服务机器人基础：服务机器人感知技术教学课件

§4-1服务机器人感知技术基础知识01§4-2服务机器人内部传感器02§4-3服务机器人外部传感器03113§4-1

服务机器人感知技术基础知识114一、服务机器人感知技术的基本概念服务机器人能通过各种传感器等设备感知周围环境，采集与所执行任务相关的信息，并对这些信息进行识别和分析，从而实现智能化决策和操作。感知技术可以使服务机器人更加智能化、自主化，能够更好地适应不同环境和任务需求，提高服务机器人的任务执行效率和安全性。一般来说，感知技术包括信号采集和处理、数据分析和决策等方面。其中，信号采集依靠的是各种传感器。115二、常用的感知数据处理方法感知数据的处理内容主要包括图像处理、语音识别、目标检测、距离测量等。通过对感知数据的处理，控制计算机可以提取出有用的信息，为机器人的决策和操作提供支持。以下是一些常用的感知数据处理方法。●

数据滤波：通过滤波算法对感知数据进行处理，去除噪声和干扰，提高数据的精度和准确性。●

特征提取：对感知数据进行分析，提取其中的关键特征，以便实施后续的决策和控制。116●

数据融合：将多个传感器采集到的感知数据进行整合，得到更加全面、准确的信息。●

数据压缩：对大量的感知数据进行压缩，以减少数据传输和存储占用的资源。●

数据可视化：将感知数据转化为图形或者其他形式的可视化信息，以便人类用户更加直观地理解和处理。●

机器学习：通过机器学习算法对感知数据进行处理和分析，提高机器人的智能水平和自主决策能力。117三、感知系统的结构与性能要求为深入研究和开发感知技术，可将服务机器人中与感知技术相关的硬件和软件作为整体看待，即感知系统。该系统可以分为传感器层、信息处理层和决策控制层。传感器层作为底层，是机器人感知系统中最重要的组成部分之一，其主要作用是采集机器人内部和外部环境的信息，并将原始数据发送到信息处理层进行分析和处理。传感器层包括视觉传感器、音频传感器、力传感器、触觉传感器、惯性传感器和激光雷达等各种类型的传感器。这些传感器可以帮助机器人感知周围环境、识别目标物体、判断机器人自身的状态。118信息处理层是机器人感知系统的中间层，主要负责对传感器层采集到的数据进行分析和处理，并提取其中的特征和模式。决策控制层是机器人感知系统的顶层，主要负责对机器人的行为与任务进行决策和控制。在决策控制层中，机器人利用信息处理层的分析结果，通过决策算法进行规划和优化，生成机器人行动方案，并通过控制计算机控制机器人执行任务。决策控制层是机器人感知系统中最高级别的部分，负责机器人的整体规划和执行过程，是机器人感知系统的核心部分。119感知系统需要模仿人类的感知行为，以实现服务机器人对环境的感知和理解。因此，对感知系统的性能要求主要有以下四方面：●

多传感器融合：传感器层应该包含不同类型的传感器，例如视觉传感器、音频传感器、力传感器、触觉传感器、惯性传感器、激光雷达等，以获取尽可能全面的外部环境和机器人内部状态信息。采用多传感器融合的方式，可以将不同传感器采集的数据融合起来，提高数据的可靠性和准确性。多传感器融合需要考虑到不同传感器之间的相互作用和数据处理的复杂性。120●

实时性和低延迟性：服务机器人的感知系统需要具备实时响应能力，以便对环境变化及时作出反应。因此，传感器层采集的数据需要被快速分析和处理，并在短时间内输入到决策控制层。●

数据质量和隐私保护：传感器层采集数据的质量和准确性对于服务机器人的任务执行至关重要。另外，机器人所采集的数据如涉及用户隐私，需要采取相应的保护措施，例如数据加密、数据去标识化等，以符合有关法律法规。121●

可扩展性和可升级性：随着不同环境和任务的需求变化，传感器层和信息处理层需要不断地增加新的传感器、更新算法，以提高感知系统的性能。因此，传感器层应该采用通用接口和标准协议，以更方便地集成新的传感器，信息处理层应该采用模块化设计，使新的算法可以方便地添加或替换，从而提高系统的可扩展性和可升级性，使服务机器人的感知系统能更好地应对未来的需求变化。122四、感知系统的分类1. 按照感知对象分类按照感知对象的不同，服务机器人感知系统可以分为内部感知系统和外部感知系统。2. 按照感知方式分类按照感知方式的不同，服务机器人感知系统可以分为有源感知系统和无源感知系统。有源感知系统是指机器人主动地向周围环境发出声波、激光等信号，然后通过接收信号的反馈来感知环境；无源感知系统则是指机器人直接感知周围环境的信号。1233. 按照处理层次分类按照处理层次的不同，服务机器人感知系统可以分为低层次感知系统和高层次感知系统。低层次感知系统主要负责感知外部环境和机器人内部状态，并将数据传输到高层次感知系统；高层次感知系统则负责分析和处理低层次感知系统传来的数据，并将结果反馈给决策控制层，以便机器人做出相应决策和行动。124五、感知系统的评估指标1. 准确性准确性是指感知系统对外部环境和机器人内部状态的识别和理解的正确程度。2. 响应时间响应时间是指感知系统识别内部状态和外部环境并作出响应的时间，是评估感知系统性能的重要指标。1253. 可靠性可靠性是指感知系统在长时间运行中的稳定性和可靠性。感知系统需要在不同环境和任务中保持稳定的性能，以保证机器人的正常运行。4. 适应性适应性是指感知系统能够适应不同的环境和任务需求的能力。服务机器人需要在不同的环境和任务中工作，因此，感知系统需要具备较强适应性。126§4-2

服务机器人内部传感器127一、按被测物理量分类的常见内部传感器按被测物理量分类，内部传感器主要包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器、力矩传感器、姿态传感器、接近传感器等类别。1. 压力传感器压力传感器是机器人开发中常用的一种内部传感器，用于测量物体受到的压力。机器人通常使用压力传感器来控制机械臂的操作力度和位置，以便更精确地完成任务。1282. 姿态传感器姿态传感器（见下图）用于服务机器人感知自身在三维空间内的姿态，通常是加速度传感器、陀螺仪、磁性传感器的组合。加速度传感器测得的数据经计算可得速度和位移信息；陀螺仪可测角速度，经计算可得角度信息；磁敏传感器可测地磁场强度。据此，可确定服务机器人运动的方向和位置。129姿态传感器二、按工作原理分类的常见内部传感器按工作原理分类，服务机器人内部传感器主要包括电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器、热电偶传感器、磁敏传感器等类别。在服务机器人中应用较多的霍尔传感器属于磁敏传感器，正交编码器属于光电式传感器。1301. 霍尔传感器霍尔传感器（见下图）也称霍尔效应传感器，可基于霍尔效应原理将磁场的变化转化为电压变化并作为信号输出。131霍尔传感器2. 正交编码器正交编码器（见下图）是一种用于测量旋转角度和转动速度的传感器，常用于服务机器人的关节控制和位置测量等任务。正交编码器由码盘、光源、光敏元件、信号处理电路等部分组成。132正交编码器三、常见内部传感器的应用场景场景一：高智能的机械手臂需要实现各种旋转和平移的运动。为了控制上述运动，内部传感器被安装在机器人手臂的关节部位。当机械手臂进行旋转和平移运动时，速度传感器、姿态传感器等内部传感器能够将旋转速度和平移速度转化为电信号，并将其反馈给机器人的控制系统。这样，机器人就可以实时监测和调节旋转和平移运动，以完成特定的任务。

133场景二：服务机器人在工作中，必须保持正确的姿态和运动轨迹，但工作场地有很多不确定性，会造成突发情况。比如地面的复杂状况会导致服务机器人腿足或轮子打滑，偏离设定的运动轨迹。遇到这种情况，服务机器人体内的位置传感器和姿态传感器会向控制计算机反馈信息。控制计算机据此进行必要的修正，使机器人调整好姿势，重新回到设定轨迹上。134场景三：服务机器人在医疗和康复领域应用越来越多。机器人辅助医生进行手术操作时，需要借助内部传感器以精确控制机械臂的位置和姿态。在康复训练中，机器人会辅助康复对象进行肢体活动（见右图）。此时，内部传感器通过检测机器人有关部件的旋转角度和位移量，精确反馈患者肢体活动范围，避免过度运动或错误动作。135某型号智能康复机器人§4-3

服务机器人外部传感器136一、外部传感器的种类1. 视觉传感器视觉传感器对于服务机器人的作用尤为重要。视觉传感器能够帮助服务机器人感知周围的环境、确定自身的位置。这类传感器能检测和识别周围不同的物体，如人类、障碍物、家具等，使机器人能够快速地做出决策和响应。随着深度学习等人工智能技术的发展，视觉传感器在服务机器人领域的应用越来越广泛，为机器人实现更加复杂的功能提供了技术基础。137常用的视觉传感器包括RGB（红绿蓝）摄像头、3D摄像头（其模组见下图）、激光雷达（其模组见下图）等。其中RGB摄像头通常用于获取物体的基本外观和颜色等信息，3D摄像头用于获取物体的三维形状和距离等信息，激光雷达则可以通过测量光信号往返时间差和反射强度等数据获取场景的三维信息。1383D摄像头模组激光雷达模组2. 音频传感器服务机器人的音频传感器包括传声器和扬声器。与音频传感器紧密相关的语音识别技术可使服务机器人理解人类的语言并作出相应的回应，语音合成技术则能够让服务机器人产生具有人类语言风格的语音。因此，在服务机器人的应用场景中，音频传感器可以帮助机器人更好地与人类进行交互和理解人类需求，提高机器人的智能化和人性化。此外，音频传感器还适用于机器人的声音定位和环境噪声监测等方面。139传声器模组3. 距离传感器距离传感器的主要作用是测量服务机器人与周围物体的距离，帮助服务机器人避开障碍物，规划移动路径等。140超声波传感器模组

红外距离传感器模组4. 温度传感器在服务机器人中，温度传感器可用于监测环境温度，并将其转换成电信号输出，以便机器人根据温度变化作出相应的行动或调整。常用的温度传感器包括热电阻、热电偶和红外温度传感器等。热电阻测温基于金属导体的电阻随温度升高而增大这一特性。141红外温度传感器模组二、常见的外部传感器的应用场景场景一：扫地机器人依靠传声器接收家庭成员的语音指令，如“打扫客厅”“打扫全部房间”等，随即开始工作。其间，它通过摄像头和超声波传感器识别环境中人类、宠物和家具的外形、位置，从而绕过障碍，避免碰撞，并计算出最高效的打扫路径。142场景二：养老陪护机器人一般会近距离跟随在老年人身边。如果被陪护人摔倒或出现抽搐等异常情况，养老陪护机器人的摄像头会及时捕捉到有关画面。如果被陪护人呼救，传声器会接收语音指令。随即，养老陪护机器人会报警并将上述信息及时传递给护工或医疗机构，还会利用红外温度传感器及其他传感器测量被陪护人的体温等体征数据，供医护人员参考。143场景三：酒店服务机器人常执行客人引导任务。当客人进入酒店