機(jī)器人工學(xué)16先進(jìn)機(jī)器人.ppt

第 10章 先進(jìn) 機(jī)器人專題 (下 ) 機(jī)器人的智能化 機(jī)器人安全性問題與解決方案 機(jī)器人智能 機(jī)器人的感知和信息識別系統(tǒng)是為機(jī)器人智能服 務(wù)的。 感知、思維、動作 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，就必須具備相對健全的 傳感器，認(rèn)知環(huán)境，并對環(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 教育用機(jī)器 人 競賽機(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 智 能 高 低 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(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(diǎn)，利用 其互補(bǔ)性、冗余性，提高檢測信息的精度和可 靠性，從而實(shí)現(xiàn)識別、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)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(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)的 各項(xiàng)評價(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€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 或某幾個傳感器失效時，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)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(jì)地獲取有 關(guān)環(huán)境的多種信息。 多傳感器融合的方法 傳 感 器 1 傳 感 器 模 型 傳 感 器 登 陸 處 理 個 別 操 作 引 導(dǎo) 或 隊(duì) 列 系 統(tǒng) 控 制 器 原 始 層 像 素 層 特 征 層 決 策 層 傳 感 器 模 型 傳 感 器 模 型 傳 感 器 1 傳 感 器 1 傳 感 器 選 擇 傳 感 器 控 制 器 整 體 模 型 多 傳 感 器 集 成 傳 感 器 信 號 處 理 多 傳 感 器 融 合 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（即傳感器所測的物 理量相同，比如都是測量視覺或都是測量聲覺的），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(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，對多個傳感器的觀察值進(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 決策層的融合是在每個傳感器對某一目標(biāo)屬性作出初步 決策后，對多傳感器信息進(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性，即當(dāng)某個傳感器出錯 時，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(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(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(jì)，自我約束 ” 分散自律機(jī)器人系統(tǒng) 每個機(jī)器人都具有自律性，能夠自己判斷并采 取最佳行動。全體機(jī)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(yùn)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(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。整體行動策略可以豐富多變，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(yù)先設(shè)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(yīng)性 當(dāng)目的任務(wù)，或所處環(huán)境有變化 時，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)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，人為錯誤不可忽視。 對于機(jī)器人這樣有一定自主性的高級機(jī)械系統(tǒng)， 機(jī)械的高級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) ” 。 人為錯誤形態(tài)有三種模式： 在監(jiān)視中的技能基礎(chǔ)過錯 應(yīng)對異常的規(guī)則基礎(chǔ)過錯 知識基礎(chǔ)過錯 關(guān)于機(jī)器人安全性問題 應(yīng)對機(jī)器人安全性的防護(hù)策略有以下四個級別。 物理防護(hù)墻（墻，圍欄，安全帶，安全帽等） 功能防護(hù)墻（制動，互鎖，密碼，拉開距離的 隔離帶等） 圖符防護(hù)墻（信號，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)同工作時的安全性問題 按如下步驟順序展開降低風(fēng)險(xiǎn)的活動 活動 1 條件（環(huán)境）的完善 活動 2 危險(xiǎn)源的確認(rèn) 活動 3 危險(xiǎn)源的排除 活動 4 風(fēng)險(xiǎn)的估計(jì)、評價(jià) 活動 5 基于設(shè)計(jì)降低風(fēng)險(xiǎn) 活動 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 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重要概念 動柔度控制 （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)器人的誤動作是由人為錯誤造成 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(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 對機(jī)器人安全性問題的認(rèn)識和 對機(jī)器人智能的一般了解 請發(fā) E-mail到 ，發(fā)表你的理 解、感悟、隨想或疑惑，這會增加你的 平時積分 。