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

2、機器人競賽機器人工業(yè)機器人遙操作機械手微型工廠真空環(huán)境機器人潔凈環(huán)境機器人自然環(huán)境人居環(huán)境工廠環(huán)境危險or惡劣環(huán)境非生存環(huán)境 多傳感器信息融合 能通過對來自多個不同形態(tài)的傳感器信息進行綜合處理，而實現(xiàn)單一傳感器所不能得到的新認識功能的技術(shù)，就稱之為多傳感器信息融合。 它研究如何充分發(fā)揮各個傳感器的特點，利用其互補性、冗余性，提高檢測信息的精度和可靠性，從而實現(xiàn)識別、判斷和決策。 智能機器人與多傳感器信息融合 智能機器人要在不確定環(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

3、器人使用了多個不同類型的傳感器，但并沒有把這些傳感器看作一個整體加以分析，這無疑對提高智能機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)的設計與分析而提出和發(fā)展起來的一個研究方向。 多傳感器信息融合 因為所獲的信息種類很多，且不同的信息源提供的信息種類和形式也各不相同，所以為了實現(xiàn)各信息之間的集成與融合，首先要在各種信息之間進行比較，并使它們進行有效的通信。 為此需要選擇適當?shù)谋磉_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現(xiàn)各信息源之間的信息比較與通信，即實現(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、的各項評價指標。 多傳感器集成和信息融合的主要優(yōu)點 （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)境的更準確、更全面的信息。比如：2D3D，通過平均和概率計算提高精度。 （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融合可以在總體上降低信息的不準確性。這是因為每個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。這種互補性經(jīng)過適當處理后可以補償單一傳感器的不準確性和測量范圍的局限性。 （4）多傳感器集成可增加系統(tǒng)的可靠性，某個或某

5、幾個傳感器失效時，系統(tǒng)仍能正常運行。 （5）與單個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，是在對原始傳感信息未經(jīng)或經(jīng)過很少的處理基礎上進行的。 在傳感器信息具有配準性的情況下（即傳感器所測的物理量相同，比如都是

6、測量視覺或都是測量聲覺的），原始的傳感器信息能夠進行直接綜合。否則，信息融合就必須在特征層或決策層中才能進行。 該層次的信息融合優(yōu)點是能夠提供比其它層次更詳細的信息，但是該層對信息的處理量較其它層次大，而且對融合所使用的信息配準性要求很高，融合的方法較大程度上依賴于傳感器及傳感信息的特點，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，對多個傳感器的觀察值進行特征提取，并綜合為一組特征向量進行融合。 該層次的融合兼?zhèn)湓夹畔雍蜎Q策層的優(yōu)缺點，具有較大的應用范圍。 信息融合的層次和處理形態(tài)決策層 決策層的融合是

7、在每個傳感器對某一目標屬性作出初步?jīng)Q策后，對多傳感器信息進行融合，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性，即當某個傳感器出錯時，通過適當?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，對原始的傳感器信息沒有特殊的要求。 但由于該方法需要對原始的傳感器信息進行預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)是一種由多個具有自律性的單體智能系統(tǒng)組成，沒有對整個群體統(tǒng)一管理的上層機構(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)的動作，通過相互通訊協(xié)調(diào)，自律地決定自己的動作，以完成整個群體系統(tǒng)大范圍的有秩序的行為。 自律，即“遵循法紀，自我約束” 分散自律機器人系統(tǒng) 每個機器人都具有自律性，能夠自己判斷并采取最佳行動。全體機器人構(gòu)成高效率行動系統(tǒng)。 這個思想來自于對蟻群和蜂群的仿生。 蟻群：工蟻的行為規(guī)范是搜索食物、運食物回巢、逃避敵人、徘徊。這些都是極簡單的行動。個體間信息交換的量很少，但把一群個體整合在一起，就形成非常統(tǒng)一的行動體系。 自律分散控制的特點 分散性 系統(tǒng)的資源分布在各單體系統(tǒng)上，很容易擴充和刪減。整個大系統(tǒng)可靠性增強。 自律性 各單體系統(tǒng)可遵循一定約束自主采取行動。整體行動策略可以

9、豐富多變，可以進化。 協(xié)調(diào)性 各單體系統(tǒng)可通過相互間信息交換隨時了解大環(huán)境的變化，利用協(xié)調(diào)作用，統(tǒng)一采取對策。 自組織性 各單體智能系統(tǒng)之間的相互作用不是預先設定好的，而是隨時隨地根據(jù)周圍狀況決定不同的組織形態(tài)。 自適應性 當目的任務，或所處環(huán)境有變化時，單體系統(tǒng)能作相應調(diào)整，以適應所發(fā)生的變化。 缺點是效率相對較差，系統(tǒng)容易陷入不穩(wěn)定。自律分散控制的特點 機器人中使用的最新技術(shù) 使用釹鐵硼永磁鐵，電機性能提高； 減速器、軸承、齒形帶等機械部件體積減小、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

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

11、械系統(tǒng)，機械的高級功能和操作這些功能的人的認知功能構(gòu)成“聯(lián)合認知系統(tǒng)”。 人為錯誤形態(tài)有三種模式： 在監(jiān)視中的技能基礎過錯 應對異常的規(guī)則基礎過錯 知識基礎過錯 關(guān)于機器人安全性問題 應對機器人安全性的防護策略有以下四個級別。 物理防護墻（墻，圍欄，安全帶，安全帽等） 功能防護墻（制動，互鎖，密碼，拉開距離的隔離帶等） 圖符防護墻（信號，警報，標簽，命令，提示說明，許可證等） 抽象防護墻（操作規(guī)程，禁止事項，法律等） 關(guān)于機器人安全性問題 人和機器人共存協(xié)同工作時的安全性問題 按如下步驟順序展開降低風險的活動 活動1 條件（環(huán)境）的完善 活動2 危險源的確認 活動3 危險源的排除 活動4 風險

12、的估計、評價 活動5 基于設計降低風險 活動6 基于安全防護設施降低風險（如急停按鈕等） 活動7 參與風險的準確描述和提示 關(guān)于機器人安全性問題 人和機器人共存協(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 機器人輸出力控制的一個重要概念動柔度控制（控制機械阻抗） 關(guān)于機器人安全性問題 人和機器人共存協(xié)同工作時的作業(yè)意圖推斷功能 “作業(yè)意圖推斷”是人與機器人共存系統(tǒng)中保障安全和實現(xiàn)正確協(xié)調(diào)作業(yè)的關(guān)鍵 考慮到很多機器人的誤動作是由人為錯誤造成的，所以讓人和機器人持有互相表達作業(yè)意圖的功能，或者建立一種事先推測對方意圖，彼此意見一致后在采取共同行動的控制模式是非常重要的。 理解度Check 未來機器人的研究和應用領域 機器人的未來技術(shù)及現(xiàn)存的關(guān)鍵問題 多傳感器信息融合的基本方法 對機器人安全性問題的認識和對機器人智能的一般了解