機器人感知與信息獲取科學課件

InstituteofIntelligentMachines機器人感知與信息獲取科學梅濤中國科學技術大學博士生導師中國科學院合肥智能機械研究所研究員tmei@ 一、智能機械概述 二、機器人感知系統(tǒng) 三、信息獲取科學與技術

InstituteofIntelligentMachi1InstituteofIntelligentMachines一、智能機械概述什么是智能機械？智能機械是具有外部環(huán)境和自身狀態(tài)感知能力、自適應決策能力、自動操作執(zhí)行能力和人機交互能力的機械電子系統(tǒng)。機器人是智能機械的典型代表，是最高意義上的自動化。感知系統(tǒng)決策系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)智能機械人機交互InstituteofIntelligentMachi2InstituteofIntelligentMachines感知系統(tǒng)的任務是獲取外部環(huán)境和自身狀態(tài)信息，它是人類感覺器官的延伸。感知系統(tǒng)的學科基礎是信息獲取科學與技術Hirzinger于2000年指出：“人們希望AI能夠推動機器人技術快速發(fā)展，使機器人更具智能。但他們忽略了一些事情，例如盡管邏輯決策的作用很大，但傳感器的感知與反饋是更高級智能行為的真正基礎。事實上，工業(yè)機器人在很大程度上仍像幾年前一樣笨”。這表明在機器人領域感知系統(tǒng)的研究和應用還很不夠，面向應用需求的感知系統(tǒng)是智能機械，尤其是機器人發(fā)展智能的關鍵技術。InstituteofIntelligentMachi3InstituteofIntelligentMachines決策系統(tǒng)的任務是根據環(huán)境和自身狀態(tài)來判斷實現任務目標所必須采取的措施，它是人類大腦的延伸。決策系統(tǒng)的科學基礎是人工智能。智能所在決策系統(tǒng)方面的研究重點是：智能農業(yè)決策支持系統(tǒng)。十三億人民的吃飯問題和提高八億農民收入是國家戰(zhàn)略需求，智能農業(yè)決策支持系統(tǒng)將為國民經濟可持續(xù)發(fā)展提供重要條件。復雜巨系統(tǒng)：廣域（全國、全球、宇宙），多變量（農作物、氣象、環(huán)境、經濟、市場、社會），多技術集成（農業(yè)技術、人工智能、傳感與遙感、軟件技術）。InstituteofIntelligentMachi4InstituteofIntelligentMachines朱镕基、朱麗蘭參觀農業(yè)專家系統(tǒng)InstituteofIntelligentMachi5InstituteofIntelligentMachines自動化溫室InstituteofIntelligentMachi6InstituteofIntelligentMachines執(zhí)行系統(tǒng)的任務是根據決策措施，控制機械運動裝置實現對對象物體的操作，它是人類肌肉和肢體的延伸。執(zhí)行系統(tǒng)的科學基礎是控制論。智能材料為新型執(zhí)行系統(tǒng)的研制創(chuàng)造了新機遇。FMP執(zhí)行器在磁場作用下彎曲磁場撤消后恢復勻強磁場勻強磁場微機器人基體外場驅動微型游泳機器人InstituteofIntelligentMachi7InstituteofIntelligentMachinesInstituteofIntelligentMachi8InstituteofIntelligentMachines電動前移式叉車InstituteofIntelligentMachi9InstituteofIntelligentMachines人機交互系統(tǒng)的任務是建立機器與人類的友好互動關系，讓機器與人類互相理解和感受。人機交互的科學基礎是控制論、心理學等。人機交互系統(tǒng)在航天、深海作業(yè)、危險品處理等方面具有重要的應用前景。InstituteofIntelligentMachi10InstituteofIntelligentMachines具有人機接觸交互能力的機器人裝配作業(yè)平臺InstituteofIntelligentMachi11InstituteofIntelligentMachines二、機器人感知系統(tǒng)1、傳感器的基本概念傳感器

感知系統(tǒng)，但是機器人感知的基礎。傳感器的六大指標：精度、靈敏度、量程、溫漂、時漂、頻響機器人感知分為對機器人自身狀態(tài)的感知和對部環(huán)境的感知，并稱相應的傳感器為內部傳感器和外部傳感器。機器人內部傳感器主要包括：關節(jié)角度傳感器、水平傾角傳感器。InstituteofIntelligentMachi12InstituteofIntelligentMachines傳感器檢測內容檢測器件應用舉例視覺形狀、位置、距離CCD攝象機、激光雷達、超聲波成像儀、合成孔徑雷達目標識別、定位、導航、缺陷檢查力覺多維腕力、指力、腳力電阻應變片、壓阻元件、壓電元件、光纖力/位置控制、輪廓跟蹤、軸孔配合、雙臂協(xié)調觸覺分布壓力、接觸力、接觸形狀、滑動狀態(tài)、表面溫度、熱傳導特性應變片、壓阻元件、導電橡膠、PVDF薄膜、光導板/CCD握力控制、抓取物識別、抓取位置判斷、防滑、熱保護、材質判別接近覺距離超聲探頭、激光/光電二極管、電磁線圈、電容器、PSD器件、氣動/壓力傳感器距離測量、避障、防碰、軌跡控制聽覺聲音、超聲麥克風、超聲波傳感器語音識別、語言控制、故障判斷嗅覺氣體成分氣敏元件、射線傳感器、氣相色譜儀氣體識別、防化作戰(zhàn)味覺味道離子敏傳感器、pH計、液相色譜儀化學成分判別、食品檢測機器人外部傳感器InstituteofIntelligentMachi13InstituteofIntelligentMachines2、空間機器人手眼系統(tǒng)

功能：自主行走：在行走過程中識別工字形抓拿單元并確定其位置和姿態(tài)；靜態(tài)對象操作：拾取若干工件并插入指定位置；動態(tài)對象操作：捕獲一個浮游的物體。I-typestandsRobota.ClimbingthestructuresObjectsb.ObjectmanipulationInstituteofIntelligentMachi14InstituteofIntelligentMachines立體視覺系統(tǒng)：視覺信息采集與傳輸圖象處理與識別、定位距離判別MUXPCICPURAMControl同步定時視頻彩色解碼A/D變換全局左眼全局右眼爪1左眼爪1右眼爪2左眼爪2右眼InstituteofIntelligentMachi15InstituteofIntelligentMachines目標物體左攝象機右攝象機左圖像右圖像圖7-7三維立體視覺原理圖XleftXrightInstituteofIntelligentMachi16InstituteofIntelligentMachines定位實驗結果InstituteofIntelligentMachi17InstituteofIntelligentMachines多傳感器手爪：AdapterCircuitboxMotorReducerGearsandscrewFingertipV-typeholder圖7-17光強法光電接近覺傳感器結構光敏二極管被測表面InstituteofIntelligentMachi18InstituteofIntelligentMachinesInstituteofIntelligentMachi19InstituteofIntelligentMachines13Z87456Y123Z1391087X1212451091112工字梁InstituteofIntelligentMachi203、無線腸胃檢查機器人研究目標：

突破體內微機器人的無線驅動、控制、通訊關鍵技術，研制出無線腸胃檢查微型機器人實驗樣機，并進行動物實驗。主要技術指標:機器人樣機尺寸：外徑≤12mm，長度≤35mm；攜帶微型圖像傳感器，具有對管壁的全景可視功能；具有位置、接觸覺敏感能力，位置定位精度≤5mm，接觸力靈敏度≤20mN；具有對腸道形狀變化的可適應性，實現無損傷、無疼痛功能，驅動機構對腸壁的作用力≤2N；無外引線，可以在體外進行運動控制和數據采集。3、無線腸胃檢查機器人21機器人感知與信息獲取科學ppt課件22天線圖像傳感器鏡頭透光外殼照明二極管驅動器電池發(fā)射芯片天線圖像傳感器鏡頭透光照明二極管驅動器電池發(fā)射芯片23機器人感知與信息獲取科學ppt課件24InstituteofIntelligentMachines4、機器人觸覺傳感器橡膠層傳力柱基板保護陣列金絲外引線敏感單元中央凸臺敏感陣列結構圖InstituteofIntelligentMachi25InstituteofIntelligentMachines(a)芯片正面 (b)芯片背面敏感芯片InstituteofIntelligentMachi26InstituteofIntelligentMachines線性單元解耦力敏信號觸覺圖象人工神經網絡總力摩擦系數對比閾值計算單元力滑動狀態(tài)接觸狀態(tài)InstituteofIntelligentMachi27InstituteofIntelligentMachines鑰匙觸覺圖象砝碼觸覺圖象InstituteofIntelligentMachi28InstituteofIntelligentMachinesb.力分布點陣圖a.照片c.力分布高度圖螺母觸覺圖象InstituteofIntelligentMachi29InstituteofIntelligentMachines5、機器人多維力傳感器InstituteofIntelligentMachi30InstituteofIntelligentMachinesInstituteofIntelligentMachi31InstituteofIntelligentMachines三、信息獲取科學與技術1、信息科學與技術學科發(fā)展對信息獲取的需求信息鏈＝信息獲?。畔⑻幚恚畔鬏斝畔@取信息處理信息傳輸信息鏈InstituteofIntelligentMachi32InstituteofIntelligentMachines計算機科學與技術 =>信息處理無所不在通訊和網絡技術=>信息傳輸無所不在信息獲??？=>

無所不在？信息流的瓶頸！信息獲取科學與技術計算機科學與技術通訊與網絡技術信息科學與技術InstituteofIntelligentMachi33InstituteofIntelligentMachines“信息獲取”是一個具有基礎性、前瞻性、戰(zhàn)略性的研究方向，五至十年后必將出現信息獲取無所不在的景象。“911”以來對信息獲取的需求迅速上升，而現有技術不能滿足要求。多傳感器信息融合、傳感器智能化是尋求理論和技術突破的科學途徑。存在的問題：（1）未從信息獲取科學的角度建立學科的理論基礎；（2）未能從系統(tǒng)的角度建立學科體系；（3）存在多學科交叉的復雜性。InstituteofIntelligentMachi34InstituteofIntelligentMachines創(chuàng)立“信息獲取科學與技術學科”是信息科學與技術發(fā)展的科學需求，符合科學發(fā)展的客觀必然性！

InstituteofIntelligentMachi35InstituteofIntelligentMachines2、社會經濟發(fā)展對信息獲取的需求二十一世紀是知識經濟時代和信息化時代，知識和信息將成為推動社會、經濟發(fā)展的重要因素。信息技術是研究和提供實現信息化的方法和手段，是推動社會進步、經濟繁榮的前導性技術之一。產業(yè)發(fā)展不平衡：2001年世界傳感器市場總額約為790億美元，相當于通訊產品的50%左右。我國傳感器產值為92億元，僅相當于我國通訊產品的4%。中國傳感器產值在世界上占的份額僅1.4%。InstituteofIntelligentMachi36InstituteofIntelligentMachines世界上傳感器的種類有2萬種，而我國僅能生產約3000個品種，主要傳感器產品1000多種。開拓信息獲取科學與技術“新疆土”是在世界信息科學與產業(yè)界取得競爭優(yōu)勢的重要舉措！InstituteofIntelligentMachi37InstituteofIntelligentMachines3、信息獲取的理論基礎信息獲取科學與技術是傳統(tǒng)的傳感技術、檢測技術、遙感技術在信息化時代的學科升華。信息獲取的科學基礎是數學、物理學、化學、生物學和心理學，以及它們之間的學科交叉。建立具有普適性的信息獲取理論基礎是當前研究的重點。

InstituteofIntelligentMachi38InstituteofIntelligentMachines信息獲取的過程是一個多層的信息融合過程，它包括了物質層、數據層和特征層三個層次。信息獲取的物質基礎是物理、化學、生物敏感現象和過程，物質層的作用就是從這些現象和過程中獲得被測信號——敏感信息。多傳感信號在數據層中被聚集在一起，實現對外界信息的數據表達——傳感數據。數據在特征層中進行處理、特征提取和匹配，實現信息獲取的最終目標——獲得感知信息。物質層數據層特征層敏感信息傳感數據感知信息被測環(huán)境InstituteofIntelligentMachi39InstituteofIntelligentMachines信息論是信息獲取科學與技術最重要的理論基礎，它的早期理論是香農的封閉信息系統(tǒng)理論，即信息傳遞的準確性要求達到熵值最高的靜態(tài)平衡狀態(tài)。信息獲取源的多元化使信息獲取成為一個開放性的動態(tài)平衡過程。而目前科學界尚未完全建立開放式信息系統(tǒng)的相應理論，所以信息獲取的信息論原理有待于進一步研究。人類應該從奧妙無窮的自然生物中獲得靈感，仿生學將是建立開放式信息系統(tǒng)理論的手段。生命過程符合熱力學第二定律。封閉的信息系統(tǒng)同樣符合熱力學第二定律而開放式信息獲取系統(tǒng)的定律還有待于我們去驗證。

InstituteofIntelligentMachi40InstituteofIntelligentMachines心理物理學生物物理學模式識別理論數據融合理論應用物理學應用化學信息論生物信息學特征層數據層物質層信息獲取的理論基礎InstituteofIntelligentMachi41InstituteofIntelligentMachines信息獲取科學與技術物理型敏感材料與元件敏感材料與元件傳感器機器感知化學型敏感材料與元件生物型敏感材料與元件力學量傳感器物理量傳感器化學量傳感器結構型敏感材料與元件機器視覺機器觸覺機器嗅覺機器味覺生物量傳感器4、學科體系InstituteofIntelligentMachi42InstituteofIntelligentMachines5、戰(zhàn)略目標為滿足信息科學與技術的學科發(fā)展需求和全面實現信息化的社會、經濟需求，創(chuàng)立信息獲取科學與技術學科。以信息論為最主要的科學理論，發(fā)揮多學科交叉優(yōu)勢，建立信息獲取科學的理論基礎。以信息獲取的三層次論斷為依據，構筑由敏感材料與元件、傳感器、機器感知三個分學科組成的學科體系。通過對重大關鍵技術的聯合攻關，突破信息獲取技術中的共同的戰(zhàn)略性問題，為研制出具有自主知識產權的世界一流產品奠定技術基礎。最終使我國信息產業(yè)在無所不在的信息獲取需求撲面而來之時，能夠為社會提供可與國外抗衡的、系統(tǒng)的信息獲取技術與產品，推動國民經濟的快速增長。InstituteofIntelligentMachi43InstituteofIntelligentMachines6、近期任務（1）

基礎理論研究

信息獲取中的信息論原理

信息獲取中的仿生學原理

敏感元件的普適性數學模型