机器人学浅谈及反馈控制

第一节 机器人学浅谈


机器人是自动控制机器(Robot)的俗称,自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械,如机器狗。至今对机器人尚无统一定义,笔者认为,根据智能的程度,可以把机器的智能程度分为以下六类
第一类:手动操作机器,由操作人员直接操作的具有运动功能的装置,如阿凡达里面上校用的作战机器人或者你家的小轿车。
第二类:定序机器,按照机器设计之初的构想能顺序、条件、位置,逐步地重复执行给定的作业任务,但其设定的信息(如工作步骤等)难以更改,如生产线上面一般的自动化装置。
第三类:变序机器,和第二类一样,但其工作次序等信息易于修改。
第四类:示教型机器人,拥有记忆存储装置来复现原先由人操作过的示教动作,这些动作能够被重复执行,譬如许多常见的工业机器人。
第五类:程控机器人,由预先约定好的指令程序而不是操作人员的示教动作来执行给定的任务,譬如数控机床。
第六类:智能机器人,能够通过传感器来独立检测其工作环境或工作条件的变化,并借助其自我决策能力,成功的进行相应的工作,譬如发射至火星表面探险的机器人。
基本上,我们只将最后四种机器装置称为机器人,更因为公众的想象和科幻小说以及电视电影中的展望,我们往往只将最后一类智能机器人认定为真正的机器人。所以理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物,目前科学界正在向此方向研究。


此外,现在有些电脑程序甚至也被称为机器人。Googlebot是google的机器人的意思,也称google爬虫。google机器人是Google 的web 抓取漫游器。它从web上收集文档,为Google搜索引擎建立可搜索的索引。这种给计算机程序安上机器人称呼的原因是由于它们往往是较为智能,这些融入了人工智能研究成果乃至于机器自主学习能力的程序,如清华大学图书馆机器人小图(http://166.111.120.164:8081/programd/)。它们虽然能够部分像人一样通过学习来回答我们提出的问题,但笔者认为毕竟不能归为真正意义上的机器人。


笔者认为,无论多么智能的程序,计算机程序和机器人有天然的界限。迄今为止,计算机与人类交流的方式基本上只限于键盘、屏幕、鼠标、打印机等。而机器人是拥有和物理环境直接交互能力的机器。它不仅要有智能的程序,更要有获取外部物理环境的各类传感器和影响外部环境的装置。譬如能驱动运动装置的电机、能感知颜色、距离、气味、声音的传感器。因为相比传统计算机只能依靠键盘鼠标输入,以iPhone为代表而出现的智能手机已经大大的前进了一步,譬如使用触摸屏,重力传感器等,其使得人可以用更自然的方式与机器对话。但这仍然不够,我们所强调的智能机器人,不仅仅是与人对话,更重要的是与环境交互。譬如能够自主的绕开障碍物,或者自主的寻找目标,又或者在迷宫中穿梭而能找出破解迷宫的路径等等。


有关机器人的话题,常见于科幻作品中。科幻小说中对机器人行为的描述,以科幻小说家以撒·艾西莫夫在小说《我,机器人》(I, Robot)中所订立的“机器人三定律”最为著名。 艾西莫夫为机器人提出的三条“定律”(law),程序上规定所有机器人必须遵守:
第一法则:机器人不得伤害人类,且确保人类不受伤害;
第二法则:在不违背第一法则的前提下,机器人必须服从人类的命令;
第三法则:在不违背第一及第二法则的前提下,机器人必须保护自己。
“机器人三定律”的目的是为了保护人类不受伤害,但艾西莫夫在小说中也探讨了在不违反三定律的前提下伤害人类的可能性,甚至在小说中不断地挑战这三定律,在看起来完美的定律中找到许多漏洞。取材于这部科幻小说的电影I, Robot(中文译:名机械公敌)已于2004年公映,有兴趣的读者可以通过网络等渠道去领略科幻大师心目中的机器人与人的世界。


第二节 反馈控制原理
要实现控制,先要知道什么是反馈。反馈现象广泛存在于自然界的生命体和许多人造的智能系统中。
譬如,我们需要让一个电动机每分钟转500圈,在实际运转过程中会有很多干扰因素。这些干扰因素有我们可以理论估算的,也有难以估算的,诸如润滑状况改变导致摩擦力的变化、同型号但不同批次电机内部机构的差异、高速旋转轴的振动等等。那如何来保证这个结果与我们期望相符?如果电机的实际转速比预期低,那么我们就要供给电机更多的能量来加速以达到预期转速;如果电机的实际转速比预期高,那么我们就要减少供给电机的能力来减速以回到预期转速。
这样很自然的想法,就引入了反馈,因为我们需要通过传感器之类的采集装置,随时测量电机现在的转速,然后将这个结果反馈给决策系统,让决策系统通过控制的途径来调节以达到预期的值。

如图所示,由于有了感知系统形成的反馈回路,整个控制系统就闭合成了一个环,专业术语就是闭环控制,于此相对的,就是不存在反馈回路的开环控制。
历史上,著名的瓦特在发明蒸汽机的同时也给蒸汽机系统配上了一套可以控制蒸汽机转速的离心调速器。通过这个拥有闭合环路的蒸汽机,人们就可以控制其转速在我们所设定的目标范围内。其原理是,在离心式调速器中有二颗重球锥摆,其旋转速度和蒸汽机相同,当蒸汽机的速度提高时,重球因离心力移到调速器的外侧,因此会带动机构,关闭蒸汽机进气阀门, 使得蒸汽机速度会下降,当蒸汽机速度过低时,重球会移到调速器的内侧,再开启蒸汽机进气阀门。依此原理即可将蒸汽机的速度控制在一定范围内。

                   

这种离心调速机就是典型的负反馈系统,特点是系统的输出会影响系统的输入,在输出变动时,所造成的影响恰和原来变动的趋势相反(速度过快,则关闭进气阀门使其降低,速度过低,则开启进气阀门使其提高);反之,就称为正反馈。在控制系统中,我们往往使用负反馈,因为它能使我们需要控制的物理量稳定在我们需要的范围内。
在瓦特那个时代,人类显然还没有利用电来进行能量的驱动或者信息的处理,所以整个控制系统都是纯机械的。然而在今天,由于使用电子器件和线路更容易进行信息的采集和处理,机械部分往往只出现在动力的变换和最终的执行机构(Actuator),其反馈部分往往采用各种电子传感器(Sensor),而比较部分往往采用各种微控制器(MCU/Microcontroller Unit)。如此,自然就诞生了机电一体化系统和机械电子工程的交叉前沿学科。

如图所示,机电整合电子硬件、程序或软件,对机械进行控制,有别于以往机械工程较少触及电子方面。当中较为人熟悉的机电一体化产品,即本书探讨的主题机器人。这些产品的系统包括以下四项:
机械系统
电子系统
控制系统
电脑(微控制器)

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