第1章

智能機(jī)器人概述

第2章

智能機(jī)器人基礎(chǔ)

第3章

智能機(jī)器人視覺學(xué)習(xí)

第4章

智能機(jī)器人規(guī)則學(xué)習(xí)

第5章

聊天機(jī)器人

第6章

智能循跡車

第7章

五子棋機(jī)器人

第8章

象棋機(jī)器人

第9章

智能眼控移動(dòng)機(jī)器人

第10章

導(dǎo)盲機(jī)器人

第11章

自動(dòng)駕駛智能汽車

第12章

智能機(jī)器人未來發(fā)展趨勢(shì)全套可編輯PPT課件1.1智能機(jī)器人的概念

1.2智能機(jī)器人的組成及特性

1.3智能機(jī)器人的基本應(yīng)用

1.4智能機(jī)器人的主要研究內(nèi)容智能機(jī)器人的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代,早期的機(jī)器人更多地應(yīng)用在工業(yè)制造領(lǐng)域。在工業(yè)機(jī)器人的幫助下,人們可以解放雙手,避免部分重復(fù)性機(jī)械的工作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,“有感覺”的智能機(jī)器人隨之而來,它們對(duì)周圍環(huán)境有一定的感知能力,并且可以處理接收到的信號(hào)進(jìn)而更改自己的行為。隨著智能化程度越來越高,智能機(jī)器人逐漸具有了識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制。本章將對(duì)智能機(jī)器人的發(fā)展歷程進(jìn)行回溯,介紹智能機(jī)器人的基本組成、分類與特性,并對(duì)智能機(jī)器人現(xiàn)今的主要應(yīng)用領(lǐng)域與研究熱點(diǎn)進(jìn)行敘述,結(jié)構(gòu)框架如圖1.1所示。1.1智能機(jī)器人的概念1.1.1智能機(jī)器人的背景介紹“機(jī)器人(robot)”一詞來自1920年捷克作家KarelCapek的科幻戲劇《羅蘇姆的萬能機(jī)器人》中的robotnik(捷克語,譯為“奴隸”),該詞源自robota(強(qiáng)制勞動(dòng)、苦工、奴役)。原著中的人形工作機(jī)械是最早的關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)想。后來,只要具有一定柔性或某種生物特征的機(jī)器都被統(tǒng)稱為機(jī)器人,這類機(jī)器人并不具有人工智能,僅能夠根據(jù)命令重復(fù)執(zhí)行操作,主要用于汽車等工業(yè)生產(chǎn)。自20世紀(jì)60年代起,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,人們開始研究智能機(jī)器人。1956年在達(dá)特茅斯會(huì)議上,馬文·明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法:“智能機(jī)器能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問題,能夠從抽象模型中尋找解決方法?！边@個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。雖然計(jì)算機(jī)為AI提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ),但直到20世紀(jì)50年代早期人們才注意到人類智能與機(jī)器之間的聯(lián)系。從機(jī)器人到智能機(jī)器人的發(fā)展歷史大概可以分為以下三個(gè)階段:第一階段是工業(yè)機(jī)器人階段。它們對(duì)外界環(huán)境沒有感知。計(jì)算機(jī)設(shè)定程序發(fā)出指令,機(jī)器人按照事先設(shè)定好的程序再現(xiàn)動(dòng)作。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上,這樣的機(jī)器人有類似人的腿部、腰、大臂、小臂、手腕、手等部分,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造,并逐漸被投入到電子、機(jī)械裝配和非生產(chǎn)性行業(yè)。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生于1959年,約瑟夫·恩格爾伯格創(chuàng)立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠———Unimation公司,并發(fā)明了一臺(tái)用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,其手臂的控制由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成,第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人(如圖1.2所示)由此誕生。該機(jī)器人采用了分離式固體數(shù)控元件,并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓,能夠記憶完成180個(gè)工作步驟。恩格爾伯格的發(fā)明改變了工業(yè)生產(chǎn),他由此也被稱為“機(jī)器人之父”。第二階段是具有感知的機(jī)器人階段。從20世紀(jì)60年代中期開始,美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國興起了第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人的研究,并向人工智能進(jìn)發(fā)。行業(yè)的需求促使了機(jī)器人的更新?lián)Q代。最初由于科技的限制而沒有視覺和觸覺的機(jī)器人已經(jīng)無法滿足人們的需要,這時(shí)人們根據(jù)新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)研制出了新一代機(jī)器人。這種帶感覺的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)以類似人的感覺(如力覺、觸覺、聽覺)來判斷力的大小和滑動(dòng)的情況。新一代機(jī)器人具有一定的識(shí)別和判斷能力,是智能機(jī)器人的早期形態(tài)。1968年,美國斯坦福研究所公布了他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器,能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大,可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人,如圖1.3所示。第三階段是人工智能機(jī)器人階段。這樣的機(jī)器人具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制,它可以把感知和行動(dòng)智能化結(jié)合起來,因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè),故稱之為智能機(jī)器人。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,機(jī)器人的智能化程度不斷提高,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,用途也更加廣泛,如用于火星科考的“旅居者”探測器、“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天器攜帶的智能人形機(jī)器人等。人們對(duì)智能機(jī)器人的理想化期待就是只要告訴它需要做什么,它就能完成,目前的發(fā)展還是相對(duì)地停留在局部的概念和含義上。1.1.2智能機(jī)器人的定義目前,對(duì)智能機(jī)器人的定義在世界范圍內(nèi)還沒有統(tǒng)一的說法。自20世紀(jì)80年代以來,人們將具有感覺、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)將機(jī)器人定義為一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手,這種機(jī)械手有幾個(gè)軸,能夠借助可編程程序來處理各種材料、零件、工具和專用裝置,以執(zhí)行各種任務(wù)。智能機(jī)器人在傳統(tǒng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上,在感知、決策、效應(yīng)等方面進(jìn)行了全面提升,能夠在行為、情感和思維上模擬人類,它具有相當(dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”,是智能與機(jī)器人的結(jié)合。中央處理器使得機(jī)器人擁有“智力”,這里的“智力”指的是一種學(xué)習(xí)能力,從無到有,從推理到理解,從概括到轉(zhuǎn)移,從一般到特殊。通過與環(huán)境的相互作用和對(duì)環(huán)境的適應(yīng),這樣的智能機(jī)器人既可以聽從人類的指令,按照程序運(yùn)行完成任務(wù),又可以與人友好地進(jìn)行交互,并在交互過程中不斷地學(xué)習(xí)和改進(jìn)。具體而言,智能機(jī)器人主要依靠以下三個(gè)要素來區(qū)別于普通機(jī)器人:一是用于了解周圍環(huán)境狀態(tài)的感知傳感器,包括視覺、聲學(xué)等傳感器,以及感知壓力和觸摸的傳感器;二是做出響應(yīng)外界變化的決策,即機(jī)器人需要對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)作;三是思維要素,能夠根據(jù)從感官要素中獲得的信息來考慮應(yīng)該采取什么行動(dòng),包括判斷、歸納、分析、理解和學(xué)習(xí)等功能。1.2智能機(jī)器人的組成及特性1.2.1智能機(jī)器人的基本組成從智能機(jī)器人的定義中不難看出,一個(gè)完整的智能機(jī)器人一般由以下四部分組成:一是感知部分,用來感知周圍環(huán)境狀態(tài);二是控制部分,根據(jù)感知部分所得到的信息,思考采用什么樣的動(dòng)作;三是運(yùn)動(dòng)部分,對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)作;四是驅(qū)動(dòng)部分,為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力支撐。1.感知部分感知部分相當(dāng)于人的五官,用于獲取機(jī)器人的內(nèi)部信息和外部環(huán)境信息,并把這些信息反饋給控制系統(tǒng)。感知部分主要由內(nèi)部傳感器與外部傳感器組成。內(nèi)部傳感器用于檢測各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量,為控制系統(tǒng)提供反饋信息。外部傳感器包括能感知視覺、接近程度、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,用來認(rèn)識(shí)周圍環(huán)境狀態(tài)。此部分功能可以利用諸如攝像機(jī)、圖像傳感器、超聲波傳感器、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.控制部分控制部分相當(dāng)于人的大腦,也可以稱為智能部分,是四個(gè)部分中十分關(guān)鍵、人們要賦予機(jī)器人必備能力(包括判斷、邏輯分析、學(xué)習(xí)能力、思維能力和決策能力)的部分?？刂撇糠种饕捎?jì)算機(jī)硬件和控制軟件組成,控制軟件一般由人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的人機(jī)交互系統(tǒng)和控制算法組成。控制系統(tǒng)可以根據(jù)是否具備信息反饋環(huán)節(jié)分為閉環(huán)控制與開環(huán)控制兩類。此部分功能通常要依靠計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。3.運(yùn)動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)部分相當(dāng)于人的身體(如手、臂和腿等)。為了適應(yīng)諸如平地、臺(tái)階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境,機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu),包括行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、手爪和末端操作器等部件,每個(gè)部件都有若干自由度,從而構(gòu)成了一個(gè)多自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。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,這種控制不僅要包括位置控制,還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等?？梢愿鶕?jù)是否具備行走機(jī)構(gòu)和腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將機(jī)器人分為行走機(jī)器人與單臂機(jī)器人。若機(jī)器人具備行走機(jī)構(gòu),則構(gòu)成行走機(jī)器人;若機(jī)器人不具備行走機(jī)構(gòu)和腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),則構(gòu)成單臂機(jī)器人。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件,它可以是兩手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具。4.驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)部分相當(dāng)于人的肌肉,主要是指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作的裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同,驅(qū)動(dòng)部分可分為電氣、液壓和氣壓三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),以及這三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的綜合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用比較普遍,這種系統(tǒng)可采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),且負(fù)載能力大,對(duì)用于重載搬運(yùn)和零件加工的機(jī)器人,采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較合適。但液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在管道復(fù)雜、清潔困難等缺點(diǎn),因此限制了它在裝配作業(yè)中的應(yīng)用。無論采用電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),還是采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)器人,其手爪的開合都采用氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作迅速、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。由于空氣具有可壓縮性,因而其工作速度的穩(wěn)定性較差,但是空氣的可壓縮性可提高手爪在抓取或卡緊物體時(shí)的柔順性,可防止受力過大而造成被抓物體或手爪本身的破壞。163智能機(jī)器人由感知部分感知外界環(huán)境的狀況,產(chǎn)生相應(yīng)的信息,并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別。計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)有許多知識(shí),也就是存儲(chǔ)有許多規(guī)則和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)已有的知識(shí)對(duì)得到的外界信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、推理,最后做出決策,產(chǎn)生控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手和手爪運(yùn)動(dòng),完成操作。這樣機(jī)器人不但能適應(yīng)外界環(huán)境的變化,還能完成復(fù)雜的任務(wù)。盡管機(jī)器人外形各異,但它們都由感知、控制、運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)四大部分組成。越來越多的智能機(jī)器人進(jìn)入到了人們的視野。擬人智能機(jī)器人是人類夢(mèng)想的機(jī)器人。如圖1.4所示,由本田汽車公司設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人ASIMO身高130cm,外殼為白色,行走速度是0~9km/h。這種機(jī)器人不但能跑能走,上下階梯,踢足球,還會(huì)擰開瓶蓋倒水。國內(nèi)第一個(gè)可量產(chǎn)的大型服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品優(yōu)友(見圖1.5(a))是繼日本Pepper機(jī)器人(見圖1.5(b))之后全球第二個(gè)可真正商用的服務(wù)機(jī)器人。優(yōu)友身高1.28m,重60kg,外形與電影中的機(jī)器戰(zhàn)警類似,外殼采用白色環(huán)保ABS材料,腿部采用輪式驅(qū)動(dòng),雙手五指俱全,每根指頭都可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng),手臂具有10個(gè)自由度,能展示多種姿態(tài)。在技術(shù)上,機(jī)器人優(yōu)友采用自主研發(fā)的myrobot系統(tǒng),操作系統(tǒng)平臺(tái)可以整合視頻技術(shù)、圖像技術(shù)、語音技術(shù)和智能情感識(shí)別處理技術(shù),因此,優(yōu)友可以和人進(jìn)行友好交互,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽、咨詢、陪護(hù)等服務(wù)功能。1.2.2智能機(jī)器人的分類與特性關(guān)于智能機(jī)器人如何分類,國際上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這里主要介紹三種分類方法,即按照其形態(tài)、應(yīng)用環(huán)境與智能程度的分類。1.按形態(tài)分類智能機(jī)器人從形態(tài)

上

分

類

是

最

容

易

辨

別

的,可

分

為

擬

物

智

能

機(jī)

器

人

和

仿

人

智

能

機(jī)器人。(1)擬物智能機(jī)器人:采用非智能或智能的系統(tǒng),仿照各種各樣的生物、日常使用物品、建筑物、交通工具等做出的方便人類生活的機(jī)器人,如機(jī)器寵物狗,六腳機(jī)器昆蟲,輪式、履帶式機(jī)器人。(2)仿人智能機(jī)器人:模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人,一般分別或同時(shí)具有仿人的四肢和頭部。機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用需求被設(shè)計(jì)成不同的形狀及具備不同的功能,如步行機(jī)器人、寫字機(jī)器人、奏樂機(jī)器人、玩具機(jī)器人等。仿人機(jī)器人研究集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)等于一體,代表著一個(gè)國家的高科技發(fā)展水平。2.按應(yīng)用環(huán)境分類智能機(jī)器人從應(yīng)用環(huán)境的角度劃分,可分為工業(yè)智能機(jī)器人、農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人、探索智能機(jī)器人和服務(wù)智能機(jī)器人四大類。(1)工業(yè)智能機(jī)器人:按照ISO8373的定義,它是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人,是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置,是靠自身動(dòng)力和控制能力實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它接收人類的指令后,將按照設(shè)定的程序執(zhí)行運(yùn)動(dòng)路徑和作業(yè),包括焊接、噴涂、組裝、采集、放置、產(chǎn)品檢測和測試等。(2)農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人:隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步,以定型物、無機(jī)物為作業(yè)對(duì)象的工業(yè)機(jī)器人正在向更高層次的以動(dòng)、植物之類復(fù)雜作業(yè)對(duì)象為目標(biāo)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)器人或機(jī)器人化的農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用不僅能夠大大減輕以致代替人們的生產(chǎn)勞動(dòng)、解決勞動(dòng)力不足的問題,而且可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境,防止農(nóng)藥、化肥等對(duì)人體的傷害,提高作業(yè)質(zhì)量。(3)探索智能機(jī)器人:機(jī)器人除了在工農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用之外,還越來越多地用于極限探索,即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。例如,在水下(海洋)、太空以及在放射性(有毒或高溫等)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到深海之中探秘,已有很長的歷史。然而,由于潛水危險(xiǎn)很大、費(fèi)用極高,因此水下機(jī)器人就成了代替人在這一危險(xiǎn)的環(huán)境中工作的最佳工具。空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人,包括在內(nèi)層空間飛行并進(jìn)行觀測、可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人,到外層空間其他星球上進(jìn)行探測作業(yè)的星球探測機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。(4)服務(wù)智能機(jī)器人:一種半自主或全自主工作的機(jī)器人(不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備),它能完成有益于人類的服務(wù)工作。在我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中對(duì)智能服務(wù)機(jī)器人給予了明確定義:智能服務(wù)機(jī)器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備。3.按智能程度分類智能機(jī)器人根據(jù)其智能程度的不同,可分為初級(jí)智能機(jī)器人與高級(jí)智能機(jī)器人兩類。(1)初級(jí)智能機(jī)器人:與早期的工業(yè)機(jī)器人不一樣,初級(jí)智能機(jī)器人具有像人一樣的感受、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)外界條件的變化。不過,修改程序的原則由人預(yù)先規(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。(2)高級(jí)智能機(jī)器人:與初級(jí)智能機(jī)器人一樣,高級(jí)智能機(jī)器人具有感受、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。不同的是,修改程序的原則不是由人規(guī)定的,而是機(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,所以它的智能程度高于初級(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,并且可以在沒有人照料的情況下完全獨(dú)立地工作,故稱之為高級(jí)自律機(jī)器人。這種機(jī)器人也開始走向?qū)嵱?。從上面的分類已?jīng)可以看出智能機(jī)器人具備的一些重要特征。智能機(jī)器人的動(dòng)作結(jié)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官(如肢體、感官等)的功能;智能機(jī)器人具有通用性,工作種類多樣,動(dòng)作程序靈活易變,是柔性加工的主要組成部分之一;智能機(jī)器人具有交互性,可以與人、外部環(huán)境以及其他機(jī)器人之間進(jìn)行信息交流;智能機(jī)器人具有不同程度的智能,如感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)等;部分高級(jí)智能機(jī)器人具有獨(dú)立完整的機(jī)器人系統(tǒng),在工作中可以不依賴人的干預(yù),有著極高的自主性與適應(yīng)性。1.3智能機(jī)器人的基本應(yīng)用科技的發(fā)展使得智能機(jī)器人技術(shù)日漸成熟,人們對(duì)智能機(jī)器人的預(yù)期也越來越高,智能機(jī)器人真正地進(jìn)入到了人們的生活,無人駕駛、家用服務(wù)這些智能機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)中的需求也越來越廣泛。針對(duì)這一現(xiàn)狀,科學(xué)家們正努力研制不同功能的智能機(jī)器人以滿足人們對(duì)智能產(chǎn)品的需要。這些機(jī)器人中,有給人帶來便利的掃地機(jī)器人,有具有強(qiáng)大威懾力的軍用機(jī)器人,有可以自動(dòng)在空中飛翔的無人機(jī),有似鋼鐵巨人般的工業(yè)機(jī)器人,還有在農(nóng)上各顯神通的農(nóng)業(yè)機(jī)器人等。1.3.1智能駕駛智能駕駛技術(shù)涵蓋了一系列功能,從輔助駕駛到完全自動(dòng)駕駛。這包括在司機(jī)的監(jiān)控和控制下輔助駕駛的功能,以及在特定情況下能夠完全取代人類駕駛員的無人駕駛技術(shù)。無人駕駛汽車?yán)密囕d傳感器系統(tǒng)感知周圍環(huán)境,自動(dòng)規(guī)劃行車路線,并控制車輛以達(dá)到預(yù)定目的地。如圖1.6所示,無人駕駛汽車通過收集的道路、車輛位置和障礙物信息,自動(dòng)控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度,確保車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。智能駕駛的概念比純粹的無人駕駛更廣泛,包括了從部分自動(dòng)化到完全自動(dòng)化的各種級(jí)別。比如自動(dòng)剎車系統(tǒng)在探知前方有異物或者行人時(shí),會(huì)自動(dòng)幫助駕駛員剎車;自適應(yīng)巡航系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測與前車的安全距離,在極大程度上減少了高速公路上的交通事故。智能駕駛大大提升了生產(chǎn)效率和交通效率,智能駕駛汽車將由交通工具演變成智能平臺(tái),為乘客提供豐富的生活服務(wù)。1.3.2家用服務(wù)家用服務(wù),即專門設(shè)計(jì)為人類服務(wù)的智能機(jī)器人,能夠代替人完成家庭服務(wù)工作。它包括行進(jìn)裝置、感知裝置、接收裝置、發(fā)送裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置、存儲(chǔ)裝置、交互裝置等。感知裝置將在家庭居住環(huán)境內(nèi)感知到的信息傳送給控制裝置,控制裝置指示執(zhí)行裝置做出響應(yīng),并進(jìn)行防盜監(jiān)測、安全檢查、清潔衛(wèi)生、物品搬運(yùn)、家電控制、家庭娛樂、病況監(jiān)視、兒童教育、報(bào)時(shí)催醒及家用統(tǒng)計(jì)等工作。智能機(jī)器人在生活服務(wù)方面的應(yīng)用種類非常多,這些應(yīng)用不僅便利了人們的生活,更在情感需求方面下足了功夫,按照形態(tài)可以將它們分為保姆型與寵物型智能機(jī)器人。(1)保姆型智能機(jī)器人:外形十分接近人類,具備類似人類的四肢和部分感覺器官。只要人們有需求,保姆型智能機(jī)器人都可以效勞?，F(xiàn)有的保姆型智能機(jī)器人不僅可以記住1萬個(gè)單詞,還能識(shí)別10個(gè)人的面孔并與人交流,它們能在生活中同時(shí)扮演“保姆”“秘書”等多個(gè)角色,是一種能與人交流的家用智能機(jī)器人。例如,由本田汽車公司研發(fā)的“阿西莫”智能機(jī)器人的行進(jìn)速度最高可達(dá)2.5km/h,十分適用于家庭環(huán)境。人們可以利用工作站發(fā)出的信號(hào),或者是遙控發(fā)出的信號(hào)來命令“阿西莫”智能機(jī)器人做出相應(yīng)的行動(dòng)。“阿西莫”智能機(jī)器人不僅繼承了原先的行走功能、肢體運(yùn)動(dòng)功能,還可以由人提前設(shè)定各種所需動(dòng)作,它可以記住諸如“主人衣服放置的位置”之類的問題,還能在主人下班回家后,為主人替換輕便的鞋子,并能辨識(shí)出哪只是左腳的鞋子,哪只是右腳的鞋子。新版的“阿西莫”智能機(jī)器人已經(jīng)拋棄了傳統(tǒng)遙控裝置,取而代之的是先進(jìn)的智能語音識(shí)別和圖片識(shí)別系統(tǒng),利用這兩種系統(tǒng),“阿西莫”機(jī)器人可以“聽懂”主人的話,還能根據(jù)主人的手勢(shì)來理解要做的事情。(2)寵物型智能機(jī)器人:通常以被當(dāng)作寵物養(yǎng)的動(dòng)物的形象為原型制造,如寵物鳥、寵物狗、寵物貓等。寵物機(jī)器人也可能包括一些通常不被認(rèn)為是寵物的對(duì)象,如模擬機(jī)器恐龍。有些人甚至把這些機(jī)器人當(dāng)作真正的寵物。圖1.7所示的是日本索尼公司推出的機(jī)器狗Aibo。這款機(jī)器狗以廣泛靈活的動(dòng)作和積極的反應(yīng)為特征,還會(huì)隨著其與主人越來越親密的關(guān)系發(fā)展出自己獨(dú)特的個(gè)性,可以說是一種能夠自主進(jìn)化的機(jī)器狗。為滿足人們的愛心需求,北京初創(chuàng)公司ROOBO發(fā)明了一款寵物機(jī)器人,這款機(jī)器人被命名為Domgy,如圖1.8所示。其體內(nèi)安裝了先進(jìn)的人工智能系統(tǒng),并附有5K高清相機(jī)。在人工智能系統(tǒng)的支持下,Domgy可以利用自己的5K相機(jī)“眼睛”從眾人中辨認(rèn)出自己的主人,并喊出主人的名字。當(dāng)主人向Domgy發(fā)出語音指令時(shí),比如“能來點(diǎn)音樂嗎”,Domgy就會(huì)立刻會(huì)意并唱起歌來。同時(shí),Domgy還可以根據(jù)其他語音指令,做出可愛的動(dòng)作逗主人開心。

當(dāng)主人在房間中走動(dòng)時(shí),Domgy會(huì)自動(dòng)跟在他的身后;當(dāng)主人離開后,Domgy能像一只忠實(shí)的小狗一樣看門護(hù)院,一旦家中出現(xiàn)陌生人,Domgy就會(huì)利用自己的5K相機(jī)“眼睛”拍攝該陌生人的照片或視頻,并立刻通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街魅说氖謾C(jī)里。在先進(jìn)的Android系統(tǒng)支持下,Domgy還能利用谷歌地圖幫助主人打車。Domgy在被主人撫摸頭部時(shí),不僅可以像真正的寵物一樣顫動(dòng),還能通過5K相機(jī)“眼睛”表現(xiàn)出不同的表情,如心形圖案和星形圖案等。Domgy的外形和電影《WALL·E》里的Eve一樣,顯得十分呆萌可愛,受到很多年輕人的喜愛。Domgy不僅會(huì)“賣萌”“撒嬌”,還會(huì)說中英雙語,且男女聲可選。當(dāng)Domgy的電量處于較弱狀態(tài)時(shí),它還可以自動(dòng)走到充電座旁進(jìn)行充電,經(jīng)過4~6個(gè)小時(shí),Domgy就可以重新走到人們面前繼續(xù)嬉戲玩耍。1.3.3物流運(yùn)輸目前,我國物流業(yè)正努力從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變,由傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代化、智能化升級(jí),各種先進(jìn)技術(shù)和裝備的應(yīng)用和普及也隨之而來。物流機(jī)器人是指應(yīng)用于倉庫、分揀中心以及運(yùn)輸途中等場景的進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)移、搬運(yùn)等操作的機(jī)器人。物流機(jī)器人在整個(gè)智能物流系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用,其中倉儲(chǔ)AGV被廣泛應(yīng)用于物流行業(yè)及各大主流電商的倉庫存儲(chǔ)、分揀中心和運(yùn)輸?shù)炔僮鲌鼍?主要完成裝卸、搬運(yùn)、存儲(chǔ)、分揀和運(yùn)輸?shù)裙ぷ?。智能化的物流裝備在節(jié)省倉庫面積、降低人力成本、提高物流效率等方面的優(yōu)勢(shì)日漸突出。當(dāng)下,具備搬運(yùn)、碼垛、分揀等功能的智能機(jī)器人已成為物流行業(yè)中的一大熱點(diǎn)。應(yīng)用于物流中的機(jī)器人發(fā)展到今天,大致可分為三代。第一代物流機(jī)器人主要是以傳送帶及相關(guān)機(jī)械為主的設(shè)備,為機(jī)器人原型,實(shí)現(xiàn)了從人工化向自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變。第二代機(jī)器人主要是以AGV為代表的設(shè)備,通過自主移動(dòng)的小車實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)等功能。2012年亞馬遜以6.78億美元買下了自動(dòng)化物流提供商Kiva的機(jī)器人倉儲(chǔ)業(yè)務(wù)后,利用機(jī)器人來處理倉庫的貨物盤點(diǎn)以及配貨等工作。目前在亞馬遜的幾十個(gè)倉庫里,有超過15000個(gè)Kiva機(jī)器人(見圖1.9)在辛勤工作。亞馬遜將倉庫工作分解成兩部分:員工只需要在固定的位置進(jìn)行盤點(diǎn)或配貨,而Kiva機(jī)器人則負(fù)責(zé)將貨物(連同貨架)搬到員工面前。第三代物流運(yùn)輸機(jī)器人在第二代的基礎(chǔ)上,增加了替換人工的機(jī)械手、機(jī)械臂、視覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng),提供了更友好的人機(jī)交互界面,并且與現(xiàn)有物流管理系統(tǒng)的對(duì)接更完善,具有更高的執(zhí)行效率和準(zhǔn)確性。例如,硅谷機(jī)器人公司FetchRoboTIcs的倉儲(chǔ)機(jī)器人Fetch和Freight實(shí)現(xiàn)了從自動(dòng)化到智能化的轉(zhuǎn)變,機(jī)器人Fetch可以根據(jù)訂單把貨架上的商品拿下來,放到機(jī)器人Freight里運(yùn)回打包。Fetch相當(dāng)于Kiva的升級(jí)版,具備自動(dòng)導(dǎo)航功能,可以在貨架間移動(dòng),以及識(shí)別產(chǎn)品并將其取下貨架并運(yùn)送到Freight里,Freight的作用則與Kiva相當(dāng)。機(jī)器人可以自助規(guī)劃路線和充電,從而保證整個(gè)倉儲(chǔ)系統(tǒng)的無縫運(yùn)行。

國內(nèi)目前只有兩個(gè)物流倉庫有分揀機(jī)器人應(yīng)用,天貓超市的“曹操”就是其中之一。這是一種可承重50kg、速度可達(dá)2m/s的智能機(jī)器人,造價(jià)高達(dá)上百萬,所用的系統(tǒng)都是由阿里自主研發(fā)的?！安懿佟苯拥接唵魏?可以迅速定位出商品在倉庫中的位置,并且規(guī)劃最優(yōu)撿貨路徑,揀貨完成后會(huì)自動(dòng)把貨物送到打包臺(tái),因此能在一定程度上節(jié)省一線工人的勞動(dòng)力。在“曹操”們的共同努力下,天貓超市在北京地區(qū)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)日達(dá)。

1.3.4極端環(huán)境探測

機(jī)器人可以代替人類在極端環(huán)境中工作,比如極寒、深海、高溫噪音環(huán)境以及核污染地域等。探測機(jī)器人要能保證探測的范圍足夠廣,對(duì)復(fù)雜的外部環(huán)境要有很好的適應(yīng)性,具有穩(wěn)定高效的行駛能力,并有一定的避障能力、爬坡越障能力和耐磨損能力等。比如,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,人類要實(shí)現(xiàn)長時(shí)間載人太空航行,還是一件比較困難的事情。

如果用機(jī)器人來代替人類,長時(shí)間地進(jìn)行太空旅行,登陸其他星球進(jìn)行環(huán)境探測,并將所得數(shù)據(jù)傳回地球,深入研究各天體的地質(zhì)特性和所處的空間環(huán)境,探索行星系統(tǒng)的形成和演化歷史,將會(huì)大大方便人類的探索。在我國第34次南極科考中,由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的探冰機(jī)器人成功執(zhí)行了“南極埃默里冰架地形勘測”項(xiàng)目地面勘察現(xiàn)場試驗(yàn)任務(wù),這是我國地面機(jī)器人首次投入極地考察冰蓋探路應(yīng)用。

該探冰機(jī)器人是安全有效地進(jìn)行冰蓋未知區(qū)域安全路線探測的技術(shù)裝備,將在未來建立中山站至埃默里冰架冰上安全運(yùn)輸路線中發(fā)揮重要作用。埃默里冰架是南極三大冰架之一,它既是東南極冰蓋物質(zhì)流向海洋的主要通道,又是內(nèi)陸冰蓋發(fā)生變化的關(guān)鍵性“指示器”,在南極及全球變化研究領(lǐng)域具有十分重要的地位。探冰機(jī)器人針對(duì)南極天氣條件和環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行專門設(shè)計(jì),采用全地形底盤懸掛,具有輪式和履帶兩種驅(qū)動(dòng)形式,控制速度可達(dá)20km/h。采用燃油提供能源和動(dòng)力,續(xù)航能力大于30km。其裝載的探冰雷達(dá)任務(wù)載荷,可對(duì)冰蓋表面以下深100m冰蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。

2017年,我國攻克了強(qiáng)輻射環(huán)境可靠通信、輻射防護(hù)加固等核用機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù),成功自主研發(fā)了耐核輻射機(jī)器人。我國的耐核輻射機(jī)器人可以承受65℃的高溫,它攜帶的相機(jī)等傳感器可在每小時(shí)1萬西弗(Sv)的核輻射環(huán)境中工作,特別是其水下高清耐輻射攝像系統(tǒng)采用獨(dú)特的輻射屏蔽技術(shù),可在水平方向360°旋轉(zhuǎn)無盲區(qū),即便在水下100m工作也仍然穩(wěn)定可靠。

1.3.5軍事應(yīng)用

軍用機(jī)器人是機(jī)器人在軍事領(lǐng)域的特殊應(yīng)用,主要是用機(jī)器人替代人類完成一些軍事任務(wù),通過預(yù)先制定一套戰(zhàn)略目標(biāo),在智能化信息處理系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的輔助下,能在一定程度上取代軍人完成預(yù)先設(shè)定的戰(zhàn)略任務(wù)。按照使用環(huán)境和軍事用途來分類,軍用機(jī)器人主要有以下四大類:地面軍用機(jī)器人、空中機(jī)器人、水下機(jī)器人和空間機(jī)器人。相較于普通的軍人,軍用機(jī)器人在軍事方面具有一些天然的優(yōu)勢(shì)。

首先,軍用機(jī)器人可以全方位、全天候連續(xù)作戰(zhàn),無論在多么惡劣的環(huán)境下,軍用機(jī)器人都可以精準(zhǔn)地完成任務(wù)。第二,與人類不同,機(jī)器人不畏懼疼痛,在戰(zhàn)場上具有極其強(qiáng)大的生存能力。第三,由于其沒有情感因素的存在,因此減少了戰(zhàn)爭中因?yàn)槿祟惽楦械膹?fù)雜性而帶來的變數(shù)。20世紀(jì)60年代,美國便已經(jīng)開始了對(duì)軍用機(jī)器人的研究。軍用機(jī)器人的發(fā)展至今經(jīng)歷了三代演變。第一代軍用機(jī)器人是依賴人的智慧的“遙控操作器”,延伸了人們軍事行動(dòng)的范圍,但主要還是依托于人的存在;第二代機(jī)器人則加入了事先編好的程序,機(jī)器人可以脫離用戶本身,自動(dòng)重復(fù)地完成某項(xiàng)任務(wù),但其智能化程度很低,甚至可以說是沒有智能化;第三代機(jī)器人則是現(xiàn)代的具有人工智能的機(jī)器人,它們利用傳感器收集周圍環(huán)境的信息,通過智能系統(tǒng)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,最終做出判斷與決策。軍用機(jī)器人在偵察、排雷、防化、進(jìn)攻、防御以及保障等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用,目前無人機(jī)、機(jī)器人步兵則更是多個(gè)學(xué)科交叉研究的高科技產(chǎn)品,集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的許多尖端成果。目前,美國已將其研發(fā)的無人機(jī)應(yīng)用到戰(zhàn)爭中,其中非常有代表性的有“死神”無人機(jī)和“全球鷹”無人機(jī)。新型戰(zhàn)斗機(jī)器人軍事力量的強(qiáng)弱直接關(guān)系到一個(gè)國家的軍事安全。作為軍事力量中的重要組成部分,軍用機(jī)器人的研發(fā)受到了世界上各個(gè)國家的重視。目前,軍用機(jī)器人的研發(fā)強(qiáng)國主要以發(fā)達(dá)國家為主,美德英法意以日韓,這八大國家不僅在軍用機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)上處于世界先進(jìn)水平,在成果的輸出與軍事化的實(shí)際應(yīng)用上也取得了舉世矚目的成就。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全球已超過60個(gè)國家的軍隊(duì)裝備了人工智能軍用機(jī)器人,且機(jī)器人的種類超過了150種。近年來,我國在機(jī)器人領(lǐng)域取得了長足發(fā)展,研發(fā)了蛟龍?zhí)柹詈Ｌ綔y機(jī)器人裝備、嫦娥系列深空探測機(jī)器人等。1.3.6醫(yī)護(hù)應(yīng)用隨著智能機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,擁有各種護(hù)理知識(shí)的機(jī)器人逐漸“上崗”。除了針對(duì)兒童在不同發(fā)育階段的心理和行為的研究的幼童機(jī)器人,還有對(duì)老人和小孩進(jìn)行看護(hù)的護(hù)理機(jī)器人,專門用于照顧老人、撫慰老人心靈的養(yǎng)老機(jī)器人,用于疫情期間的抗疫機(jī)器人也為醫(yī)護(hù)行業(yè)提供了巨大的支持。新冠疫情發(fā)生后,王耀南院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜,聯(lián)合湖南大學(xué)機(jī)器人學(xué)院、機(jī)器人視覺感知與控制技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室、相關(guān)科技公司等多方力量,研制了醫(yī)用紫外消毒機(jī)器人、醫(yī)用噴灑消毒機(jī)器人、醫(yī)用物資配送機(jī)器人等系列防疫機(jī)器人。這些機(jī)器人“上崗”后,大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān),降低了臨床工作人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。一款名叫“瑞金小白”的機(jī)器人配備了激光雷達(dá)、紅外雷達(dá),加以5G通信以及機(jī)器人集群控制技術(shù),還配有3D視覺識(shí)別傳感器和人工智能AI芯片。這位四方腦袋、細(xì)長身體的“醫(yī)療隊(duì)員”,靈活地穿梭在病區(qū)走道與病房之間,無所畏懼。目前,智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用,仿佛讓人們提前進(jìn)入了“智能時(shí)代”?？茖W(xué)家們利用先進(jìn)的人工智能技術(shù),將人類的實(shí)際需求與機(jī)器人研究相結(jié)合,創(chuàng)造出越來越多的更人性化的智能機(jī)器人。隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟,許多神奇的機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。這些機(jī)器人的功能異常強(qiáng)大,常常給初次使用的人們帶來驚喜。根據(jù)人們的需要,科學(xué)家們研制出了各種功能的智能機(jī)器人。這些功能各異的智能機(jī)器人的應(yīng)用極大地改善了人們的生活,也從整體上提高了人們的生活質(zhì)量,讓人們提前感受到智能時(shí)代的氣息。這些智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用,使其所涉及的領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。人們常說“科技改變生活”,而智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用就是對(duì)這句話最好的詮釋。智能機(jī)器人不僅改變了人們的生活方式,也改變了人們的生產(chǎn)方式,無論在生產(chǎn)速度上,還是在生產(chǎn)質(zhì)量上,都取得了前所未有的飛躍。未來,智能機(jī)器人將向著更加智能的方向發(fā)展。隨著社會(huì)分工的逐漸明確,智能機(jī)器人的分類將更加細(xì)化,功能也將越來越多,機(jī)器人將擁有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,在人們的日常生活中,智能機(jī)器人將無處不在。1.4智能機(jī)器人的主要研究內(nèi)容隨著人工智能、云平臺(tái)、傳感器、機(jī)械電子等技術(shù)的快速發(fā)展,智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展深化。機(jī)器人學(xué)是專門研究機(jī)器人工程的學(xué)科,其最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容是機(jī)器人的路徑規(guī)劃控制與人機(jī)交互。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)的一門系統(tǒng)學(xué)科。機(jī)器人的研究推動(dòng)了人工智能思想的發(fā)展,在人工智能構(gòu)建世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過程中起到了至關(guān)重要的作用。舉例來說,關(guān)于機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究,推動(dòng)了人工智能這一學(xué)科中有關(guān)RobotPlanning規(guī)劃方法的發(fā)展。機(jī)器人的智能化發(fā)展更是人工智能的研究成果運(yùn)用的一個(gè)重要方面。機(jī)器人學(xué)與人工智能的發(fā)展存在著千絲萬縷的聯(lián)系。人工智能的主要研究方向有語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等,這些研究方向?qū)τ跈C(jī)器人智能化的實(shí)踐有著重要的意義。其中,機(jī)器翻譯、智能控制、專家系統(tǒng)及語言和圖像理解不僅是人工智能需要研究的重點(diǎn),同時(shí)也是智能機(jī)器人得以實(shí)現(xiàn)必須攻克的技術(shù)難點(diǎn)。人工智能實(shí)際上是將人的智能賦予其他工具,而機(jī)器人則為這樣的智能化提供了一個(gè)很好的容器與載體。1.4.1感知與學(xué)習(xí)人們對(duì)于感知與學(xué)習(xí)的研究是從1990年開始的,ManuelaM.Veloso、MinoruAsada、MarcoDorigo、CynthiaBreazeal等學(xué)者奠定了該研究的發(fā)展。智能機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)技術(shù)是目前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),旨在充分利用人工智能現(xiàn)有的成果,把人工智能的現(xiàn)有成果和機(jī)器人有機(jī)結(jié)合,從環(huán)境感知、知識(shí)獲取與推理、自主認(rèn)知和學(xué)習(xí)等角度開展機(jī)器人智能發(fā)育的研究,使機(jī)器人通過不斷地學(xué)習(xí)和自身積累,能夠自我提升。感知是機(jī)器人與人、機(jī)器人與環(huán)境,以及機(jī)器人之間進(jìn)行交互的基礎(chǔ)。簡單地定義,“感知”即對(duì)周圍動(dòng)態(tài)環(huán)境的意識(shí)。對(duì)感知的研究主要有以下目的:首先是對(duì)機(jī)器人地圖構(gòu)建功能的補(bǔ)充,對(duì)環(huán)境的重新構(gòu)建,以滿足實(shí)時(shí)更新所處位置地理信息的需要;其次是幫助智能機(jī)器人對(duì)周遭物體進(jìn)行探測、識(shí)別和追蹤,以做到能夠?qū)θ粘Ｐ⌒臀矬w近乎完美的區(qū)分;最后是使機(jī)器人能夠觀察人類、理解人類行動(dòng),最終達(dá)到機(jī)器人能夠與人類友好共存的條件。從以上標(biāo)準(zhǔn)可以看出,感知技術(shù)作為不可或缺的一部分,與智能機(jī)器人的地圖構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)等功能實(shí)現(xiàn)都息息相關(guān)。具體來講,機(jī)器人的感知通常需要借助各種傳感器來代替人類的感覺,如視覺、觸覺、聽覺以及動(dòng)感等。從感知向認(rèn)知的跨越一度是區(qū)分“第二代”機(jī)器人與“第三代”機(jī)器人的鴻溝,而認(rèn)知機(jī)器人的定義中最核心之處就在于學(xué)習(xí)行為的出現(xiàn)。作為機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器人學(xué)的交叉領(lǐng)域,機(jī)器人的學(xué)習(xí)將允許機(jī)器人通過學(xué)習(xí)算法獲取新技能或適應(yīng)其環(huán)境的技術(shù)。通過學(xué)習(xí),機(jī)器人可能展示的技能包括運(yùn)動(dòng)技能、交互技能以及語言技能等;而這種學(xué)習(xí)既可以通過自主探索實(shí)現(xiàn),也可以通過人類老師的指導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)。隨著人工智能的快速發(fā)展,機(jī)器人學(xué)習(xí)的進(jìn)步也日新月異。其中,美國加州伯克利大學(xué)的人工智能團(tuán)隊(duì)一直處于研究前沿。2018年4月11日,伯克利人工智能研究院發(fā)布了一篇文章,提出了一個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架并基于此打造出一款可以自學(xué)功夫的虛擬機(jī)器人,目前已有相關(guān)研究成果。這說明機(jī)器人學(xué)習(xí)技術(shù)在未來不僅能夠融入人們的現(xiàn)實(shí)生活,還將可能在虛擬游戲世界中大放異彩。1.4.2規(guī)劃與決策路徑規(guī)劃從1990年開始發(fā)展,自2005年起進(jìn)入發(fā)展的高速期,大量學(xué)者以極大的熱情投入

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有HowieChoset、ManuelaM.Veloso、SebastianThrun等人。其中,HowieChoset教授至今仍致力于路徑規(guī)劃領(lǐng)域的研究,并創(chuàng)造出了歷史性的研究成果。而路徑規(guī)劃僅僅是機(jī)器人學(xué)中規(guī)劃與決策技術(shù)下的一個(gè)分支。事實(shí)上,規(guī)劃與決策技術(shù)對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)中自主性的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。換句話說,這兩項(xiàng)要素是決定機(jī)器人在無人操控的狀態(tài)下通過算法得出滿足特定約束條件的最優(yōu)決策能否成功的關(guān)鍵。盡管這類技術(shù)最常見的應(yīng)用在于無人駕駛汽車的導(dǎo)航問題以及自主飛行器或航海探測器的線路規(guī)劃問題,但其實(shí)它的影響更為廣泛,從路徑規(guī)劃到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,再到任務(wù)規(guī)劃都離不開這一技術(shù)的應(yīng)用;而這類技術(shù)的應(yīng)用范圍也不止探測器或智能汽車,它還可以應(yīng)用在人形機(jī)器人、移動(dòng)操作平臺(tái)甚至多機(jī)器人系統(tǒng)等方面,在數(shù)字動(dòng)畫角色模擬、人工智能電子游戲、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)器人手術(shù)以及生物分子研究中都能夠發(fā)揮作用。具體來說,目前實(shí)現(xiàn)規(guī)劃與決策仍然主要依靠應(yīng)用算法,其中著名的理論包括人工勢(shì)場法等。近兩年,來自瑞典皇家理工學(xué)院的機(jī)器人學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了新的觀點(diǎn),即運(yùn)用形式化驗(yàn)證將機(jī)器人的行為樹模型化,由此能夠在實(shí)現(xiàn)規(guī)劃和決策的過程中獲得兩大優(yōu)勢(shì):首先它能夠以一種用戶友好卻謹(jǐn)慎細(xì)致的方式捕捉到復(fù)雜的機(jī)器人任務(wù)信息,其次它能夠?yàn)闄C(jī)器人決策的正確性提供可真實(shí)的保證。1.4.3動(dòng)力學(xué)與控制機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行研究的學(xué)科,主要通過分析機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性來建造模型、研究算法以決定機(jī)器人處理對(duì)物體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方式。而機(jī)器人控制技術(shù),指的是為使機(jī)器人完成各種任務(wù)和動(dòng)作所執(zhí)行的各種控制手段,既包括各種硬件系統(tǒng),又包括各種軟件系統(tǒng)。自20世紀(jì)70年代以來,隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力大大提高而成本不斷下降,這就使得人們?cè)絹碓街匾暟l(fā)展各種考慮機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制方案,以充分發(fā)揮出為完成復(fù)雜任務(wù)而設(shè)計(jì)得日益精密從而也越加昂貴的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的潛力。因此,在機(jī)器人研究中,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已顯得越來越重要,成為提高機(jī)器人性能的關(guān)鍵因素。最早的機(jī)器人采用順序控制方式,而隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,現(xiàn)已通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能,并采用示教再現(xiàn)的控制方式。目前機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展越來越智能化,離線編程、任務(wù)級(jí)語言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)都可以應(yīng)用到機(jī)器人控制中。作為影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分,機(jī)器人控制系統(tǒng)在一定程度上制約著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。然而傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)封閉、功能固定、系統(tǒng)柔性差、可重構(gòu)性差、缺乏運(yùn)行時(shí)再配置機(jī)制、組件的開發(fā)和整合限制在某種語言上等問題。如今出現(xiàn)了各種基于網(wǎng)絡(luò)、PC、人臉識(shí)別、實(shí)時(shí)控制等技術(shù)的機(jī)器人控制系統(tǒng),其精度高、功能全、穩(wěn)定性好,并逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化方向發(fā)展。智能化的控制系統(tǒng)也為提高機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力奠定了基礎(chǔ)。2016年,伯克利大學(xué)的人工智能團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略向控制軟件提供即時(shí)視覺和傳感反饋,使一個(gè)名為BRETT的機(jī)器人通過學(xué)習(xí)成功地提升了自己的家務(wù)技能。這種人工智能與機(jī)器人學(xué)交叉運(yùn)用的結(jié)果使得機(jī)器人能夠?qū)囊粋€(gè)任務(wù)中獲得的經(jīng)驗(yàn)推廣到另一個(gè)任務(wù)中,從而提高機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力,使其能夠掌握更多技能。1.4.4人機(jī)交互人機(jī)交互即人與機(jī)器人相互作用的研究,其研究目的是開發(fā)合適的算法并指導(dǎo)機(jī)器人設(shè)計(jì),以使人與機(jī)器人之間更自然、高效地共處。最早開始研究人機(jī)交互的出發(fā)點(diǎn)是學(xué)者們希望能夠探討如何才能減輕人類操縱計(jì)算機(jī)時(shí)的疲勞感,由此開啟了人機(jī)工程學(xué)的先河。1969年可謂是人機(jī)界面學(xué)發(fā)展史的里程碑,這一年在英國劍橋大學(xué)召開了第一屆人機(jī)系統(tǒng)國際大會(huì),同年第一份專業(yè)雜志IJMMS（國際人機(jī)研究)創(chuàng)刊。到了20世紀(jì)80年代初期,學(xué)界先后出版了六本專著,從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面推動(dòng)了人機(jī)交互的發(fā)展。20世紀(jì)90年代后期以來,隨著高速處理芯片、多媒體技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展與普及,人機(jī)交互向著智能化的方向發(fā)展,這一技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)也由計(jì)算機(jī)的反饋轉(zhuǎn)向以人為中心。值得一提的是,2018年ACM新增一本雜志Interactions,其主題是人機(jī)交互和交互設(shè)計(jì),每兩個(gè)月出版一次,在全球范圍內(nèi)流通,這也說明人機(jī)交互技術(shù)研究的不斷深入并越來越得到重視。人機(jī)交互技術(shù)大致可以分為四個(gè)階段:基本交互、圖形式交互、語音式交互和感應(yīng)式交互(體感交互)。基本交互仍然停留在最原始的狀態(tài),人與機(jī)器的關(guān)系僅僅是人工手動(dòng)輸入與機(jī)器輸出的交互狀態(tài),比如早期的按鈕式電話、打字機(jī)與鍵盤;圖形式交互時(shí)期是隨著電腦的出現(xiàn)而開始的,以顯示屏、鼠標(biāo)問世為標(biāo)志,在觸屏技術(shù)成熟期達(dá)到巔峰;語音式交互最開始是單向的,即語音識(shí)別,如科大訊飛的語音識(shí)別系統(tǒng),后來微軟的Cortana、小冰,蘋果的Siri以及Google公司的GoogleNow突破了單向交互的壁壘,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)雙向語音對(duì)話;隨著當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展越來越強(qiáng)調(diào)交互形式的智能化,體感式交互將成為未來交互發(fā)展的新方向。體感式交互是直接從人的姿勢(shì)的識(shí)別來完成人與機(jī)器的互動(dòng),主要是通過攝像系統(tǒng)模擬建立三維世界,同時(shí)感應(yīng)出人與設(shè)備之間的距離與物體的大小。目前,索尼發(fā)明的觸控型投影儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了體感式交互。未來,這種交互方式將成為先前各種技術(shù)的結(jié)合,包括即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、圖像識(shí)別、語音識(shí)別、VR等技術(shù),最終衍生出多樣化的交互形式,而機(jī)器人有望在未來成為體感式交互的載體。2.1智能機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

2.2智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)

2.3智能機(jī)器人控制學(xué)基礎(chǔ)

2.4智能機(jī)器人軟件基礎(chǔ)

2.5智能機(jī)器人常用硬件機(jī)器人學(xué)是數(shù)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械電子等學(xué)科技術(shù)的交叉研究領(lǐng)域。學(xué)習(xí)智能機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí),不但可以讓讀者深入了解智能機(jī)器人的邏輯和結(jié)構(gòu),還可為讀者的實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。如圖2.1所示,本章介紹智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程中所涉及的數(shù)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制學(xué)基礎(chǔ)理論,并且通過兩個(gè)計(jì)算機(jī)視覺的深度學(xué)習(xí)任務(wù)介紹智能機(jī)器人的軟件基礎(chǔ)知識(shí),最后對(duì)智能機(jī)器人的常用硬件進(jìn)行深入淺出的說明。通過本章的學(xué)習(xí),讀者能夠?yàn)槔斫夂脱芯亢罄m(xù)部分章節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。2.1智能機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2.1.1矩陣?yán)碚摼仃囀窃S多研究領(lǐng)域的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),在數(shù)學(xué)和其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。經(jīng)濟(jì)學(xué)可以利用矩陣的線性規(guī)劃理論尋找企業(yè)獲得最多利潤的最優(yōu)解,密碼學(xué)可以利用可逆矩陣的特性設(shè)計(jì)安全性高、保密性強(qiáng)的密碼,計(jì)算機(jī)學(xué)則常利用矩陣的稀疏性來減少內(nèi)容存儲(chǔ)量。受篇幅所限,本節(jié)簡單介紹典型矩陣、矩陣分解、矩陣函數(shù)和矩陣導(dǎo)數(shù)等基礎(chǔ)內(nèi)容。1.正交(酉)矩陣2.正規(guī)矩陣定義2.1.2設(shè)A為復(fù)矩陣,若AHA=AAH,則稱A為正規(guī)矩陣。上面介紹的正交矩陣和酉矩陣均為正規(guī)矩陣,除此之外,常見的正規(guī)矩陣包括對(duì)稱矩陣、反對(duì)稱矩陣、厄米矩陣、反厄米矩陣等。正規(guī)矩陣具有一些特殊的性質(zhì),通過這些性質(zhì)能夠建立正規(guī)矩陣和一般矩陣之間的橋梁。(1)正規(guī)上三角矩陣必為對(duì)角矩陣。(2)若A為正規(guī)矩陣,則矩陣A可以酉對(duì)角化。反之,若A可以酉對(duì)角化,則A為正規(guī)矩陣。設(shè)A,B是復(fù)方陣,若存在酉(正交)矩陣U,使得UHAU=U-1AU=B,則稱矩陣A酉(正交)相似于B.3.正交三角分解定義2.1.3若非奇異矩陣A可以表示為正交矩陣Q和上三角矩陣R的積,即A=QR,則稱此為A的QR分解。類似地,還有矩陣的RQ分解、QL分解和LQ分解,其中L表示下三角矩陣。矩陣的RQ、QL、LQ和QR分解統(tǒng)稱為正交三角分解。下面以QR分解為例介紹矩陣的正交三角分解,其他三種分解可以類似獲得。定理2.1.1對(duì)于任意非奇異矩陣A總存在QR分解,當(dāng)要求R的對(duì)角元素均為正數(shù)時(shí),該分解具有唯一性。定理2.1.2若A為任意列滿秩矩陣,則A可以分解為列正交矩陣Q和上三角矩陣R的積。當(dāng)要求R的對(duì)角元素均為正數(shù)時(shí),該分解具有唯一性。在實(shí)際應(yīng)用中,QR分解具有三種常用運(yùn)算方法,分別是Gram-Schmidt正交方法、Givens矩陣方法和Householder矩陣方法。4.三角分解定義2.1.4若非奇異矩陣A可以表示為下三角矩陣L和上三角矩陣U的乘積,即A=LU,則稱此為A的三角分解(LU分解)。5.奇異值分解矩陣的奇異值分解在最優(yōu)化問題、特征值問題、線性最小二乘問題和廣義逆問題中具有廣泛的應(yīng)用。在智能機(jī)器人的計(jì)算機(jī)視覺設(shè)計(jì)中,矩陣的奇異值分解常被用于求解線性最優(yōu)化問題。因此,矩陣的奇異值分解知識(shí)是智能機(jī)器人的重要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容。6.矩陣導(dǎo)數(shù)定義2.1.7若矩陣A的所有元素aij均為實(shí)變量t的函數(shù),即則稱矩陣A為函數(shù)矩陣。定義2.1.8若矩陣A為如定義2.1.7所述的函數(shù)矩陣,則對(duì)于任意i,j,若aij(t)在t0

處連續(xù),定義矩陣A的導(dǎo)數(shù)為2.1.2幾何學(xué)我們知道,在人腦中有無數(shù)條視覺神經(jīng)處理著我們眼球所看到的景象,那么,當(dāng)智能機(jī)器人在行動(dòng)時(shí),是如何“看到”周圍空間的呢?實(shí)際上,智能機(jī)器人利用攝像機(jī)、紅外成像儀等設(shè)備組成自己的“眼睛”,記錄其所看見的空間和空間中的對(duì)象,并在其信息處理區(qū)域利用幾何學(xué)原理重構(gòu)三維景象。智能機(jī)器人涉及的幾何學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要包括平面映射幾何、空間映射幾何以及非歐幾何,此處主要介紹平面映射幾何及其在智能機(jī)器人中的基礎(chǔ)應(yīng)用。我們知道,機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)視覺模擬人類的視覺感知,而平面映射幾何在計(jì)算機(jī)視覺中有著豐富的應(yīng)用,如由二維圖像場景復(fù)原三維幾何結(jié)構(gòu)等。定義2.1.9(射影平面)設(shè)歐氏坐標(biāo)系中齊次坐標(biāo)為x∞=(x,y,0)T

的點(diǎn)為無窮遠(yuǎn)點(diǎn),歐氏平面上所有由無窮遠(yuǎn)點(diǎn)構(gòu)成的集合稱為無窮遠(yuǎn)直線。由歐氏平面和無窮遠(yuǎn)直線的并集形成的擴(kuò)展平面稱為射影平面。定義2.1.10(射影變換)設(shè)矩陣H=(hij)3×3

為射影變換矩陣,且H為可逆矩陣,則射影平面上的可逆齊次線性變換可由H來描述:定義2.1.11(變換群)平面上所有的射影變換構(gòu)成一個(gè)變換群,稱為射影變換群。設(shè)

以U作為影射變換矩陣的變換稱為等距變換群,其數(shù)學(xué)表達(dá)如下:特別地,當(dāng)U是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣時(shí),該等距變換稱為歐氏變換。在平面射影變換中,需要探討變換群中的不變量,這為應(yīng)用平面映射幾何奠定了理論基礎(chǔ)。變換群的不變量是指在變換作用下不發(fā)生變化的量和不變的性質(zhì),等距變換群中的不變量主要是兩點(diǎn)之間的距離、兩線之間的夾角和圖形面積等。通過不變量,我們可以探討計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的一個(gè)基本問題:如何從平面場景的中心投影圖像恢復(fù)場景結(jié)構(gòu)。下面介紹中心投影的概念和三種基本類型的場景結(jié)構(gòu)。定義2.1.12(中心投影)如圖2.2所示,中心投影通過投影中心將場景平面上的點(diǎn)投影到像平面上的點(diǎn)。顯然,中心投影是射影變換,可用三階可逆矩陣H來表達(dá)2.1.3概率學(xué)當(dāng)天氣預(yù)報(bào)顯示今日降水概率時(shí),大部分人會(huì)在“帶雨傘”和“不帶雨傘”之間抉擇,并根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和降水概率的大小作出決定。對(duì)于智能機(jī)器人來說,所需要選擇的場景就更多了,因此,對(duì)于概率學(xué)理論進(jìn)行一定的了解和學(xué)習(xí),是設(shè)計(jì)智能機(jī)器人必不可少的環(huán)節(jié)。概率學(xué)歷史悠久,為當(dāng)代數(shù)學(xué)奠定了許多經(jīng)典概率模型的基礎(chǔ)。當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后,由于計(jì)算能力大大上升,計(jì)算量大、精度高、泛化性能好的概率模型也如雨后春筍一般層出不窮,這也讓智能機(jī)器人實(shí)時(shí)判斷和選擇成為現(xiàn)實(shí)。本節(jié)內(nèi)容主要介紹貝葉斯方法和馬爾可夫鏈模型。1.貝葉斯方法定義2.1.13(貝葉斯公式)設(shè)總體X的概率函數(shù)為f(x|θ),獲得樣本X=x后,參數(shù)θ的后驗(yàn)分布π(θ|x)定義為在X=x下θ的條件分布。以上四個(gè)公式統(tǒng)稱為貝葉斯公式?？梢钥闯?一切統(tǒng)計(jì)和決策的貝葉斯方法都必須從后驗(yàn)分布出發(fā),不過,在利用后驗(yàn)分布的同時(shí),貝葉斯方法還使用先驗(yàn)信息,以提高統(tǒng)計(jì)決策的效果。貝葉斯統(tǒng)計(jì)與決策涉及以下問題:(1)估計(jì)問題。如后驗(yàn)中位數(shù)估計(jì)、后驗(yàn)眾數(shù)估計(jì)和后驗(yàn)均值估計(jì)。(2)預(yù)測推斷。根據(jù)歷史樣本數(shù)據(jù),基于后驗(yàn)預(yù)測分布對(duì)隨機(jī)變量X的未來觀測值做出推斷。(3)假設(shè)檢驗(yàn)。根據(jù)參數(shù)θ的后驗(yàn)分布,決定是否接受所給假設(shè)。(4)模型選擇。根據(jù)備選模型的后驗(yàn)概率,貝葉斯方法選擇具有最大后驗(yàn)概率的模型。2.馬爾可夫鏈模型在智能機(jī)器人的模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中,馬爾可夫鏈模型占有重要的地位,是智能機(jī)器人完成決策和推斷必不可少的手段。定義2.1.14設(shè)T是給定參數(shù)集,X(t)為隨機(jī)變量,n為任意正整數(shù),若隨機(jī)過程X={X(t),t∈T}滿足下述條件,則稱它具有馬爾可夫性質(zhì),具有馬爾可夫性質(zhì)的隨機(jī)過程稱為馬爾可夫過程:式(2.5)意味著,已知系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài),就可以完全確定系統(tǒng)未來所處狀態(tài)的概率,這一概率與系統(tǒng)過去時(shí)刻的狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)馬爾可夫過程中的T和X的均值函數(shù)E均能夠與自然數(shù)集合建立起一一對(duì)應(yīng)的映射(均為可列)時(shí),該馬爾可夫過程稱為馬爾可夫鏈。2.1.4數(shù)值分析想象一個(gè)登山愛好者正站在一座山峰的峰頂,此時(shí),他需要找到一條下山的路,讓他能夠盡可能快速且不迂回地回到山底。對(duì)于計(jì)算機(jī)來說,這是一個(gè)非線性優(yōu)化的數(shù)學(xué)問題,要想找到這條路,就需要使用數(shù)值分析的工具。本節(jié)主要介紹智能機(jī)器人在數(shù)值分析中所使用的非線性優(yōu)化方法,包括一維搜索、無約束優(yōu)化(最速下降法)和約束優(yōu)化等,其中主要介紹梯度下降法,對(duì)其余方法僅作簡單介紹。1.一維搜索智能機(jī)器人使用搜索算法能夠得到實(shí)際問題的最優(yōu)解,如尋找到達(dá)目的地的最短路徑、自動(dòng)避障或自動(dòng)進(jìn)行垃圾分類等。為了充分利用實(shí)際場景的信息,提高搜索效率,通常使用迭代的非線性優(yōu)化方法。若在迭代優(yōu)化過程中,假定已知第k步迭代點(diǎn)xk和第k+1步搜索方向pk,則只需確定第k+1步搜索步長tk,就可以完成本步迭代。像這樣求解一維搜索步長tk的優(yōu)化問題稱為一維搜索。在一維搜索的過程中,迭代的目的是尋找使目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值下降的步長,根據(jù)該步長是否能夠使目標(biāo)函數(shù)值下降最多,可以分為精確一維搜索與非精確一維搜索。2.最速下降法最速下降法是最古老的無約束非線性優(yōu)化方法之一,目前在深度學(xué)習(xí)和模式識(shí)別等領(lǐng)域仍有著廣泛的應(yīng)用。最速下降法的基本思想是,假定函數(shù)f(x)連續(xù)可微,當(dāng)前迭代點(diǎn)為xk,則第k+1步搜索方向pk選取使f(x)在xk處下降最快的方向。設(shè)f(x)的導(dǎo)數(shù)為?f(x),則pk=-?f(xk)。確定搜索方向后,可以使用精確一維搜索來確定搜索步長,也可以根據(jù)實(shí)際情況,使用非精確一維搜索。對(duì)于連續(xù)可微的目標(biāo)函數(shù)f(x),最速下降法能夠確保其收斂性,但其收斂速度緩慢,計(jì)算效率較低。在實(shí)際應(yīng)用中,還有牛頓法、擬牛頓法和共軛方向法等。3.約束優(yōu)化設(shè)x1,x2,…,xk是優(yōu)化迭代過程中的k個(gè)迭代點(diǎn),若對(duì)于任意迭代點(diǎn)xi,需滿足xi位于可行域D中,則此類優(yōu)化問題稱為約束優(yōu)化。約束優(yōu)化的一般方法為懲罰法,包括內(nèi)點(diǎn)懲罰法和外點(diǎn)懲罰法。內(nèi)點(diǎn)懲罰法的基本思想是,在可行域D的邊界設(shè)置一道“障礙”函數(shù),構(gòu)造增廣目標(biāo)函數(shù)將約束優(yōu)化轉(zhuǎn)為無約束優(yōu)化問題。邊界“障礙”使得可行域D內(nèi)的迭代點(diǎn)在靠近邊界時(shí),增廣目標(biāo)函數(shù)值會(huì)趨向無窮大,從而滿足可行域條件。外點(diǎn)懲罰法的思想與內(nèi)點(diǎn)懲罰法類似,引入罰函數(shù),構(gòu)造增廣目標(biāo)函數(shù)將約束優(yōu)化轉(zhuǎn)為無約束優(yōu)化問題。由于罰函數(shù)的存在,可行域D外點(diǎn)的函數(shù)值將會(huì)趨向無窮大,即被罰函數(shù)懲罰,從而滿足可行域條件。2.2智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)機(jī)器人通過身體的關(guān)節(jié)、枝干和軸承等部分支撐身體,不同的構(gòu)件通過相互作用來提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向和動(dòng)力。因此,機(jī)器人學(xué)的核心之一是運(yùn)動(dòng)學(xué),運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境交互的主要途徑之一。運(yùn)動(dòng)學(xué)涉及數(shù)學(xué)、物理力學(xué)和組織學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,本節(jié)主要介紹剛體運(yùn)動(dòng)、正向動(dòng)力學(xué)、逆動(dòng)力學(xué)、閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)、開鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基礎(chǔ)知識(shí)。2.2.1剛體及剛體自由度機(jī)器人是由一組稱之為構(gòu)件的物體相互之間通過不同類型的關(guān)節(jié)機(jī)械連接而成,由驅(qū)動(dòng)器(如電機(jī))提供力與力矩使構(gòu)件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的。通常,組成機(jī)器人的構(gòu)件是形狀已知的剛體。定義2.2.1(剛體)剛體是指在運(yùn)動(dòng)中和受力的作用后,形狀和大小不變,而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對(duì)位置不變的物體。通過剛體的定義我們可以用有限個(gè)參數(shù)來確定機(jī)器人中所有點(diǎn)的位置,從而確定機(jī)器人的位形、狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡等,機(jī)器人的自由度就是常用的參數(shù)之一。自由度指的是表示機(jī)器人位形所需要的最小實(shí)值坐標(biāo)數(shù),二維平面中的剛體具有3個(gè)自由度,三維平面中的剛體則具有6個(gè)自由度。由于機(jī)器人的構(gòu)件是已知?jiǎng)傮w,可以由其剛體的數(shù)目和運(yùn)動(dòng)平面得知機(jī)器人的自由度。一個(gè)常用于計(jì)算平面和空間機(jī)器人自由度的公式是Grübler公式:自由度=構(gòu)件的自由度之和-獨(dú)立約束數(shù)2.2.2正向動(dòng)力學(xué)及逆動(dòng)力學(xué)機(jī)器人的正向動(dòng)力學(xué)是指已知機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo),求解末端位置和姿態(tài)問題所使用的動(dòng)力學(xué)理論。圖2.3所示為一個(gè)平面3R開鏈機(jī)械手,其末端位置坐標(biāo)(x,y)和姿態(tài)角φ的計(jì)算關(guān)系式如下:1.一維搜索智能機(jī)器人使用搜索算法能夠得到實(shí)際問題的最優(yōu)解,如尋找到達(dá)目的地的最短路徑、自動(dòng)避障或自動(dòng)進(jìn)行垃圾分類等。為了充分利用實(shí)際場景的信息,提高搜索效率,通常使用迭代的非線性優(yōu)化方法。若在迭代優(yōu)化過程中,假定已知第k步迭代點(diǎn)xk和第k+1步搜索方向pk,則只需確定第k+1步搜索步長tk,就可以完成本步迭代。像這樣求解一維搜索步長tk的優(yōu)化問題稱為一維搜索。在一維搜索的過程中,迭代的目的是尋找使目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值下降的步長,根據(jù)該步長是否能夠使目標(biāo)函數(shù)值下降最多,可以分為精確一維搜索與非精確一維搜索。首先設(shè)定處于機(jī)器人基座的基坐標(biāo)系{s}和附著在最后一根桿上的末端坐標(biāo)系。若初始位置機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的變量初值為0,關(guān)節(jié)n對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量是θn,則末端坐標(biāo)系的位移可以寫成:式中:T是末端的新位形,Sn是基坐標(biāo)系中關(guān)節(jié)n的旋量坐標(biāo),θn是關(guān)節(jié)移動(dòng)的距離,M是末端坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的初始位形?，F(xiàn)在,假定關(guān)節(jié)n-1、n-2乃至關(guān)節(jié)1也允許發(fā)生變化,則末端坐標(biāo)系的位移表示為與正向運(yùn)動(dòng)學(xué)相對(duì),逆動(dòng)力學(xué)是研究在給定了齊次變換矩陣X后,如何找出滿足T(θ)=X的關(guān)節(jié)角θ。但是,逆動(dòng)力學(xué)問題可能存在多組解析解,或不存在解析解。面對(duì)多組解析解,需要排除位于工作空間之外的解;而對(duì)于不存在解析解的情況,可以使用數(shù)值迭代的方法求解。利用數(shù)值迭代不但可以獲得逆動(dòng)力學(xué)問題的解,還可以改善實(shí)際工程中的解精度。2.2.3閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)定義2.2.2(閉鏈)任何包含一個(gè)或多個(gè)環(huán)路的運(yùn)動(dòng)鏈都稱為閉鏈。閉鏈具有如下兩個(gè)特征:(1)并非所有關(guān)節(jié)都需要驅(qū)動(dòng)。(2)關(guān)節(jié)變量必須滿足若干獨(dú)立或非獨(dú)立的閉環(huán)約束方程。在閉鏈中,一類較為常見的閉鏈結(jié)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)由一個(gè)靜止的平臺(tái)和一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)構(gòu)成,平臺(tái)由多條腿連接,這些腿通常是開鏈結(jié)構(gòu)。圖2.5所示是一個(gè)典型的并聯(lián)機(jī)構(gòu),設(shè)動(dòng)平臺(tái)的位形由Tsb給定,三條腿的運(yùn)動(dòng)鏈正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分

別

用T1(θ),T2(φ)和T3(ψ)表

示,則

閉

環(huán)

條

件

可

以

寫

作Tsb=T1(θ)=T2(φ)=T3(ψ)。

由于閉鏈存在非驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),再加上驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目可以超過并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目,因此帶來了冗余驅(qū)動(dòng),使得閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)中存在奇異類型。定義2.2.3(閉鏈奇異)閉鏈奇異包括三種奇異類型,分別是驅(qū)動(dòng)奇異、位形空間奇異和末端奇異。(1)驅(qū)動(dòng)奇異。當(dāng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不能被獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生非退化驅(qū)動(dòng)奇異,當(dāng)鎖定所有關(guān)節(jié)不能使機(jī)構(gòu)成為剛性結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生退化驅(qū)動(dòng)奇異。(2)位形空間奇異。位形空間在分岔點(diǎn)處使約束雅可比矩陣產(chǎn)生降秩,稱為位形空間奇異。(3)末端奇異。末端執(zhí)行器失去一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,稱為末端奇異。2.2.4開鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人的開鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以通過以下兩種方式推導(dǎo)得到:(1)對(duì)剛體直接應(yīng)用牛頓—?dú)W拉剛體動(dòng)力學(xué)方程,即牛頓—?dú)W拉公式。(2)根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)能和勢(shì)能導(dǎo)出拉格朗日動(dòng)力學(xué)。拉格朗日動(dòng)力學(xué)

選定一組獨(dú)立坐標(biāo)q(也稱為廣義坐標(biāo))描述系統(tǒng)的位形,并選定廣義力f和廣義速率

將

拉

格

朗

日

函

數(shù))定義

為

整

個(gè)

系

統(tǒng)

的

動(dòng)

能

與

勢(shì)

能

之

差,即

牛頓—?dú)W拉遞歸公式

由牛頓—?dú)W拉公式所得到的運(yùn)動(dòng)方程與由拉格朗日方法導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)方程相同,但由于前者采用了遞歸方法,因此在計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)十分高效,更加便捷。具體算法如下:(1)初始化:將坐標(biāo)系{0}附連到機(jī)器人基座,將剩下的n-1個(gè)坐標(biāo)系依次附連到對(duì)應(yīng)的連桿質(zhì)心,并在末端執(zhí)

行

器

處

附

連

坐

標(biāo)

系{n+1}。定

義Mi,i-1

是θi=0時(shí)

坐

標(biāo)

系{i-1}在{i}中的位形,Ai是關(guān)節(jié)i的旋量軸在{i}中的表示,Gi是連桿i的6×6空間慣量矩陣,V0是{0}的運(yùn)動(dòng)旋量,Fn+1=(mtip,ftip)是末端執(zhí)行器坐標(biāo)系{n+1}中對(duì)環(huán)境作用的力旋量。(2)正向迭代:給定

執(zhí)行(3)反向迭代:對(duì)i=1到n,執(zhí)行2.2.5運(yùn)動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是指機(jī)器人尋找從開始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)路徑,既要避免在運(yùn)動(dòng)過程中觸碰環(huán)境障礙物,也要滿足關(guān)節(jié)極限和扭矩極限等約束條件。定義2.2.4(位形空間)位形空間簡稱為C空間,在該空間中,每一個(gè)點(diǎn)c對(duì)應(yīng)機(jī)器人的唯一位形q。同樣地,機(jī)器人的每個(gè)位形q都可以唯一表示為C空間中的一個(gè)點(diǎn)c。定義2.2.5(位形空間障礙)將位形空間劃分為兩部分,分別是自由空間Cfree和障礙空間Cobs。位形空間的障礙不但包括已知空間中的障礙物,也包括機(jī)器人本身的關(guān)節(jié)限位。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃基本問題。給定初始狀態(tài)x(0)=xstart,以及期望的最終狀態(tài)xgoal,尋找時(shí)間T和一組控制變量u,使得x(T)=xgoal,且對(duì)于所有t∈[0,T]總有q(x(t))∈Cfree?；締栴}具有許多變種,下面給出一些應(yīng)用較為廣泛的變種問題。(1)路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題的子問題,它希望在初始位形到目標(biāo)位形之間尋找一條無碰撞的路徑。(2)在線規(guī)劃。在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)器人可能需要即時(shí)判斷空間障礙,并快速反應(yīng)躲閃,這就要求在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上,以在線方式即時(shí)快速地進(jìn)行規(guī)劃。無論是哪種規(guī)劃問題,在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí),都需要機(jī)器人進(jìn)行碰撞檢測和搜索。(3)碰撞檢測。給定位形空間中的障礙物β和位形q,設(shè)d(q,β)為機(jī)器人與障礙物之間的距離,則d(q,β)>0代表機(jī)器人與障礙物沒有接觸,d(q,β)=0代表二者剛好接觸,d(q,β)<0時(shí)代表碰撞。(4)圖搜索。自由空間可以表示為圖,利用圖搜索策略尋找從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的無障礙路徑是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的常用方法。圖搜索策略的方法有很多,其中應(yīng)用較為廣泛的是啟發(fā)式算法,即利用啟發(fā)式信息進(jìn)行搜索。2.3智能機(jī)器人控制學(xué)基礎(chǔ)控制的本質(zhì)就是將規(guī)劃系統(tǒng)的命令作為輸入信息,將傳感器探測得到的狀態(tài)信息作為反饋,計(jì)算得到執(zhí)行器的控制信號(hào),完成運(yùn)動(dòng)控制的閉環(huán)。對(duì)于設(shè)計(jì)任何一個(gè)控制系統(tǒng)來說,需要了解其輸入、輸出、控制元件和算法。比如用電機(jī)將某個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速從10加速到100。此時(shí)電機(jī)就是一個(gè)系統(tǒng),它實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)到轉(zhuǎn)速信號(hào)的變換,改變電壓,轉(zhuǎn)速信號(hào)也會(huì)隨之改變。在這個(gè)簡易的系統(tǒng)里,輸入對(duì)應(yīng)速度傳感器所采集到的轉(zhuǎn)速,控制元件對(duì)應(yīng)電機(jī),算法對(duì)應(yīng)主機(jī),輸出則對(duì)應(yīng)控制電機(jī)加速的信號(hào)。對(duì)于一個(gè)直流電機(jī),在一定范圍內(nèi)施加給它的電壓越大,轉(zhuǎn)速越大。想要將它的速度維持在100,最簡單的方法則是當(dāng)主機(jī)監(jiān)測到轉(zhuǎn)速大于100時(shí),控制電壓增大;監(jiān)測到轉(zhuǎn)速小于100時(shí),控制電壓減小。但在實(shí)際情況中,直流電機(jī)的特性并非是線性的,速度傳感器的采集也非無限快,采集和控制都需要時(shí)間。此外,控制對(duì)象具有慣性,當(dāng)停止加速時(shí),電機(jī)還可能因?yàn)閼T性繼續(xù)加速一小段時(shí)間。因此,這種“簡單粗暴”的控制方法是無法保持穩(wěn)定的。這時(shí)就需要一種算法,可以將需要控制的物理量帶到目標(biāo)附近,可以“預(yù)見”這個(gè)量的變化趨勢(shì),以消除因?yàn)閼T性、阻力等因素造成的靜態(tài)誤差。針對(duì)這些問題,就出現(xiàn)了一種歷久不衰的算法———PID控制算法。1.一維搜索智能機(jī)器人使用搜索算法能夠得到實(shí)際問題的最優(yōu)解,如尋找到達(dá)目的地的最短路徑、自動(dòng)避障或自動(dòng)進(jìn)行垃圾分類等。為了充分利用實(shí)際場景的信息,提高搜索效率,通常使用迭代的非線性優(yōu)化方法。若在迭代優(yōu)化過程中,假定已知第k步迭代點(diǎn)xk和第k+1步搜索方向pk,則只需確定第k+1步搜索步長tk,就可以完成本步迭代。像這樣求解一維搜索步長tk的優(yōu)化問題稱為一維搜索。在一維搜索的過程中,迭代的目的是尋找使目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值下降的步長,根據(jù)該步長是否能夠使目標(biāo)函數(shù)值下降最多,可以分為精確一維搜索與非精確一維搜索。PID(比例積分微分)控制算法是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制算法之一。閉環(huán)控制的目的是使用來自被測過程的輸入對(duì)一個(gè)或多個(gè)控制進(jìn)行更改,以補(bǔ)償當(dāng)前狀態(tài)和期望狀態(tài)之間的差異。在控制算法的應(yīng)用中,PID及其衍生算法是應(yīng)用得最廣泛的算法之一,是當(dāng)之無愧的萬能算法。難能可貴的是,在控制算法中,PID控制算法是最簡單、最能體現(xiàn)反饋思想的控制算法。PID控制算法解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本的問題,即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性問題。PID控制算法的控制流程如圖2.6所示。PID的核心思想是通過誤差信號(hào)控制被控量,規(guī)定在t時(shí)刻,r(t)為系統(tǒng)給定值,y(t)為實(shí)際輸出,u(t)為控制量。此時(shí)誤差值e(t)為實(shí)際輸出和系統(tǒng)給定值的差值,即PID控制器可連續(xù)計(jì)算誤差值