机器人智能控制系统导论
机器人的智能从无到有、从低级到高级，随着科学技术的进步而不断深入发 展。计算机技术、网络技术、人工智能、新材料和 技术的发展，机器人的智 能化、网络化、微型化发展趋势凸显出来。新出现了各种智能机器人，主要有以下 几类。
网络机器人
网络技术的发展拓宽了智能机器人的应用范围。利用网络和通讯技术，可以对 机器人进行远程控制和操作，代替人在遥远的地方工作。利用网络机器人，外科专 家可以在异地为病人实施疑难手术。 年，身在美国纽约的外科医生雅克 马 雷斯科为躺在法国东北部城市的一位女患者成功地用机器人做了胆囊摘除手术，
这就是一个网络机器人成功应用的范例。在国内，北京航空航天大学、清华大学和 海军总医院共同开发的遥控操作远程医用机器人系统 ，可以在异地为病人实施开 颅手术。
美国一家网络科技公司研制了一个金属骷髅机器人玩具，模仿《绝灭战士》里 的机器人。用户通过串行口将骷髅机器人连接到自己的电脑上，就能通过互联网控 制骷髅机器人。骷髅机器人那双散发红光的眼睛，隐藏着小型相机，相机能将周围 的影像传送到控制者的电脑中。另外，骷髅机器人还能将用户传递的语言信号以阴 森森的声音说出来。网络机器人在远程医疗、战地救护、娱乐等领域有广阔的应用 前景。
微型机器人
日本东京工业大学的一名教授对微型和超微型机构的尺寸作了一个基本的定 的 为 小
义。机构尺寸在 型 机 构 ， 的为微型机构， 以 下
的为超微型机构。微型机器人的发展依赖于微加工工艺、微传感器、微驱动器和微 结构四个支柱。现已研制出直径 、长 的铰链连杆和 的 滑块结构以及微型的齿轮、曲柄、弹簧等。贝尔实验室已开发出一种直径为
的齿轮 。德国卡尔斯鲁核研究中心的微型机器人研究所研究出一种 射线深刻
化，变换结构。如机器人可以依照环境的变化将自己变成一条蛇或者一个四条腿爬
图 “ 眼 车”系统
它可能要采用力与位置的混合控制技术，还可能为机器人的本体装上柔性手腕，才
图 智 能 机 器 人 图 智能机器人
除 了 工 业 应用 外，智 能 机 器 人 在农 业、林 业、矿 业、军 事、医 疗、文 娱等 领 域 得 到 广泛应用。可以预见，智能机器人将首先在军事、医疗、文娱等领域取得突破性 进 展。
医疗机器人是指辅助或代替人类医生进行医疗诊治及护理的机器人。医疗机 器人有多种类型，如医疗外科机器人、 射线介入性治疗机器人、无损伤诊断与检 测微小性机器人、人工器官移植与植入机器人、康复与护理机器人等。
脑神经外科手术辅助机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起，并越来越受 到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层面扫描图像或核磁共振 图像的三维医疗模型，对脑神经外科手术进行规划与虚拟操作，最后由机器人进行 辅助定位或手术操作。脑神经外科手术辅助机器人主要由手术规划和辅助手术两 大部分组成。手术规划是以计算机图形学为基础，以 、血管造影等影像学 技术为主要手段获取医疗图像，并对这些图像进行处理和三维模型重建，在手术前 获得病人病灶点及周围组织的三维立体图像，构成一个“虚拟病人”，通过虚拟现实 技术的各种仿真及交互方法，医生可以反复对病人进行虚拟手术，确定最佳的手术 方案。辅助手术操作是在规划完成后，规划的手术方案的技术参数将从规划系统传 送给机器人控制器，通过映射测量和映射算法将图形空间的规划参数变换到机器 人操作空间，机器人按预定的手术方案完成指定的辅助手术操作。
目前脑神经外科手术的发展趋势是追求安全、微创和精确，使用机器人进行立 体定向脑神经外科手术能够满足这些要求，并且在微创方面获得了传统治疗方法 不可比拟的良好效果。在使用机器人系统之前，国内外普遍使用的是有框架脑立体 定向手术，即在患者的颅骨上固定一个金属框架，并拍摄 片 。 医 生 通 过 片 来确定病灶在这个框架中的具体位置，并决定手术的位置。手术时在病人颅骨上钻 一个小孔，将手术器械通过探针导管插入病人脑中，对病灶点进行活检 放 疗、切 除
后摆动手臂，行走频率为每秒 步，并具备简单的语言功能。
等手术操作。采用机器人进行立体定向神经外科手术时，机器人可以在手术时自动 计算出开颅位置和方向，并精确控制探针插入的深度。用机器人辅助立体定向神经 外科手术，不但没有了固定框架给患者带来的痛苦和给医生带来的操作不便，而且 提高了定位精度和操作的可视性，为患者最大限度地减少了手术创伤。
在实现本地辅助医疗的基础上，医疗机器人正向远程辅助医疗的方向发展。
月 日 ，法
年 国医生雅克 马雷斯科领导的医疗小组在美国纽约为远在法
国斯特拉斯堡的病人进行胆囊摘除手术。远程遥控手术由法国曜公司提供网络支 持，成功地将远程信号的反馈时间降到 ，雅克医生通过网络远程遥控在法国 手术室内的外科手术机器人“ ，机器人将装有微型光纤摄像头的内窥镜导 入 病人 的 腹部 ， 然后 使 用解 剖 刀和 镊 子摘 除 了可 疑 的胆 囊 组织 ， 整个 手 术耗 时
，病人 在术后 恢复排尿，并没有发生任何并发症，成功实现了世界首例 跨洋手术。图 所示为医生在手术。网络机器人在家庭服务、娱乐领域也将大显 身手。在拉斯威加斯的计算机展销会上，展示了如图 所示的网络机器人。机器 人的外形像火星探测车或一条狗，具有友好的外形。机器人身上安装了数字摄像 机、声纳、麦克风和喇叭。只要你能用计算机或手机上网，就可以对网络机器人发号 施令。你在外地出差，网络机器人可以帮助你照看孩子、倒垃圾，甚至是喂狗。
图 远 程 胆 囊 摘 除 手 术 图 网 络机 器人
微型机器人是智能机器人的又一个重要方向。在西游记中，孙悟空经常摇身一 变，变成一个虫子，钻入妖魔鬼怪的腹内。这虽然是神话，但从一个侧面反映了人类 的梦想。随着微型机电系统的不断深入发展，微型机器人进入人体内进行手术、疏 通血管、定点投放药物，将不再是梦想。国外正在开发体内自主行走式诊断治疗、定 点投放药物、体内微细手术的外科手术机器人。医生用注射器将微型机器人推人体 内，机器人携带生物传感器对人体组织进行检查，并将信号反馈到信息处理中心进 行分析处理。如果发生病变，医生可以指挥机器人进行手术、定点投放药物等操作。
机器人完成工作任务后自行消失，随人体废弃物排出，对人没有任何副作用。目前 已经开发出一些样机，想必在不久的将来，这项技术将进入我们的生活，造福人类。
智 能 机 器 人 的 体 系 结 构
智能机器人的体系结构主要包括硬件系统和软件系统两个方面。由于智能机 器人的使用目的不同，硬件系统的构成也不尽相同。比较典型的结构如图 所 示。该结构 是以人 为原型 设计的。系统 主要包 括视觉系 统、行走机 构、机 械手、控制 系统和人机接口。
图 智能 机器人 的硬件 系统
视觉系统
智能机器人利用人工视觉系统来模拟人的眼睛。视觉系统可分为图像获取、图 个部分，如图 所示。视觉传感器是将景物的光信号转换
像 处理、图 像理 解 成
电信号的器件 。早期智能机器人使用光导摄像机作为机器人的视觉传感器。近年 器件 。同电 来，固态视觉传感器，如电荷耦合器件 、金属氧化物半导体
视摄像机相比，固体视觉传感器体积小、质量轻、余晖小，因此得到广泛的应用。视 觉传感器得到的电信号经过 转换成数字信号，即数字图像。单个视觉传感器 只能获取平面图像，无法获取深度或距离信息。目前正在研究用双目立体视觉或距
离传感器来获取三维立体视觉信息。但至今还没有一种简单实用的装置。数字图
结构中的各种问题，并使结构思想具有一定的普遍指导意义。本节将把依据不同原 则的代表型结构加以介绍，并对一般原则作一总结。
美国学者 根据随着控制精度的增加而智能能力减弱的原则，提出智能 控制系统的分层递阶结构。他将智能控制系统分为组织级、协调级和执行级三个层
所示。执行级是面向
次，如 图 设备参数的基础级，执行确定的运动和提供明确 的信息需求，在这一级不存在不确定性，可以用常规的控制理论方法进行设计。协 调级接受组织级的指令和子任务执行过程的反馈信息，来协调下一层的执行，确定 执行的序列和条件。它是一个离散事件动态系统，主要运用运筹学的方法研究。组 织级接受任务命令，解释这个命令，并根据系统其他部分的反馈信息，确定任务，表 达任务，并把任务分解成系统可以执行的若干子任务。因此，组织级应具有任务表 达，对抽象任务的规划、决策和学习的功能和子任务库。它是智能控制系统中、智能
次，如 图 设备参数的基础级，执行确定的运动和提供明确 的信息需求，在这一级不存在不确定性，可以用常规的控制理论方法进行设计。协 调级接受组织级的指令和子任务执行过程的反馈信息，来协调下一层的执行，确定 执行的序列和条件。它是一个离散事件动态系统，主要运用运筹学的方法研究。组 织级接受任务命令，解释这个命令，并根据系统其他部分的反馈信息，确定任务，表 达任务，并把任务分解成系统可以执行的若干子任务。因此，组织级应具有任务表 达，对抽象任务的规划、决策和学习的功能和子任务库。它是智能控制系统中、智能