機(jī)器人工學(xué)16先進(jìn)機(jī)器人

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1、第10章 先進(jìn) 機(jī)器人智能 機(jī)器人的感知和信息識(shí)別系統(tǒng)是為機(jī)器人智能服務(wù)的。 感 知 、 思 維 、 動(dòng) 作 是機(jī)器人具有智能的三要素。智能機(jī)器人應(yīng)該具備感知環(huán)境的能力、執(zhí)行某種任務(wù)而對(duì)環(huán)境施加影響的能力，以及將感知與行為聯(lián)系起來進(jìn)行思維的能力。 機(jī)器人要模仿人的智能，就必須具備相對(duì)健全的傳感器，認(rèn)知環(huán)境，并對(duì)環(huán)境變化作出反應(yīng)。 機(jī)器人的自治與工作環(huán)境第3代農(nóng)業(yè)機(jī)器人家用機(jī)器人醫(yī)療機(jī)器人維修機(jī)器人縫紉機(jī)器人軍事機(jī)器人宇宙機(jī)器人體內(nèi)手術(shù)機(jī)器人第2代收集機(jī)器人建筑機(jī)器人清掃機(jī)器人向?qū)C(jī)器人保養(yǎng)機(jī)器人適應(yīng)作業(yè)機(jī)器人核電機(jī)器人海洋機(jī)器人消防機(jī)器人排雷機(jī)器人太空用機(jī)械手點(diǎn)檢機(jī)器人第1 代植苗機(jī)器人教育用

2、機(jī)器人競(jìng)賽機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人遙操作機(jī)械手微型工廠真空環(huán)境機(jī)器人潔凈環(huán)境機(jī)器人自然環(huán)境人居環(huán)境工廠環(huán)境危險(xiǎn)or惡劣環(huán)境非生存環(huán)境 多傳感器信息融合 能通過對(duì)來自多個(gè)不同形態(tài)的傳感器信息進(jìn)行綜合處理，而實(shí)現(xiàn)單一傳感器所不能得到的新認(rèn)識(shí)功能的技術(shù)，就稱之為多傳感器信息融合。 它研究如何充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高檢測(cè)信息的精度和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別、判斷和決策。 智能機(jī)器人與多傳感器信息融合 智能機(jī)器人要在不確定環(huán)境中成功地完成某種使命，其先決條件就是它們的感知系統(tǒng)必須能正確、動(dòng)態(tài)地描述周圍環(huán)境。 在以往的研究過程中，人們幾乎把精力都集中在使用單一傳感器的問題上，盡管有些智能機(jī)

3、器人使用了多個(gè)不同類型的傳感器，但并沒有把這些傳感器看作一個(gè)整體加以分析，這無疑對(duì)提高智能機(jī)器人的性能帶來了不利的影響。 多傳感器集成和信息融合技術(shù)就是為了更有效地處理多傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析而提出和發(fā)展起來的一個(gè)研究方向。 多傳感器信息融合 因?yàn)樗@的信息種類很多，且不同的信息源提供的信息種類和形式也各不相同，所以為了實(shí)現(xiàn)各信息之間的集成與融合，首先要在各種信息之間進(jìn)行比較，并使它們進(jìn)行有效的通信。 為此需要選擇適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)方式以表示融合過程中的各種信息，并且可在這種表示形式下有效地實(shí)現(xiàn)各信息源之間的信息比較與通信，即實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的表示與轉(zhuǎn)換問題。 信息表示方法的質(zhì)量最終將影響信息融合系統(tǒng)

4、的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。 多傳感器集成和信息融合的主要優(yōu)點(diǎn) （1）與只使用一種傳感器相比，多傳感器集成和融合處理后可以獲得有關(guān)周圍環(huán)境的更準(zhǔn)確、更全面的信息。比如：2D3D，通過平均和概率計(jì)算提高精度。 （2）一組相似的傳感器采集的信息存在冗余性，而這種冗余信息的適當(dāng)融合可以在總體上降低信息的不準(zhǔn)確性。這是因?yàn)槊總€(gè)傳感器的噪聲是不相關(guān)的，融合處理后可明顯地抑制噪聲，降低不確定性。 （3）不同類型傳感器采集的信息具有明顯的互補(bǔ)性，某些傳感器提供密集的信息，另一些傳感器給出的是稀疏信息。這種互補(bǔ)性經(jīng)過適當(dāng)處理后可以補(bǔ)償單一傳感器的不準(zhǔn)確性和測(cè)量范圍的局限性。 （4）多傳感器集成可增加系統(tǒng)的可靠性，某個(gè)或某

5、幾個(gè)傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 （5）與單個(gè)使用各種傳感器相比，多傳感器集成和信息融合技術(shù)可以更迅速、更經(jīng)濟(jì)地獲取有關(guān)環(huán)境的多種信息。 多傳感器融合的方法 信息融合的層次和處理形態(tài) 多傳感器信息融合實(shí)質(zhì)上是傳感器信息處理的一種方法，而信息的融合可以在傳感器信息處理的不同層次上進(jìn)行。按照在處理層次中的信息抽象程度不同，可以把融合層次大致分為三層： （1）原始/觀察信息層 （2）特征層 （3）決策層 信息融合的層次和處理形態(tài)原始/觀察信息層 該層次的信息融合是最低層的融合，是在對(duì)原始傳感信息未經(jīng)或經(jīng)過很少的處理基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 在傳感器信息具有配準(zhǔn)性的情況下（即傳感器所測(cè)的物理量相同，比如都是

6、測(cè)量視覺或都是測(cè)量聲覺的），原始的傳感器信息能夠進(jìn)行直接綜合。否則，信息融合就必須在特征層或決策層中才能進(jìn)行。 該層次的信息融合優(yōu)點(diǎn)是能夠提供比其它層次更詳細(xì)的信息，但是該層對(duì)信息的處理量較其它層次大，而且對(duì)融合所使用的信息配準(zhǔn)性要求很高，融合的方法較大程度上依賴于傳感器及傳感信息的特點(diǎn)，不易提出融合的一般性方法。 信息融合的層次和處理形態(tài)特征層 特征層的融合是指從傳感器的原始信息中提取一組典型的特征信息。 在該層中，對(duì)多個(gè)傳感器的觀察值進(jìn)行特征提取，并綜合為一組特征向量進(jìn)行融合。 該層次的融合兼?zhèn)湓夹畔雍蜎Q策層的優(yōu)缺點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用范圍。 信息融合的層次和處理形態(tài)決策層 決策層的融合是

7、在每個(gè)傳感器對(duì)某一目標(biāo)屬性作出初步?jīng)Q策后，對(duì)多傳感器信息進(jìn)行融合，以得到整體一致的決策結(jié)果，是融合中的最高層次。 該層次的融合具有較好的容錯(cuò)性，即當(dāng)某個(gè)傳感器出錯(cuò)時(shí)，通過適當(dāng)?shù)娜诤戏椒?，系統(tǒng)仍能獲得正確的決策結(jié)果。而且，隨著融合信息的抽象層次增高，對(duì)原始的傳感器信息沒有特殊的要求。 但由于該方法需要對(duì)原始的傳感器信息進(jìn)行預(yù)處理以獲得初步的決策結(jié)果，因此融合信息的處理量較大。 分散自律控制 Autonomous Decentralized Control 分散自律的分布智能系統(tǒng)是一種由多個(gè)具有自律性的單體智能系統(tǒng)組成，沒有對(duì)整個(gè)群體統(tǒng)一管理的上層機(jī)構(gòu)，各單體智能系統(tǒng)根據(jù)各自本身的狀態(tài)、環(huán)境以及其

8、他有關(guān)單體智能系統(tǒng)的動(dòng)作，通過相互通訊協(xié)調(diào)，自律地決定自己的動(dòng)作，以完成整個(gè)群體系統(tǒng)大范圍的有秩序的行為。 自律，即“遵循法紀(jì)，自我約束” 分散自律機(jī)器人系統(tǒng) 每個(gè)機(jī)器人都具有自律性，能夠自己判斷并采取最佳行動(dòng)。全體機(jī)器人構(gòu)成高效率行動(dòng)系統(tǒng)。 這個(gè)思想來自于對(duì)蟻群和蜂群的仿生。 蟻群：工蟻的行為規(guī)范是搜索食物、運(yùn)食物回巢、逃避敵人、徘徊。這些都是極簡(jiǎn)單的行動(dòng)。個(gè)體間信息交換的量很少，但把一群個(gè)體整合在一起，就形成非常統(tǒng)一的行動(dòng)體系。 自律分散控制的特點(diǎn) 分散性 系統(tǒng)的資源分布在各單體系統(tǒng)上，很容易擴(kuò)充和刪減。整個(gè)大系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)。 自律性 各單體系統(tǒng)可遵循一定約束自主采取行動(dòng)。整體行動(dòng)策略可以

9、豐富多變，可以進(jìn)化。 協(xié)調(diào)性 各單體系統(tǒng)可通過相互間信息交換隨時(shí)了解大環(huán)境的變化，利用協(xié)調(diào)作用，統(tǒng)一采取對(duì)策。 自組織性 各單體智能系統(tǒng)之間的相互作用不是預(yù)先設(shè)定好的，而是隨時(shí)隨地根據(jù)周圍狀況決定不同的組織形態(tài)。 自適應(yīng)性 當(dāng)目的任務(wù)，或所處環(huán)境有變化時(shí)，單體系統(tǒng)能作相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)所發(fā)生的變化。 缺點(diǎn)是效率相對(duì)較差，系統(tǒng)容易陷入不穩(wěn)定。自律分散控制的特點(diǎn) 機(jī)器人中使用的最新技術(shù) 使用釹鐵硼永磁鐵，電機(jī)性能提高； 減速器、軸承、齒形帶等機(jī)械部件體積減小、剛度增大； 通過三維CAD，配合錳合金的使用，使結(jié)構(gòu)部件重量減輕、剛度增大； 加速度傳感器、陀螺儀傳感器等小型化、高性能化； 根據(jù)摩爾原理，計(jì)

10、算機(jī)速度15年中提高了1000倍。 半導(dǎo)體集成度提高，出現(xiàn)大電流高速切換的開關(guān)元件； 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)； 電池高密度化、輕量化。機(jī)器人中使用的最新技術(shù) 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 首先，制造企業(yè)必須保證其機(jī)器人產(chǎn)品的使用安全性。 客觀評(píng)價(jià)和確認(rèn)“安全”的典型標(biāo)準(zhǔn)是ISO和IEC等標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器人安全性也是如此。 推薦的標(biāo)準(zhǔn)是：ISO13849-1（機(jī)械類的安全性）中規(guī)定的安全規(guī)范。 除了正確的設(shè)計(jì)以外，安全性的考慮還必須通過對(duì)機(jī)器人、乃至機(jī)器人系統(tǒng)的既發(fā)事故案例進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和分析，顧及到各種可能發(fā)生的情況。 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 其次，在機(jī)器人安全性中，人為錯(cuò)誤不可忽視。 對(duì)于機(jī)器人這樣有一定自主性的高級(jí)機(jī)

11、械系統(tǒng)，機(jī)械的高級(jí)功能和操作這些功能的人的認(rèn)知功能構(gòu)成“聯(lián)合認(rèn)知系統(tǒng)”。 人為錯(cuò)誤形態(tài)有三種模式： 在監(jiān)視中的技能基礎(chǔ)過錯(cuò) 應(yīng)對(duì)異常的規(guī)則基礎(chǔ)過錯(cuò) 知識(shí)基礎(chǔ)過錯(cuò) 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 應(yīng)對(duì)機(jī)器人安全性的防護(hù)策略有以下四個(gè)級(jí)別。 物理防護(hù)墻（墻，圍欄，安全帶，安全帽等） 功能防護(hù)墻（制動(dòng)，互鎖，密碼，拉開距離的隔離帶等） 圖符防護(hù)墻（信號(hào)，警報(bào)，標(biāo)簽，命令，提示說明，許可證等） 抽象防護(hù)墻（操作規(guī)程，禁止事項(xiàng)，法律等） 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 人和機(jī)器人共存協(xié)同工作時(shí)的安全性問題 按如下步驟順序展開降低風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng) 活動(dòng)1 條件（環(huán)境）的完善 活動(dòng)2 危險(xiǎn)源的確認(rèn) 活動(dòng)3 危險(xiǎn)源的排除 活動(dòng)4 風(fēng)險(xiǎn)

12、的估計(jì)、評(píng)價(jià) 活動(dòng)5 基于設(shè)計(jì)降低風(fēng)險(xiǎn) 活動(dòng)6 基于安全防護(hù)設(shè)施降低風(fēng)險(xiǎn)（如急停按鈕等） 活動(dòng)7 參與風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確描述和提示 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 人和機(jī)器人共存協(xié)同工作的三種形態(tài) 形態(tài)1 H-R-O型 形態(tài)2 R-H-O型 形態(tài)3 H-O-R型 基于力輸出限制的本質(zhì)安全化 機(jī)器人輸出力控制的一個(gè)重要概念動(dòng)柔度控制（控制機(jī)械阻抗） 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 人和機(jī)器人共存協(xié)同工作時(shí)的作業(yè)意圖推斷功能 “作業(yè)意圖推斷”是人與機(jī)器人共存系統(tǒng)中保障安全和實(shí)現(xiàn)正確協(xié)調(diào)作業(yè)的關(guān)鍵 考慮到很多機(jī)器人的誤動(dòng)作是由人為錯(cuò)誤造成的，所以讓人和機(jī)器人持有互相表達(dá)作業(yè)意圖的功能，或者建立一種事先推測(cè)對(duì)方意圖，彼此意見一致后在采取共同行動(dòng)的控制模式是非常重要的。 理解度Check 未來機(jī)器人的研究和應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)器人的未來技術(shù)及現(xiàn)存的關(guān)鍵問題 多傳感器信息融合的基本方法 對(duì)機(jī)器人安全性問題的認(rèn)識(shí)和對(duì)機(jī)器人智能的一般了解