機(jī)器人感知與信息獲取科學(xué)課件

InstituteofIntelligentMachines機(jī)器人感知與信息獲取科學(xué)梅濤中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生導(dǎo)師中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研究員tmei@ 一、智能機(jī)械概述 二、機(jī)器人感知系統(tǒng) 三、信息獲取科學(xué)與技術(shù)

InstituteofIntelligentMachi1InstituteofIntelligentMachines一、智能機(jī)械概述什么是智能機(jī)械？智能機(jī)械是具有外部環(huán)境和自身狀態(tài)感知能力、自適應(yīng)決策能力、自動操作執(zhí)行能力和人機(jī)交互能力的機(jī)械電子系統(tǒng)。機(jī)器人是智能機(jī)械的典型代表，是最高意義上的自動化。感知系統(tǒng)決策系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)智能機(jī)械人機(jī)交互InstituteofIntelligentMachi2InstituteofIntelligentMachines感知系統(tǒng)的任務(wù)是獲取外部環(huán)境和自身狀態(tài)信息，它是人類感覺器官的延伸。感知系統(tǒng)的學(xué)科基礎(chǔ)是信息獲取科學(xué)與技術(shù)Hirzinger于2000年指出：“人們希望AI能夠推動機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，使機(jī)器人更具智能。但他們忽略了一些事情，例如盡管邏輯決策的作用很大，但傳感器的感知與反饋是更高級智能行為的真正基礎(chǔ)。事實(shí)上，工業(yè)機(jī)器人在很大程度上仍像幾年前一樣笨”。這表明在機(jī)器人領(lǐng)域感知系統(tǒng)的研究和應(yīng)用還很不夠，面向應(yīng)用需求的感知系統(tǒng)是智能機(jī)械，尤其是機(jī)器人發(fā)展智能的關(guān)鍵技術(shù)。InstituteofIntelligentMachi3InstituteofIntelligentMachines決策系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)環(huán)境和自身狀態(tài)來判斷實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)所必須采取的措施，它是人類大腦的延伸。決策系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)是人工智能。智能所在決策系統(tǒng)方面的研究重點(diǎn)是：智能農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)。十三億人民的吃飯問題和提高八億農(nóng)民收入是國家戰(zhàn)略需求，智能農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)將為國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供重要條件。復(fù)雜巨系統(tǒng)：廣域（全國、全球、宇宙），多變量（農(nóng)作物、氣象、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、市場、社會），多技術(shù)集成（農(nóng)業(yè)技術(shù)、人工智能、傳感與遙感、軟件技術(shù)）。InstituteofIntelligentMachi4InstituteofIntelligentMachines朱镕基、朱麗蘭參觀農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)InstituteofIntelligentMachi5InstituteofIntelligentMachines自動化溫室InstituteofIntelligentMachi6InstituteofIntelligentMachines執(zhí)行系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)決策措施，控制機(jī)械運(yùn)動裝置實(shí)現(xiàn)對對象物體的操作，它是人類肌肉和肢體的延伸。執(zhí)行系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)是控制論。智能材料為新型執(zhí)行系統(tǒng)的研制創(chuàng)造了新機(jī)遇。FMP執(zhí)行器在磁場作用下彎曲磁場撤消后恢復(fù)勻強(qiáng)磁場勻強(qiáng)磁場微機(jī)器人基體外場驅(qū)動微型游泳機(jī)器人InstituteofIntelligentMachi7InstituteofIntelligentMachinesInstituteofIntelligentMachi8InstituteofIntelligentMachines電動前移式叉車InstituteofIntelligentMachi9InstituteofIntelligentMachines人機(jī)交互系統(tǒng)的任務(wù)是建立機(jī)器與人類的友好互動關(guān)系，讓機(jī)器與人類互相理解和感受。人機(jī)交互的科學(xué)基礎(chǔ)是控制論、心理學(xué)等。人機(jī)交互系統(tǒng)在航天、深海作業(yè)、危險(xiǎn)品處理等方面具有重要的應(yīng)用前景。InstituteofIntelligentMachi10InstituteofIntelligentMachines具有人機(jī)接觸交互能力的機(jī)器人裝配作業(yè)平臺InstituteofIntelligentMachi11InstituteofIntelligentMachines二、機(jī)器人感知系統(tǒng)1、傳感器的基本概念傳感器

感知系統(tǒng)，但是機(jī)器人感知的基礎(chǔ)。傳感器的六大指標(biāo)：精度、靈敏度、量程、溫漂、時漂、頻響機(jī)器人感知分為對機(jī)器人自身狀態(tài)的感知和對部環(huán)境的感知，并稱相應(yīng)的傳感器為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。機(jī)器人內(nèi)部傳感器主要包括：關(guān)節(jié)角度傳感器、水平傾角傳感器。InstituteofIntelligentMachi12InstituteofIntelligentMachines傳感器檢測內(nèi)容檢測器件應(yīng)用舉例視覺形狀、位置、距離CCD攝象機(jī)、激光雷達(dá)、超聲波成像儀、合成孔徑雷達(dá)目標(biāo)識別、定位、導(dǎo)航、缺陷檢查力覺多維腕力、指力、腳力電阻應(yīng)變片、壓阻元件、壓電元件、光纖力/位置控制、輪廓跟蹤、軸孔配合、雙臂協(xié)調(diào)觸覺分布壓力、接觸力、接觸形狀、滑動狀態(tài)、表面溫度、熱傳導(dǎo)特性應(yīng)變片、壓阻元件、導(dǎo)電橡膠、PVDF薄膜、光導(dǎo)板/CCD握力控制、抓取物識別、抓取位置判斷、防滑、熱保護(hù)、材質(zhì)判別接近覺距離超聲探頭、激光/光電二極管、電磁線圈、電容器、PSD器件、氣動/壓力傳感器距離測量、避障、防碰、軌跡控制聽覺聲音、超聲麥克風(fēng)、超聲波傳感器語音識別、語言控制、故障判斷嗅覺氣體成分氣敏元件、射線傳感器、氣相色譜儀氣體識別、防化作戰(zhàn)味覺味道離子敏傳感器、pH計(jì)、液相色譜儀化學(xué)成分判別、食品檢測機(jī)器人外部傳感器InstituteofIntelligentMachi13InstituteofIntelligentMachines2、空間機(jī)器人手眼系統(tǒng)

功能：自主行走：在行走過程中識別工字形抓拿單元并確定其位置和姿態(tài)；靜態(tài)對象操作：拾取若干工件并插入指定位置；動態(tài)對象操作：捕獲一個浮游的物體。I-typestandsRobota.ClimbingthestructuresObjectsb.ObjectmanipulationInstituteofIntelligentMachi14InstituteofIntelligentMachines立體視覺系統(tǒng)：視覺信息采集與傳輸圖象處理與識別、定位距離判別MUXPCICPURAMControl同步定時視頻彩色解碼A/D變換全局左眼全局右眼爪1左眼爪1右眼爪2左眼爪2右眼InstituteofIntelligentMachi15InstituteofIntelligentMachines目標(biāo)物體左攝象機(jī)右攝象機(jī)左圖像右圖像圖7-7三維立體視覺原理圖XleftXrightInstituteofIntelligentMachi16InstituteofIntelligentMachines定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果InstituteofIntelligentMachi17InstituteofIntelligentMachines多傳感器手爪：AdapterCircuitboxMotorReducerGearsandscrewFingertipV-typeholder圖7-17光強(qiáng)法光電接近覺傳感器結(jié)構(gòu)光敏二極管被測表面InstituteofIntelligentMachi18InstituteofIntelligentMachinesInstituteofIntelligentMachi19InstituteofIntelligentMachines13Z87456Y123Z1391087X1212451091112工字梁InstituteofIntelligentMachi203、無線腸胃檢查機(jī)器人研究目標(biāo)：

突破體內(nèi)微機(jī)器人的無線驅(qū)動、控制、通訊關(guān)鍵技術(shù)，研制出無線腸胃檢查微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)。主要技術(shù)指標(biāo):機(jī)器人樣機(jī)尺寸：外徑≤12mm，長度≤35mm；攜帶微型圖像傳感器，具有對管壁的全景可視功能；具有位置、接觸覺敏感能力，位置定位精度≤5mm，接觸力靈敏度≤20mN；具有對腸道形狀變化的可適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)無損傷、無疼痛功能，驅(qū)動機(jī)構(gòu)對腸壁的作用力≤2N；無外引線，可以在體外進(jìn)行運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集。3、無線腸胃檢查機(jī)器人21機(jī)器人感知與信息獲取科學(xué)ppt課件22天線圖像傳感器鏡頭透光外殼照明二極管驅(qū)動器電池發(fā)射芯片天線圖像傳感器鏡頭透光照明二極管驅(qū)動器電池發(fā)射芯片23機(jī)器人感知與信息獲取科學(xué)ppt課件24InstituteofIntelligentMachines4、機(jī)器人觸覺傳感器橡膠層傳力柱基板保護(hù)陣列金絲外引線敏感單元中央凸臺敏感陣列結(jié)構(gòu)圖InstituteofIntelligentMachi25InstituteofIntelligentMachines(a)芯片正面 (b)芯片背面敏感芯片InstituteofIntelligentMachi26InstituteofIntelligentMachines線性單元解耦力敏信號觸覺圖象人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總力摩擦系數(shù)對比閾值計(jì)算單元力滑動狀態(tài)接觸狀態(tài)InstituteofIntelligentMachi27InstituteofIntelligentMachines鑰匙觸覺圖象砝碼觸覺圖象InstituteofIntelligentMachi28InstituteofIntelligentMachinesb.力分布點(diǎn)陣圖a.照片c.力分布高度圖螺母觸覺圖象InstituteofIntelligentMachi29InstituteofIntelligentMachines5、機(jī)器人多維力傳感器InstituteofIntelligentMachi30InstituteofIntelligentMachinesInstituteofIntelligentMachi31InstituteofIntelligentMachines三、信息獲取科學(xué)與技術(shù)1、信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展對信息獲取的需求信息鏈＝信息獲取＋信息處理＋信息傳輸信息獲取信息處理信息傳輸信息鏈InstituteofIntelligentMachi32InstituteofIntelligentMachines計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) =>信息處理無所不在通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)=>信息傳輸無所不在信息獲??？=>

無所不在？信息流的瓶頸！信息獲取科學(xué)與技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息科學(xué)與技術(shù)InstituteofIntelligentMachi33InstituteofIntelligentMachines“信息獲取”是一個具有基礎(chǔ)性、前瞻性、戰(zhàn)略性的研究方向，五至十年后必將出現(xiàn)信息獲取無所不在的景象。“911”以來對信息獲取的需求迅速上升，而現(xiàn)有技術(shù)不能滿足要求。多傳感器信息融合、傳感器智能化是尋求理論和技術(shù)突破的科學(xué)途徑。存在的問題：（1）未從信息獲取科學(xué)的角度建立學(xué)科的理論基礎(chǔ)；（2）未能從系統(tǒng)的角度建立學(xué)科體系；（3）存在多學(xué)科交叉的復(fù)雜性。InstituteofIntelligentMachi34InstituteofIntelligentMachines創(chuàng)立“信息獲取科學(xué)與技術(shù)學(xué)科”是信息科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的科學(xué)需求，符合科學(xué)發(fā)展的客觀必然性！

InstituteofIntelligentMachi35InstituteofIntelligentMachines2、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對信息獲取的需求二十一世紀(jì)是知識經(jīng)濟(jì)時代和信息化時代，知識和信息將成為推動社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。信息技術(shù)是研究和提供實(shí)現(xiàn)信息化的方法和手段，是推動社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)繁榮的前導(dǎo)性技術(shù)之一。產(chǎn)業(yè)發(fā)展不平衡：2001年世界傳感器市場總額約為790億美元，相當(dāng)于通訊產(chǎn)品的50%左右。我國傳感器產(chǎn)值為92億元，僅相當(dāng)于我國通訊產(chǎn)品的4%。中國傳感器產(chǎn)值在世界上占的份額僅1.4%。InstituteofIntelligentMachi36InstituteofIntelligentMachines世界上傳感器的種類有2萬種，而我國僅能生產(chǎn)約3000個品種，主要傳感器產(chǎn)品1000多種。開拓信息獲取科學(xué)與技術(shù)“新疆土”是在世界信息科學(xué)與產(chǎn)業(yè)界取得競爭優(yōu)勢的重要舉措！InstituteofIntelligentMachi37InstituteofIntelligentMachines3、信息獲取的理論基礎(chǔ)信息獲取科學(xué)與技術(shù)是傳統(tǒng)的傳感技術(shù)、檢測技術(shù)、遙感技術(shù)在信息化時代的學(xué)科升華。信息獲取的科學(xué)基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和心理學(xué)，以及它們之間的學(xué)科交叉。建立具有普適性的信息獲取理論基礎(chǔ)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

InstituteofIntelligentMachi38InstituteofIntelligentMachines信息獲取的過程是一個多層的信息融合過程，它包括了物質(zhì)層、數(shù)據(jù)層和特征層三個層次。信息獲取的物質(zhì)基礎(chǔ)是物理、化學(xué)、生物敏感現(xiàn)象和過程，物質(zhì)層的作用就是從這些現(xiàn)象和過程中獲得被測信號——敏感信息。多傳感信號在數(shù)據(jù)層中被聚集在一起，實(shí)現(xiàn)對外界信息的數(shù)據(jù)表達(dá)——傳感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在特征層中進(jìn)行處理、特征提取和匹配，實(shí)現(xiàn)信息獲取的最終目標(biāo)——獲得感知信息。物質(zhì)層數(shù)據(jù)層特征層敏感信息傳感數(shù)據(jù)感知信息被測環(huán)境InstituteofIntelligentMachi39InstituteofIntelligentMachines信息論是信息獲取科學(xué)與技術(shù)最重要的理論基礎(chǔ)，它的早期理論是香農(nóng)的封閉信息系統(tǒng)理論，即信息傳遞的準(zhǔn)確性要求達(dá)到熵值最高的靜態(tài)平衡狀態(tài)。信息獲取源的多元化使信息獲取成為一個開放性的動態(tài)平衡過程。而目前科學(xué)界尚未完全建立開放式信息系統(tǒng)的相應(yīng)理論，所以信息獲取的信息論原理有待于進(jìn)一步研究。人類應(yīng)該從奧妙無窮的自然生物中獲得靈感，仿生學(xué)將是建立開放式信息系統(tǒng)理論的手段。生命過程符合熱力學(xué)第二定律。封閉的信息系統(tǒng)同樣符合熱力學(xué)第二定律而開放式信息獲取系統(tǒng)的定律還有待于我們?nèi)ヲ?yàn)證。

InstituteofIntelligentMachi40InstituteofIntelligentMachines心理物理學(xué)生物物理學(xué)模式識別理論數(shù)據(jù)融合理論應(yīng)用物理學(xué)應(yīng)用化學(xué)信息論生物信息學(xué)特征層數(shù)據(jù)層物質(zhì)層信息獲取的理論基礎(chǔ)InstituteofIntelligentMachi41InstituteofIntelligentMachines信息獲取科學(xué)與技術(shù)物理型敏感材料與元件敏感材料與元件傳感器機(jī)器感知化學(xué)型敏感材料與元件生物型敏感材料與元件力學(xué)量傳感器物理量傳感器化學(xué)量傳感器結(jié)構(gòu)型敏感材料與元件機(jī)器視覺機(jī)器觸覺機(jī)器嗅覺機(jī)器味覺生物量傳感器4、學(xué)科體系InstituteofIntelligentMachi42InstituteofIntelligentMachines5、戰(zhàn)略目標(biāo)為滿足信息科學(xué)與技術(shù)的學(xué)科發(fā)展需求和全面實(shí)現(xiàn)信息化的社會、經(jīng)濟(jì)需求，創(chuàng)立信息獲取科學(xué)與技術(shù)學(xué)科。以信息論為最主要的科學(xué)理論，發(fā)揮多學(xué)科交叉優(yōu)勢，建立信息獲取科學(xué)的理論基礎(chǔ)。以信息獲取的三層次論斷為依據(jù)，構(gòu)筑由敏感材料與元件、傳感器、機(jī)器感知三個分學(xué)科組成的學(xué)科體系。通過對重大關(guān)鍵技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)，突破信息獲取技術(shù)中的共同的戰(zhàn)略性問題，為研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的世界一流產(chǎn)品奠定技術(shù)基礎(chǔ)。最終使我國信息產(chǎn)業(yè)在無所不在的信息獲取需求撲面而來之時，能夠?yàn)樯鐣峁┛膳c國外抗衡的、系統(tǒng)的信息獲取技術(shù)與產(chǎn)品，推動國民經(jīng)濟(jì)的快速增長。InstituteofIntelligentMachi43InstituteofIntelligentMachines6、近期任務(wù)（1）

基礎(chǔ)理論研究

信息獲取中的信息論原理

信息獲取中的仿生學(xué)原理

敏感元件的普適性數(shù)學(xué)模型