人工智能导论(10)——机器人(Robot)

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一、 概述

机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

本文将人工智能"机器人"基础知识整理为思维导图，便于回顾和记忆。

二、 重点内容

• 机器人分类
• 工业机器人
• 服务机器人
• 一般机器人
• 智能机器人

三、 思维导图

四、 重点知识笔记

机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

机器人分类

• 国际通用机器人分类
  • 工业机器人
    • 焊接机器人
    • 搬运机器人
    • 装配机器人
    • 处理机器人
    • 喷涂机器人
  • 服务机器人
    • 专业领域服务机器人
      • 场地机器人
      • 专业清洁机器人
      • 医疗服务机器人
      • 物流用途机器人
      • 水下机器人
      • 军用机器人
      • 救灾和安全机器人
    • 个人/家庭服务机器人
      • 家务机器人（扫地机器人、擦玻璃机器人）
      • 家庭休闲机器人
      • 迎宾机器人
      • 住宅安全和监视机器人
• 按智能程度的差异分类
  • 一般机器人：不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人
  • 智能机器人
    • 按功能分类
      • 传感机器人
      • 自主型机器人
      • 交互型机器人
    • 按智能程度分类
      • 工业机器人
      • 初级智能机器人
      • 高级智能机器人
    • 按照形态分类
      • 仿人智能机器人
      • 拟物智能机器人
• 其他分类
  • 微型机器人
  • 群体机器人
  • 软体机器人
  • 人形机器人
  • 太空机器人
  • 水下机器人

工业机器人

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

工业机器人发展的3个阶段：

第一代：可编程的工业机器人

属于“示教再现”型机器人

• 首先由操作者将完成作业所需要的各种知识，通过直接或间接手段对工业机器人进行“示教”
  • 运动轨迹
  • 作业条件
  • 作业顺序
  • 作业时间等
• 工业机器人在一定的精度范围内，忠实地重复“再现”各种被示教的动作。

第二代：有感觉的机器人

• 通过传感器获得机器人作业环境和作业对象的部分相关信息
  • 视觉传感器
  • 非视觉传感器
    • 力觉
    • 触觉
    • 听觉等
• 将得到的信息经过计算机处理后，用于控制机器人完成相应的操作

第三代：具有逻辑思维、判断和决策能力

• 具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力
• 具有逻辑思维、判断和决策能力
• 可根据作业要求与环境信息自主地进行工作

目前，工业机器人应用最为广泛（约占70%～80%），其中应用最广泛的是机械臂。
2015年ABB开发的YuMi，拥有人体尺寸和人类肢体动作，能够与人类进行近距离协作。

服务机器人

服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

服务机器人的技术含量相对较高，包括视觉识别、协同作业、导航避障、柔性抓取等等。

服务机器人涉及的主要技术：

• 导航定位（SLAM定位和地图构建）
  • 各类传感器
  • 激光雷达
  • 毫米波雷达
  • 光学相机
  • GPS
  • 超声波传感器
  • 陀螺仪
• 运动控制（液压控制/电机控制）
  • 手臂肢体
  • 控制传感器
  • 伺服舵机
  • 减速器
  • AI芯片
• 人机交互（人工智能技术）
  • 语音识别
  • 语义理解
  • 图像识别
  • 深度学习
  • 基础计算

服务机器人产业链

• 上游（零部件）
  • 芯片
  • 舵机
  • 减速器
  • 各类传感器
  • 电源
  • 摄像头
  • 存储器
• 中游（系统集成、本体制造）
  • 图像识别
  • 语音识别
  • 语义识别
  • 操作系统
  • 设计、研发、加工、组装等
• 下游
  • 个人/家庭服务机器人
  • 专业服务机器人

一般机器人

一般机器人通常是指不具有智能、只具有一般编程能力和操作功能的机器人。

通常情况下，一般的机器人系统包括：

• 机械系统
• 驱动系统：各种机械部件产生运动的装置，按照控制系统发出的指令信号，借助动力元件使机器人进行一系列动作。
• 控制系统：控制系统是工业机器人的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成。
• 感知系统：由传感器组成，可获取内部和外部环境中的有用信息。
• 机器人-环境交互系统：实现机器人与外部环境设备相互联系和协调的系统。
• 人机交互系统：使操作人员参与机器人控制并与机器人进行连续互动的装置。

智能机器人

智能机器人要具备的主要要素：

• 一是感觉要素，用来认识周围环境的状态；
  • 能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器
  • 能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器
• 二是运动要素，用来对外界做出反应性动作；
  • 位置控制
  • 力度控制
  • 位置与力度混合控制
  • 伸缩率控制
• 三是思考要素，用来根据感觉要素所得到的信息思考出需要采用的动作。
  • 判断
  • 逻辑分析
  • 理解

智能机器人分类：

• 按功能分类
  • 传感机器人：本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构
  • 自主型机器人：机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。
  • 交互型机器人：机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话，实现对机器人的控制与操作。
• 按智能程度分类
  • 工业机器人：只能死板地按照人给它规定的程序工作，不管外界条件有何变化，自己都不能对程序也就是对所做的工作作相应的调整。
  • 初级智能机器人：具有象人那样的感受，识别，推理和判断能力。
  • 高级智能机器人：具有感觉，识别，推理和判断能力，同样可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序（通过机器人自己学习）。

智能机器人关键技术

• 导航与定位
  • 视觉导航定位
  • 光反射导航定位
  • GPS全球定位系统
  • 超声波导航定位
• 路径规划：在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径。
  • 模板匹配路径规划技术
  • 人工势场路径规划技术
  • 地图构建路径规划技术
  • 人工智能路径规划技术
• 人机接口：借助人机协调来实现系统控制。
  • 视觉：通过图像、文本方式控制机器人按照用户意图执行任务
  • 语音：通过语音方式控制机器人按照用户意图执行任务
  • 体感：通过触控、手势方式控制机器人按照用户意图执行任务
• 机器人视觉：一般由摄像机、图像采集卡和计算机组成。
  • 工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示
  • 核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识
• 多传感器信息融合
  • 信息融合的功能模型
  • 信息融合的结构模型
  • 多传感器信息融合实现的数学模型
    • 随即类方法
    • 人工智能方法
• 智能控制

机器人与人工智能

• 传感信息处理：获取围信息的能力，包括视觉、触觉、力觉、嗅觉、味觉、听觉、接近感和光滑感。
• 机器人规划
  • 先在抽象和忽略细节的高层进行规划
  • 然后在逐步在细节越来越重要的低层进行规划
• 专家系统：智能计算机系统，处理问题的能力达到人类专家的水平
• 自然语音理解

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个人总结，部分内容进行了简单的处理和归纳，如有谬误，希望大家指出，持续修订更新中。

修订历史版本见：https://github.com/hustlei/AI_Learning_MindMap