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浅析机电与软件技术在机器人设计中的应用

发表时间:2015/4/11 作者:厉明勇 
关键字:机器人 机械臂 PLC 传感器 
文章介绍了机器人通用技术应用概况,并在目前形式多样的机器人中,主要就下棋机器人、解魔方机器人和环保舞蹈机器人的硬件和软件设计进行了分析探讨。

0 引言

   对机器人的研究具有十分重大的科研与实用价值,它可以推动当代仿生学、人工智能、计算机图形学、机械设计和自动控制等相关学科的发展。机器人的技术水平不断提高,应用范围越来越广,已逐渐走入了人们的生活。为了让人们更加直观地了解机器人技术,同时感受多种互动技术在机器人上的应用,本文重点对目前国内拥有的下棋机器人、解魔方机器人、环保舞蹈机器人进行技术分析。这些机器人都很好地结合了科学性、知识性和趣味性,又各有侧重点;下棋机器人重在启发人们的思维,让人们意识到机器人有像人一样思考的能力;解魔方机器人重在体现机器人执行命令的准确和坚决;环保舞蹈机器人重点展现机器人的设计和柔美的动作。

1 通用技术应用

   机器人作为高端技术的代表,其准确性是衡量性能非常重要的一个指标,智能性又是机器人的特性。为了充分体现机器人的属性,目前机器人技术模拟了人类的部分功能,如采用智能传感器、语言系统等。

   在机器人技术中,传感器技术被广泛使用,以提高机器人的智能性。常用的传感器包括超声波传感器和红外传感器。当物体靠近机器人时,传感器会检测到有物体靠近,便将信息反馈到控制系统,控制系统会根据传感器返回的值做出反应。传感器的应用使机器人的智能性大大提高。传感器相当于机器人的“眼睛”和“耳朵”,有了它们,机器人就可以了解周围的情况,并做出相应的动作,完成人们交予的各种工作任务。

   机器人的语音应用主要包括TTS(Text To Speak)技术和语音识别技术。语音识别技术让机器人能“听懂”语言,TTS技术让机器人将想说的话大声“说”出口。语音机器人大部分都配备了TTS设备及语音识别技术。TTS可以对文本文件进行实时转换,使输出的语音自然流畅。根据传感器获取的信息,机器人可以通过TTS语音合成技术“说”出自己的想法,在恰当的时候给人们提示和意见。我们还可以修改TTS系统的参数,改变机器人语言的音调、频率、速率和音量。通过TTS系统参数的设定,我们可以根据不同的需求,赋予机器人不同的角色和性格;赋予机器人轻快活泼的性格,使它成为人类的好伙伴;赋予机器人沉稳而坚定的声音,使它成为机器人科学家。如果说TTS系统是机器人的嘴巴,那么语音识别系统就是机器人的耳朵。语音识别系统可以接收语音信息并加以分析,随后与语音库中预存的句子进行比对,当配对成功后,系统将找到与之对应的回答语句,通过TTS向人们广播。就这样,配备了语音识别系统和TTS系统的机器人具备了与我们交谈的能力。我们可以把这种交谈能力赋予一些具有特殊需求的机器人,如迎宾导览机器人等。

2 机器人设计实例

   2.1 下棋机器人设计

   下棋机器人外形如图1所示,由工业机械臂及控制系统、棋盘系统和专家决策系统组成,可以和人们进行中国象棋的博弈。

下棋机器人

图1 下棋机器人

   2.1.1 硬件

   下棋机器人采用四自由度工业机械臂。多自由度的工业机械臂是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种工业机器人。工业机械臂具有高速、高精度、不间断工作的特性,能够代替人类从事大量的重复性、高精度操作,是工业生产不可或缺的重要设备。通过“中国象棋博弈”,该机器人在体现工业机械臂高速、高精度特性的同时,还使人们体验到其智能性。

   2.1.2 软件

   在与机器人互动的过程中,人们可以通过触摸屏控制自己的棋子,我们每走一步棋,下棋机器人就会做出对应的动作,然后根据专家决策系统的博弈理论决定自己如何走下一步棋。当机器人判断自身是否获胜后,会将比赛结果通过图像界面和语音2种方式告诉人们。

   下棋机器人应用Visual C++进行MFC应用程序编程。在整个下棋过程中,系统始终检测人们是否下棋。如果我们长时间没有反应,系统将返回初始状态;如果检测到我们行棋,系统将判断我们行棋是否符合规则,然后专家系统分析棋盘面状况,预测观众的行棋意图,做出自己的判断,开始走棋;如果检测到结束,会公布游戏胜负。

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