摘 要 本文基于高精度视觉识别与运动控制系统的理论基础，针对机器人智能展品的发展现状及原理方法等进行简要论述。结合一种典型的实时智能机器人科普展品“冰球机器人”的研发成果，阐述工业数字高速摄像机视觉识别系统和伺服运动控制系统的运行原理及重要作用，拟开发一个完整的冰球机器人运动伺服平台并实现实时智能控制，重点探讨该机器人视觉系统的开发设计及技术重难点的解决方案，以期能为国内科技馆同类科学展品的设计创新起到一定参考和借鉴作用。
　　关键词 视觉识别系统 运动控制系统 人工智能 冰球机器人
　　0 引言
　　 集成计算机高精度视觉识别系统与运动控制系统，是现阶段智能设备设计与改造中的热门应用技术之一，该系统通过计算机技术、自动控制技术和图像采集处理技术，利用高清相机对目标进行寻找并驱动电机对执行机构采取运动控制，以实现对预定运动目标的处理，能够大幅提高机器智能化水平，在工业生产和社会生活中被广泛运用[1]。与此同时，通过科技馆中的科普项目来展示相关复杂技術也成为一种易于被大众接受的新型传播途径。
　　 本文正是基于高精度视觉识别与运动控制系统的理论基础，并以“冰球机器人”的研发成果为例，展示一种人工智能的，能够感知、预测、决策和协调运动的，真正实现与人类体育竞技对抗的自动化智能机器，以期能为科技馆同类科学展品设计创新起到一定的参考和借鉴作用。
　　1 研究背景分析
　　 机器人展品是科技馆展品的重要组成部分之一。机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等多学科知识，代表着机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。在日本，人们认为机器人是任何高级的自动化机械;欧美国家则指出，机器人应该是有计算机控制的，通过编排程序具有可以变化的、多功能的自动化机械[2]。国际标准化组织给机器人下的定义为：一种可编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同任务而具有可改变的、可编程动作的专门系统[3]。
　　 通过对国内外50多家大型科技场馆进行问卷调查统计，了解到80%以上的观众对机器人技术充满期待和兴趣，特别是机器人的高精度、灵活性技术，机器人平衡技术，仿生机器人技术，拟人型机器人等受到广大观众的关注[4]。但是，目前科技馆行业同类机器人互动方式的产品一般采用机械臂形式，成本高、无机械传动机构，无法体现机电软件一体化的科普功能，且存在表现形式落后、缺乏互动性和创新性等诸多问题，难以满足公众探索机器人技术的兴趣和愿望，也无法系统展示机器人技术的构成和发展[5]。因此，探索机器人展品研发规律具有十分重要的现实意义。
　　 2019年第九届芜湖科博会中，全新优化设计的冰球机器人首度亮相，得到业内人士和市民群众的广泛关注。本展项为人机互动的竞技游戏装置，冰球机器人通过捕捉冰球运动位置，实时计算出预测的轨迹并即刻做出相对的反应。当参与者按下“开始”按钮后便可取出冰球开始击球，同时相机高速检测冰球位置，记录当前时间和位置;连续记录3个位置后，AI系统计算出冰球的运动速度和方向，结合电机的位置和运动速度，计算出最佳碰撞点和碰撞时间，驱动电机动作;冰球进入对方球门后，传感器做出判断得分并显示到屏幕上，冰球则通过回球轨道落回到指定位置，方便参与者取出;当得分达到设定规则要求后，比赛结束，系统显示比赛结果。
　　 目前国内科技馆中大多数机器人都是通过表演动作来展示效果，形式较为单一[6]，而本装置基于高精度视觉识别与运动控制系统，通过参与者直接和机器人进行人机交互趣味比赛，让观众更直观感受到机器人的运动控制和处理能力，惊叹于冰球机器人精准动作的神奇之处。如此，通过机器人展品将观众单一的输入导出为多种输出，使展品本身具备更持久的生命力。
　　2 展项基本描述
　　 冰球机器人是一个集高精度视觉识别、人工智能和高速运动控制于一体的互动科普装置，主要由台体、冰球机器人、防护机构组成，它利用外部感知技术实现机器人动作控制。观众手持互动装置，点击开始按钮，与机器人开始冰球对战，同时屏幕显示对战时间和得分情况。利用2台伺服电机、运动轨道、1台工业相机和上位机组成控制系统，采用气浮台面模拟实际冰球低摩擦运动，结合灯光、回球轨道、台体和半封闭防护罩组成一个冰球机器人。比赛时机器人通过工业相机识别跟踪冰球动作，通过AI计算判断出最佳击球位置、时间和速度，控制挡块准时运行至指定位置将球击回，当传感器检测到球进球门后回合结束，从而完成一场冰球比赛过程。
　　 如图1所示，参观者参与时，通过点击开始和难易程度按钮，启动游戏，然后手拿击球器将球片击打向机器人方向，系统摄像头将采集球片数据，并通过算法控制机构动作，将球准确无误击回参与方，以此反复，直至一方进球，球片通过回收机构转至台体前端，参与者拿起球片进行下一场比拼。当单方进球满5个时，则游戏结束，显示屏实时显示击球轨迹画面和得分情况。
　　[图1 冰球机器人展品效果图]