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　　中国科学院计算技术研究所人工智能：智能机器人2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人10.1概述10.2智能机器人的体系结构10.3机器人视觉系统10.4机器人规划10.5情感机器人10.6发育机器人10.7机器人应用10.8智能机器人发展趋势10.9小结智能机器人是一种具有智能的、高度灵活的、自动化的机器，具备感知、规划、动作、协同等能力，是多种高新技术的集成体。智能机器人是将体力劳动和智力劳动高度结合的产物，构建能“思维”的人造机器。智能机器人的“智能”特征在于它具有与外部世界：对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的认知—适应的方式自律的进行操作。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人智能机器人最大特点是：只需要告诉它“做什么”，而不用告诉它“怎么做”。智能机器人应具有四种机能：运动机能：相当于人的手和脚、臂和腿的工作机能，对环境施加作用；感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，通常讲的视觉、听觉等；思维机能：求解问题的认识、推理、判断机能；机通信机能：理解指示命令，输出内部状态，与人进行信息交换的机能。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人10.1概述10.2智能机器人的体系结构10.3机器人视觉系统10.4机器人规划10.5情感机器人10.6发育机器人10.7机器人应用10.8智能机器人发展趋势10.9小结智能机器人体系结构指一个智能机器人系统中的智能、行为、信息、控制的时空分布模式。以其系统的智能、行为、信息、控制作为分类标准，具有7种典型结构：分层递阶结构包容结构三层结构自组织结构分布式结构进化控制结构社会机器人结构2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人动作行动感知外部环境传感器认知1979年萨里迪斯（SaridisG）提出分层递阶结构，其分层原则是：随着控制精度的增加而智能能力减少。他根据这一原则把智能控制系统分为3级，即组织级，协调级和执行级。分层递阶结构是目标驱动的慎思结构，其核心在于基于符号的规划，其思想源于西蒙和纽厄尔的物理符号系统假说。分层递阶结构中两个典型的代表是SPA(sense-plan-act)和NASREM2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人1986年，布鲁克斯（R.Brooks）以移动机器人为背景提出了一种依据行为来划分层次和构造模块的思想。包容结构中每个控制层直接基于传感器的输入进行决策，在其内部不维护外界环境模型，可以在完全陌生的环境中进行操作。Brooks采用包容结构构造了多种机器人，这些机器人显示出非常强的智能行为。随后涌现了一批基于包容思想的研究成果2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人三层结构由反馈控制层、慎思规划层和连接二者的序列层构成。三层结构是分层递阶和包容结构相融合的混合结构，它既吸取了递阶结构中高层规划的智能性，又保持了包容结构中低层反应的灵活性。机器人内部状态是传感信息融合的结果，是对外界环境的反映。三层结构中，序列层维护着状态信息，反映的是环境的过去，控制层直接处理传感信息，面对的是环境的现在，慎思层经过规划推理，预测的是环境的将来，从而保证了智能机器人在时间维上对环境的准确把握。三层结构的不足之处是忽视了传感信息融合、学习和环境建模。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人1997年，罗森勃拉特(RosenblattJ)在移动机器人导航中提出了DAMN结构。自组织结构由一组分布式功能模块和一个集中命令仲裁器组成。各功能模块基于领域知识通过规划或反应方式自主产生行为(投票)，由仲裁器产生一致的、理性的、目标导向的动作到控制器。各功能模块的投票受表决权大小的影响，表决权由模式管理器维护并可以动态修改。于是，在不同的任务、环境状态下，各功能模块会表现出不同的输人输出关系，即通过分布投票、集中仲裁且动态改变表决权的方式实现变构，从而使DAMN结构表现出自组织能力。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人10自组织结构的智能分布在其动态可变的结构中，突破了传统体系结构中功能分布模式固定的框架，具有良好的可扩充性和自适应、自组织性能，但其集中仲裁的机制往往是信息流通和系统控制的瓶颈。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人111998年，比亚乔（PiaggioM）提出一种称为HEIR(hybridexpertsintelligentrobots)的非层次结构，由处理不同类型知识的3个部分组成：符号组件(S)、图解组件(D)和反应组件(R)，每个组件又都是一个由多个具有特定认知功能的、可以并发执行的Agent构成的专家组，各组件没有层次高低之分，自主地、并发地工作，相互间通过信息交换进行协调，这是一种典型的分布式结构。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人12将进化计算理论与反馈控制理论相结合，形成了一个新的智能控制方法——进化控制。它能很好地解决移动机器人的学习与适应能力方面的问题。进化控制结构的独特之处在于其智能分布在进化规划过程中。进化计算在求解复杂问题优化解时具有独到的优越性，展现适应复杂环境的自主性。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人131999年，鲁尼(RooneyB)根据社会智能假说提出了由物理层、反应层、慎思层和社会层构成的社会机器人体系结构[Rooney1999]10-7)，其特色之处在于基于信念-愿望-意图（BDI）模型的慎思层和基于Agent通信语言Teanga的社会层，BDI赋予了机器人心智状态，Teanga赋予了机器人社会交互能力。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人14认知机器人是一种具有类似人类高层认知能力、并能适应复杂环境、完成复杂任务额新一代机器人。认知机器人的抽象结构，分为三层，即计算层、构件层和硬件层。计算层包括知觉、认知、行动。知觉是在感觉的基础上产生的，是对感觉信息的整合与解释。认知包括行动选择、规划、学习、多机器人协同、团队工作等。行动是机器人控制系统的最基本单元，包括移动、导航、避障等，所有行为都可由它表现出来。行为是感知输入到行动模式的映射，行动模式用来完成该行为。在构件层包括感觉驱动器（感觉库）、行动驱动器（运动库）和通信接口。硬件层有传感器、激励器、通信设施等。当机器人在环境中运行时，通过传感器获取环境信息,根据当前的感知信息来搜索认知模型，如果存在相应的经验与之匹配，则直接根据经验来实现行动决策，如果不具有相关经验，则机器人利用知识库来进行推理。2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人152018-4-13史忠植人工智能：智能机器人16物理/硬件层感知认知行动传感器驱动 或感觉库 通讯接口 激励器驱动 或运动库 传感器 通讯硬件 激励器 外部世界 密西根大学的莱德(Laird J)等采用SOAR认知模型构建 认知机器人，系统中将符号处理与非符号处理结合，具 有多种学习机制。 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 17 10.1 概述 10.2 智能机器人的体系结构 10.3 机器人视觉系统 10.4 机器人规划 10.5 情感机器人 10.6 发育机器人 10.7 机器人应用 10.8 智能机器人发展趋势 10.9 小结 机器人要对外部世界的信息进行感知，就要依靠各种传感器。就像人类一样，在机器人的众多感知传感器中，视觉系统提供了大部分机器 人所需的外部世界信息。因此视觉系统在机器人技术中具有重要的作 2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人 18 依据视觉传感器的数量和特性，目前主流的移动机器人视觉系统有 单目视觉 双目立体视觉 多目视觉 全景视觉 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 19 移动机器人导航中，实现机器人自身的准确定位是一项最基本、最重要的功能。移动机器人常用 的定位技术包括以下几个： 基于视觉的定位方法2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 20 机器人自主视觉导航是目前世界范围内人工智能、机器人学、自动控制等学科领域内的研究 热点。 采用被动光学传感器的视觉方法，体积功耗小，信息量丰富，因此基于视觉方法进行地形感 知与地图构建具有广阔的应用前景。 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 21 基于视觉的伺服控制形式。这种方式可以克服模型中存在的不确定性，提高视觉定位或跟踪的精度。 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 22 采集图像采集图像 图像预处理 图像预处理 特征提取 特征提取 是否满足约束 三维空间定位 左摄像机右摄像机 内参数标定 内参数标定 外参数标定 外参数标定 两摄像机相 对位置关系 标定模块空间定 位模块 立体匹 配模块 2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人 23 10.1 概述 10.2 智能机器人的体系结构 10.3 机器人视觉系统 10.4 机器人规划 10.5 情感机器人 10.6 发育机器人 10.7 机器人应用 10.8 智能机器人发展趋势 10.9 小结 规划的任务是寻找一个动作序列使问题求解（如控制系统）可以完成某个特定的任务。 规划实质分类时淡化规划内容，只考虑规划的实质(1)任务规划：对求解问题的目标和任务等进行规划， 又称为高层规划。 (2)路径规划：对求解问题的途径、路径、代价等进行 规划，又称为中层规划。 (3)轨迹规划：对求解问题的空间几何轨迹及其生成进 行规划，又称为底层规划。 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 24 STRIPS是由现在的斯坦福研究所（SRIInternational ）开发的，意思是斯坦福研究所规划系统（Stanford Research Institute Planning System）。这个控制 程序是用来驱动20世纪70年代的Shakey机器人的。整 个STRIPS系统的组成如下: (1)世界模型。为一阶谓词演算公式。 (2)操作符(F规则)。包括先决条件、删除表和添加表。 (3)操作方法。应用状态空间表示和中间-结局分析。 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 25 26 积木世界由一些有标 记的立方形积木，互相 堆迭在一起构成；机器 人有个可移动的机械手 ，它可以抓起积木块并 移动积木从一处至另一 2018-4-13史忠植人工智能：智能机器人 27 unstack(a,b)：把堆放在积木b上的积木a拾起。在进行这个动作之前，要求机器人的手为空手，而且积木a 的顶上是空的。 stack(a,b)：把积木a堆放在积木b上。动作之前要求机械手必须已抓住积木a，而且积木b顶上必须是空的。 pickup(a)：从桌面上拾起积木a，并抓住它不放。在动作之前要求机械手为空手，而且积木a顶上没有任何 东西。 putdown(a)：把积木a放置到桌面上。要求动作之前机械手已抓住积木a。 2018-4-13 史忠植人工智能：智能机器人 28 综合机器人的动作序列，即在某个给定初始情况下，经过某个动作序列而达到指定的目标。 机器人问题的状态描述和目标描述均可用谓词逻辑公式构成：kaiyun开云网站 Kaiyun开云kaiyun网站