機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與應(yīng)用 課件 第6課 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第6課智能機(jī)器人231知識(shí)目標(biāo)（1）熟悉十大標(biāo)志機(jī)器人，熟悉智能機(jī)器人的定義及其三要素。（2）熟悉機(jī)器人智能的定義與相關(guān)概念。（3）了解智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。能力目標(biāo)（1）掌握專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學(xué)習(xí)小組”活動(dòng)，提高組織和活動(dòng)能力，具備團(tuán)隊(duì)精神。素質(zhì)目標(biāo)（1）熱愛學(xué)習(xí)，掌握學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，培養(yǎng)關(guān)心智能機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的優(yōu)良品質(zhì)。（3）體驗(yàn)、積累和提高“大國(guó)工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)

愿景

體驗(yàn)

創(chuàng)意

實(shí)踐重點(diǎn)難點(diǎn)（1）智能機(jī)器人的關(guān)鍵要素。（2）智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。目錄智能機(jī)器人簡(jiǎn)介01按智能對(duì)機(jī)器人分類02智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)03智能機(jī)器人的發(fā)展04第6課智能機(jī)器人1966年到1972年間，美國(guó)斯坦福大學(xué)國(guó)際研究所（SRI）研制了移動(dòng)式機(jī)器人Shakey（搖搖晃晃），這是首臺(tái)采用了人工智能學(xué)的移動(dòng)機(jī)器人（見圖6-7）。Shakey具備一定人工智能，能夠自主進(jìn)行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)，如尋找木箱并將其推到指定目的位置。它裝備了電視攝像機(jī)、三角法測(cè)距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及編碼器，并通過無線通訊系統(tǒng)由二臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的體積龐大，但運(yùn)算速度緩

慢，導(dǎo)致Shakey往往需要數(shù)小時(shí)的

時(shí)間來分析環(huán)境并規(guī)劃行動(dòng)路徑。

圖6-7斯坦福研制的第一臺(tái)

智能機(jī)器人Shakey智能機(jī)器人簡(jiǎn)介0101

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介智能機(jī)器人的研究從上個(gè)世紀(jì)60年代初開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，基于感覺控制的智能機(jī)器人已達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段，基于知識(shí)控制的智能機(jī)器人（又稱自主機(jī)器人）也取得較大進(jìn)展。十大標(biāo)志性機(jī)器人機(jī)器人的智能定義智能機(jī)器人不同形式智能機(jī)器人三要素01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介6.1.1十大標(biāo)志性機(jī)器人2016年4月，國(guó)家工信部、發(fā)改委、財(cái)政部等三部委聯(lián)合印發(fā)《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，以引導(dǎo)中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向中高端快速健康可持續(xù)發(fā)展。文件指出，要推進(jìn)重大標(biāo)志性產(chǎn)品率先突破。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，聚焦智能生產(chǎn)、智能物流，攻克工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，提升可操作性和可維護(hù)性，重點(diǎn)發(fā)展弧焊機(jī)器人、真空（潔凈）機(jī)器人、全自主編程智能工業(yè)機(jī)器人、人機(jī)協(xié)作

機(jī)器人、雙臂機(jī)器人、重載AGV（小車）等6種標(biāo)志性工

業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品。01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，重點(diǎn)發(fā)展消防救援機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、智能公共服務(wù)機(jī)器人、智能護(hù)理機(jī)器人等4種標(biāo)志性產(chǎn)品，推進(jìn)專業(yè)服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)系列化，個(gè)人/家庭服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)商品化。國(guó)家對(duì)以上十大標(biāo)志性產(chǎn)品技術(shù)、規(guī)格和功能都制定了一定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。例如：智能公共服務(wù)機(jī)器人，其導(dǎo)航方式為激光SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建），最大移動(dòng)速度0.6m/s，定位精度±100mm，定位航向角精度±5°，最大工作時(shí)間3h，手臂數(shù)量2，單臂自由度2-7，頭部自由度1-2，具備自主行走、人機(jī)交互、講解、導(dǎo)引等功能。SLAM問題可以描述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過

程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)以此為基礎(chǔ)建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)

器人的自主定位和導(dǎo)航。由于SLAM重要理論的應(yīng)用價(jià)值，被很多學(xué)者認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真

正全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵。01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介6.1.2機(jī)器人的智能定義一般機(jī)器人是指不具有智能，有一般編程能力和操作功能的機(jī)器人。而智能機(jī)器人是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)在感知、思維、效應(yīng)方面全面，模擬人的機(jī)器系統(tǒng)，其外形不一定像人。智能機(jī)器人是人工智能技術(shù)的綜合試驗(yàn)場(chǎng)，可以全面地考察人工智能各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，研究它們之間的相互關(guān)系。還可以在有害的環(huán)境中替人從事危險(xiǎn)的工作，在上天下海、戰(zhàn)場(chǎng)作業(yè)等方面大顯身手。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸

覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是

筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來。01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介6.1.3智能機(jī)器人三要素大多數(shù)專家認(rèn)為智能機(jī)器人至少要具備三個(gè)要素：感覺要素、運(yùn)動(dòng)要素和思考要素，稱這種機(jī)器人為自控機(jī)器人，它是控制論產(chǎn)生的結(jié)果?？刂普撝鲝堖@樣的事實(shí)：生命和非生命有目的的行為在很多方面是一致的。正像一個(gè)智能機(jī)器人制造者所說的，機(jī)器人是一種系統(tǒng)的功能描述，這種系統(tǒng)過去只能從生命細(xì)胞生長(zhǎng)的結(jié)果中得到，現(xiàn)在已經(jīng)成為我們能夠制造的東西了。01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介智能機(jī)器人能夠理解人類語言，用人類語言同操作者對(duì)話，在它自身的“意識(shí)”中單獨(dú)形成一種使它得以“生存”的外界環(huán)境。它能分析出現(xiàn)的情況，調(diào)整自己的動(dòng)作以達(dá)到操作者所提出的全部要求，能擬定所希望的動(dòng)作，并在信息不充分的情況下和環(huán)境迅速變化的條件下完成這些動(dòng)作。當(dāng)然，要它和人類思維一模一樣，這是不可能辦到的。不過，仍然有人試圖建立計(jì)算機(jī)能夠理解的某種“微觀世界”。

圖6-8在自身“意識(shí)”中形成“生存”環(huán)境01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介（1）感覺要素。用來認(rèn)識(shí)周圍環(huán)境狀態(tài)。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實(shí)質(zhì)上就相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機(jī)、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動(dòng)元件、行程開關(guān)等機(jī)電元器件來實(shí)現(xiàn)。（2）運(yùn)動(dòng)要素?；蚍Q反應(yīng)要素，對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)作。對(duì)運(yùn)動(dòng)要素來說，智能機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺(tái)階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成。在運(yùn)動(dòng)過程中要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括有位置控制、力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介（3）思考要素。根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動(dòng)作。智能機(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動(dòng)。這些活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程，而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段。01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介6.1.4智能機(jī)器人的不同形式根據(jù)其智能形式的不同，智能機(jī)器人可分為三種：（1）傳感型。又稱外部受控機(jī)器人。其本體上沒有智能單元，只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)，它具有利用傳感信息（包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等）進(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外

部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理

由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種

姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機(jī)器人的

動(dòng)作。機(jī)器人世界杯小型組比賽所使用的機(jī)器人就屬

于這種類型。圖6-9機(jī)器人世界杯賽（小型組）01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介（2）交互型。機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作員或程序員進(jìn)行人－機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制與操作。交互型機(jī)器人雖然具有一定的處理和決策功能，能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡(jiǎn)單避障等功能，但是還要受到外部的控制。（3）自主型。在設(shè)計(jì)制作之后，機(jī)器人無需人的干預(yù)就能夠在各種環(huán)境下自動(dòng)完成各項(xiàng)擬人任務(wù)。自主型機(jī)器人的本體上具有感知、處理、決

策、執(zhí)行等模塊，可以像人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問

題。機(jī)器人世界杯中型組比賽中使用的機(jī)器人就屬于

這一類型。

圖6-10機(jī)器人世界杯賽（中型組）01

智能機(jī)器人簡(jiǎn)介全自主移動(dòng)機(jī)器人最重要的特點(diǎn)在于它的自主性和適應(yīng)性。自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù)。適應(yīng)性是指它可以實(shí)時(shí)識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)自身參數(shù)，調(diào)整動(dòng)作策略以及處理緊急情況。交互性也是自主機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)，機(jī)器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機(jī)器人之間信息交流。由于全自主移動(dòng)機(jī)器人涉及諸如驅(qū)動(dòng)器控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、圖像處理、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多方面，所以能夠綜合反映一個(gè)國(guó)家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平。按智能對(duì)機(jī)器人分類0202

按智能對(duì)機(jī)器人分類之所以被稱為“智能機(jī)器人”，是因?yàn)樗邢喈?dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”（中央處理器），這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接聯(lián)系。最主要的，是這樣的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行按目的安排的動(dòng)作。正因?yàn)檫@樣，我們才說這種機(jī)器人是真正的機(jī)器人，盡管它們的外表可能有所不同。工業(yè)機(jī)器人與人工智能初級(jí)智能高級(jí)智能02

按智能對(duì)機(jī)器人分類02

按智能對(duì)機(jī)器人分類6.2.1工業(yè)機(jī)器人與人工智能工業(yè)機(jī)器人和人工智能是兩個(gè)不同的概念，一個(gè)是數(shù)字化機(jī)械設(shè)備（即工業(yè)機(jī)器人），一個(gè)是技術(shù)科學(xué)（即人工智能）。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人涉及眾多領(lǐng)域，包括汽車制造，食品行業(yè)，五金電子，電器等行業(yè)，它

又分不同的工作站：上下料，焊接，拋光打磨，裝配，噴涂，碼垛等工序。由原來

的人工產(chǎn)線更迭為機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，不僅管理更方便，效率也大大提高。02

按智能對(duì)機(jī)器人分類但是工業(yè)機(jī)器人一般只能刻板地按照人給它規(guī)定的程序工作，不管外界條件有何變化，自己都不能對(duì)程序也就是對(duì)所做的工作進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。如果要改變機(jī)器人所做的工作，必須由人對(duì)程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無智能的。人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。屬于宏觀概念的，并不是一種運(yùn)作的機(jī)器，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的

研究包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能可以對(duì)人的意識(shí)、思維的信息過程進(jìn)行模擬，但人工智能不是人的智能，

雖然它但像人那樣思考、也可能超過人的智能。人工智能更偏向于數(shù)字化，科學(xué)化，

而不具有人的情感思緒。02

按智能對(duì)機(jī)器人分類6.2.2初級(jí)智能初級(jí)智能是指具有象人那樣的感受、識(shí)別、推理和判斷能力。可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，也就是它能適應(yīng)外界條件變化對(duì)自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整。不過，修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定。這種初級(jí)智能機(jī)器人已擁有一定的智能，雖然還沒有自動(dòng)規(guī)劃能力，但這種初級(jí)智能機(jī)器人也開始走向成熟，達(dá)到實(shí)用水平。02

按智能對(duì)機(jī)器人分類6.2.3高級(jí)智能和初級(jí)智能機(jī)器人一樣，高級(jí)智能機(jī)器人具有感覺，識(shí)別，推理和判斷能力，同樣可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序。與初級(jí)智能不同的是，修改程序的原則不是由人規(guī)定的，而是由機(jī)器人自己通過學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來獲得修改程序的原則，所以它的智能高出初級(jí)智能機(jī)器人。這種機(jī)器人已擁有一定的自動(dòng)規(guī)劃能力，

能夠自己安排自己的工作。這種機(jī)器人可以不用人照料而

完全獨(dú)立工作，故又稱為自律機(jī)器人。

圖6-11自律服務(wù)機(jī)器人智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)0303

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)智能機(jī)器人所處的環(huán)境往往是未知、難以預(yù)測(cè)的，隨著社會(huì)發(fā)展的需要和機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對(duì)智能機(jī)器人的要求也越來越高。多傳感器信息融合導(dǎo)航與定位路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)器人視覺智能控制人機(jī)接口技術(shù)03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)6.3.1多傳感器信息融合多傳感器信息融合技術(shù)是近年來十分熱門的研究課題，它與控制理論、信號(hào)處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，為機(jī)器人在各種復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供的一種技術(shù)解決途徑。機(jī)器人所用的內(nèi)部、外部傳感器有很多種。內(nèi)部測(cè)量傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人組成部件的內(nèi)部狀態(tài)，包括：特定位置、角度傳感器；任意位置、角度傳感器；速度、角度傳感器；加速度傳感器；傾斜角傳感器；方位角傳感器等。外部傳感器包括視覺（測(cè)量、視覺傳感

器）、觸覺（接觸、壓覺、滑動(dòng)覺傳感器）、力覺（力、力矩傳感器）、接近覺

（距離傳感器）以及角度傳感器（傾斜、方向、姿式傳感器）。多傳感器信息融合

就是指綜合來自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息

（見圖6-12）。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

圖6-12多傳感器信息融合舉例：自動(dòng)駕駛傳感系統(tǒng)03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測(cè)對(duì)象的特性，消除信息的不確定性，提高信息的可靠性。融合后的多傳感器信息具有以下特性：冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性和低成本性。多傳感器信息融合方法主要有貝葉斯估計(jì)、登普斯特-謝弗理論、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)多傳感器信息融合技術(shù)的主要研究方向有：（1）多層次傳感器融合。由于單個(gè)傳感器具有不確定性、觀測(cè)失誤和不完整性的弱點(diǎn)，因此單層數(shù)據(jù)融合限制了系統(tǒng)的能力和魯棒性。對(duì)于要求高魯棒性和靈活性的先進(jìn)系統(tǒng)，可以采用多層次傳感器融合的方法。低層次融合方法可以融合多傳感器數(shù)據(jù)；中間層次融合方法可以融合數(shù)據(jù)和特征，得到融合的特征或決策；高層次融合方法可以融合特征和決策，到最終的決策。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)（2）微傳感器和智能傳感器。傳感器的性能、價(jià)格和可靠性是衡量傳感器優(yōu)劣與否的重要標(biāo)志，然而許多性能優(yōu)良的傳感器由于體積大而限制了應(yīng)用市場(chǎng)。微電子技術(shù)的迅速發(fā)展使小型和微型傳感器的制造成為可能。智能傳感器將主處理、硬件和軟件集成在一起。如ParScientific公司研制的1000系列數(shù)字式石英智能傳感器，日本日立研究所研制的可以識(shí)別4種氣體的嗅覺傳感器，美國(guó)霍尼韋爾研制的DSTJ23000智能壓差壓力傳感器等，都具備了一定的智能。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)（3）自適應(yīng)多傳感器融合。實(shí)際世界中很難得到環(huán)境的精確信息，也無法確保傳感器始終能夠正常工作。因此，對(duì)于各種不確定情況，魯棒融合算法十分必要?，F(xiàn)在已經(jīng)研究出一些自適應(yīng)多傳感器融合算法來處理由于傳感器的不完善帶來的不確定性。如Hong通過革新技術(shù)提出1種擴(kuò)展的聯(lián)合方法，能夠估計(jì)單個(gè)測(cè)量序列濾波的最優(yōu)卡爾曼增益。Pacini和Kosko也研究出1種可以在輕微環(huán)境噪聲下應(yīng)用的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤模糊系統(tǒng)，它在處理過程中結(jié)合了卡爾曼濾波算法。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)6.3.2導(dǎo)航與定位在機(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù)，也是研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。導(dǎo)航的基本任務(wù)有3點(diǎn)：（1）基于環(huán)境理解的全局定位：通過環(huán)境中景物的理解，識(shí)別人為路標(biāo)或具體的實(shí)物，以完成對(duì)機(jī)器人的定位，為路徑規(guī)劃提供素材；（2）目標(biāo)識(shí)別和障礙物檢測(cè)：實(shí)時(shí)對(duì)障礙物或特定目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（3）安全保護(hù)：能對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境中出現(xiàn)的障礙和移動(dòng)物體作出分析并避免對(duì)機(jī)器人造成的損傷。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型等因素的不同，可以分為基于地圖的導(dǎo)航、基于創(chuàng)建地圖的導(dǎo)航和無地圖的導(dǎo)航3類。根據(jù)導(dǎo)航采用的硬件不同，可將導(dǎo)航系統(tǒng)分為視覺導(dǎo)航和非視覺傳感器組合導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航是利用攝像頭進(jìn)行環(huán)境探測(cè)和辨識(shí)，以獲取場(chǎng)景中絕大部分信息。視覺導(dǎo)航信息處理的內(nèi)容主要包括：視覺信息的壓縮和濾波、路面檢測(cè)和障礙物檢測(cè)、環(huán)境特定標(biāo)志的識(shí)別、三維信息感知與處理。非視覺傳感器導(dǎo)航是指采用多種傳感器共同工作，如探針式、電容式、電感式、力學(xué)

傳感器、雷達(dá)傳感器、光電傳感器等，用來探測(cè)環(huán)境，對(duì)機(jī)器人的位置、姿態(tài)、速

度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，使得

機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化，有效地獲取內(nèi)外

部信息。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)在自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中，無論是局部實(shí)時(shí)避障還是全局規(guī)劃，都需要精確知道機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)，這就是機(jī)器人的定位問題。比較成熟的定位系統(tǒng)可分為被動(dòng)式傳感器系統(tǒng)和主動(dòng)式傳感器系統(tǒng)。被動(dòng)式傳感器系統(tǒng)通過碼盤、加速度傳感器、陀螺儀、多普勒速度傳感器等感知機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過累積計(jì)算得到定位信息。主動(dòng)式傳感器系統(tǒng)通過包括超聲傳感器、紅外傳感器、激光測(cè)距儀以及視頻攝像機(jī)等主動(dòng)式傳感器感知機(jī)器人外部環(huán)境或人為設(shè)置的路標(biāo)，與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的模型進(jìn)行匹配，從而

得到當(dāng)前機(jī)器人與環(huán)境或路標(biāo)的相對(duì)位置，獲得定位信息。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)6.3.3路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。

圖6-13機(jī)器人路徑規(guī)劃03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)路徑規(guī)劃方法大致可以分為傳統(tǒng)方法和智能方法2種。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法主要有以下幾種：自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢(shì)場(chǎng)法。大部分機(jī)器人路徑規(guī)劃中的全局規(guī)劃都是基于上述幾種方法進(jìn)行的，但這些方法在路徑搜索效率及路徑優(yōu)化方面有待于進(jìn)一步改善。人工勢(shì)場(chǎng)法是傳統(tǒng)算法中較成熟且高效的規(guī)劃方法，它通過環(huán)境勢(shì)場(chǎng)模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，但是沒有考察路徑是否最優(yōu)。智能路徑規(guī)劃方法是將遺傳算法、模糊邏輯以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法應(yīng)用到路徑規(guī)劃中，

來提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的避障精度，加快規(guī)劃速度，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。其中應(yīng)

用較多的算法主要有模糊方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、Q學(xué)習(xí)及混合算法等，這些

方法在障礙物環(huán)境已知或未知情況下均已取得一定的研究成果。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)6.3.4機(jī)器人視覺機(jī)器人視覺是其智能化最重要的標(biāo)志之一，對(duì)機(jī)器人智能及控制都具有非常重要的意義。視覺系統(tǒng)一般由攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成，它是自主機(jī)器人的重要組成部分。機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像獲取、圖像處理和分析、輸出和顯示，其核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識(shí)。如何精確高效的處理視覺信息是視覺

系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

圖6-14機(jī)器人視覺系統(tǒng)03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)視覺信息處理的工作是逐步細(xì)化，包括視覺信息的壓縮和濾波、環(huán)境和障礙物檢測(cè)、特定環(huán)境標(biāo)志的識(shí)別、三維信息感知與處理等。其中環(huán)境和障礙物檢測(cè)是視覺信息處理中最重要、也是最困難的過程。邊沿抽取是視覺信息處理中常用的方法，對(duì)于一般的圖像邊沿抽取，如采用局部數(shù)據(jù)的梯度法和二階微分法等，對(duì)于需要在運(yùn)動(dòng)中處理圖像的移動(dòng)機(jī)器人而言，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。為此人們提出基于計(jì)算智能的圖像邊沿抽取方法，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、利用模糊推理規(guī)則的方法，特別是貝茲德克教授全面論述了利用模糊邏輯推理進(jìn)行圖像邊沿抽取的

意義。這種方法具體到視覺導(dǎo)航，就是將機(jī)器人在室外運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的道路知識(shí)，

如公路白線和道路邊沿信息等，集成到模糊規(guī)則庫中來提高道路識(shí)別效率和魯棒性。

慈愛，還有人提出將遺傳算法與模糊邏輯相結(jié)合。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)6.3.5智能控制隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者提出了各種不同的機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，例如有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和智能控制技術(shù)的融合等。在模糊控制方面，巴克利等人論證了模糊系統(tǒng)的逼近特性，曼丹首次將模糊理論用于一臺(tái)實(shí)際機(jī)器人。模糊系統(tǒng)在機(jī)器人的建模、控制、對(duì)柔性臂的控制、模糊補(bǔ)償控制以及移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方面，小腦模型控制器關(guān)節(jié)

（CMCA）是應(yīng)用較早的一種控制方法，其最大特點(diǎn)是實(shí)

時(shí)性強(qiáng)，尤其適用于多自由度操作臂的控制。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)智能控制方法提高了機(jī)器人的速度及精度，但是也有其自身的局限性。例如機(jī)器人模糊控制中的規(guī)則庫如果很龐大，推理過程的時(shí)間就會(huì)過長(zhǎng)；如果規(guī)則庫很簡(jiǎn)單，控制的精確性又會(huì)受到限制；無論是模糊控制還是變結(jié)構(gòu)控制，都會(huì)出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，這將給控制帶來嚴(yán)重影響。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)量和隱層內(nèi)神經(jīng)元數(shù)的合理確定仍是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在智能控制設(shè)計(jì)方面所遇到的問題等。03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)6.3.6人機(jī)接口技術(shù)智能機(jī)器人的研究目標(biāo)并不是完全取代人，復(fù)雜的智能機(jī)器人系統(tǒng)僅僅依靠計(jì)算機(jī)來控制是有一定困難的，即使可以做到，也由于缺乏對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力而并不實(shí)用。智能機(jī)器人系統(tǒng)需要借助人機(jī)協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，因此，設(shè)計(jì)良好的人

機(jī)接口就成為智能機(jī)器人研究的重點(diǎn)問題之一。

圖6-15機(jī)器人人機(jī)接口03

智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)人機(jī)接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計(jì)算機(jī)交流。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了要求機(jī)器人控制器有一個(gè)友好、靈活方便的人機(jī)界面之外，還要求計(jì)算機(jī)能夠看懂文字、聽懂語言、說話表達(dá)，甚至能夠進(jìn)行不同語言之間的翻譯，而這些功能的實(shí)現(xiàn)又依賴于知識(shí)表示方法的研究。因此，研究人機(jī)接口技術(shù)既有巨大的應(yīng)用價(jià)值，又有基礎(chǔ)理論意義。人機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識(shí)別、語音合成與識(shí)別、圖像識(shí)別與處理、機(jī)器翻譯等技術(shù)已經(jīng)開始實(shí)用化。另外，人機(jī)接口裝置和交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)、通訊技

術(shù)等也是人機(jī)接口技術(shù)的重要組成部分，其中遠(yuǎn)程操作技

術(shù)是一個(gè)重要的研究方向。智能機(jī)器人的發(fā)展0404

智能機(jī)器人的發(fā)展盡管針對(duì)機(jī)器人的人工智能研究已經(jīng)取得了顯著的成績(jī)，但控制論專家們認(rèn)為它可以具備的智能水平的極限并未達(dá)到。問題不光在于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度不夠和感覺傳感器種類少，而在于例如缺乏編制機(jī)器人理智行為程序的設(shè)計(jì)思想。實(shí)際上，現(xiàn)在甚至連人在解決最普通的問題時(shí)的思維過程都還沒有破譯，又怎能掌握規(guī)律，提高計(jì)算機(jī)的“思維”速度呢？認(rèn)識(shí)人類自己這個(gè)問題成了機(jī)器人發(fā)展道路上的絆腳石。0102日本推動(dòng)建立全球標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)型機(jī)器人前景廣闊04

智能機(jī)器人的發(fā)展04

智能機(jī)器人的發(fā)展6.4.1人的意識(shí)與機(jī)器人模擬制造“生活”在不固定性環(huán)境中的智能機(jī)器人這一課題，近年來使人們對(duì)發(fā)生在生物系統(tǒng)、動(dòng)物和人類大腦中的認(rèn)識(shí)和自我認(rèn)識(shí)過程進(jìn)行了深刻研究，結(jié)果就出現(xiàn)了等級(jí)自適應(yīng)系統(tǒng)學(xué)說。純粹從機(jī)械學(xué)觀點(diǎn)來粗略估算，人類的身體具有兩百多個(gè)自由度。當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行寫字、走路、跑步、游泳、彈鋼琴這些復(fù)雜動(dòng)作的時(shí)候，大腦究竟是怎樣對(duì)每一塊肌肉發(fā)號(hào)施令的呢？大腦怎么能在最短的時(shí)間內(nèi)處理完這么多的信息呢？實(shí)際上人類的

大腦可能根本沒有參與這些活動(dòng)。大腦“不屑于”去管這些，

它根本不去監(jiān)督身體的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部位，動(dòng)作的詳細(xì)設(shè)計(jì)是在比

大腦皮層低得多的水平上進(jìn)行的。最明顯的就是，“一接觸到

熱的物體就把手縮回來”這類最明顯的指令甚至在大腦還沒有

意識(shí)到的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)出了。04

智能機(jī)器人的發(fā)展把一個(gè)大任務(wù)在幾個(gè)皮層之間進(jìn)行分配，這比控制器官給構(gòu)成系統(tǒng)的每個(gè)要素規(guī)定必要?jiǎng)幼鞯膰?yán)格集中的分配合算、經(jīng)濟(jì)、有效。在解決重大問題的時(shí)候，這樣集中化的大腦就會(huì)顯得過于復(fù)雜，不僅腦顱，甚至連人的整個(gè)身體都容納不下。在完成這樣或那樣的一些復(fù)雜動(dòng)作時(shí)，人們通常將其分解成一系列的普遍的小動(dòng)作（如起來、坐下、邁右腳、邁左腳）。教給小孩各種各樣的動(dòng)作可歸結(jié)為在小孩的“存儲(chǔ)器”中形成并鞏固相應(yīng)的小動(dòng)作。同樣的道理，知覺過程也是如此組織起來的。感性形象——這是聽覺、視覺或觸覺脈沖的固定序列或組合（馬、人），

或者是序列和組合二者兼而有之。04