工業(yè)機器人應用技術(shù)（第三版）課件 6.1 初識人工智能

第六篇拓展篇——人工智能與智能機器人任務一初識人工智能第六篇拓展篇——人工智能與智能機器人1.了解人工智能的定義、發(fā)展及應用領(lǐng)域；2.了解人工智能與智能機器人；3.了解人工智能語言。6.1初識人工智能知識儲備2017年被稱為人工智能元年，阿法狗挑落全球頂尖圍棋手，東莞的工廠大規(guī)模引進機器人生產(chǎn)，歐盟議會向委員會提出議案，正式宣布準備立法來區(qū)分機器人和自然人；隨著人工智能技術(shù)如火如荼的發(fā)展，機器人時代似乎不再是想象中的場景，離機器人真正進入我們生活的日子已經(jīng)越來越近了，你準備好了嗎？人工智能是利用計算機科學技術(shù)研究、開發(fā)，用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的新的技術(shù)科學。其目是讓計算機的工作效果發(fā)揮的極致。6.1初識人工智能一、人工智能的發(fā)展人工智能充滿未知的探索道路曲折起伏。人工智能自1956年以來60余年的發(fā)展歷程，可劃分為以下6個階段：一是起步發(fā)展期：20世紀50年代中期至60年代初。1955年8月31日，“人工智能”（artificialintelligence）一詞在一份關(guān)于召開國際人工智能會議的提案中被提出，正式宣告人工智能作為一門學科的誕生。人工智能概念提出后，相繼取得了一批令人矚目的研究成果，如機器定理證明、跳棋程序等，掀起人工智能發(fā)展的第一個高潮。6.1初識人工智能二是反思發(fā)展期：20世紀60年代至70年代初。人工智能發(fā)展初期的突破性進展大大提升了人們對人工智能的期望，人們開始嘗試更具挑戰(zhàn)性的任務，并提出了一些不切實際的研發(fā)目標。然而，接二連三的失敗和預期目標的落空（例如，無法用機器證明兩個連續(xù)函數(shù)之和還是連續(xù)函數(shù)、機器翻譯鬧出笑話等），使人工智能的發(fā)展走入低谷。三是應用發(fā)展期：20世紀70年代初至80年代中。20世紀70年代出現(xiàn)的專家系統(tǒng)模擬人類專家的知識和經(jīng)驗解決特定領(lǐng)域的問題，實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應用、從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運用專門知識的重大突破。專家系統(tǒng)在醫(yī)療、化學、地質(zhì)等領(lǐng)域取得成功，推動人工智能走入應用發(fā)展的新高潮。6.1初識人工智能四是低迷發(fā)展期：20世紀80年代中至90年代中。隨著人工智能的應用規(guī)模不斷擴大，專家系統(tǒng)存在的應用領(lǐng)域狹窄、缺乏常識性知識、知識獲取困難、推理方法單一、缺乏分布式功能、難以與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫兼容等問題逐漸暴露出來。五是穩(wěn)步發(fā)展期：20世紀90年代中至2010年。由于網(wǎng)絡技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加速了人工智能的創(chuàng)新研究，促使人工智能技術(shù)進一步走向?qū)嵱没?997年國際商業(yè)機器公司（簡稱IBM）深藍超級計算機戰(zhàn)勝了國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫，2008年IBM提出“智慧地球”的概念。以上都是這一時期的標志性事件。6.1初識人工智能六是蓬勃發(fā)展期：2011年至今。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，泛在感知數(shù)據(jù)和圖形處理器等計算平臺推動以深度神經(jīng)網(wǎng)絡為代表的人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，大幅跨越了科學與應用之間的“技術(shù)鴻溝”，諸如圖像分類、語音識別、知識問答、人機對弈、無人駕駛等人工智能技術(shù)實現(xiàn)了從“不能用、不好用”到“可以用”的技術(shù)突破，迎來爆發(fā)式增長的新高潮。6.1初識人工智能圖6-1人工智能二、人工智能的應用領(lǐng)域隨著智能家電、自動駕駛汽車、智能機器人等產(chǎn)物的出現(xiàn)和普及，當前人工智能技術(shù)（AI）技術(shù)已經(jīng)進入到生活的各個領(lǐng)域，引發(fā)了人們越來越多的關(guān)注。（1）AI醫(yī)療。通過圖像識別和深度學習方法對醫(yī)學影像進行訓練學習，從而達到對病灶的智能識別，以助于疾病的早期篩查，如騰訊覓影。（2）AI安防。利用計算機視覺技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析犯罪嫌疑人生活軌跡及可能出現(xiàn)的場所。平安集團運用人像識別技術(shù)，在指定銀行區(qū)域進行整體監(jiān)控，識別陌生人、可疑人員和可疑行為，提升銀行物理區(qū)域安全性。6.1初識人工智能（3）AI金融。利用語音識別、語義理解等技術(shù)打造智能客服。螞蟻金服95%的遠程客戶服務已經(jīng)由大數(shù)據(jù)智能機器人完成，同時實現(xiàn)了100%的自動語音識別。（4）AI交通。無人駕駛通過傳感器、計算機視覺等技術(shù)解放人的雙手和感知。百度Apollo智能駕駛平臺向汽車行業(yè)及自動駕駛領(lǐng)域的合作伙伴提供一個開放、完整、安全的軟件平臺，幫助他們結(jié)合車輛和硬件系統(tǒng)，快速搭建一套屬于自己的完整的自動駕駛系統(tǒng)。6.1初識人工智能圖6-2Apollo智能駕駛（5）AI家居。在住宅中安裝了一個涵蓋傳感器、控制器和邏輯狀態(tài)的系統(tǒng)，為這套現(xiàn)代化的住宅實現(xiàn)了燈光、空調(diào)、地暖、灌溉、安防以及8個區(qū)域的音響系統(tǒng)的智能化控制。6.1初識人工智能圖6-3智能家居三、智能機器人機器人是由不同形狀的機械本體和各種不同的驅(qū)動器、傳感器組成的，它靠自身動力能夠?qū)崿F(xiàn)某項具體功能的機器來替代人工完成具體的作業(yè)任務，比如堆垛，搬運，倉儲，裝配，噴涂，焊接等。計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，加上人工智能，在生產(chǎn)中采用柔性自動化和智能化設(shè)備，實現(xiàn)智能制造。人工智能技術(shù)和機器人技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)既具備機器人的肢體又具備類人智慧的機器人是人工智能和機器人技術(shù)發(fā)展的終極目標。未來智能機器人是人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)工業(yè)機器人技術(shù)融合發(fā)展的結(jié)果。智能機器人需要配置聽覺（麥克風）、視覺（智能攝像頭）等系統(tǒng)，具有自主行走的能力（自主移動系統(tǒng)）。6.1初識人工智能1.麥克風麥克風是一種將聲音轉(zhuǎn)換成電子訊號的傳感器，用以感知與記錄外部的聲音信號，透過語音識別功能，智能機器人可以聽到周遭的人類的對話并加以記錄整理。利用微機電技術(shù)(MEMS)設(shè)計的麥克風芯片，體積非常的小，很適合用在手機等輕薄型電子產(chǎn)品。微機電麥克風也常內(nèi)建模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器，直接輸出數(shù)碼訊號，成為數(shù)碼式麥克風，以利與現(xiàn)今的數(shù)碼電路連接。由多具麥克風組成的麥克風數(shù)組，即使采用非指向性麥克風也可以透過算法得知聲音的來源方向。這使得智能機器人得以判斷多個聲音來源，這對于了解兩人或多人對話非常有幫助。另一方面麥克風數(shù)組還可以有效降低環(huán)境噪音的干擾，有效提升聲音信號質(zhì)量，提升判斷的精準度。6.1初識人工智能圖6-4麥克風數(shù)組2.智能攝像頭智能機器人可以搭載智能攝像頭用以感知與記錄環(huán)境影像，透過人臉與物體識別算法，智能機器人可以感知到環(huán)境周遭的人與物。一般攝像頭具備有視訊攝影和靜態(tài)圖像捕捉等基本功能，藉由鏡頭采集圖像后，由機內(nèi)的CCD或CMOS感光組件電路及控制組件對圖像進行處理并轉(zhuǎn)換成計算機所能識別的數(shù)字訊號。6.1初識人工智能圖6-5一般攝像頭與深度攝像頭深度攝像頭不僅可以采集圖像，而且可以提供深度信息，進而創(chuàng)造出立體視覺。智能機器人可以透過立體視覺建立起周遭空間的3D模型，這對于物體的抓取以及動作路徑的規(guī)畫都是非常有用的。深度攝像頭的設(shè)計，目前實用化的主要有兩種：一種是利用兩個攝像頭的視差，類似人的眼睛；另一種則是利用主動發(fā)射紅外線，透過反射取得深度信息。6.1初識人工智能圖6-6利用深度攝像頭建立環(huán)境3D模型3.自主移動系統(tǒng)智能機器人的底盤不僅提供移動的功能，也提供穩(wěn)定的功能。為了提供原地旋轉(zhuǎn)的功能，一般常采用圓盤型的設(shè)計。如果安裝傳統(tǒng)輪，一般靠差動完成旋轉(zhuǎn)功能，如果安裝萬向輪，不僅能夠旋轉(zhuǎn)還能夠平移，這使得在有限的室內(nèi)空間，機器人可以更自由的移動。但是萬向輪在抓地力與移動的精確度的表現(xiàn)比較差。6.1初識人工智能圖6-7傳統(tǒng)輪與萬向輪機器人底盤智能機器人在室內(nèi)移動，可能會有許多臨時的障礙出現(xiàn)，例如移動的人或狗或是推車，或是另一臺機器人。這些臨時型的障礙，不可能只依靠路徑規(guī)劃加以回避。必須要有實時的偵測工具；偵測發(fā)現(xiàn)臨時型的障礙，可以采取等待障礙移開或是繞越的策略。目前常用的室內(nèi)障礙偵測工具有超聲波傳感器與激光雷達。超聲波傳感器透過超聲波反射偵測近距離障礙，在距離精度上不錯，但是方向角度上較差，但是成本低廉。激光雷達利用激光反射偵測障礙，有效距離長，而且在距離跟方向上經(jīng)度都相當高，但是成本較高。6.1初識人工智能圖6-8超聲波傳感器與激光雷達四、人工智能與Python語言Python是一種跨平臺的計算機程序設(shè)計語言。是一種面向?qū)ο蟮膭討B(tài)類型語言，最初被設(shè)計用于編寫自動化腳本，隨著版本的不斷更新和語言新功能的添加，越來越多被用于獨立的、大型項目的開發(fā)。6.1初識人工智能而一般說起人工智能都認為是用Python語言實現(xiàn)的，就如我之前說的，但查完資料發(fā)現(xiàn)，的確大部分的人工智能的代碼都是使用Python來編寫，寫人工智能代碼時需要用到許多框架工具和庫，這些大部分都是Python提供的，Python是這些庫的APIbinding，但并不能因為這樣就認為人工智能就是靠Python寫的，Python是解釋語言，速度比較慢，它只是調(diào)用AI接口，而人工智能核心算法是完全依賴于C/C++這類編譯語言，真正的計算全是C/C++寫好的數(shù)據(jù)底層，因為是計算密集型，需要非常精細的優(yōu)化，還需要GPU、專用硬件之類的接口，這些都只有C/C++能做到，用Python只是寫相應的邏輯！所以某種意義上其實C/C++才是人工智能領(lǐng)域最重要的語言。6.1初識人工智能那為什么不直接全部用C/C++寫人工智能呢？這是因為Python強大的便捷性，開發(fā)生態(tài)成熟，有很多有用的庫可以用。使用Python是因為Python的膠水語言特性，要開發(fā)一個其他語言到C/C++的跨語言接口，Python是最容易的，效率很高。在學習人工智能時Python只是用來操作深度學習框架的工具，實際負責運算的主要模塊并不依靠Python，真正起作用的是也是一大堆復雜的C/C++程序。6.1初識人工智能一、Python下載及安裝Python3最新版本是3.8.2，從Python主頁www.python.porg上的download菜單可以找到下載鏈接，如圖6-9。6.1初識人工智能圖6-9Python主頁安裝Python需要把Python的根路徑，即python.exe所在文件夾加到windows系統(tǒng)的path環(huán)境變量，如圖6-10，或者等安裝結(jié)束后把這個路徑加到path環(huán)境變量，如圖6-11。6.1初識人工智能圖6-10安裝Python圖6-11設(shè)置環(huán)境變量path環(huán)境變量設(shè)置好以后，在DOS命令窗口輸入命令python就進入python命令執(zhí)行狀態(tài)，編寫并執(zhí)行Python命令了，如圖6-12。6.1初識人工智能圖6-12執(zhí)行Python命令二、Python集成開發(fā)環(huán)境圖6-12的方式只能逐行編寫并執(zhí)行代碼。開發(fā)Python軟件需要使用集成的