基于知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人設(shè)計(jì)

萬(wàn)新峰

（德州科技職業(yè)學(xué)院，山東德州 251200）

0 引言

由于傳統(tǒng)知識(shí)庫(kù)機(jī)器人對(duì)外界感應(yīng)效果低，在搜集、組織知識(shí)和信息時(shí)存在許多問(wèn)題，不能滿(mǎn)足采集需求，因此提出了基于知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)。人工智能機(jī)器人總體架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云技術(shù)層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)和信息的正確分析和判斷。

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人工智能技術(shù)得到了前所未有的提升，人工智能在社會(huì)各領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[1]。現(xiàn)代智能機(jī)器人可以完成人類(lèi)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下無(wú)法完成的任務(wù)，能夠進(jìn)行精密復(fù)雜數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)信息采集、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)和全方位查看周?chē)h(huán)境，工作效率高，節(jié)省了大量人力成本。智能知識(shí)庫(kù)具有智能性知識(shí)管理系統(tǒng)，能夠?qū)χR(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行查詢(xún)、插入、修改和刪除，有效控制知識(shí)安全、知識(shí)共享、并發(fā)控制、故障恢復(fù)等，解決了傳統(tǒng)機(jī)器人知識(shí)庫(kù)管理困難，查找緩慢、效率低，缺乏安全保障等問(wèn)題，提高了知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)的水平[2]。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)

在知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人設(shè)計(jì)中，通過(guò)構(gòu)建操作能力強(qiáng)、感知能力強(qiáng)的機(jī)器人功能，建立高靈活性的硬、軟件系統(tǒng)，利用攝像頭對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行全方位的采集，通過(guò)客戶(hù)端將不同數(shù)據(jù)連接起來(lái)，從而不斷獲取服務(wù)器傳回的相關(guān)數(shù)據(jù)，相關(guān)硬件設(shè)備將獲取的當(dāng)前數(shù)據(jù)特征進(jìn)行檢測(cè)與判斷，為機(jī)器人提供穩(wěn)定可靠的運(yùn)行[3]。

知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器總體結(jié)構(gòu)配置主要包括應(yīng)用層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云技術(shù)層4 個(gè)部分。其中，應(yīng)用層位于總體架構(gòu)的最頂層，負(fù)責(zé)信息交互，由移動(dòng)終端、調(diào)度中心、管理軟件等組成的，軟件系統(tǒng)將獲取的信息進(jìn)行可視化處理后，提供給用戶(hù)精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)；感知層是機(jī)器人總體架構(gòu)的核心層，將感知采集的環(huán)境信息進(jìn)行傳輸；網(wǎng)絡(luò)層將感知層的數(shù)據(jù)信息安全可靠的傳輸?shù)礁鱾€(gè)層次之中，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)與移動(dòng)端的連接；在局域網(wǎng)支持下，云技術(shù)層將軟硬件資源與關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)統(tǒng)一起來(lái)，利用虛擬化技術(shù)，避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)流程，可直接訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器就能快速準(zhǔn)確地獲取機(jī)器人系統(tǒng)所感知的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、交流與共享，具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)置

知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)多個(gè)模態(tài)下的參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理與信息傳輸（圖1）。

在機(jī)器人結(jié)構(gòu)配置中主要包括傳感器模塊、攝像頭模塊、嵌入式微處理器、環(huán)境感知模塊、電源模塊和移動(dòng)終端等。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別數(shù)據(jù)特征進(jìn)行指令傳達(dá)后，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。結(jié)構(gòu)還設(shè)置了實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)裝置，可將監(jiān)測(cè)的信息反饋給控制系統(tǒng)，通過(guò)與設(shè)定信息比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，確保機(jī)器人動(dòng)作符合預(yù)定的要求[7]。遠(yuǎn)程視頻服務(wù)擴(kuò)展了視頻監(jiān)控應(yīng)用的范圍，可以準(zhǔn)確獲取外界情況的變化，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的動(dòng)作以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精度。將PC 機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)與服務(wù)器直接連接，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與播放，提高了信息反饋效率，而機(jī)器人系統(tǒng)中每個(gè)模塊都包含了一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)程，這些線(xiàn)程可以根據(jù)需求進(jìn)行有用線(xiàn)程啟動(dòng)或無(wú)用線(xiàn)程阻塞，有效提升了機(jī)器人系統(tǒng)工作的效率[8]。

1.1.1 微處理器

機(jī)器人系統(tǒng)微處理器采用32 位以上S3C2416XH40 型號(hào)微處理器，這種嵌入式結(jié)構(gòu)與功能硬件的有效融合，可以去除冗余數(shù)據(jù)、降低功耗，滿(mǎn)足機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用要求。其內(nèi)部集成芯片選用通用CPU 板卡，負(fù)責(zé)信號(hào)處理、語(yǔ)音合成、數(shù)據(jù)特征識(shí)別等，具有體積小、重量輕、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作能力，任務(wù)完成效率高。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)配置

1.1.2 集線(xiàn)器

USB 集線(xiàn)器是一個(gè)移動(dòng)電源，作為提供擴(kuò)展通訊設(shè)備可以為機(jī)器人移動(dòng)終端充電，能夠?qū)⒁粋€(gè)接口擴(kuò)展為多個(gè)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)分流。電源適配器在標(biāo)準(zhǔn)220 V 電壓下，計(jì)算機(jī)USB 接口是通過(guò)主板上USB 集線(xiàn)器芯片擴(kuò)展的，如果USB 集線(xiàn)器不帶外接電源，將會(huì)增加連接移動(dòng)硬盤(pán)的供電負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生的功耗較大，當(dāng)USB 集線(xiàn)器帶外接電源，那么USB 網(wǎng)卡能夠正常工作，功耗較小。

1.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)板采用L298N 型號(hào)的配套裝置，驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)，具有過(guò)熱自斷功能和反饋檢測(cè)功能。L298N 型號(hào)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在電壓范圍5～50 V 內(nèi)提供2～3 A 電流，能夠驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)主控芯片對(duì)控制電平進(jìn)行設(shè)定，確保電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，操作簡(jiǎn)單，速度高，能夠滿(mǎn)足直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。

1.1.4 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括機(jī)械手、行走移動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器、控制部分、信息處理部分等，在交互環(huán)境下，機(jī)械手可以完成各種各種，機(jī)器人靠移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)行走。人工智能機(jī)器人依靠傳感器來(lái)感知自身和周?chē)h(huán)境變化，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制機(jī)器人的動(dòng)作，信息處理裝置負(fù)責(zé)信息機(jī)械合理的采集、分析和判斷，并作出實(shí)時(shí)決策方案。

1.1.5 環(huán)境感知模塊

環(huán)境感知模塊可進(jìn)行多模態(tài)環(huán)境下參數(shù)的采集、處理與更新，為用戶(hù)提供精準(zhǔn)可靠的定位感知服務(wù)，可在多個(gè)終端、網(wǎng)絡(luò)情況下為特定用戶(hù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。多模態(tài)環(huán)境感知模塊通過(guò)對(duì)不同環(huán)境信息進(jìn)行不同模態(tài)的處理方式，利用關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)將數(shù)據(jù)型消息進(jìn)行簡(jiǎn)化顯示，根據(jù)環(huán)境模態(tài)特點(diǎn)分別對(duì)速度模態(tài)、精準(zhǔn)度模態(tài)、思維模態(tài)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀妆蝗死斫獾男畔⒛Ｊ剑@取的數(shù)據(jù)信息速度快、精準(zhǔn)性高、可靠性強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，提高了機(jī)器人的工作效率。

1.2 機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)攝像頭傳輸數(shù)據(jù)，移動(dòng)終端接收信息并處理信息后，在移動(dòng)APP 上顯示。在設(shè)計(jì)中需要明確模態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)種類(lèi)、存儲(chǔ)方式和檢索方法，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置，關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)將配置的相關(guān)文件、獲取的關(guān)鍵字相關(guān)聯(lián)，聯(lián)性，通過(guò)對(duì)將配置信息、變更信息和版本信息處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。一旦機(jī)器人檢測(cè)異常情況，那么需在已經(jīng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)異常數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)鍵詞檢索，對(duì)負(fù)荷要求的數(shù)據(jù)按照摘要形式展現(xiàn)出來(lái)供用戶(hù)挑選，模態(tài)數(shù)據(jù)匹配結(jié)果受關(guān)鍵字選擇影響，必須進(jìn)行正確無(wú)誤的匹配選擇，避免影響機(jī)器人的運(yùn)作。

1.2.1 基于知識(shí)庫(kù)信息采集

（1）視頻采集。在S3C2416XH40 型號(hào)嵌入式微處理器下，設(shè)置了視頻內(nèi)核驅(qū)動(dòng)設(shè)備，提供視頻采集需求。驅(qū)動(dòng)設(shè)備可以進(jìn)行統(tǒng)一編程接口，同時(shí)也可提供無(wú)線(xiàn)電通信數(shù)據(jù)接口，利用相關(guān)程序控制攝像頭位置，并選擇合理的攝像角度，實(shí)時(shí)采集不同方向和范圍的信息。接口編程將采集的視頻圖像進(jìn)行閾值比較，判斷圖像是否出現(xiàn)變化，視頻采集過(guò)程中采取雙緩沖邊傳輸邊采集的方式，提高了視頻采集的速度，經(jīng)過(guò)內(nèi)設(shè)的內(nèi)存緩沖池中JPEG 壓縮后，將有用數(shù)據(jù)全部保存到緩沖池中，獲取全部視頻采集結(jié)果。

（2）指標(biāo)數(shù)據(jù)采集。指數(shù)數(shù)據(jù)采集是將傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的采集信號(hào)進(jìn)行采集，并將這些采集數(shù)據(jù)作為檢測(cè)對(duì)象指標(biāo)，采集速度快、質(zhì)量高，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)檢測(cè)后結(jié)果精準(zhǔn)可靠。具體采集流程為：從知識(shí)庫(kù)中定義接收中斷級(jí)，中斷CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）接收，查看CAN 總線(xiàn)是否出現(xiàn)接收中斷現(xiàn)象。如果中斷，則從知識(shí)庫(kù)接收緩沖區(qū)域讀取新信息并保存，否則無(wú)法采集指標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要預(yù)熱在進(jìn)行采集，一旦監(jiān)測(cè)到有故障信息時(shí)，觸發(fā)CAN 接收中斷，機(jī)器人將會(huì)停止運(yùn)行，避免發(fā)生意外事故。

1.2.2 機(jī)器人移動(dòng)控制

知識(shí)庫(kù)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中受移動(dòng)終端APP 的控制，通過(guò)移動(dòng)終端獲取機(jī)器人實(shí)施準(zhǔn)確位置，再通過(guò)GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）將維度信息發(fā)送到移動(dòng)客戶(hù)端，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。移動(dòng)終端APP 通過(guò)構(gòu)造坐標(biāo)系對(duì)數(shù)據(jù)圖形化進(jìn)行處理，當(dāng)感知機(jī)器人所傳回的實(shí)施數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，移動(dòng)終端將發(fā)出震動(dòng)或界面提示等預(yù)警動(dòng)作。由于不同工作環(huán)境的影響，機(jī)器人在信息傳輸過(guò)程中受到噪聲污染等外界因素的干擾，導(dǎo)致檢測(cè)效果不精準(zhǔn)產(chǎn)生較大誤差，因此采取了超聲避障設(shè)計(jì)，降低噪聲的影響（圖2）。

通過(guò)有效規(guī)避噪聲污染和外界因素的干擾，提高了不同模態(tài)下關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人的工作效率。移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用數(shù)字控制上層的方式，利用直流電機(jī)控制機(jī)器人的下層行動(dòng)，在雙橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力下，通過(guò)電機(jī)開(kāi)關(guān)、電機(jī)轉(zhuǎn)向組合來(lái)調(diào)速控制機(jī)器人的行為，確保機(jī)器人正確有效地進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎等一系列規(guī)范動(dòng)作。

圖2 超聲避障流程設(shè)計(jì)

2 結(jié)束語(yǔ)

知識(shí)庫(kù)作為收集、處理、分享全部知識(shí)的信息系統(tǒng)，在當(dāng)今知識(shí)密集型時(shí)代下，信息的管理尤為重要。為實(shí)現(xiàn)高效的知識(shí)存儲(chǔ)、流轉(zhuǎn)和共享的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了知識(shí)庫(kù)人工智能機(jī)器人的管理策略，提高了知識(shí)的收集、管理和推送，滿(mǎn)足了現(xiàn)代知識(shí)管理效益最大化的需求。智能型知識(shí)庫(kù)的人工智能機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)對(duì)獲取的知識(shí)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)后，再將這些海量、及時(shí)有效的數(shù)據(jù)提供給用戶(hù)。知識(shí)庫(kù)人工智能型機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能化知識(shí)采集、知識(shí)轉(zhuǎn)換、知識(shí)分享等功能，并結(jié)合多模態(tài)信息融合技術(shù)，優(yōu)化自然語(yǔ)言處理、連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別等相關(guān)應(yīng)用和處理技術(shù)，大大提高了知識(shí)庫(kù)的管理效率。