《人工智能基础与应用》(樊重俊编著)第10章+机器人

第二代
• 也称之为新一代机器人或机器人2.0，其特点是具有部分环境感知、自 主决策、自主规划与自主导航能力，特别是具有类人的视觉、语音、文 本、触觉、力觉等模式识别能力，因而具有较强的环境适应性和一定的 自主性。
第三代
• 除具有第二代智能机器人的全部能力外，还具有更强的环境感知、认知 与情感交互功能，以及自学习、自繁殖乃至自进化能力。第三代智能机 器人的核心是开始逐步具有认知智能的能力。这方面目前仅有一些十分 初期的典型产品，如2014年日本软银公司发布的第一款消费类智能人形 机器人Pepper，已具有基于人工智能的语音交互、人脸追踪与识别以及 初步的情感交互能力。
随着先进机械制造、人工智能等技术的日益成熟，机器人研究关注点也从传 统的工业机器人逐渐转向应用更为广泛、智能化程度更高的服务型机器人。对 于服务机器人，机械手臂系统完成各种灵巧操作是机器人操作中最重要的基本 任务之一，近年来一直受到国内外学术界和工业界的广泛关注。
第10章 机器人
机器人工作原理 人工智能技术在机器人中的应用
• 中央处理装置是安装与机器人中的计算机，能对机器人中的 所有部件进行统一控制与协调，以完成机器人的行动目标。 同时，它能完成机器人中的智能活动。
• 机器人中可以有多个感知器来接受外部环境的信息，它相当 于人的接受器官。所有这些感知器通过相应的控制器组成机 器人感知装置。常用的感知器有：摄像机、麦克风等以及多 种传感器。
第10章 机器人
ONTENTS
内 容 大 纲
10.1 机器人概述 10.2 机器人基本构成 10.3 机器人工作原理 10.4 机器人的应用 10.5 小结与思考
第10章 机器人
机器人基本构成 机器人的主体构成
机器人可由三个部分装置组成，分别是中央处理装置、感知装置以及行动 装置。
中央处理装置 感知装置 行动装置
它接受环境对其的作用，并作出反映对环境产生影响。
第10章 机器人
机器人概述 基本概念
➢ 从功能上来说，机器人具有以下特点： ✓ 类人的功能 ✓ 不一定有类人的外貌 ✓ 机电相结合
➢ 分类 ✓ 弱智能机器人
智能处理能力差的机器人，如工业机器人。 ✓ 智能机器人(Intelligent Robot)
具有完整智能处理能力的机器人，又称强智能机器人。
发展前景： ✓ 全面化 ✓ 智能化 ✓ 市场化 ✓ 人性化
第10章 机器人
机器人的应用
智能机器人的典型应用场景
➢ 机器人娱乐领城应用——娱乐机器人 娱乐机器人的应用前景也很好，它能为人们表演各种节目，进行比赛，还
能作为宠物供人娱乐。
➢ 机器人军事领域应用——军用机器人 军用机器人是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机器。
第10章 机器人
机器人概述 基本概念
➢ 特性 ✓ 从机器角度看，一般机器能取代人类的部分体力劳动，而机器人能取代更多
的工作，特别是具有脑/体结合性工作，可提高生产效率、产品质量 ✓ 从人类角度看，机器人可不受工作环境影响，可在危险恶劣环境下工作；不
受内在心理因素影响，能始终如一保持工作的正确性、精确度。 ✓ 从机器人自身角度看，机器人在某些能力方面可以超过人的能力，主要是感
第10章 机器人
机器人概述
➢ 定义
基本概念
从浅显的角度讲，机器人是一种在一定环境中具有独立自主行为的个体。它 有类人的功能，但不一定有类人的外貌的机电相结合的机器。
➢ 抽象意义上来说，机器人有以下特点： ✓ 具有独立自主行为的个体
首先，机器人是一个独立个体，不是外界另外个体的附属物，或外界个体的 一个部分。其次，它具有自主行为，在接受外部刺激后能独立自主作出反映。 ✓ 机器人与环境有关
4 机器人智能交互
机器学习 自然语言处理
语音处理 专家系统 深度学习
神经网络
人工智能技术在机器人中的应用
第10章 机器人
机器人工作原理 人工智能技术在机器人中的应用
➢ 智能感知技术 传感技术是从环境中获取信息并对之进行处理、变换和识别的多学科交叉的
现代科学与工程技术，以下是人工智能技术在三类最基本的感知模态中的应用。
第10章 机器人
机器人工作原理 人工智能技术在机器人中的应用
➢ 智能控制与操作
✓ 神经网络在智能运动控制中的应用 神经网络控制是基于人工神经网络的控制方法，具有学习能力和非线性映射
能力，能够解决机器人复杂的系统控制问题。机器人控制系统中应用的神经网 络有直接控制、神经网络自校正控制、神经网络并联控制等几种结构。 ✓ 机器学习在机器人灵巧操作中的应用
第10章 机器人
机器人的应用
智能机器人的典型应用场景
➢ 机器人服务领城应用——服务机器人
✓ 应用及未来展望 服务机器人是指能半自主或全自主完成服务人类工作的机器人，但它们不从
事生产。服务机器人一般分为两种：一种是专业领域的服务机器人，如清洁机 器人、医用机器人、水下机器人等；另一种是专门从事家庭及个人服务的机器 人，在救援、监护、保安等领域都有广泛的应用。
听觉 3
在某些环境中，要求 机器人能够测知声音的音 调和响度、区分左右声源 及判断声源的大致方位， 甚至是要求与机器进行语 音交流，自然语言与语音 处理技术在其中起到重要 作用。
第10章 机器人
机器人工作原理
➢ 智能感知
人工智能技术在机器人中的应用
4 机器学习在机器人多模态信息融合中的应用
对于待描述的目标或场景，通过不同的方法或视角收集到的、 耦合的数据样本是多模态数据。通常把收集此类数据的方法或视角称 为模态。狭义的多模态信息通常关注感知特性的不同模态，而广义的 多模态融合通常还需要研究不同模态的联合内在结构、不同模态之 间的相容与互斥以及人机融合的意图理解，还有多个同类型传感器的 数据融合等。因此，多模态感知与学习与信号处理领域的“多源融 合”“多传感器融合”以及机器学习领域的“多视学习”或“多视融 合”等关系密切。机器人多模态信息感知与融合在智能机器人的应用 中起着重要作用。
知能力与行动能力中的某些方面。
➢ 三原则
• 机器人不可伤害人类，或眼看人将受伤害而袖手旁观
• 机器人应遵守人类的命令，但违背第一条命令者除外
• 机器人应能保护自己，但与第一条命令、第二条命令相抵触者 除外
第10章 机器人
机器人概述 发展历程
第一代
• 以传统工业机器人和无人机为代表的机电一体化设备，关注的是操作与 移动/飞行功能的实现，使用了一些简单的感知设备，如工业机械臂的 关节编码器，AGV的磁条/磁标传感器等，智能程度较低。其代表性产品 是六自由度多关节机械臂、并联机器人、SCARA平面关节式机器人等。
• 机器人中可以有多个执行器，用以完成机器人对外部环境的 执行动作，它相当于人的手、脚、嘴等行动器官。所有这些 执行器，通过相应的控制器组成机器人行动装置。目前常用 的执行器有：机械手、行走机构、扬声器等其他的执行器。
第10章 机器人
ONTENTS
内 容 大 纲
10.1 机器人概述 10.2 机器人基本构成 10.3 机器人工作原理 10.4 机器人的应用 10.5 小结与思考
第10章
机器人
2020年7月
第10章 机器人
ONTENTS
内 容 大 纲
10.1 机器人概述 10.2 机器人基本构成 10.3 机器人工作原理 10.4 机器人的应用 10.5 小结与思考
第10章 机器人
ONTENTS
内 容 大 纲
10.1 机器人概述 10.2 机器人基本构成 10.3 机器人工作原理 10.4 机器人的应用 10.5 小结与思考
③ 滚动设备、喷水设备的不断调整也是一个反复不断的过程(即行动装置与中 央处理装置不断交互的过程)，达到灭火目标为止。
在整个灭火工作中，中央处理装置起到整体控制与协调的作用，同时使用了 智能性的活动，如动态调整滚动设备、喷水设备的动作过程是一个不断实施智 能推理的过程。因此，消防灭火机器人是一个智能机器人。
第10章 机器人
机器人工作原理
➢ 工作原理
工作原理
机器人的工作原理遵从行为主义的感知—动作模型表示，根据这种工作模 型，机器人按以下规则活动： ✓ 机器人是一个独立活动个体，它生活在外部世界环境中，机器人的活动过程
是与外部环境不断交互的过程。 ✓ 机器人的工作步骤是： ①机器人通过感知装置从外部接获信息触发机器人进入正式处理工作状态。 ②机器人的中央处理装置负责接获信息处理，在处理后向行动装置不断发布命 令，以控制、协调行为装置的工作。 ③行动装置在接获命令后，通过控制器的解释并分解成若干个执行命令到执行 器，最终由执行器负责执行，以达到改变外部环境的目标。这种目标应与中央 处理装置下达命令的目标一致。
知识库主要包括： ✓ 机器人避碰规则、专家对避碰规则的理解和认识模块、根据机器人避碰
行为和专家经验所推导的研究成果； ✓ 机器人运动规划的基础知识和规则； ✓ 实现避碰推理所需的算法及其结果； ✓ 由各种产生式规则形成的若干个基本避碰知识模块等。
机器学习的目的是使计算机能够自动获取知识推理机的重要作用是确定 如何对知识进行有效的使用并控制和协调各环节工作。
第10章 机器人
机器人的应用
机器人的典型应用Leabharlann Baidu景
➢ 机器人工业领域应用——工业机器人及智能工业机器人 ✓ 特点
拟人化
可编程
适用性广
✓ 应用及未来展望 主要应用于自动化流水线作业中以及危险行业 中，如有辐射威胁行业城应用是、水下作业、 管道作业以及严寒、酷热环境下的露天作业环 境下的工作。在工业机器人未来发展过程中， 会逐渐朝着民生方向发展。这对于提升社会整 体生产力而言具有重要的意义。
第10章 机器人
机器人工作原理 人工智能技术在机器人中的应用
➢ 概述 人工智能技术的应用提高了机器人的智能化程度，同时智能机器人的研究
又促进了人工智能理论和技术的发展。智能机器人是人工智能技术的综合试验 场，可以全面地检验考察人工智能各个研究领域的技术发展状况。
视觉与传感器技术
1 智能感知技术
机 2 智能规划与导航 器 人 3 智能控制与操作
第10章 机器人
机器人工作原理 人工智能技术在机器人中的应用
➢ 智能导航与规划 实现智能导航的核心是实现自动避碰。机器人自动避碰系统由数据库、知
识库、机器学习和推理机等构成。其中，位于机器人本体上的各类导航传感器 收集本体及障碍物的运动信息，并将所收集的信息输入数据库。数据库主要存 放来自机器人本体传感器和环境地图的信息以及推理过程中的中间结果等数据， 供机器学习与推理机随时调用。
在人机智能交互中，对人类运动行为的识别和长期预测称为意图理解。 行 为识别是指检测和分类给定数据流的人类动作，并估计人体关节点的位置，通 过识别和预测的迭代修正得到具有语义的长期运动行为预测，从而达到意图理 解的目的，为人机交互与协作提供充分的信息。
第10章 机器人
ONTENTS
内 容 大 纲
10.1 机器人概述 10.2 机器人基本构成 10.3 机器人工作原理 10.4 机器人的应用 10.5 小结与思考
➢ 智能交互 人机交互的目的在于实现人与机器人之间的沟通，消融两者之间的交流界
限，使人们可以通过语言、表情、动作或者一些可穿戴设备实现人与机器人自 由地信息交流与理解。 ✓ 基于可穿戴设备的人机交互
作为信息采集的工具，可穿戴设备是一类超微型、高精度、可穿戴的人机最 佳融合的移动信息系统，直接穿戴在用户身上，可以与用户紧密地联系在一起， 为人机交互带来更好的体验。 ✓ 基于深度网络的人机交互学习
1
视觉
2
触觉
机器人视觉可以通过视 觉传感器获取环境图像，并 通过视觉处理器进行分析和 解释，进而转换为符号，让 机器人能够辨识物体并确定 其位置。应用包括为机器人 的动作控制提供视觉反馈、 移动式机器人的视觉导航等。
触觉传感器是机器 人中用于模仿触觉功能的 传感器。机器人中的触觉 传感器主要包括接触觉、 压力觉、滑觉、接近觉和 温度觉等目前，主要通过 机器学习中的聚类、分类 等监督或无监督学习算法 来完成触觉建模。
第10章 机器人
机器人工作原理 工作原理
✓ 机器人的工作步骤经常是反复不断循环的，直到最终目标完成为止。
➢ 消防灭火器的工作原理
① 在火灾现场通过感知装置寻找起火点。寻找的过程是一个反复不断的过程 (即感知装置与中央处理装置不断交互的过程)。
② 一旦找到起火点后，中央处理装置即启动滚动设备并接近火源，然后开启 自动喷水设备，动态调整方位、喷水的水压与水量等。