人工智能ArtificialIntelligence【智能機(jī)器人】

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1、人工智能人工智能Artificial IntelligenceArtificial Intelligence第十章第十章智能機(jī)器人智能機(jī)器人Intelligent Robot2021-11-1412021-11-142內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10

2、.9 小結(jié)小結(jié)概概 述述n 智能機(jī)器人是一種具有智能的、高度靈活的、自動化的機(jī)器，具備感知、規(guī)劃、動作、協(xié)同等能力，是多種高新技術(shù)的集成體。智能機(jī)器人是將體力勞動和智力勞動高度結(jié)合的產(chǎn)物，構(gòu)建能“思維”的人造機(jī)器。n 智能機(jī)器人的 “智能” 特征在于它具有與外部世界：對象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能。從控制方式看，智能機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人的 “ 示教再現(xiàn) ” ，也不同于遙控機(jī)器人的 “ 主從操縱 ” ，而是以一種 “ 認(rèn)知 適應(yīng) ” 的方式自律的進(jìn)行操作。2021-11-143概概 述述n 智能機(jī)器人最大特點是：只需要告訴它“做什么”，而 不用告訴它 “怎么做”。n 智能機(jī)器人應(yīng)具有四

3、種機(jī)能：運動機(jī)能：相當(dāng)于人的手和腳、臂和腿的工作機(jī)能，對環(huán)境施加作用；感知機(jī)能：獲取外部環(huán)境信息以便進(jìn)行自我行動決策和監(jiān)視的機(jī)能，通常講的視覺、聽覺等；思維機(jī)能：求解問題的認(rèn)識、推理、判斷機(jī)能；人 機(jī)通信機(jī)能：理解指示命令，輸出內(nèi)部狀態(tài)，與人進(jìn)行信息交換的機(jī)能。 2021-11-1442021-11-145內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7

4、機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)智能機(jī)器人的智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)n 智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)指一個智能機(jī)器人系統(tǒng)中的智能、行為、信息、控制的時空分布模式。以其系統(tǒng)的智能、行為、信息、控制作為分類標(biāo)準(zhǔn)，具有7種典型結(jié)構(gòu)：分層遞階結(jié)構(gòu)包容結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)自組織結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)社會機(jī)器人結(jié)構(gòu)2021-11-146動作動作行動行動感知感知 外部環(huán)境外部環(huán)境傳感器傳感器認(rèn)知認(rèn)知分層分層遞階結(jié)構(gòu)遞階結(jié)構(gòu)n 1979年薩里迪斯（Saridis G）提出分層遞階結(jié)構(gòu)，其分層原則是：隨著控制精度的增加而智能能力減少。他根據(jù)這一原則把

5、智能控制系統(tǒng)分為3級，即組織級，協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級。n 分層遞階結(jié)構(gòu)是目標(biāo)驅(qū)動的慎思結(jié)構(gòu)，其核心在于基于符號的規(guī)劃，其思想源于西蒙和紐厄爾的物理符號系統(tǒng)假說。分層遞階結(jié)構(gòu)中兩個典型的代表是SPA(sense-plan-act)和NASREM2021-11-147包容包容結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 1986年，布魯克斯（R. Brooks）以移動機(jī)器人為背景提出了一種依據(jù)行為來劃分層次和構(gòu)造模塊的思想 。包容結(jié)構(gòu)中每個控制層直接基于傳感器的輸入進(jìn)行決策，在其內(nèi)部不維護(hù)外界環(huán)境模型，可以在完全陌生的環(huán)境中進(jìn)行操作。Brooks采用包容結(jié)構(gòu)構(gòu)造了多種機(jī)器人，這些機(jī)器人顯示出非常強(qiáng)的智能行為。隨后涌現(xiàn)了一批基于包容思想的

6、研究成果。2021-11-148三層三層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 三層結(jié)構(gòu)由反饋控制層、慎思規(guī)劃層和連接二者的序列層構(gòu)成。n 三層結(jié)構(gòu)是分層遞階和包容結(jié)構(gòu)相融合的混合結(jié)構(gòu)，它既吸取了遞階結(jié)構(gòu)中高層規(guī)劃的智能性，又保持了包容結(jié)構(gòu)中低層反應(yīng)的靈活性。機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)是傳感信息融合的結(jié)果，是對外界環(huán)境的反映。三層結(jié)構(gòu)中，序列層維護(hù)著狀態(tài)信息，反映的是環(huán)境的過去，控制層直接處理傳感信息，面對的是環(huán)境的現(xiàn)在，慎思層經(jīng)過規(guī)劃推理，預(yù)測的是環(huán)境的將來，從而保證了智能機(jī)器人在時間維上對環(huán)境的準(zhǔn)確把握。三層結(jié)構(gòu)的不足之處是忽視了傳感信息融合、學(xué)習(xí)和環(huán)境建模。2021-11-149自組織自組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 1997年，羅森勃拉特(

7、Rosenblatt J)在移動機(jī)器人導(dǎo)航中提出了DAMN結(jié)構(gòu)。自組織結(jié)構(gòu)由一組分布式功能模塊和一個集中命令仲裁器組成。各功能模塊基于領(lǐng)域知識通過規(guī)劃或反應(yīng)方式自主產(chǎn)生行為(投票)，由仲裁器產(chǎn)生一致的、理性的、目標(biāo)導(dǎo)向的動作到控制器。各功能模塊的投票受表決權(quán)大小的影響，表決權(quán)由模式管理器維護(hù)并可以動態(tài)修改。于是，在不同的任務(wù)、環(huán)境狀態(tài)下，各功能模塊會表現(xiàn)出不同的輸人輸出關(guān)系，即通過分布投票、集中仲裁且動態(tài)改變表決權(quán)的方式實現(xiàn)變構(gòu)，從而使DAMN結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出自組織能力。2021-11-1410自組織自組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 自組織結(jié)構(gòu)的智能分布在其動態(tài)可變的結(jié)構(gòu)中，突破了傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中功能分布模式固定的框

8、架，具有良好的可擴(kuò)充性和自適應(yīng)、自組織性能，但其集中仲裁的機(jī)制往往是信息流通和系統(tǒng)控制的瓶頸。2021-11-1411分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)n 1998年，比亞喬（Piaggio M）提出一種稱為HEIR(hybrid experts in intelligent robots)的非層次結(jié)構(gòu)，由處理不同類型知識的3個部分組成：符號組件(S)、圖解組件(D)和反應(yīng)組件(R)，每個組件又都是一個由多個具有特定認(rèn)知功能的、可以并發(fā)執(zhí)行的Agent構(gòu)成的專家組，各組件沒有層次高低之分，自主地、并發(fā)地工作，相互間通過信息交換進(jìn)行協(xié)調(diào)，這是一種典型的分布式結(jié)構(gòu)。2021-11-1412進(jìn)化進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)控制結(jié)

9、構(gòu)n將進(jìn)化計算理論與反饋控制理論相結(jié)合，形成了一個新的智能控制方法進(jìn)化控制。它能很好地解決移動機(jī)器人的學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力方面的問題。n進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)的獨特之處在于其智能分布在進(jìn)化規(guī)劃過程中。進(jìn)化計算在求解復(fù)雜問題優(yōu)化解時具有獨到的優(yōu)越性，展現(xiàn)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的自主性。2021-11-1413社會機(jī)器人社會機(jī)器人結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n1999年，魯尼(Rooney B)根據(jù)社會智能假說提出了由物理層、反應(yīng)層、慎思層和社會層構(gòu)成的社會機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)Rooney 1999 (圖10-7)，其特色之處在于基于信念-愿望-意圖（BDI）模型的慎思層和基于Agent通信語言Teanga的社會層，BDI賦予了機(jī)器人心智狀態(tài)，Te

10、anga賦予了機(jī)器人社會交互能力。2021-11-1414認(rèn)知機(jī)器人認(rèn)知機(jī)器人結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n認(rèn)知機(jī)器人是一種具有類似人類高層認(rèn)知能力、并能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、完成復(fù)雜任務(wù)額新一代機(jī)器人。認(rèn)知機(jī)器人的抽象結(jié)構(gòu)，分為三層，即計算層、構(gòu)件層和硬件層。計算層包括知覺、認(rèn)知、行動。知覺是在感覺的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，是對感覺信息的整合與解釋。認(rèn)知包括行動選擇、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、多機(jī)器人協(xié)同、團(tuán)隊工作等。行動是機(jī)器人控制系統(tǒng)的最基本單元， 包括移動、導(dǎo)航、避障等，所有行為都可由它表現(xiàn)出來。行為是感知輸入到行動模式的映射，行動模式用來完成該行為。在構(gòu)件層包括感覺驅(qū)動器（感覺庫）、行動驅(qū)動器（運動庫）和通信接口。硬件層有傳感器、激勵

11、器、通信設(shè)施等。當(dāng)機(jī)器人在環(huán)境中運行時，通過傳感器獲取環(huán)境信息,根據(jù)當(dāng)前的感知信息來搜索認(rèn)知模型，如果存在相應(yīng)的經(jīng)驗與之匹配，則直接根據(jù)經(jīng)驗來實現(xiàn)行動決策，如果不具有相關(guān)經(jīng)驗，則機(jī)器人利用知識庫來進(jìn)行推理。2021-11-1415認(rèn)知機(jī)器人認(rèn)知機(jī)器人結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2021-11-1416密西根大學(xué)的萊德(Laird J)等采用SOAR認(rèn)知模型構(gòu)建認(rèn)知機(jī)器人，系統(tǒng)中將符號處理與非符號處理結(jié)合，具有多種學(xué)習(xí)機(jī)制。2021-11-1417內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4

12、 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)機(jī)器人視覺機(jī)器人視覺系統(tǒng)系統(tǒng)n機(jī)器人要對外部世界的信息進(jìn)行感知，就要依靠各種傳感器。就像人類一樣，在機(jī)器人的眾多感知傳感器中，視覺系統(tǒng)提供了大部分機(jī)器人所需的外部世界信息。因此視覺系統(tǒng)在機(jī)器人技術(shù)中具有重要的作用。2021-11-1418機(jī)器人視覺機(jī)器人視覺系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類n 依據(jù)視覺傳感器的數(shù)量和特性，目前主流的移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)有單目視覺雙目立體視覺多目視覺全景視覺2

13、021-11-1419機(jī)器人定位機(jī)器人定位技術(shù)技術(shù)n 移動機(jī)器人導(dǎo)航中，實現(xiàn)機(jī)器人自身的準(zhǔn)確定位是一項最基本、最重要的功能。移動機(jī)器人常用的定位技術(shù)包括以下幾個： 基于航跡推算的定位技術(shù) 基于信號燈的定位方法 基于地圖的定位方法 基于路標(biāo)的定位方法 基于視覺的定位方法2021-11-1420自主視覺自主視覺導(dǎo)航導(dǎo)航n 機(jī)器人自主視覺導(dǎo)航是目前世界范圍內(nèi)人工智能、機(jī)器人學(xué)、自動控制等學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。n 采用被動光學(xué)傳感器的視覺方法，體積功耗小，信息量豐富，因此基于視覺方法進(jìn)行地形感知與地圖構(gòu)建具有廣闊的應(yīng)用前景。2021-11-1421視覺視覺伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)n 基于視覺的伺服控制形式。這

14、種方式可以克服模型中存在的不確定性，提高視覺定位或跟蹤的精度。2021-11-14222021-11-1423內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)機(jī)器人機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃n 規(guī)劃的任務(wù)是尋找一個動作序列使問題求解（如控制系統(tǒng)）可以完成某個特定的

15、任務(wù)。n 規(guī)劃實質(zhì)分類時淡化規(guī)劃內(nèi)容，只考慮規(guī)劃的實質(zhì) (1)任務(wù)規(guī)劃：對求解問題的目標(biāo)和任務(wù)等進(jìn)行規(guī)劃，又稱為高層規(guī)劃。 (2)路徑規(guī)劃：對求解問題的途徑、路徑、代價等進(jìn)行規(guī)劃，又稱為中層規(guī)劃。 (3)軌跡規(guī)劃：對求解問題的空間幾何軌跡及其生成進(jìn)行規(guī)劃，又稱為底層規(guī)劃。2021-11-1424任務(wù)規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃n STRIPS是由現(xiàn)在的斯坦福研究所（SRI International）開發(fā)的，意思是斯坦福研究所規(guī)劃系統(tǒng)（Stanford Research Institute Planning System）。這個控制程序是用來驅(qū)動20世紀(jì)70年代的Shakey機(jī)器人的。整個STRIPS系統(tǒng)的組

16、成如下: (1)世界模型。為一階謂詞演算公式。 (2)操作符(F規(guī)則)。包括先決條件、刪除表和添加表。 (3)操作方法。應(yīng)用狀態(tài)空間表示和中間-結(jié)局分析。2021-11-142526積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃 積木世界由一些有標(biāo)記的立方形積木，互相堆迭在一起構(gòu)成；機(jī)器人有個可移動的機(jī)械手，它可以抓起積木塊并移動積木從一處至另一處。2021-11-1427n 機(jī)器人能夠執(zhí)行的動作舉例如下： unstack(a,b)：把堆放在積木b上的積木a拾起。在進(jìn)行這個動作之前，要求機(jī)器人的手為空手，而且積木a的頂上是空的。 stack(a,b)：把積木a堆放在積木b上。動作之前要求機(jī)械手必須已

17、抓住積木a，而且積木b頂上必須是空的。 pickup(a)：從桌面上拾起積木a，并抓住它不放。在動作之前要求機(jī)械手為空手，而且積木a頂上沒有任何東西。 putdown(a)：把積木a放置到桌面上。要求動作之前機(jī)械手已抓住積木a。積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃2021-11-1428n 綜合機(jī)器人的動作序列，即在某個給定初始情況下，經(jīng)過某個動作序列而達(dá)到指定的目標(biāo)。n 機(jī)器人問題的狀態(tài)描述和目標(biāo)描述均可用謂詞邏輯公式構(gòu)成： ON(a,b)：積木a在積木b之上。 ONTABLE(a)：積木a在桌面上。 CLEAR(a)：積木a頂上沒有任何東西。 HOLDING(a)：機(jī)械手正抓住積木a。

18、 HANDEMPTY：機(jī)械手為空手。積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃2021-11-1429 目標(biāo)在于建立一個積木堆，其中，積木B堆在積木C上面，積木A又堆在積木B上面。CBA機(jī)械手ABC機(jī)械手（a）初始布局 （b）目標(biāo)布局積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃2021-11-1430初始布局可由下列謂詞公式的合取來表示：CLEAR(B)：積木B頂部為空CLEAR(C)：積木C頂部為空ON(C，A)：積木C堆在積木A上ONTABLE(A)：積木A置于桌面上ONTABLE(B)：積木B置于桌面上HANDEMPTY：機(jī)械手為空手積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃2021-11-14

19、31用用F F規(guī)則求解規(guī)劃序列規(guī)則求解規(guī)劃序列 STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)則由3部分組成： 第一部分是先決條件。 第二部分是一個叫做刪除表的謂詞。 第三部分叫做添加表。 2021-11-1432 例：表示堆積木的例子中move這個動作，如下所示： move(x,y,z)：把物體x從物體y上面移到物體z上面。 先決條件：CLEAR(x), CLEAR(z)，ON(x,y) 刪除表： ON(x,z)， CLEAR(z) 添加表： ON(x,z)， CLEAR(y) 如果move為此機(jī)器人僅有的操作符或適用動作，那么，可以生成move動作的搜索圖或搜索樹。CLEAR(X)CLEAR(Z)ON(X,Y)

20、ONTABLE(Y)ONTABLE(Z)CLEAR(X)CLEAR(Y)ON(X,Z)ONTABLE(Y)ONTABLE(z)move(X,Y,Z)用用F F規(guī)則求解規(guī)劃序列規(guī)則求解規(guī)劃序列2021-11-1433機(jī)器人的機(jī)器人的4 4個動作個動作( (或操作符或操作符) )可用可用STRIPSSTRIPS形式表示如下：形式表示如下：n stack(X,Y) 先決條件和刪除表： HOLDING(X)CLEAR(Y) 添加表： HANDEMPTY，ON(X，Y)n unstack(X,Y) 先決條件： HANDEMPTYON(X，Y)CLEAR(X) 刪除表： ON(X，Y)，HANDEMPTY

21、 添加表： HOLDING(X)，CLEAR(Y)n pickup(X) 先決條件：ONTABLE(X)CLEAR(X)HANDEMPTY 刪除表： ONTABLE(X)HANDENPTY 添加表： HOLDING(X)n putdown(X) 先決條件和刪除表： HOLDING(X) 添加表： ONTABLE(X)，HANDEMPTY積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃2021-11-1434n 從初始狀態(tài)開始，正向地依次讀出連接弧線上的F規(guī)則，我們就得到一個能夠達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的動作序列于下： unstack(C,A), putdown(C), pickup(B), stack(B,C),

22、 pickup(A), stack(A,B)n 就把這個動作序列叫做達(dá)到這個積木世界機(jī)器人問題目標(biāo)的規(guī)劃。積木世界積木世界的機(jī)器人的機(jī)器人規(guī)劃規(guī)劃2021-11-1435STRIPSSTRIPS規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng) STRIPS的介紹 STRIPS是由Fikes、Hart和Nilsson3人在1981及1982研究成功的，它是夏凱(Shakey)機(jī)器人程序控制系統(tǒng)的一個組成部分。 STRIPS系統(tǒng)組成 世界模型：為一階謂詞演算公式； - 操作符(F規(guī)則)：包括先決條件、刪除表和添加表； - 操作方法：應(yīng)用狀態(tài)空間表示和中間-結(jié)局分析。2021-11-1436STRIPSSTRIPS規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)

23、三角表2021-11-1437分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃n 分層分解是處理復(fù)雜問題常見的方法。層次結(jié)構(gòu)的好處在于在每一層上，一個任務(wù)都能被分解為下一個較低層次的少量動作，所以對當(dāng)前問題尋找正確的方法來安排這些動作比較有效。這種思想與偏序規(guī)劃方法結(jié)合起來就是規(guī)劃方法中的分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃（hierarchical task network planning）。把整體任務(wù)分解成容易處理的子任務(wù)集合，并且通過子任務(wù)集合的求解而最終得到整體任務(wù)的解。n 分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)問題可以用四元組來描述: P=(s0，w，O，M)，其中，s0是初始狀態(tài)，w是初始任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，O 是是操作的集合，M 是方法的集合。20

24、21-11-1438路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃n 機(jī)器人的路徑規(guī)劃是指機(jī)器人在有障礙物的工作環(huán)境中，尋找出一條從起點到終點的路徑，使機(jī)器人在運動過程中能無碰撞地繞過所有障礙物到達(dá)目的地，其實質(zhì)就是移動機(jī)器人運動過程中的導(dǎo)航和避障?；诓煌难芯糠较?，移動機(jī)器人路徑規(guī)劃有著不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)。比較常用的有根據(jù)環(huán)境信息感知程度分類和根據(jù)環(huán)境信息確定性分類n 在當(dāng)今移動機(jī)器人路徑規(guī)劃中，全局路徑規(guī)劃主要是環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有自由空間法、可視圖法(V-Graph)和柵格法(Grids)等。路徑搜索主要有：A*算法、D*最優(yōu)算法等。局部路徑規(guī)劃的主要方法有遺傳算法、人工勢場法(A

25、rtificial Potential Field)、模糊邏輯算法和滾動窗口法等。2021-11-14軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃 機(jī)器人軌跡(trajectory)泛指機(jī)器人在運動過程中的運動軌跡，即運動點的位移、速度和加速度。 軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點，將其經(jīng)運動學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點建立運動方程，然后按這些運動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。 機(jī)器人運動軌跡的描述一般是對其手部位姿的描述，此位姿值可與關(guān)節(jié)變量相互轉(zhuǎn)換?？刂栖壽E也就是按時間控制手部或工具中心走過的空間路徑(path)。2021-11-1439軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃

26、在軌跡規(guī)劃中，為敘述方便，也常用點來表示機(jī)器人的狀態(tài)，或用它來表示工具坐標(biāo)系的位姿，例如起始點、終止點就分別表示工具坐標(biāo)系的起始位姿及終止位姿。 更詳細(xì)地描述運動時不僅要規(guī)定機(jī)器人的起始點和終止點，而且要給出介于起始點和終止點之間的中間點，也稱路徑點。這時，運動軌跡除了位姿約束外，還存在著各路徑點之間的時間分配問題。例如，在規(guī)定路徑的同時，必須給出兩個路徑點之間的運動時間.2021-11-1440軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃 軌跡規(guī)劃既可以在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行，也可以在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行。在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃是指將所有關(guān)節(jié)變量表示為時間的函數(shù)，用這些關(guān)節(jié)函數(shù)及其一階、二階導(dǎo)數(shù)描述機(jī)器人預(yù)期的運動；在直角坐

27、標(biāo)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃是指將手爪位姿、速度和加速度表示為時間的函數(shù)，而相應(yīng)的關(guān)節(jié)位置、速度和加速度由手爪信息導(dǎo)出。2021-11-1441軌跡軌跡的生成方式的生成方式(1) 示教-再現(xiàn)運動。這種運動由人手把手示教機(jī)器人，定時記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路徑運動時各關(guān)節(jié)的位移時間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時，按內(nèi)存中記錄的各點的值產(chǎn)生序列動作。(2) 關(guān)節(jié)空間運動。這種運動直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動力學(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描述，所以用這種方式求最短時間運動很方便。(3) 空間直線運動。這是一種直角空間里的運動，它便于描述空間操作，計算量小，適宜簡單的作業(yè)。(4) 空間曲線運動。這是一種在直角空間中用

28、明確的函數(shù)表達(dá)的運動，如圓周運動、螺旋運動等。2021-11-14422021-11-1443內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)情感機(jī)器人情感機(jī)器人n 情感機(jī)器人就是用人工的方法和技術(shù)賦予機(jī)器人以人類式的情感，使之具有表達(dá)、識別和理解喜樂

29、哀怒，模仿、延伸和擴(kuò)展人的情感的能力。n 20世紀(jì)90年代各國紛紛提出了“情感計算”、“感性工學(xué)”、“人工情感”與“人工心理”等理論，為情感識別與表達(dá)型機(jī)器人的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。主要的技術(shù)成果有：基于圖像或視頻的人臉表情識別技術(shù)；基于情景的情感手勢、動作識別與理解技術(shù)；表情合成和情感表達(dá)方法和理論；情感手勢、動作生成算法和模型；基于概率圖模型的情感狀態(tài)理解技術(shù)；情感測量和表示技術(shù)，情感交互設(shè)計和模型等。這種機(jī)器人能夠比較逼真地模擬人的許多種情感表達(dá)方式，能夠較為準(zhǔn)確地識別幾種基本的情感模式。2021-11-1444情感機(jī)器人情感機(jī)器人n 真正具有類人情感的機(jī)器人必須具備三個基本系統(tǒng)：情感識別

30、系統(tǒng)、情感計算系統(tǒng)和情感表達(dá)系統(tǒng)。2021-11-14452021-11-1446內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人n 發(fā)育機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人的不同之處表現(xiàn)在：不是針對某種特定的任務(wù)，必須要對未知可能發(fā)生的任務(wù)生成合理

31、的表示，要像動物一樣可以在線的進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時這種學(xué)習(xí)是一種增量的過程，即要保證高層的決策建立在底層比較簡單的基礎(chǔ)之上。另外，自組織特性也是發(fā)育機(jī)器人的獨特之處，在沒有人類進(jìn)行干擾的情況下，發(fā)育機(jī)器人也要保證能對所學(xué)知識進(jìn)行合理的組織與存儲。n 1996年，翁巨揚（Weng J）提出了機(jī)器人自主智力發(fā)育的思想。2001年， 他在Science雜志上詳細(xì)地闡述了自主智力發(fā)育的思想框架與可實現(xiàn)的算法模型2021-11-1447發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人n 發(fā)育模型的構(gòu)建與發(fā)育學(xué)習(xí)算法的設(shè)計是發(fā)育機(jī)器人主要研究的兩大方面。發(fā)育模型的基本結(jié)構(gòu)發(fā)育模型的基本結(jié)構(gòu)2021-11-14482021-11-1449內(nèi)

32、容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用n 2013年，全球工業(yè)機(jī)器人銷量179萬臺；中國銷售37萬臺，約占全球市場份額20。中國首次成為全球最大機(jī)器人市場。n 2014年，全球工業(yè)機(jī)器人銷量225萬臺；中國銷售56萬臺，增幅

33、54，約占全球市場份額25，其中中國本土企業(yè)銷量為16萬臺。但是，中國每萬人工業(yè)機(jī)器人保有量為30，不及全球平均水平的一半，市場潛力巨大。2021-11-1450機(jī)器人戰(zhàn)士機(jī)器人戰(zhàn)士PortonPorton manman2021-11-1451Boston Dynamics PetMan2021-11-1452火星探測器2021-11-1453好奇號好奇號勇氣號勇氣號Boston Dynamics Boston Dynamics 機(jī)器狗機(jī)器狗2021-11-1454https:/ 2015- 2015-合肥合肥2021-11-14572021-11-1458內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1

34、概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10.9 小結(jié)小結(jié)智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢2021-11-1459n 今后機(jī)器人要轉(zhuǎn)向與人合作的階段。與人共融將是下一代機(jī)器人的特征。國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10

35、個方面：(1)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。(2)機(jī)器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(3)多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢2021-11-1460(4)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。(5)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)

36、調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。(6)虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。(7)多智能體調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多主體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢2021-11-1461（8）微型和微小機(jī)器人技術(shù): 這是機(jī)器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。（9）

37、軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機(jī)器人對人是友好的。（10）仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。中國制造中國制造20252025規(guī)劃綱要規(guī)劃綱要2021-11-1462強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新驅(qū)動質(zhì)量為先綠色發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化人才為本世界機(jī)器人大會世界機(jī)器人大會2021-11-1463n 2015年11月23日，世界機(jī)器人大會在北京舉行，這是中國首次舉辦關(guān)于機(jī)器人的國際性大

38、會。中國國家主席習(xí)近平向會議發(fā)來賀信，指出以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，成為現(xiàn)代科技創(chuàng)新的一個重要標(biāo)志。中國將機(jī)器人和智能制造納入了國家科技創(chuàng)新的優(yōu)先重點領(lǐng)域。 世界機(jī)器人大會世界機(jī)器人大會2021-11-1464n 2015年11月23日，世界機(jī)器人大會在北京舉行，這是中國首次舉辦關(guān)于機(jī)器人的國際性大會。以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，成為現(xiàn)代科技創(chuàng)新的一個重要標(biāo)志。中國將機(jī)器人和智能制造納入了國家科技創(chuàng)新的優(yōu)先重點領(lǐng)域。 機(jī)器人革命機(jī)器人革命2021-11-1465機(jī)器人革命： 即將到來的機(jī)器人時代約瑟夫 巴-科恩（Yoseph Bar-Coben）博士，在美國國家航空航天局

39、NASA噴氣推進(jìn)實驗室中擔(dān)任高級科學(xué)家及課題研究組組長，從事電活性材料及裝置和仿生機(jī)制方面的研究。大衛(wèi) 漢森（David Hanson）博士，作為一名藝術(shù)家兼科學(xué)家，從事著仿生機(jī)器人的研制工作。2021-11-1466內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)10.3 10.3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)10.4 10.4 機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃10.5 10.5 情感機(jī)器人情感機(jī)器人10.6 10.6 發(fā)育機(jī)器人發(fā)育機(jī)器人10.7 10.7 機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用10.8 10.8 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢智能機(jī)器人發(fā)展趨勢10.9 10

40、.9 小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)2021-11-1467n 20世紀(jì)末“計算機(jī)文化”已深入人心。21世紀(jì)，“機(jī)器人文化”將茁壯成長，將對社會生產(chǎn)力的發(fā)展，對人類生活、工作、思維的方式以及社會發(fā)展產(chǎn)生無可估量的影響。n 智能機(jī)器人是集多種技術(shù)于一身的人造制品，是推動新工業(yè)革命的關(guān)鍵。人與機(jī)器人的關(guān)系從20世紀(jì)70年代的“人機(jī)競爭”，發(fā)展到20世紀(jì)90年代的“人機(jī)共存”，再到目前的“人機(jī)協(xié)作”，預(yù)計到2020年將形成“人機(jī)共融”的新局面。n 本章主要探討智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)、視覺系統(tǒng)、自動規(guī)劃；簡要介紹情感機(jī)器人和發(fā)育機(jī)器人；列舉智能機(jī)器人的重要應(yīng)用。最后指出智能機(jī)器人的發(fā)展趨勢。2021-11-1468 Thank You人工智能 http:/