面向人工智能技术下机器人自动控制系统研究

面向人工智能技术下机器人自动控制系统研究

朱显宇

库卡机器人(广东)有限公司  广东 佛山 528000

摘要：传统的流程机器人的自控能力差，对多个方向的控制效果不好，造成了很大的偏差。为解决以上问题，本文提出了一种基于智能技术的流程机器人自动控制系统。系统的硬件部分包括主控模块、电源模块、电机驱动模块和 MCU模块；系统软件主要由硬件结构初始化、执行任务代码、网络通信、数据存储、数据处理等方式完成。

关键词：人工智能技术；自动控制；机器人

人工智能是一种综合性的技术，其目的在于探讨人的智能机制，以及它是怎样进行与人相似的智能行为。自1956年人工智能诞生以来，在过去的数十年中，人工智能的研究取得了许多突破性的进展，尤其是在神经网络、机器学习等智能控制方面，由于其基础知识的复杂性，以及学科之间的交叉，至今尚未形成一个完整的系统。随着网络时代的来临，人工智能技术特别是智能控制技术越来越受到人们的重视。众所周知，工业机器人的出现，大大提升了工业的生产力，而现在融合了人工智能技术的机器人，更是如虎添翼，可以让更多的人去执行更复杂的工作。

1.人工智能控制技术

1.1智能机器人概述

智能机器人是一种可以自主控制的机器人，可以感知、思考、运动，并具备视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官。智能机器人的思想系统是一种以人工智能为核心的中央处理器，通过对传感器所获得的数据进行处理、分析、判断、指令等操作。目前，基于模式识别、神经网络、深度学习等多种技术的智能机器人已经被广泛应用于各个领域。

1.2国内外发展现状

自从1954年美国首个可编程机器人问世以来，它已经取得了很大的成果。清华大学与西门子合作，率先提出了基于深度神经网络的机器人控制技术。中科院自动化研究所、西北工业大学、南京航天大学等多所大学和科研机构都在积极开展自主智能机器人的研究。二十世纪六七十年代，日、美、法、德等西方国家，都在研发机器人，美国是机器人的发源地，在工业、军事、医疗等领域都有广泛的应用；德国在第二次世界大战末期，由于工业基础扎实，加上政府的大力扶持，机器人行业得到了快速发展；日本在二战后因劳工短缺和国家大力支持下，目前已是继美国之后，全球第二大机器人科技发展国家。总之，随着技术和政策的推动，智能机器人行业的规模将会越来越大，不仅是军用，还有其他行业，甚至是进入了普通家庭。

2.基于人工智能技术的流程机器人自动控制系统软件设计

在此基础上，提出了一种基于智能技术的流程机器人自动控制系统。该过程机器人完成了预设的自动控制过程，并基于对象的识别结果产生一系列的过程，并利用智能原理对过程机器人进行优化。本文介绍了一种以人工智能为核心的机器人过程自动化控制系统的软件设计过程[1]。

图1 基于人工智能技术的流程机器人自动控制系统软件流程

首先，初始化控制系统。对主控程序，单片机，输入IO端口，定时器，寄存器，各种串口进行初始化。在完成了初始化后，主程序进入 while周期，然后等待系统发出控制命令，由控制系统按照流程机器人的运行状况发出控制命令，由主机接收命令并做出反应，由单片机按照控制命令的内容对目标进行识别，然后将所有的命令分段完成。利用人工智能技术，实现了对流程机器人的自动控制，实现了对流程机器人的自动控制。采用智能技术，对预先设定的工作任务进行仿真，由单片机进行仿真运算，得到该过程中的直流电动机的转速。计算公式为

在方程式中：V为 DC直流电机的旋转速度；P代表额定功率，μ代表摩擦因数；m代表直流电动机的质量；g代表 DC马达的扭矩；a是 DC马达的标称速度。

然后，基于所得到的直流电动机的速度，实现了由计算机进行的自动编程，完成了预定的运动轨迹。当控制命令被接收后，主控程序会对其进行检查，如果是正确的，那么它就会使用人工智能技术，建立一套智能化的工作流程，并将其保存下来，然后根据人工智能的工作流程，对目标进行自动识别，再根据人工智能的要求，实现自动和智能化的结合，在论域中实现自动操作。当自动操作过程与初始过程有很大的偏差时，可以使用纯比例控制方法，在最短的时间内减少误差，从而改善整个过程机器人的操作效率。此时流程机器人的执行效率F可表示为

公式中：λ代表过程机器人识别出的目标过程；i代表由人工智能技术预先设定的流程数量； F；代表进程机器人在 i过程中的执行效率。

最后，利用数据存储和数据处理功能，实现了对过程机器人进行自动化控制。该系统软件利用智能技术和因特网通讯技术，将设定好的生产过程传递给过程机器人，从而实现对生产过程的智能控制。利用主程序对流程机器人的运行状况进行处理，将目前的流程机器人的运行速度和供电模块的电压值进行显示，

此时电压U为

式中:表示系统功率;I表示电源电流。通过以上步骤可实现流程机器人的自动控制。

3.基于人工智能技术的流程机器人自动控制系统硬件设计

3.1主控模块

在主控制芯片的内部是32 bit RISC处理器。该处理器具有简单的指令，使用硬线控制逻辑，并使用 Cache- Host-Cache 3级存储器结构，使得存取和存储器分离，并且不会因为存储器的存取而减慢处理速度，具有良好的数据处理性能，可以高效地处理过程机器人的自动操作数据，大大提高了整个过程机器人的自动控制，具有低功耗、低成本等明显优势。同时，该系统的主芯片内部资源比较丰富，包括 I/0、 SDI、 SPI、 USB等多种接口。

图2 主控模块结构图

该系统的主要工作原理是：在 SDI端口上，利用 UART串行通信方式对流程机器人进行检测局部放电信息，并将编码器和传感器的输出信号与 USB接口进行通信，并使用32位计时器来产生马达的驱动信号。利用芯片上的 I/O端口来实现对主机的继电器的控制，并对其进行自动控制。

3.2电机驱动模块

为实现对直流电动机的有效控制，本论文使用了一种半导体电源。目前大多数的直流电动机都是采用开关方式， PWM脉冲宽度调节是最常用的，它的传动方式简单、方便。在流程机器人的自动化操作中，采用直流电动机的脉冲宽度调节，可以改善对流程机器人的反应，减小电动机的功耗，增加电动机的转速，减小静态摩擦对直流电动机的负荷，从而提高流程机械手的自动控制水平。本系统采用 SGS公司L298型步进电机专用驱动芯片，内置一桥型驱动器，能驱动54 V的电压，4 A电流，4路逻辑驱动，4路逻辑驱动电路，能把逻辑电平信号变换为低电平，具有3个引脚3，提供电源电压，引脚2和引脚6作为输出，其中引脚6可对直流电动机进行控制[2]。

3.3 单片机模块

单片机的采用的是 AVR RISC，它的指令集合比较先进，并且具有很高的运算速度。该系统能为生产过程机器人在进行指令传递时提供数据依据，内置256 KB可编程 Flash，可利用非挥发性程序实现流程机器人的自动操作。另外，本系统还提供了一个数据存储器，可以储存流式机器人的控制资料，E2PROM使用容量为8 KB，可以实现对流程机器人的自动控制，并能对片内存储器进行最大程度的优化。

3.4电源模块

整个过程机器人的自控系统能否安全稳定的运行，与供电模块有着密切的关系。电源模块通常具有较高的能量密度和较小的体积，节约了系统的空间。在整个过程机器人的自动控制系统中，电源主要由电池、电源转换芯片和控制电路等部分构成[3]。

4.人工智能技术下机器人自动控制系统的应用

4.1模式识别

模式识别技术是利用机器人的控制系统，完成对周围环境的识别与处理。通过模式识别技术，能够精确地识别和处理环境，实现智能化、信息化、网络化，实现自动控制。利用模式识别技术，可以让微小的医疗机器人，在进入病人体内的时候，就能了解到病人的情况。这样，医生就可以通过微型的医学机器人来检测和使用药物，从而提高了对患者的检查效率，提高了诊断的准确性，减少了患者的疼痛。总之，模式识别技术可以极大地提高机器人的自动控制能力，特别是在机器视觉和图像处理领域[4]。

4.2机器学习

学习是人和机器最大的不同，让机器能够学会如何去帮助人类，这是所有科学家的追求。随着人工智能技术的迅速发展，机器学习技术也逐步形成了一个涵盖控制论、统计学、哲学、信息学等诸多学科的新兴学科。目前，机器学习已经成为当今最活跃的研究领域，它已经被广泛地应用于机器人、自动驾驶、人脸识别、医学图像处理、智能监控等各个方面，并在军事、医疗、工业等方面有着越来越多的应用。

5.结语

针对传统的流程机器人控制系统控制精度低、效果不理想的问题，提出了一种以智能技术为基础的流程机器人自动控制系统。该系统稳定可靠，对整个流程机器人的开发起到了很大的作用。但是，本论文并没有为流程机器人的实际操作数据设计专门的采集模块，在以后的实验中增加了采集模块，以改善其自动化程度。

参考文献：

[1]潘峰,鲍泓. 强化学习的自动驾驶控制技术研究进展[J]. 中国图象图形学报,2021,26(1):28-35.

[2]刘钊铭. 基于运动模块化技术的机器人控制系统研究[D]. 中国科学院大学,2019.

[3]吕晓华,李艳,彭丽叶. 测量机器人远程自动化PLC控制系统设计[J]. 制造业自动化,2022,44(4):187-190,204.

[4]王义峰. 人工智能技术在电气自动化控制中的应用[J]. 商品与质量,2021(23):2.