人工智能与机器人培训讲义

人工智能与机器人人工智能与机器人培训讲义第1页人类智能

人类智能，又叫自然智能，主要包含三个方面：感知能力、思维能力、行为能力。当我们动用全身感觉器官感受到外界信息刺激之后，能够经过大脑进行记忆、联想、分析、判断等一系列思维活动，其结果就是做出一个决议，最终再经过我们详细行动，把这一决议表达出来。人工智能与机器人培训讲义第2页人工智能人工智能(ArtificialIntelligence，简称AI)，也称作机器智能，它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等各种学科相互渗透而发展起来一门综合性学科。从计算机应用系统角度出发，人工智能是研究怎样制造出人造智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动能力，以延伸人们智能科学。一样，人工智能也主要包含三个方面：感知能力、思维能力、行为能力。只不过这三个方面是经过“机器”系统，而不是“人”这一系统来完成。（楼道感应灯）人工智能与机器人培训讲义第3页我们为何需要人工智能

一、做人类做不到事情二、做人类做不好事情三、做对人类有危险事情人工智能与机器人培训讲义第4页人工智能可认为我们做什么1.

模式识别

模式，是指已经界定好，用来供模仿一个标本或标准。模式识别就是指识别出这个标本或标准。人工智能所研究模式识别是指用“机器”代替人类或帮助人类感知模式，也就是使一个“机器”系统含有模拟人类经过感官接收外界信息、识别和了解周围环境感知能力。模式识别主要需要建立是语音识别和图像识别体系。人工智能与机器人培训讲义第5页语音识别

语音识别研究目标就是让机器“听懂”人类口述语言。包含两方面含义：其一是逐字逐句听懂非转化成书面语言文字；其二是对口述语言中所包含要求或问询加以了解，做出正确响应，而不拘泥于全部词正确转换。语音识别系统从讲叙方式角度可分为孤立词、连接词和连续语音三种。从服务对象角度可分为特定人与非特定人。即系统只针对一个用户或可用于任意用户。

人工智能与机器人培训讲义第6页一个完整语音识别系统可大致分为三部分：

（1）语音特征提取：其目标是从语音波形中提取出随时间改变语音特征序列。

（2）声学模型与模式匹配（识别算法）：声学模型通常将获取语音特征经过学习算法产生。在识别时将输入语音特征同声学模型（模式）进行匹配与比较，得到最正确识别结果。

（3）语言模型与语言处理：语言模型包含由识别语音命令组成语法网络或由统计方法组成语言模型，语言处理能够进行语法、语义分析。对小词表语音识别系统，往往不需要语言处理部分。

人工智能与机器人培训讲义第7页图像识别图形刺激作用于感觉器官，人们识别出它是经验过某一图形过程。也称图像再认。在图像识别中，既要有当初进入感官信息，也要有记忆中存放信息。只有经过存放信息与当前信息进行比较加工过程，才能实现对图像再认。

人工智能与机器人培训讲义第8页自然语言了解“机器”要能够了解自然语言，需要到达以下三个标准：一是能正确了解人类自然语言输入信息，并能正确回复（或响应）输入信息。二是对输入信息能产生对应摘要，而且复述输入内容。三是能把输入自然语言翻译成要求另一个语言，如将汉语译成英语或将英语译成汉语等。人工智能与机器人培训讲义第9页机器翻译自然语言了解大致可分为机器翻译、语义了解及人机会话技术几个方面。其中机器翻译(machinetranslation)，又称机译(MT)，就是利用“机器”把一个自然语言转变成另一个自然语言过程。翻译机器所依赖自动翻译技术包含语音翻译和文字翻译，主要关键技术有四个方面：单词分析，语法分析，意义分析和文理分析。人工智能与机器人培训讲义第10页机器学习人智能是经过学习来取得进步，学习能力是我们人类自然属性。而人工智能研究上最突出和最主要一个方面，就是机器学习。首先，我们要赋予“机器”一个最基本智能基础。这一智能基础就是教授系统与问题求解系统。人工智能与机器人培训讲义第11页教授系统教授系统是一个含有大量专门知识与经验程序系统。它应用人工智能技术，依据某个领域一个或多个教授提供知识和经验进行推理和判断，模拟人类教授决议过程，以处理那些需要教授决定复杂问题。当前机器学习研究结果中，教授系统是发展比较快一个分支。教授系统与传统计算机程序有着本质不一样,教授系统所要处理问题普通没有算法解，而且经常要在不完全、不准确或不确定信息基础上做出结论。所以，发展教授系统关键是提升“机器”自学习能力，这种能力越高，对教授知识表示和利用就越好，教授系统作用也就越显著。人工智能与机器人培训讲义第12页问题求解人工智能第一个大成就是发展了能够求解难题下棋程序，如国际象棋、中国象棋、围棋等，我们今天在网上都能够找到各种各样人机对弈软件。在下棋程序中，应用到一些技术，如向前看几步，还有把困难问题分成一些比较轻易子问题等，其实就是数据库搜索和问题归纳这么人工智能基本技术。问题求解程序不但是能够下棋，还有一个主要应用就是符号运算，能够把各种数学公式符号汇编在一起，其性能到达很高水平，这就极大地方便了科学家和工程师们工作，帮助他们从繁重手工计算劳动中解脱出来，集中精力做好对问题分析和对工作整体把握上。有些高级问题求解程序，已经具备了一定“机器学习”智能，能够利用在被使用过程中积累起来“经验”，自动地来改进和提升其本身性能。

人工智能与机器人培训讲义第13页智能机器人智能机器人是人工智能中最主要应用，机器人是一个能模拟人行为机械，对它研究经历了三代发展过程：第一代（程序控制）机器人；第二代（自适应）机器人；第三代（智能）机器人；人工智能与机器人培训讲义第14页第一代（程序控制）机器人：这种机器人普通是按以下二种方式“学会”工作。一个是由设计师预先按工作流程编写好程序，存贮在机器人内部存放器，在程序控制下工作。另一个是被称为“示教—再现”方式，这种方式是在机器人第一次执行任务之前，由技术人员引导机器人操作，机器人将整个操作过程一步一步地统计下来，每一步操作都表示为指令。示教结束后，机器人按指令次序完成工作（即再现）。如任务或环境有了改变，就要重新进行程序设计。这种机器人能尽心尽责在机床、熔炉、焊机、生产线上工作。人工智能与机器人培训讲义第15页第二代（自适应）机器人：这种机器人配置有对应感觉传感器（如视觉、听觉、触觉传感器等），能取得作业环境、操作对象等简单信息，并由机器人体内计算机进行分析、处理，控制机器人动作。即使第二代机器人含有一些初级智能，但还是需要技术人员协调工作。当前这种机器人已经有了一些商品化产品，我们在后面所讲述内容中，也将主要以这一类产品作为课堂学习器材。人工智能与机器人培训讲义第16页第三代（智能）机器人：智能机器人含有类似于人智能，它装备了高灵敏度传感器，因而含有超出普通人视觉、听觉、嗅觉、触觉能力，能对感知信息进行分析，控制自己行为，处理环境发生改变，完成交给各种复杂、困难任务，而且有自我学习、归纳、总结、提升已掌握知识能力。当前研制智能机器人大都只含有部分智能，和真正意义上智能机器人，还差得很远。人工智能与机器人培训讲义第17页1.5人工智能发展目标人工智能发展目标能够分为近期目标和远期目标。近期目标：能模拟人类部分智能行为，代替人类部分工作。这一目标正在实现过程中，比如当前研究开发教授系统，机器翻译系统、模式识别系统、机器学习系统、机器人等。远期目标：不但能模拟而且能够延伸、扩展人智能，含有联想、推理、了解、学习等高级思维能力，到达甚至超出人类智能水平。人工智能与机器人培训讲义第18页走进机器人世界人工智能与机器人培训讲义第19页机器人定义当前科学家对机器人定义是：“机器人是一个自动化机器，所不一样是这种机器具备一些与人或生物相同智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一个含有高度灵活性自动化机器”。人工智能与机器人培训讲义第20页人类制造机器人三标准：

1、机器人不应伤害人类；

2、机器人应恪守人类命令，与第一条违反命令除外；

3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予伦理性纲领。机器人学术界一直将这三标准作为机器人开发准则。

人工智能与机器人培训讲义第21页2.2机器人发展历程三千年前歌者两千年张衡创造指南车近年弧焊机器人人工智能与机器人培训讲义第22页2.3机器人分类及应用工业机器人服务机器人娱乐机器人军用机器人教育机器人人工智能与机器人培训讲义第23页观察与思索：1、机器人一定要做成像人一样形状吗？2、举几个例子，看看机器人都能帮助我们人类做什么？3、经过学习，你能正确了解“将有形机器人无形化”这句话意思吗？人工智能与机器人培训讲义第24页机器人机器人本体机器人控制系统机械本体运动、动力系统主控系统感知系统机器人组成机器人机器人本体机器人控制系统机械本体运动、动力系统

主控系统感知系统人工智能与机器人培训讲义第25页传感系统主控系统运动动力系统外界信息机器人灵魂—控制系统输入：该信息来自机器人传感器；程序：你想让机器人遵照一个规则或指令；输出：机器人运动，通常包含马达（运转）、灯和声音信息转化下达命令

机器人工作过程图人工智能与机器人培训讲义第26页机器人大脑—主控系统可调电阻传感器板接口通用接口9V电池接口4.5V电池接口单片机开关接口下载接口电机接口人工智能与机器人培训讲义第27页机器人感官—传感系统避障传感器功效及原理跳线人工智能与机器人培训讲义第28页轨迹识别传感器功效及原理

轨迹识别传感器

人工智能与机器人培训讲义第29页声音传感器功效及原理

声音传感器人工智能与机器人培训讲义第30页光敏传感器功效及原理

光敏传感器跳线人工智能与机器人培训讲义第31页机器人身体——机器人本体

人工智能与机器人培训讲义第32页赋予机器人“智慧”人工智能与机器人培训讲义第33页机器人智慧起源—计算机程序

计算机程序关键—算法

什么是算法算法包含两方面内容：1、数据。2、操作步骤，也就是算法。人工智能与机器人培训讲义第34页

一架飞机每分钟飞行20千米，问每小时能飞行多少千米？在这道应用问题中，20千米和每小时是（数据），依据问题我们列出乘法算式（20千米×60）就是算法，得数1200千米（算法结果）。这道应用问题我们采取了乘法算法，若我们采取加法（20千米＋20千米＋20千米＋……）加60次，也能够得出1200千米结果。但显然加法算法不好。如用减法或除法那就是错误算法了。依据这个例子，我们不难看出，算法是程序灵魂与关键，一个算法优劣就决定着程序好坏及是否正确。人工智能与机器人培训讲义第35页步骤安排有不一样方式，主要是以下三种：1、次序模式

次序模式就是一步一步来，做完一步再做下一步。编写程序时候，就是表示为执行完一个步骤，再按次序执行下一个步骤。其程序结构为次序结构。2、选择模式

选择，就是在不一样结果里确定一个，然后执行下一步操作。编写程序时候，其程序结构为选择结构。3、循环模式循环模式，就是不停地重复一个动作，直到完成最初计划好重复次数为止。编写程序时候，其程序结构为循环结构。人工智能与机器人培训讲义第36页算法有哪些特征1、有限性2、确定性3、输出（结果）性4、有效性人工智能与机器人培训讲义第37页算法表示方法1、用自然语言表示算法。2、用伪代码表示算法3、用流程图表示算法。起止框处理框流程线判断框输入输出框人工智能与机器人培训讲义第38页人工智能与机器人培训讲义第39页让机器人行动起来1、解析算法解析算法是指用数学表示式来表示事务间数量关系。通常就是我们日常生活中算术。比如：多边形外角表示式360。÷N（边数）人工智能与机器人培训讲义第40页让机器人行动起来2递归算法递归算法是指按规律递增（或递减）一定数值，直到完成任务。人工智能与机器人培训讲义第41页让机器人行动起来3、枚举算法

在现实生活中又叫做搜索，就是列举出问题全部可能结果，并在逐一识别过程中，搜索到正确答案，并保留符合要求结果。注意：当问题全部可能个数不多时候，才能用枚举。人工智能与机器人培训讲义第42页3、枚举算法—实例救护机器人：在机器人前、左、右三个方向分别装有避障传感器。机器人在行进中会碰到以下情况：1、前避障传感器有信号左边有信号，右边也有信号。左边有信号，右边没有信号。右边也有信号，左边没信号。右边没有信号，左边也有信号2、前避障传感器没有信号左边有信号，右边