搜索或距離轉(zhuǎn)換尋找路徑;拓?fù)浣７椒▽⒐ぷ骺臻g分割成具有拓?fù)涮卣鞯淖涌臻g，根據(jù)彼此連通性建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)上尋找起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的拓?fù)渎窂?，然后再轉(zhuǎn)換為實(shí)際的幾何路徑。

 

　　自主定位

 

　　定位是移動(dòng)機(jī)器人要解決的三個(gè)基本問題之一。雖然GPS已能提供高精度的全局定位，但其應(yīng)用具有一定局限性。例如在室內(nèi)GPS信號(hào)很弱;在復(fù)雜的城區(qū)環(huán)境中常常由于GPS信號(hào)被遮擋、多徑效應(yīng)等原因造成定位精度下降、位置丟失;而在軍事應(yīng)用中，GPS信號(hào)還常受到敵軍的干擾等。因此，不依賴GPS的定位技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

　　目前最常用的自主定位技術(shù)是基于慣性單元的航跡推算技術(shù)，它利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)(慣導(dǎo)或里程計(jì))，對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行遞歸推算。但由于存在誤差積累問題，航位推算法只適于短時(shí)短距離運(yùn)動(dòng)的位姿估計(jì)，對(duì)于大范圍的定位常利用傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，并與環(huán)境地圖進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確定位?？梢詫C(jī)器人位姿看作系統(tǒng)狀態(tài)，運(yùn)用貝葉斯濾波對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行估計(jì)，最常用的方法是卡爾曼濾波定位算法、馬爾可夫定位算法、蒙特卡洛定位算法等。

 

　　由于里程計(jì)和慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差具有累積性，經(jīng)過一段時(shí)間必須用其他定位方法進(jìn)行修正，所以不適用于遠(yuǎn)距離精確導(dǎo)航定位。近年來，一種在確定自身位置的同時(shí)構(gòu)造環(huán)境模型的方法，常被用來解決機(jī)器人定位問題。這種被稱為SLAM (Simultaneous Localization And Mapping)的方法，是移動(dòng)機(jī)器人智能水平的最好體現(xiàn)，是否具備同步建圖與定位的能力被許多人認(rèn)為是機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)自主的關(guān)鍵前提條件。

 

　　近十年來，SLAM發(fā)展迅速，在計(jì)算效率、一致性、可靠性提高等方面取得了令人矚目的進(jìn)展。SLAM的理論研究及實(shí)際應(yīng)用，提高了移動(dòng)機(jī)器人的定位精度和地圖創(chuàng)建能力。其中有代表性的方法有：將SLAM與運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)和跟蹤(Detection and Tracking Moving Objects，DATMO)的思想相結(jié)合，利用了二者各自的優(yōu)點(diǎn);用于非靜態(tài)環(huán)境中構(gòu)建地圖的機(jī)器人對(duì)象建圖方法(Robot Object Mapping Algorithm，ROMA)，用局部占用柵格地圖對(duì)動(dòng)態(tài)物體建立模型，采用地圖差分技術(shù)檢測(cè)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化;結(jié)合最近點(diǎn)迭代算法和粒子濾波的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建方法，該方法利用ICP算法對(duì)相鄰兩次激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并將配準(zhǔn)結(jié)果代替誤差較大的里程計(jì)讀數(shù)，以改善基于里程計(jì)的航跡推算;應(yīng)用二維激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的建模，同時(shí)采用基于模糊似然估計(jì)的局部靜態(tài)地圖匹配的方法等。

 

　　運(yùn)動(dòng)控制

 

　　在地面上移動(dòng)的機(jī)器人按移動(dòng)方式不同，大概可以分成兩類，一類是輪式或履帶式機(jī)器人，另一類是行走機(jī)器人，二者各有特點(diǎn)。

 

　　輪式機(jī)器人穩(wěn)定性高，可以較快的速度移動(dòng)，無人車、外星探測(cè)器等都是典型的代表。大部分輪式或履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制可分成縱向控制和橫向控制兩部分，縱向控制調(diào)節(jié)移動(dòng)速度;橫向控制調(diào)節(jié)移動(dòng)軌跡，一般采用預(yù)瞄-跟隨的控制方式。對(duì)無人車來說，在高速行駛時(shí)穩(wěn)定性會(huì)下降。因此，根據(jù)速度的不同需要采取不同的控制策略。在高速行駛時(shí)通過增加濾波器、狀態(tài)反饋等措施來提高穩(wěn)定性。

 

　　行走機(jī)器人穩(wěn)定性差，移動(dòng)速度慢，但可以跨越比較復(fù)雜的地形，比如臺(tái)階、山地等。與輪式機(jī)器人不同的是，行走機(jī)器人本身是個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，因此運(yùn)動(dòng)控制首先要解決穩(wěn)定性的問題，然后才能考慮使其按既定的軌跡移動(dòng)的問題。目前，主流的行走機(jī)器人控制方式有兩種：電機(jī)控制和液壓控制，二者各有利弊。電機(jī)控制機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但負(fù)載能力有限;液壓控制可以獲得較大的負(fù)載能力，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜。

 

　　利用電機(jī)和軸承模擬人的關(guān)節(jié)，從而控制機(jī)器人穩(wěn)定行走，是機(jī)器人控制通常的方式。運(yùn)動(dòng)控制一般是將末端軌跡規(guī)劃與穩(wěn)定控制相結(jié)合：首先規(guī)劃腳掌的軌跡，再通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角。理論情況下，按上述計(jì)算得到的關(guān)節(jié)角能夠保證腳掌軌跡跟蹤，但實(shí)際環(huán)境中存在很多擾動(dòng)，需要對(duì)關(guān)節(jié)角進(jìn)行反饋校正，保證穩(wěn)定性。穩(wěn)定控制方法很多，其中一種簡(jiǎn)單而常用的方法被稱為零力矩點(diǎn)(zero moment point，ZMP)法。其特征是：通過檢測(cè)實(shí)際ZMP的位置與期望值的偏差，閉環(huán)調(diào)整關(guān)節(jié)角，使ZMP始終位于穩(wěn)定區(qū)域以內(nèi)，從而保證機(jī)器人不會(huì)摔倒。

 

　　閉環(huán)控制要求各個(gè)關(guān)節(jié)快速響應(yīng)外界的擾動(dòng)，這對(duì)負(fù)載能力有限的電機(jī)來說是比較困難的。而液壓系統(tǒng)的負(fù)載能力較高，因此具有更優(yōu)秀的抗擾性能。例如Boston Dynamics公司研制的Atlas機(jī)器人，在單腳獨(dú)立的情況下，被外力從側(cè)面擊打，仍然能保持不倒。這其中雖然不乏先進(jìn)的控制方法，但其液壓系統(tǒng)的負(fù)載能力無疑是成功的有力保障。

 

　　發(fā)展趨勢(shì)及面臨的主要挑戰(zhàn)

 

　　夢(mèng)想為科技插上翅膀，隨著科技的發(fā)展，在不久的將來，科幻小說中的機(jī)器人將真實(shí)地呈現(xiàn)在人們眼前。如前所述，未來的智能服務(wù)機(jī)器人將成為人類的伙伴，和人一起工作，共同生活。在一些人類不能去、不愿去的地方，都可以看到機(jī)器人的身影。