机器人感知智能 教案 第1章 绪论

授课周次第周授课时间2024年月日至2024年月日

《机器人感知智能》教案

第一章绪论

1.1机器人的产生与发展

1、机器人的定义

2、机器人的起源

3、机器人的发展

1.2机器人感知智能

课程章节

1、感知智能的定义

2、智能传感器的定义

3、智能传感器应用与方向

4、多传感器信息融合

5、智能传感器网络技术

6、智能传感器虚拟化技术

1、理解机器人及机器人智能感知概念

教学目的

2、理解机器人感知智能发展及基础技术

第一章结论

1.1机器人的产生与发展

内容提要1.2机器人感知智能

及板书设计

重点、难点重点：机器人感知智能的定义

及解决方案难点：机器人感知系统的组成及其在各类型机器人中的应用

序

号教学内容

W

1机器人的定义及发展10

教学内容

时间分配2智能传感器的定义及智能传感器应用与方向30

3多传感器信息融合、智能传感器网络技术30

4智能传感器虚拟化技术20

教学形式理实一体（q）理论教学（）

教学手段讲解

（在右栏勾选）实验（）实训（）上机（）

作业完

作业书面W）电子（）

成方式

教学后记

注：教案按周次填写，课堂组织和教学过程设计填写在附页中。

附页：第周

授课改进意见及实

具体内容（课堂组织和教学过程设计）

时教学效果记录

第1章绪论

1.1机器人的产生与发展

1.1.1机器人的定义

A一类能够编程和具有各种功能的，能够用于运输材料、工具

等的操作机或是为完成各种工作而能够进行改变以及编程

的专业系统。其中，不同于只具有一般编程能力和操作功

能的机器人，智能机器人特指具备感觉要素、运动要素、

思考要素的智能化的机器人。

＞阿西莫夫为机器人提出的三条“定律”，规定所有机器人必

须遵守：

1）机器人必须不伤害人类，也不允许它见人类将受到伤害而

袖手旁观；

2）机涔人必须服从人类的命令，除非人类的命令与第一条相

违背；

3）机器人必须保护自身不受伤害，除非这与上述两条相违背。

1.1.2机器人的起源

人们对机器人的幻想与追求却可以追溯到300（）多年前的

西周时期。

。西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出了一个能歌善舞的

伶人，这是世界上第一个有记载的机器人。

♦公元前二世纪，古希腊人发明了最原始的机器人-自动机。

♦1800年前的汉代，大学者张衡不仅发明了侯风地动仪，而

且发明了计里鼓车。

三国时期，蜀国尿相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。

12世纪，阿拉伯人设计了可以自动转动和演奏乐器的木偶

1768—1774年，瑞士制造由发条驱动的古老机器人。

♦1927年，第一个机器人“电报箱”，由美国西屋公司制造。

1959年，第一个工业机器人在美国研制成功。

1.1.3机器人的发展

序授课改进意见及实

具体内容(课堂组织和教学过程设计)

号时教学效果记录

国际机器人的发展

自1946年第一台电子数字计算机问世以来，计算机取得了惊

人的进步，朝着高速、高容量和低成本的方向发展。一方面，

推动了自动化技术的进步，其结果之一是1952年数控机床的诞

生。另一方面，原子能实验室的恶劣条件需要某些操作机器来

代替人类从事放射性物质的工作。鉴于这些需求，美国阿贡研

究所于1947年开发了世界上第一个遥控操作机。时间表如下

图：

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图机器人的起源及发展时间表

中国机器人的发展

1986年，国家“七五”计划将工业机器人列为研究课题，开

始组织专家对机器人基础理论、关键部件和整机产品进行研究。

同年年底，国家8631-划启动。

中国的工业机器人始于20世纪70年代初，经过40多年的

发展，大致可分为四个阶段：

>20世纪70年代的萌芽期

>80年代的发展期

>9()年代至201()年的初步应用期

>2010年以来的加速发展和应用期

机器人发展三阶段

自20世纪60年代初研制出尤尼梅特和沃莎特兰这两种机

器人以来，机器人的研究可以总结为三个阶段

(1)第一代：程序控制机器人

(2)第二代：自适应机器人

(3)第三代：智能感知机器人

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具体内容（课堂组织和教学过程设计）

号时教学效果记录

1.2机器人感知智能定义

1、感知智能

感知智能是机器具备了视觉、听觉、触觉等感知能力，将多元

数据结构化，并用人类熟悉的方式去沟通和互动。感知智能能

够借助语音识别、图像识别等前沿技术，通过摄像头、麦克风

或其他传感器等硬件设备，将物理世界的信号映射到数字世界,

然后将这些数字信息进一步提升到认知层面，如记忆、理解、

计划和决策。在整个过程中，人机界面的交互是至关重要的。

机器人感知智能：指机器人具备通过感知、感觉和理解环境中

的信息，对其进行分析、识别、理解和推理的能力。

视觉传感器通信装置e*Az

CMOS图像传感ZL振荡ss.渔液才.环形器

红外传感ZL微泼位置传感器

视党聚焦

故*自动聚他器

惯性仲感器噢性传感膈

声学传感骂

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、味觉传照器

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触觉传感器

力学传感器

电极传感器

图1.14机器人感知智能

2、智能传感器的定义及原理

智能传感器是一种带有计算和通信能力的传感器，它能够感

知环境中的物理量、亿学量或生物量，并将这些信息转化为数

字信号进行处理和分析。智能传感器原理如下图：

图1.15智能传感器原理

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3、智能传感器应用与发展

智能传感器作为物联网技术的核心组件之一，具有广泛的应

用前景。

＞工业制造领域

＞环境监测领域

＞智能交通领域

＞医疗保健领域

＞智能家居领域

智能传感器面向未来时需发展完善的三个主要方向：

虚拟化技术网络化技术信息融合技术

•将传感器虚拟化为一•实现传感器之间的互•将多个传感器的数据

个服务，实现传感器联互通，易于与其他进行融合,提高感知

的共厘和利用设备和系统进行数据数据的准确性和完整

町共”利用.交换和通信，实现更世

,降低成本和维护雄必高级别的数掂处理和.将不同件成器的数如

提商灵活性和可扩展应用。鲁黑胃黑罐

性。•财传感器的实时性&既北鬻，葭

.易于生成到其他应用和可靠性，使传感器需黑器七就

更加适用于复杂的应而头觇更高级别的应

用场景。用，

4、多传感器信息融合

一种将来自多个传感器的信息进行整合的技术，以提高对目

标、环境等的感知和认知能力。通过利用多个传感器的优势利

互补性，可以提高信息采集的可靠性、准确性、鲁棒性和实时

性，从而在复杂环境下实现对目标的高效跟踪、识别和定位等。

多传感器信息融合可以概括为四个步骤：

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数据级融合是指在融合算法中要求进行融合的传感器数据间

具有精确到一个像素的匹配精度的任何抽象层次的融合；特征

级融合是指从各只传感器提供的原始数据中进行特征提取然后

融合这些特征；决策级融合是指在融合之前各传感器数据源都

经过变换并获得独立的身份估计。

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5、智能传感器网络化技术

智能传感器网络化技术是一种基于传感器和网络技术的新型

技术，它将传感器网络互联起来，实现数据的自动采集、处理

和传输。智能传感器网络化技术的特点包括：高可靠性、低成

本、高效性、智能化。智能传感器网络结构通常包括三个层次

□负责处理传输层传输过来的数据，提供各种应用服

应用层务。通常由各种软件组件、算法、决策模型等组成。

□负或将建知层采集到的数据传输到应用层进行处

根淄层\理。通常由网关、路由器、传输协议等组成。

负货采集各种环境参数。通常由各传感器设备

翦谗\和执L器组成，如温度传感器、泄度传感器等“

智能传感器节点是指集成了传感器、嵌入式处理器、通信模

块等多种功能的小型计算机设备。传感器节点通常需要具备多

功能、低功耗、小型化特点。

6、智能传感器虚拟化技术

＞虚拟传感器的由来：物理传感器通常直接测量物理现象并

将这些测量结果转换为测量数据，然后将其传递到控制系

统以进行进一步处理。因部分物理传感器的硬件成本高、

或测量点处于极端环境中，不适合放置物理硬件设备。因

此，就有了虚拟传感器。

虚拟仪器的“虚拟”二字主要体现在如下两个方面：

（1）虚拟仪器的面板是虚拟的

虚拟仪器的各种面板和面板上的各种“控件”，是由软件来实现

的。用户通过对键盘或鼠标来对“控件”操作，从而完成对仪器的

操作控制。

（2）虚拟仪器的测试功能是由软件来控制硬件实现

与传统仪器相比，虚拟仪器的最大特点是其功能由软件定义,

可以由用户根据应用需要进行软件的编写，选择不同的应用软

件就可以形成不同的虚拟仪器

＞组成：虚拟仪器由通用仪器硬件平台和软件两大部分组成。

硬件平台包括计算机和总线与I/O接口设备两大部分。

＞类型：不同的类型的总线有其相应的I/O接口硬件设备，按

总线类型分,虚拟仪器主要分为以下几种类型：PC总线的数

据采集（DAQ）插卡式仪器、GPIB总线仪器、VXI总线仪

器、PXI总线仪器以及串行口总线仪器等。计算机是通过软

件来驱动总线对仪器设备进行控制的。

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具体内容（课堂组织和教学过程设计）

号时教学效果记录

图1.17虚拟仪器类型

＞虚拟仪器的软件系统：是虚拟仪器的核心，强调软件在虚

拟仪器中的重要位置，用户可以根据不同的测试任务，编

制不同的测试软件，实现复杂的测试任务。虚拟仪器系统

的软件结构及应用软件根据其功能乂分为仪器面板控制软

件、数据分析处理软件两部分。

图1.18虚拟仪器系统的软件结构

＞关键问题：智能传感器虚拟化技术的实现未来需要解决以

下几个关键问题

关键问题详细介绍

智能传感器虚拟化技术的基础.可以采用多种虚拟化方法，需要根据实际需求选

虚拟化方法

择合适的虚拟化方法。

是智能传感器虚拟化技术的核心问题，需要实现虚拟节点的例建、删除、移动和

虚拟节点管理资源分配等功能.需要考虑传感器节点的能耗、通信带宽和计算资源等因素,以

实现资源的合理利用和传感器节点的节能管理.

需要实现虚拟节点之间的数据传输和协作。需要考虑传感器网络的拓扑结构、能

虚拟节点通信耗和通信带密等因索，以实现传输效率和节能管理。

需要考虑虚拟节点的机密性、完整性和可用性。需要采取一系列安全措施，例如

虚拟节点安全身份认证、访问控制、数据加密和数据完整性保护等，以保证虚拟节点的安全性。

虚拟节点生命需要对虚拟节点的整个生命周期进行管理和控制。虚拟节点f勺生命周期包括创建、

周期管理部署、运行和销毁等阶段，褥要考虑多个因索。

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第1章绪论

1.3机器人感知系统的组成

1.3.1机器人触觉感知

1.3.2机器人滑觉感知

1.3.3机器人压觉感知

1.3.4机器人视觉感知

1.3.5机器人接近觉感知

课程章节

1.3.6机器人听觉感知

1.3.7机器人味觉感知

1.3.8机器人嗅觉感知

1.3.9机器人力觉感知

1.4机器人感知智能的发展现状及趋势

1.4.1机器人感知智能的发展现状

1.4.2机器人感知智能的发展趋势

1、掌握机器人感知原理及系统的组成；

教学目的

2、了解机器人感知智能的发展现状及趋势。

第1章绪论

1.3机器人感知系统的组成

内容提要1.4机器人感知智能的发展现状及趋势

及板书设计

重点、难点重点：机器人感知系统的组成

及解决方案难点：机器人感知原理

序学时

教学内容

分配

1机器人感知系统的组成：触觉、滑觉、压觉、视觉感知30

教学内容

时间分配2机器人感知系统的组成：接近觉、听觉、味觉感知等20

3机器人感知智能的发展现状20

4机器人感知智能的发展趋势20

教学形式理实一体（）理论教学（4）

教学手段讲解

（在右栏勾选）实验（）实训（）上机（）

作业完

作业书面（）电子（）

成方式

教学后记

附页：第周

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具体内容(课堂组织和教学过程设计)

号时教学效果记录

第1章绪论

1.3机器人感知系统的组成

机器人感知系统

内部传感器模块外部传感器模块

<\,用来检测机器人所

用来检测机器人本身

处环境及状况的传

状态的传感器，多为

感器。具体有距离

检测位置和角度的传传感器、视觉传感

感器。器、力觉传感器等。

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感知

触觉一一机器人仅次于初:要知觉形式，常用的触觉

传感器从原理上可以分为以下几类：

(1)压阻式触觉传感器

(2)电容式触觉传感器

(3)压电式触觉传感器

(4)光电式触觉传感器

♦机器人滑觉感知

检测在垂直于握持方向物体的位移、旋转、由重力引起的变形,

以达到修正受力值、防止滑动、进行多层次作业及测量物体重

量和表面特性等。是用于检测物体接触面之间相对运动大小和

方向的传感器，它用于检测物体的滑动。

♦机器人压觉感知

压觉传感器实际是接触传感器的引伸。压觉传感器主要有如下

几类：

(1)利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应，制成

压阻器件，将它仅密集配置成阵列，即可检测压力的分布。

(2)利用压电效应器件。如压电晶体等，将它们制成类似人的

皮肤的压电薄膜，感知外界压力。其优点是耐腐蚀、频带

宽和灵敏度高等；但缺点是无直流响应，不能直接检测静

态信号。

(3)利用半导体力敏器件与信号电路构成集成压敏传感器。常

用的有：压电型、电阻型SIR和电容型。其优点是体积小、

成本低、便于同计算机接口，缺点是耐压负载差、不柔软。

(4)

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♦机器人视觉感知

机器人视觉感知是指机器人在工作时通过视觉传感器对环境物

体获取视觉信息，让机器人识别物体来进行各种工作。将视觉

传感器应用于工业机器人，并对其进行引导控制属于机器视觉

的应用范畴。典型的工业机器人视觉系统往往由图像采集单元、

信息处理单元以及最终的决策执行单元组成。

根据不同的任务需求和应用场景，可以将工业机器人的视觉感

知应用划分为2D视觉任务、2.5D视觉任务和3D视觉任务。

(1)CCD图像传感器：电荷耦合器件(CCD)图像传感器是由

多个光电二极管传送存储电荷的装置，它有多个MOS结构

的电极，电荷传送的方式是通过向其中一个电极上施加与

众不同的电压，产生所谓的势阱，并顺序变更势阱来实现

的。

(2)CMOS图像传感器：COMS图像传感器是由接收部分(二

极管)和放大部分组成一个个单元，然后按照二维排列。

由于放大器单元之间特性的分散性放大，以至于其噪声比

较大。

(3)三维视觉传感器：三维视觉传感器分为被动传感器和主动

传感器两大类。

图1.25三维视觉传感器种类

♦机器人接近觉感知

指机器人能感知相距几毫米至几十厘米内对象物距离、表面性

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质的一种传感器。它是一种非接触的测量元件，用来感知测量

范围内是否有物体存在。机器人利用接近觉传感器，可以感觉

到近距离的对象物或障碍物，能检测出物体的距离、相对倾角

甚至对象物体的表面状态。可以用来避免碰撞，实现无冲击接

近和抓取操作。

类型特点

光电式测速度快、抗干扰能力强、测量点小、

适用范围广。

光纤式调制光经发射光纤发出后，在障碍物表

面发生反射，之后被接受光纤接受，通

过后续的处理就可以感知障碍物位置。

电容式通过接近障碍物而引起电容变化，从而

得到传感器与障碍物的接近度信息。

电磁感依据金属物体接近感应传感器引起的电

应式感变化。精度比较高，响应快，可以在

高温环境中使用。

微波式利用雷达探测点原理，由发射机发出的

调频连续波，遇到障碍物后反射，由接

收机接收，再利用三角测量原理，得障

碍物的位置信息C

红外式利用被调制的红外光照射物体，发射回

来的红外光由接受透镜接收，通过计算

可以得到物体的位置信息。

♦机器人听觉感知

“听”是声音采集的能力，“觉”是更为关键的声音分析能力，

是普通拾音器产品所无能为力的。

♦机器人味觉感知

机器人一般不具备味觉。但海洋资源勘探机器人、食品分析机

器人、烹调机器人等则需要用味觉传感器进行液体成分的分析。

目前已开发多种味觉传感器，用于液体成分的分析和味觉的调

理，毒成分和未知物质的检测等。

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图1.31人舌味觉的部分结构

味觉感知一般有下列元件：

(1)离子电极传感器：将来自多个离子电极的信号加以合成从

而识别味觉。

(2)电导率传感器：检测液体的电导率。

(3)pH传感器：检测液体的pH。

(4)生物传感器：提取与特定分子反应的生物体功能，固定后

用于传感器。

♦机器人嗅觉感知

嗅觉传感器并不是机器人的通用感觉传感器，但对于火灾发现/

消防机器人、救援机器人、食品检查机器人、环境保护机器人

等来说应该是必备的。

典型的嗅觉传感器：

水晶振子嗅觉传感器：在水晶振子电极表面上覆盖脂质膜，该

层膜在吸附嗅觉成分后，能检测出振动频率的变化。

半导体嗅觉传感器：半导体聚合体表面是否吸附了嗅觉成分，

能呈现出电阻的变化。

热式嗅觉传感器：在加热金属的表面，嗅觉物质发生氧化还原

反应引起电阻的变化。

♦机器人力觉感知

力觉信息是人类感知到与外界环境产生的交互力信息。力觉需

要发生实际力作用方可获取外界信息，是一种物理人机交互。

机器人力觉主要包括力感知和力控制，是控制机器人施加的外

界环境上的力。

机器人用于感知外力的传感器有很多，常见的方案有：

(1)电子皮肤：在机器人表面覆盖一层压力传感器，可直接检

测环境施加在机器人全身上的力信息，精度高，但结构复

杂，成本高。代表产品是博世APAS人机协作系统。

(2)关节力矩传感器或柔性关节：通过在减速器的输出端安装

关节力矩传感器，可避免关节摩擦力的影响，建立关节力

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矩•角度的动力学模型，这种方式精度很高，但结构复杂，

成本高。代表产品为KUKA的iiwa。

⑶末端六轴力矩传感器：在机器人的末端安装六轴力矩传感

器，可获取力矩传感器往后段的力觉信息；不涉及复杂的

动力学模型及辨识，但检测范围有限，成本高。这种方式

在机器人打磨及装配中应用很多。

1.4机器人感知智能的发展现状及趋势

1、机器人感知智能的发展现状

根据智能机器人具备的智能水平可将其划分成三种等级，分别

为高级智能机器人、初级智能机器人以及工业机器人。就我国

而言，智能机器人属于第三代机器人，自身带有非常多的传感

器，并可以将所获得的信息巧妙融合到一起，同时还能适应各

种环境，自身也具备较强的自愈能力与学习能力。

机器人感知智能其作用类似于人的感知器官，可以感知周围环

境的状态。

感知类3?感知原则感知到的信息该感知智能的实际应用

电容式、压电式、压阻式、」,

触觉接触力、面积、位置人机协作、物体抓取、质量监控

光学式

八人-机协作(HRC)＞导航、机械手

视觉CCD或CMOS成像图像

控制、装配、机落人编程

物体接近人-机协作(HRC)、物体抓取

接近觉电容式、电感式、光电式

_人•机协作(HRC)、焊接、障碍物

听觉电容的、超声波传输时间声音信号、距离由

回避

关键技术：

(1)多传感信息耦合技术：综合多个传感潜的数据，得到更准

确、更全面的信息，而经过融合之后的传感器系统，更精

准的反映出检测对象的信息，从而消除不准确信息。

(2)导航与定位技术：从自主移动机器人导航中来看，不管是

躲避障碍还是规划路线，其都是需要得到准确位置之后才

能完成导航、躲避障碍等任务。

(3)路径规划技术：在机器人的工作空间中寻找到从开始到目

标的一条最住路线.

(4)机器人视觉技术：包含图像处理、图像获取、图像分析、

输出与显示等，其中最关键的工作为特征提取与图像辨别。

(5)智能控制技术：提高机器人的工作速度与完整度。

(6)人机接口技术：主要分析如何让人类能更顺利的与机器人

进行交流。

优点：

可提高系统的可靠性和鲁棒性；

♦可扩展空间和时间上的观测范围；

。可提高信息的精确程度和可信度；

序授课改进意见及实

具体内容（课堂组织和教学过程设计）

号时教学效果记录

可提高对目标物的检测和识别性能；

可降低对系统的冗余投资。

主要研究和发展方向应包括：

确立具有普遍意义的信息融合模型标准和系统结构标准。

将信息融合技术应用到更广泛的新领域。

❖改进融合算法以进一步提高融合系统的性能。

。开发相应的软件和硬件，以满足具有大量数据且计算复杂

的多传感器融合的要求。

“感知智能使机器具备了视觉、听觉、触觉等感知能力，

将多元数据结构化，并用人类熟悉的方式去沟通和互动。认知

智能则是从类脑的研究和认知科学中汲取灵感，结合跨领域的

知识图谱、因果推理、持续学习等，赋予机器类似人类的思维

逻辑和认识能力，特别是理解、归纳和应用知识的能力。事实

上，“感知智能”向“认知智能”转化，是新一代人工智能的

发展趋势。

＞本章小结：

本章系统阐述了机器人在感知智能领域的两大关键要素：

力觉感知与多传感器信息融合。力觉感知对机器人交互至关重

要，可以获取精准的力信息，优化其行动与决策。多传感器信

息融合技术使不同来源的信息在共同参考空间中融合，提高信

息处理质量。然而，机器人感知智能面临信息不确定性和层次

结构待优化等挑战，需要持续创新以提升感知智能水平。这些

关键要素将推动机器人技术朝着更加智能和自主的方向发展，

为人类带来更好便利。

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