智能机器人机器关键技术

智能机器人学生：罗士锋学号：14721693导师：李松生目录•智能机器人发展现状与趋势•智能机器人性能及其关键技术智能机器人的定义•智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当发达的“大脑”。在脑中起作用的是中央处理器，这种计算机跟操作它的人有直接的联系。最主要的是，这样的计算机可以进行按目的安排的动作。智能机器人三要素•一是感觉要素，用来认识周围环境状态；•二是运动要素，对外界做出反应性动作；•三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。智能机器人根据其智能程度分类传感型机器人智能机器人根据其智能程度分类交互型机器人智能机器人根据其智能程度分类•自主型机器人机器人技术的发展过程•第一代为可编程示教再现型机器人,其特征是机器人能够按照事先教给它们的程序进行重复工作。即人手把着机械手,把应当完成的任务做一遍,或者人用示教控制盒发出指令,让机器人的机械手臂运动,一步步完成它应当完成的各个动作;第二代机器人(20世纪70年代)是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人,其特征是可以根据作业对象的状况改变作业内容,即所谓的知觉判断机器人;第三代机器人(20世纪80年代中期以后)是智能机器人,这种机器人带有多种传感器,能够将多种传感器得到的信息进行融合,能够有效的适应变化的环境,具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。发展现状•在各国智能机器人技术的发展中，美国在国际上一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。•日本由于一系列扶植政策，各类机器人发展迅速。政府巨大资助给其带来了硬件优势，促进了智能机器人技术的发展。•欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位，全球约1/3的工业机器人是由欧盟机器人制造商制造的。智能机器人的关键技术多传感器信息融合多层次传感器融合微传感器和智能传感器自适应多传感器融合导航与定位•导航的基本任务有3点•(1)基于环境理解的全局定位:通过环境中景物的理解,识别人为路标或具体的实物,以完成对机器人的定位,为路径规划提供素材;•(2)目标识别和障碍物检测:实时对障碍物或特定目标进行检测和识别,提高控制系统的稳定性;•(3)安全保护:能对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体作出分析并避免对机器人造成的损伤。导航主要解决的问题•（1）我（机器人）现在何处？•（2）我要往何处走？•（3）我要如何到达该处？导航系统中的定位及其跟踪问题路径规划问题导航的分类•1)惯性导航惯性导航是一种最基本的导航方式。它利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪,计算机器人航程,从而推知机器人当前的位置和下一步目的地。导航的分类2)磁导航（路径地下埋电缆，流过不同频率的电流，来作为路径信息）磁导航是目前自动导引车(automatedguidedvehicle,AGV)的主要导航方式。AGV是移动机器人中的一种,同时,AGV也是自动化物流运输系统柔性生产组织系统的核心关键设备。这种导航方式要在AGV运行路径上,开出深度为10mm左右,宽5mm左右的沟槽,在其中埋入导线。在导线上通以5～30kHz的交变电流,在导线周围产生磁场。AGV上左右对称安装了2只磁传感器用于检测磁场强度,引导车辆沿所埋设的路径行驶。但是，AGV缺乏柔性,在原有路径上放置一个障碍物,该AGV就无法完成简单的避障动作。导航的分类3)视觉导航通常,机器人利用装配的摄像机拍摄周围环境的局部图像,然后,通过图像处理技术(如,特征识别、距离估计等)进行机器人定位和规划下一步的动作。导航的分类•4)基于传感器数据导航一般机器人都安装了一些非视觉传感器,如超声传感器、红外传感器、接触传感器等。有研究人员将超声数据与图像数据结合,通过事先训练好的神经网络预测障碍物的可能位置,从而使得机器人能够在动态非结构化环境中实现自主导航。有研究人员将传感器数据作为模糊推理系统的输入,模糊系统将产生较优(针对某事先设定的代价函数而言)的机器人行为动作。导航的分类•5)卫星导航GPS全球定位系统是以距离作为基本的观测量,通过对4颗GPS卫星同时进行伪距离测量,计算出用户(接收机)的位置。机器人通过安装卫星信号接收装置,可以实现自身定位,无论其在室内还是在室外。相对定位技术•(1)测距法：采用光电编码器、里程计和航向陀螺仪。计算每个采样周期车轮移动路程之和。优点是良好的短期精度、低廉的价格和较高的采样速率。•(2)惯性导航法：采用陀螺仪和加速度计。陀螺仪测量回转速度（角速度），加速度计测量加速度。通过分别对时间进行一次积分和二次积分即可获得偏移的距离和角度。相对定位技术的缺点：累积误差会很严重，不适合长距离或者长时间的定位，可以与绝对定位技术相结合绝对定位技术：(1)全球定位系统（GPS）(2)陆标定位：自然陆标定位和基于人工陆标（超声波发射器、激光反射板等）定位。陆标位置已知。(3)基于已知地图的定位：地图匹配定位技术。根据自身探测的周围环境信息构建局部地图，然后将局部地图与已知的全局地图进行匹配。关键在于地图模型的建立和匹配算法。路径规划•移动机器人按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次最优的无碰路径。包括：•静态路径规划•动态路径规划静态路径规划•(1)静态路径规划：离线全局路径规划，环境信息完全已知。可视图法(V-Graph)、栅格法(Grids)等。•可视图法的核心思想是将机器人应该到达的点作为顶点，点的连线作为备选的路径，于是问题就变成了图搜索问题。由于连线（又叫弧）的选取方法不同，也就有了连接各个障碍物顶点的直线、用障碍物的切线表示弧和做出障碍物顶点的voronoi图的边作为弧的方法，用voronoi方法可以使得路径尽可能的远离障碍物。栅格法是用累积值表明该栅格存在障碍物的可能性。动态路径规划人工势场法(ArtificialPotentialField)：目标对被规划对象存在吸引力，而障碍物对其有排斥力,引力与斥力的合力作为机器人运动的加速力，从而计算机器人的位置和控制机器人的运动方向。其缺陷是：存在陷阱区域、在相近的障碍物群中不能识别路径、在障碍物前震荡、在狭窄通道中摆动。模糊逻辑算法(FuzzyLogicAlgorithm)：类似人的避障，经验化的方法。基于传感器的信息，采用模糊逻辑算法通过查表得到规划出的信息，完成局部路径规划。机器人视觉机器人视觉【robotvision】使机器人具有视觉感知功能的系统，是机器人系统组成的重要部分之一。2010年2月3日，特拉维夫市一名以色列爆破专家引导一台爆破机器人成功爆破炸弹智能机器人应用•一名美军士兵走过一台扫雷机器人，这台机器人被写上动画片主角的名字“WALL-E”，摄于赫尔曼德省，阿富汗南部，2010年3月10号。智能机器人应用德国汉诺威大展上展示的机器人踢足球比赛智能机器人应用一名工程师编程教会这个人形机器人做俯卧撑运动。智能机器人应用一家日本公司在2008年CEBIT上展示的音乐机器人智能机器人应用总结与展望(1)机器人网络化:利用通信网络技术将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。网络化技术包括网络遥控操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等;(2)智能控制中的软计算方法:与传统的计算方法相比,以模糊逻辑、基于概率论的推理、神经网络、遗传算法和混沌为代表的软计算技术具有更高的鲁棒性、易用性及计算的低耗费性等优点,应用到机器人技术中,可以提高其问题求解速度,较好地处理多变量、非线性系统的问题;3)机器学习:各种机器学习算法的出现推动了人工智能的发展,强化学习、蚁群算法、免疫算法等可以用到机器人系统中,使其具有类似人的学习能力,以适应日益复杂的、不确定和非结构化的环境;总结与展望•(4)智能人机接口:人机交互的需求越来越向简单化、多样化、智能化、人性化方向发展,因此需要研究并设计各种智能人机接口如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等,以更好地适应不同的用户和不同的应用任务,提高人与机器人交互的和谐性;(5)多机器人协调作业:随着人工智能方法、机器人技术以及多智能体系统(MultiAgentSystem:MAS)等研究的深入,如何组织和控制多个机器人来协作完成单机器人无法完成的复杂任务,在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决策和操作,已经成为机器人研究领域的新课题,具有重要的理论和现实意义。