机器人感知与信息获取科学

信息获取科 学与技术
通讯与网络 技术
信息科学与技术
–计算机科学与技术 –通讯和网络技术 –信息获取 ？
=> 信息处理无所不在 => 信息传输无所不在 => 无所不在 ？ 信息流的瓶颈！
• “信息获取”是一个具有基础性、前瞻性、战略性的 研究方向，五至十年后必将出现信息获取无所不在的景 象。 • “911”以来对信息获取的需求迅速上升，而现有技术 不能满足要求。 • 多传感器信息融合、传感器智能化是寻求理论和技术 突破的科学途径。 • 存在的问题：
机器人感知与信息获取科学
梅 涛
中国科学技术大学 博士生导师 中国科学院合肥智能机械研究所 研究员 tmei@mail.iim.ac.cn
一、智能机械概述 二、机器人感知系统 三、信息获取科学与技术
一、智能机械概述
什么是智能机械？ 智能机械是具有外部环境和自身状态感知能力、自 适应决策能力、自动操作执行能力和人机交互能力的机 械电子系统。机器人是智能机械的典型代表，是最高意 义上的自动化。 决策系统 感知系统 人机交互 智能机械
•无外引线，可以在体外进行运动控制和数据采集。
天线
电池
驱动器
图像传感器 镜头
发射芯片
照明二极管
透光 外壳
4、机器人触觉传感器
传力柱 橡胶层 金丝 敏感单元
保护阵列
中央凸台 外引线 基板
敏感阵列结构图
(a) 芯片正面
敏感芯片
(b) 芯片背面
力敏信号
线性单元解耦
单元力
触觉图象
人工神经网络
总力
6、 近期任务
（1） 基础理论研究
信息获取中的信息论原理
信息获取中的仿生学原理 敏感元件的普适性数学模型 多传感器信息融合理论 模式识别与特征提取方法 感知信息的数学描述与表达 机器智商中感知能力的表达与评价
（2）
关键技术研究 敏感材料工艺稳定性研究


传感器可靠性研究与质量控制
• 信息获取科学与技术是传统的传感技术、检测技 术、遥感技术在信息化时代的学科升华。
• 信息获取的科学基础是数学、物理学、化学、生 物学和心理学，以及它们之间的学科交叉。
• 建立具有普适性的信息获取理论基础是当前研究 的重点。
• 信息获取的过程是一个多层的信息融合过程，它包括 了物质层、数据层和特征层三个层次。 信息获取的物质基础是物理、化学、生物敏感现象 和过程，物质层的作用就是从这些现象和过程中获得被 测信号——敏感信息。 多传感信号在数据层中被聚集在一起，实现对外界 信息的数据表达——传感数据。 数据在特征层中进行处理、特征提取和匹配，实现 信息获取的最终目标——获得感知信息。 物 质 层
（1）未从信息获取科学的角度建立学科的理论基础；
（2）未能从系统的角度建立学科体系； （3）存在多学科交叉的复杂性。
创立“信息获取科学与 技术学科” 是信息科学与技
术发展的科学需求，符合科 学发展的客观必然性！
2、社会经济发展对信息获取的需求
• 二十一世纪是知识经济时代和信息化时代，知识和 信息将成为推动社会、经济发展的重要因素。 • 信息技术是研究和提供实现信息化的方法和手段， 是推动社会进步、经济繁荣的前导性技术之一。 •产业发展不平衡： 2001年世界传感器市场总额约为790亿美元，相当 于通讯产品的50%左右。
模式识别 理论
信 息 论 应用物理 学 数据融合 理论
生物物理 学
心理物理 学
特征层
数据层
应用化学
生物信息 学
物质层
信息获取的理论基础
4、学科体系
信息获取科学与技术
敏感材料与元件
传感器
机器感知
结 构 型 敏 感 材 料 与 元 件
物 理 型 敏 感 材 料 与 元 件
化 学 型 敏 感 材 料 与 元 件
力觉
多维腕力、指力、脚力 分布压力、接触力、 接触形状、滑动状态、 表面温度、热传导特性 距离
触觉
接近觉
听觉
声音、超声
嗅觉
气体成分
气体识别、防化作战
味觉
味道
化学成分判别、食品检测
2、空间机器人手眼系统
功能：
• 自主行走：在行走过程中识 别工字形抓拿单元并确定其 位置和姿态； • 静态对象操作：拾取若干工 件并插入指定位置；
具有人机接触交互能力的机器人装配作业平台
二、机器人感知系统
1、传感器的基本概念
• 传感器 感知系统，但是机器人感知的基础。
• 传感器的六大指标： 精度、灵敏度、量程、温漂、时漂、频响 • 机器人感知分为对机器人自身状态的感知和对部环 境的感知，并称相应的传感器为内部传感器和外部 传感器。 • 机器人内部传感器主要包括：关节角度传感器、水
复杂巨系统：广域（全国、全球、宇宙），多变量（农 作物、气象、环境、经济、市场、社会），多技术集成 （农业技术、人工智能、传感与遥感、软件技术）。
朱镕基、朱丽兰参观农业专家系统
自动化温室
• 执行系统的任务是根据决策措施，控制机械运动装置实 现对对象物体的操作，它是人类肌肉和肢体的延伸。执 行系统的科学基础是控制论。 智能材料为新型执行系统的研制创造了新机遇。
微机器人基体
匀强磁场
匀强磁场
在磁场作 用下弯曲
FMP执行器
磁场撤消 后恢复
外场驱动微型游泳机器人
电动前移式叉车
• 人机交互系统的任务是建立机器与人类的友好互动关 系，让机器与人类互相理解和感受。人机交互的科学 基础是控制论、心理学等。 • 人机交互系统在航天、深海作业、危险品处理等方面 具有重要的应用前景。
• 决策系统的任务是根据环境和自身状态来判断实现任 务目标所必须采取的措施，它是人类大脑的延伸。决
策系统的科学基础是人工智能。
智能所在决策系统方面的研究重点是：智能农业决策支 持系统。十三亿人民的吃饭问题和提高八亿农民收入是 国家战略需求，智能农业决策支持系统将为国民经济可 持续发展提供重要条件。
以信息获取的三层次论断为依据，构筑由敏感材料与 元件、传感器、机器感知三个分学科组成的学科体系。
通过对重大关键技术的联合攻关，突破信息获取技术 中的共同的战略性问题，为研制出具有自主知识产权的世 界一流产品奠定技术基础。 最终使我国信息产业在无所不在的信息获取需求扑面 而来之时，能够为社会提供可与国外抗衡的、系统的信息 获取技术与产品，推动国民经济的快速增长。
我国传感器产值为92亿元，仅相当于我国通讯产 品的4%。
中国传感器产值在世界上占的份额仅1.4%。
世界上传感器的种类有2万种，而我国仅能生产约 3000个品种，主要传感器产品1000多种。
• 开拓信息获取科学与技术“新疆土”是 在世界信息科学与产业界取得竞争优势的 重要举措！
3、信息获取的理论基础
生 物 型 敏 感 材 料 与 元 件
力 学 量 传 感 器
物 理 量 传 感 器
化 学 量 传 感 器
生 物 量 传 感 器
机 器 视 觉
机 器 触 觉
机 器 嗅 觉
机 器 味 觉
5、战略目标
为满足信息科学与技术的学科发展需求和全面实现信 息化的社会、经济需求，创立信息获取科学与技术学科。 以信息论为最主要的科学理论，发挥多学科交叉优势 ，建立信息获取科学的理论基础。
10 9 1
11 12
4 5 2
工字梁
3、无线肠胃检查机器人
研究目标： 突破体内微机器人的无线驱动、控制、通讯关键技 术，研制出无线肠胃检查微型机器人实验样机，并进行 动物实验。 主要技术指标:
•机器人样机尺寸：外径≤12 mm，长度≤35mm；
•携带微型图像传感器，具有对管壁的全景可视功能； •具有位置、接触觉敏感能力，位置定位精度≤5mm， 接触力灵敏度≤20 mN； •具有对肠道形状变化的可适应性，实现无损伤、无疼 痛功能，驱动机构对肠壁的作用力≤2N；
I-type stands
a. Climbing the structures
Robot
• 动态对象操作：捕获一个浮 游的物体。
Object s
b. Object manipulation
立体视觉系统： •视觉信息采集与传输 •图象处理与识别、定位 •距离判别
全局左眼 全局右眼 视频彩色 解码 爪1左眼 爪1右眼 同步定时
Gears with Gears and screw screw mechanism V-type holder V-type holder
被测表面
Finger tip Finger tip
图7-17 光强法光电接近觉传感器结构
Z
8 7 13 Y 9 10
Z 8 7
13
X 1 2
1 2 3
4 5 6
摩擦系数对比
阈值计算
滑动状态
接触状态
钥匙触觉图象
砝码触觉图象
a. 照片 c. 力分布高度图
b. 力分布点阵图
螺母触觉图象
5、机器人多维力传感器
三、信息获取科学与技术
1、信息科学与技术学科发展对信息获取的需求
信息链
＝ 信息获取＋信息处理＋信息传输
信息处理
信息获取
信息链
信息传输
计算机科学 与技术
• 创办《International Journal of Information Acquisition》。
欢迎提问！ http://www.iim.ac.cn
智能化网络传感器与标准 战场综合信息获取技术 仿生防恐信息获取技术 痕量危险品探测技术
（3）

重点产品开发
安全、防恐用智能化图象识别监控系统 家用智能安全防盗系统 汽车感知系统与传感器 高灵敏度、高分辨率红外图象传感器
7、具体措施
• 启动中国科学院知识创新领域前沿项目“信息获取 科学与技术中的若干基本科学问题与关键技术研究” ，总经费约800万。 • 举办“中国科学院信息获取学术研讨会”（2003.11 ） • 创立“International Association of Information Acquisition”
平倾角传感器。
• 机器人外部传感器
传感器 视觉 检测内容 形状、位置、距离 检测器件 CCD摄象机、激光雷达、 超声波成像仪、合成孔径雷达 电阻应变片、压阻元件、 压电元件、光纤 应变片、压阻元件、导电橡胶、 PVDF薄膜、光导板/CCD 超声探头、激光/光电二极管、 电磁线圈、电容器、 PSD器件、气动/压力传感器 麦克风、超声波传感器 气敏元件、射线传感器、 气相色谱仪 离子敏传感器、pH计、 液相色谱仪 应用举例 目标识别、定位、 导航、缺陷检查 力/位置控制、轮廓跟踪、 轴孔配合、双臂协调 握力控制、抓取物识别、 抓取位置判断、防滑、 热保护、材质判别 距离测量、避障、 防碰、轨迹控制 语音识别、语言控制、 故障判断
敏感信息
被测环境
数 据 层
传感数据
特 征 层
感知信息
•信息论是信息获取科学与技术最重要的理论基础， 它的早期理论是香农的封闭信息系统理论，即信息 传递的准确性要求达到熵值最高的静态平衡状态。 •信息获取源的多元化使信息获取成为一个开放性的 动态平衡过程。而目前科学界尚未完全建立开放式 信息系统的相应理论，所以信息获取的信息论原理 有待于进一步研究。 •人类应该从奥妙无穷的自然生物中获得灵感，仿生 学将是建立开放式信息系统理论的手段。 •生命过程符合热力学第二定律。封闭的信息系统同 样符合热力学第二定律而开放式信息获取系统的定 律还有待于我们去验证。
MUX
PCI
A/D变换
Control
爪2左眼
爪2右眼
CPU RAM
目标物体
左图像
右图像
Xleft
Xright
左摄象机
右摄象机
图7-7 三维立体视觉原理图
定位实验结果
多传感器手爪：
Adapter Adapter
Circuit box Circuit box Motor Motor
光敏二极管
Reducer Reducer
Baidu Nhomakorabea
执行系统
• 感知系统的任务是获取外部环境和自身状态信息，它 是人类感觉器官的延伸。感知系统的学科基础是信息
获取科学与技术
Hirzinger于2000年指出：“人们希望AI能够推动机器人 技术快速发展，使机器人更具智能。但他们忽略了一些 事情，例如尽管逻辑决策的作用很大，但传感器的感知 与反馈是更高级智能行为的真正基础。事实上，工业机 器人在很大程度上仍像几年前一样笨” 。 这表明在机器人领域感知系统的研究和应用还很不够， 面向应用需求的感知系统是智能机械，尤其是机器人发 展智能的关键技术。