基于神经网络的机器人动态控制技术研究

第２５卷第５期　北京工商大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．５　２００７年９月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｓｅｐ．２００７　２５　文章编号：１６７１　１５１３（２００７）０５—００２５　０４　基于虚拟现实技术的网络控制机器人系统研究　

战晓磊，　辛洪兵，　徐正兴　（北京工商大学机械自动化学院，北京１０００３７）　

摘要：遥操作机器人的特点决定了其与虚拟现实的特殊关系，虚拟现实技术为机器人领域提供　了强有力的技术手段．本文阐述了遥操作机器人和虚拟现实技术的基本内容，研究现状和技术特　点．并指出了研究基于虚拟现实技术的遥操作机器人系统的必要性．　关键词：遥操作；遥操作机器人；虚拟现实　中图分类号：ＴＰ２４　文献标识码：Ａ　遥操作机器人是指在人无法到达或对人身体有　害的环境中，通过人的控制完成复杂操作的一种远　距离操作系统．遥操作机器人一般需要具有以下４　种功能：操作功能、感知功能、通讯功能和决策功能．　自从遥操作机器人问世以来，在海底作业、宇宙空间　以及核工业等危险场所都得到了广泛应用＿１］．　遥操作机器人拓展了人的感知和行为能力，可　以协助人类完成一些危险、极限和人不可到达环境　下的任务．但传统遥操作机器人一直存在着人机接　口落后、操作人员负担过重以及由时延造成的系统　不稳定等问题，为了解决这些问题，人们将２０世纪　末兴起的虚拟现实技术应用到遥操作机器人系统　中．首先利用计算机系统建立一个跟真实环境接近　的虚拟环境，然后通过视觉、听觉、力觉等传感器和　设备与虚拟环境进行交互，使人产生一种”身临其　境”的沉浸感．利用虚拟现实技术，不仅可以为用户　提供崭新和谐的人机交互界面，而且可以实现操作　任务的预先演练，成为提高遥操作效率和可靠性的　有效途径　Ｊ．　国内外研究和发展状况［。］　基于网络的机器人的思想是由Ｋｅｎ　Ｇｏｌｄｂｅｒｇ　于１９９４年春首先提出的，其最初的构想是给公众提　供可通过万维网访问的遥控机器人，并支持用户对　其实施远程操作．这一构想极大扩展了于５０年前　提出的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可通　过ＨＴＴＰ提供的低成本且能被广泛应用的接口来　访问并共享远程资源．Ｋｅｎ　Ｇｏｌｄｂｅｒｇ很快就将这一　构想应用到ＭｅｒｃｕｒｙＰｒｏｊｅｃｔ中．这一计戈Ｕ是采用安　装有ＣＣＤ摄像头和气囊系统的工业机器手在装有　沙子并埋有人造物的半圆形工作空间中实施发掘工　作．ＭｅｒｃｕｒｙＰｒｏｊｅｃｔ是第一个基于万维网的机器人．　在１９９４年８月到１９９５年３月间，有超过５０，０００的　独立主机访问过其在南加州大学的遥操作控制主　页．１９９５年ＭｅｒｃｕｒｙＰｒｏｊｅｃｔ被ＴｅｌｅｇａｒｄｅｎＰｒ０ｊｅｃｔ所　取代，新计划中仍是采用装有ＣＣＤ摄像头的机械手　复合其它机构通过万维网给网络用户提供远程培植　操作．　几乎同期与Ｋｅｎ　Ｇｏｌｄｂｅｒｇ的ＭｅｒｃｕｒｙＰｒｏｊｅｃｔ向　网络用户开放的遥操作机器人还有西澳大利亚大学　Ｋｅｎｎｅｔｈ　Ｔａｙｌｏｒ研发的安装有固定摄像头并具有六　自由度的机械手臂，它支持网络用户在工作空间中　实施用积木建造复杂建筑的操作．继Ｋｅｎ　Ｇｏｌｄｂｅｒｇ　和Ｋｅｎｎｅｔｈ　Ｔａｙｌｏｒ的开创性工作之后，越来越多的　学者投入到基于网络的机器人技术的研发工作中　来．如ＮＡＳＡ（美国航空航天局）的一些专家开始研　收稿日期：２００７—０６—０８　作者简介：战晓磊（１９８１一），男，北京人，硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化；　

神经网络控制系统的研究与实现

一、 研究背景

随着人工智能技术的快速发展，神经网络控制系统（NNCS）成为了近年来最为热门的研究领域之一。NNCS的核心思想是将神经网络理论与控制理论相结合，实现自主学习和自主决策的控制系统。它能够广泛应用于机器人控制、智能制造、自动驾驶等领域，在提高生产效率、降低成本、提升人类生活质量等方面具有重要的意义。

二、 研究内容和方法

（一）NNCS的基本原理

NNCS是基于神经网络理论的一种控制系统，其基本原理是将神经网络作为控制系统的核心部分，通过训练神经网络，使其学习到控制系统的动态特性和最优控制策略，从而实现优化控制。

（二）NNCS的研究方法

NNCS的研究方法主要包括以下几个方面：

1. 神经网络模型的构建：在神经网络模型中，需要确定神经网络的拓扑结构、激活函数和连接权值等参数，以实现对控制系统的有效建模。 2. 神经网络训练算法的选择：针对不同的控制系统，需要选择合适的神经网络训练算法，如BP算法、RBF算法、ELM算法等，以实现对神经网络参数的自适应学习和优化。

3. 控制策略的设计与优化：在神经网络模型中，需要设计合适的控制策略，如模糊控制、PID控制、自适应控制等，并利用神经网络的自适应学习能力不断优化控制策略，以达到更为优化的控制效果。

（三）NNCS的实现技术

NNCS的实现技术主要包括以下几个方面：

1. 硬件平台的选择：为了实现NNCS，需要选择适合的硬件平台，如FPGA、DSP、ARM、GPU等，以满足不同的应用需求。

2. 软件工具的选择：在神经网络模型的构建、训练和优化等过程中，需要使用到不同的软件工具，如MATLAB、Python、Caffe、TensorFlow等，以实现高效、精确的控制算法设计和实现。

3. 系统集成和测试：在NNCS的实现过程中，需要对各个组成部分进行优化、测试和集成，以保证整个系统的正确性和稳定性，同时对系统的性能进行评估和优化。

机器人中的运动控制与智能感知研究

近年来，随着人工智能和机器人技术的飞速发展，机器人在各个领域扮演着越来越重要的角色。机器人的运动控制和智能感知是机器人能够完成任务的关键。本文将深入探讨机器人中的运动控制和智能感知的研究现状和未来发展趋势。

一、运动控制

机器人的运动控制是指机器人的姿势和位置的控制，以实现特定任务。传统的机器人运动控制主要依靠编程和传感器反馈来实现。例如，通过编写程序来控制机器人的关节运动，或者通过传感器获取机器人当前位置和姿势，并进行反馈调整。

然而，随着深度学习和强化学习等人工智能技术的兴起，机器人的运动控制得到了显著的改进。深度学习可以通过训练神经网络来实现机器人的运动规划和控制。强化学习则可以通过与环境的交互来优化机器人的运动决策，并实现更加智能化的运动控制。

此外，机器人中的运动控制还面临着一些挑战。例如，机器人在不确定环境中的运动控制需要具备对环境的感知和理解能力，以及适应性的规划和控制方法。目前，研究人员正在探索利用感知技术、深度学习和强化学习等方法来解决这些挑战，以提高机器人的运动控制性能。 二、智能感知

智能感知是指机器人对周围环境进行感知和理解的能力。传统的感知技术主要包括图像处理、语音识别和传感器数据融合等方法。例如，机器人可以通过摄像头获取环境中的图像，通过语音识别技术理解人类的指令，通过传感器数据融合来获取环境的深度和温度等信息。

然而，传统的感知技术存在一些限制。例如，图像处理技术可能受到光线条件和背景噪声的影响，导致感知结果不准确。语音识别技术可能受到发音方式和语音噪声的影响，导致识别结果错误。传感器数据融合可能受到传感器的误差和不完整信息的限制，导致对环境的感知不全面。

为了克服这些限制，研究人员正在探索利用深度学习和计算机视觉等技术来改进机器人的智能感知能力。例如，可以使用深度学习技术来训练神经网络识别并分类图像中的物体和场景。此外，还可以利用计算机视觉技术对复杂环境进行建模和分析，实现更加精准和智能的感知。

第２４卷第３期　２００２年５月　机器人ＲＯＢＯＴ　Ｖｏｌ＿２４，Ｎｏ．３　Ｍａｙ．２００２　文章编号　１００２—０４４６（２００２）０３—０２７６—０７　

基于网络的机器人控制技术研究现状与发展　

庄严　王　伟　恽为民　（】ｌ大连理工大学信息与控制研究中心大连Ｌ１６０２４；　２上海广茂达电子信息有限公司上海２００２３３）　摘要：随着网络技术的飞速发展，传统的机器人控制技术与先进的阿络通讯技术不断融台．使基于网络的机　器人控制技术也得以不断发展．本文首先介绍了国内外基于网络的机器人控制技术的研究现状，对其研发的技术特　点和应用领域进行了着重分析，并对这一研究领域的发展方向进行了探讨．　美键词：基于阿络的机器人；遥操作｛自主移动机器人；分布式机器人系统；分布式机器人软件库　中图分类号　ＴＰ２４　文献标识码　Ｂ　

ＳｒＡＴＵＳ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ　０Ｆ　Ｒ０Ｂ０ＴｌＣ　Ｃ０ＮＴＲ０Ｌ　ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＩＥＳ　ＢＡＳＥＤ　０Ｎ　ＮＥＴＷ０ＲＫＳ　

刎ＡＮＧ　Ｙａｎ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ　ＹＵＮⅥｒｅｉ—ｗＳｎ　（１．ＲｅｓｅａｒｃｈＣ￣ｔｅｒ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｆｆ￣ａｎｄＣｏｎｔｒｏｔ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓ　ｒ　ｏｆＴｅｃｈｎ￣ｏｇｙ，Ｄａｔｉａｎ　１１６０２４　２．Ｃ－ｒａ￣ｄａｒ目ｋ　切　８－　如　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，　ｋ　口ｆ　２００２３３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ±Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｅｒｎｅｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｔ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｆａｒ－ｒｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｎｔｉｏｎ　０ｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｂ—ｂａｓｅｄ　ｒｏｂｏｔｉ￣ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｗｅｂ－ｂａｓｅｄ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｂｅｎ　ｉｔ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｋｅｒｎｅｌ　ｏｆ　ｗｅｂ—ｂａｓｅｄ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ．ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ．Ｓｏｍｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏｐｉｃｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｂ＿ｂｍｓｅｄ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ　８　ｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｂ－ｂａｓｅｄ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ．ｔｅｌｅｒｏｂｏｔｉｃｓ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔｓｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｒｏｈｅｔｉｃ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｌｉｂｒａｒｙ　１引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）　信息技术是当前高技术发展中的主流技术．它　的发展对其它技术会产生极大的影响．机器人技术　将借助信息技术而发展，同时机器人技术也会对信　息技术的发展产生推动作用．网络机器人这一新概　念的提出及利用先进网络通讯技术发展网络机器人　就是有说服力的饲子，这两者的结合是必然的趋　势ｒ　．　随着网络技术的发展，网络技术已逐渐渗透到　各个领域．基于网络的机器人控制就是利用网络实　现远程的机器人控制．网络的传输速率、时间迟延、　数据丢失等是基于网络的机器人控制所面临的问