人工智能导论：智能机器人教学课件

智能机器人第九章知识结构知识目标1.认识机器人的发展过程。2.了解机器人的概念。3.了解机器人的应用种类及其发展趋势。能力与素养目标1.通过基础知识的学习,培养爱科学、学科学的精神。2.通过探索和实践,培养自主学习能力、创新能力。3.培养交流协作的能力。专题拓展阅读随着机器人技术和人工智能的飞速发展,作为综合了信息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术以及人工智能等前沿科技的智能机器人技术也不断发展起来,机器人的智能化程度越来越高。智能机器人是一个在感知、思维及效应方面全面模拟人的机器系统,它可以代替人类在各个领域大显身手,目前已在全球得到广泛应用。智能机器人是人工智能技术的试验场,可以全面地考察人工智能各个领域的技术,研究它们相互之间的关系。随着智能机器人的应用领域不断扩大,人们期望智能机器人在更多领域为人类服务,代替人类完成更复杂的工作,智能机器人所要完成的工作任务越来越复杂。目前,国内外对智能机器人的研究不断深入,机器人产业发展也将有助于打造“中国制造”新优势,推动我国从工业大国向工业强国转变。在产业技术层面,随着以人工智能、云计算为代表的新一代信息技术向机器人产业渗透融合,机器人产业智能化水平持续提升,应用领域在不断扩展。中国制造中国制造（MadeinChina）是世界上认知度最高的标签之一，因为快速发展的中国和他庞大的工业制造体系，这个标签可以在广泛的商品上找到，从服装到电子产品。中国制造是一个全方位的商品，它不仅包括物质成分，也包括文化成分和人文内涵。中国制造在进行物质产品出口的同时，也将人文文化和国内的商业文明连带出口到国外。中国制造的商品在世界各地都有分布。从“中国制造”到“中国创造”，中国正改变世界创新版图。目录9.1机器人概述9.2机器人的发展9.3工业机器人9.4医疗机器人9.5仿生机器人机器人概述9.1关于机器人的定义有很多种,人们大都可以接受的看法是: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。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:机器人是一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机。机器人的定义有狭义和广义之分。(1)狭义:整合机械、电子、材料、控制、计算机与人工智能等技术的自动机器。(2)广义:自动完成某种任务或功能的人造物。显然,从狭义上而言,古代一定是没有机器人的,因为很多学科都是近现代才建立起来的。但从广义上而言,其实古代就有很多这种装置了。9.1.1机器人的定义在工业革命推动技术迅速发展的同时,人们的思想观念也得到了巨大的解放。自古罗马时代以来,欧洲就处于封建神学的统治之下,认为人是上帝创造的。后来,随着文艺复兴的兴起,生理学和医学得到了进一步的研究和发展,在对人类结构研究的基础之上,一些科学家、哲学家逐渐从宗教神学的束缚中摆脱出来,他们对上帝造人说产生了质疑。在基于对人体的构造与功能的研究基础之上,法国数学家笛卡儿提出一个“人是机器”的命题。英国哲学家霍布斯更进一步地进行了阐述:“人不过是一架正立行走的机器:心脏是汲筒,四肢是杠杆,关节是齿轮,神经是游丝……”9.1.2机器人名词的由来托马斯·霍布斯——英国政治家、哲学家托马斯·霍布斯（ThomasHobbes，1588年4月5日－1679年12月4日）英国政治家、哲学家。生于英国威尔特省一牧师家庭。早年就学于牛津大学，后做过贵族家庭教师，游历欧洲大陆。他创立了机械唯物主义的完整体系，指出宇宙是所有机械地运动着的广延物体的总和。他提出“自然状态”和国家起源说，指出国家是人们为了遵守“自然法”而订立契约所形成的，是一部人造的机器，反对君权神授，主张君主专制。他把罗马教皇比作魔王，僧侣比作群鬼，但主张利用“国教”来管束人民，维护“秩序”。这种思想观念彻底改变了人们对自身的看法,人们发现人与机器之间并没有本质区别,二者之间是有联系的。人是机器,有机器性的一面,于是人们开始反过来思考,那么机器是否可以模仿人,具有人的人格从而转变为人呢?科幻文学作家们首先对这个问题进行了深入思考。1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在这篇享誉世界的科幻作品中,卡佩克根据捷克文robota(原意是劳役、苦工)和波兰语robotnik(原意是工人),创造出了词汇robot,用来称呼剧中的机器人主角。随着剧本被翻译成多国文字广为流传,各国也纷纷将robot作为机器人的代名词。从此,robot这个名词开始正式走上历史舞台。9.1.2机器人名词的由来机器人的发展9.29.2机器人的发展提起机器人想必大家都不陌生,大量的科幻小说及影视作品中随处可见机器人的形象,《变形金刚》《机器猫》《阿拉蕾》等优秀机器人动画片更是伴随了“80后”“90后”和“00后”的成长。科幻作品中的机器人形象是多种多样的。例如,《星球大战》里能进行修理、翻译的小机器人R2-D2忠实可靠、敬业,礼仪机器人C-3PO则胆小怕事、逗人发笑;《终结者》系列中,来自未来的机器人终结者冰冷恐怖;《人工智能》中的大卫则是一个令人感伤的角色。9.2机器人的发展A科技发展到今天,机器人早已不再是在人类的幻想中才会出现的形象。“勇气号”“机遇号”“好奇号”火星探测机器人为人类的火星移民计划提供了必要的信息;深海机器人代替人类对深海火山的生态系统进行探测;PackBot机器人进入福岛第一核电站内部进行辐射资料探测;军用机器人在局部战争中初露锋芒等。各类媒体中的机器人也常跃入人们眼帘,春晚上的机器人舞蹈、餐厅里的机器人服务生等,在国务院印发的《中国制造2025》中也将机器人作为重点领域加以强调。或许有人认为以上事情离普通人还比较遥远,但其实每个人的生活可能都与机器人密切相关。例如,每天乘坐的汽车有可能就是工业机器人在工厂里制造的,吃的水果也可能是采摘机器人亲“手”采摘的,甚至一些人家里都已经开始有机器人清扫卫生、端茶倒水等,遍布机器人的世界,离我们已不再遥远。自古以来,人类就希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作,将人类从繁重的劳动中解放出来,古今中外许多能工巧匠和科学家都在为此目标而不断努力。公元前400—公元前350年,《墨子·鲁问篇》记载“公输子(即鲁班)削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下”。公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了被称为“自动机”的装置,它是以水、空气和蒸汽压力为动力的雕像,会动、会自己开门,还可以借助蒸汽来发声唱歌。东汉时,张衡发明了“记里鼓车”。该车每行一里,击鼓一下,每行十里,击钟一下。它靠传动齿轮和凸轮杠杆等机械驱动,车行一里,车上木人受凸轮的牵动,在绳索作用下抬起手臂持木槌击鼓,无须人手工测量计程,这是最早的计程工具,如图9-1(a)所示。9.2.1机器人的前世后汉三国时期,诸葛亮制造了木牛流马。据《三国志·诸葛亮传》记载,“九年,亮复出祁山,以木牛运”,“十二年春,亮悉大众由斜谷出,以流马运”,木牛流马“口内舌头扭转,即不能动弹,再扭回来,复奔跑如飞”,“搬运粮米,甚是便利。牛马皆不水食,可以昼夜搬运不绝也”。木牛流马用来运输军区物资,是最早的陆地军用机器人,如图9-1(b)所示。南北朝时期,精确计算了圆周率的祖冲之设计制造了能用轮子击水前进的千里船。千里船是最早的水上机器人,如图9-1(c)所示。9.2.1机器人的前世到了北宋,苏颂等人制造了由木质结构制成的水运仪象台,其上层是观测天体的浑仪,中层是演示天象的浑象,下层是报时的机械装置。水运仪象台将自然界中的水作为动力来源,解决了动力问题,是世界上最古老的天文钟,即钟表的祖先,也是中国最著名的天文仪器。人类社会迈入18世纪之后,第一次工业革命从英国发展起来,开创了以机器代替手工工具的时代。随着各种自动机器、动力系统的问世,机器人也开始进入自动机械时期,出现了很多机械式控制的机器人,具有代表性的是各种精巧的机器人玩具和机器人玩偶。9.2.1机器人的前世机器人是人类20世纪的一项重要发明。1959年美国的英伯格和徳沃尔制造出世界上第一台工业机器人,之后,世界各国都在争相开展机器人研究,机器人的功能和应用领域一直在不断地被拓展。我国机器人研究起步较晚。先后经历了20世纪70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。9.2.2机器人的今生1972年,中国科学院沈阳自动化研究所开始了机器人的研究工作。1977年,南开大学机器人与信息自动化研究所研制出我国第一台用于生物试验的微操作机器人系统。1985年12月12日,我国第一台重达2000千克的水下机器人“海人一号”在辽宁旅顺港下潜60米,首潜成功,开创了机器人研制的新纪元。随后,我国研制的机器人相继问世:中国科学院沈阳自动化研究所研制成功了体重36千克、身高1米的缆浮游作业轻型“金鱼二号”水下机器人;中科院长春光机所发明的“四足遥控仿生载重步行机器人”,于1986年获中国第二届发明展览会金牌奖,1987年又获第15届日内瓦国际发明与新技术展览会银牌奖。9.2.2机器人的今生中国机器人示范工程中心从1987年开始,先后制造了三台“水下机器人”,它们分别是:1987年3月制造的身高4.7米、体重1200千克的“老大瑞康四号机器人”,1989年6月制造的“老三水下机器人”,1990年9月制造的“老二中型机器人”。1988年年初,中国船舶重工集团公司第702研究所,研制成功了身高3.1米、体重650千克的载人式“水下机器人”。1988年2月,国防科技大学研制成功六关节平面运动型“两足步行机器人”,如图9-2(a)所示。9.2.2机器人的今生1992年,中国科学院沈阳自动化研究所与俄罗斯海洋技术问题研究所、中国船舶重工集团公司第702研究所、中科院声学研究所等单位合作,着手研制6000米级自主水下机器人———“CR-01”,如图9-2(b)所示。1995年,CR-01研制成功,并分别于1995年、1997年两次赴太平洋我国多金属结核开辟区开展调查工作,获得了大量的海底多金属结核录像、照片及声图资料,为开辟区资源勘查提供了重要的依据。它的研制成功,使中国成了当时世界上少数几个拥有6000米级水下机器人的国家之一。1997年,CR-01被评为中国十大科技进展之一,同年获得中科院科技进步特等奖和综合重大成果奖。9.2.2机器人的今生1994年10月,中国科学院沈阳自动化研究所研制成功的我国第一台无缆水下机器人“探索者号”长4.4米,宽0.8米,高1.5米,载体重2.2吨,最大潜水深度为1000米,如图9-2(c)所示。它的研制成功,标志着我国水下机器人技术已走向成熟。1995年5月,我国第一台高性能精密装配智能型机器人“精密一号”在上海交通大学诞生,标志着我国已具有开发第二代工业机器人的技术水平。1997年,中国科学院沈阳自动化研究所研制成功的“6000米无缆自治水下机器人”是我国863计划中的重中之重项目,获得2000年国家十大科技成果奖;2005年4月,中国科学院沈阳自动化研究所又研制成功星球探测机器人。2006年,我国研制成功世界最大潜深载人潜水器“海极一号”,7000米的工作潜深,可以到达世界99.8%的海底,比世界上另外5台同类产品深500米。经过几十年的探索,我国机器人的研究有了长足的发展,有的方面已经达到了世界先进水平。9.2.2机器人的今生工业机器人9.39.3工业机器人A目前,机器人种类繁多,大的门类就有十多种。其中,工业机器人是第一大应用领域,被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。工业化是现代化的核心内容,是传统农业社会向现代工业社会转变的过程。在这一过程中,机器人是功不可没的,机器人的加入大大缩短了工期,并且提高了准确率,不需要考虑工作环境,更不需要提供任何福利。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。如今,工业机器人成为智能制造技术浪潮的关键,是世界制造大国争先抢占的第三次工业革命的制高点。9.3.1工业机器人的发展进程第二次世界大战之后,美苏两国竞相发展核技术争夺霸权,但是由于核物质具有大量辐射,人体不能直接接触,所以实验室迫切希望使用某些操作机械代替人搬运、处理放射性物质。在这一需求背景下,美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1944年发明了主-从机械手(见图9-3),开了机械手研究的先河。所谓主-从机械手,就是把放射性物质放置在辐射屏蔽间内,人们通过控制在屏蔽间外面的主机械手,来驱动在屏蔽间内部的从机械手移动放射性物质,即操作者不用去实际操作现场,就可以通过机械结构将动作传递给远端的机械手臂,从而保证操作者的安全。这种主-从型方式至今仍应用在很多场合中,也成为水下、军事、航空航天等领域的机器人的控制方式。9.3.1工业机器人的发展进程9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用在工业机器人不断朝着人工智能化发展的进程中,很多的AI技术,特别是机器学习、深度学习都是近年来机器人领域前沿的先进技术,它们将会是工业机器人向智能化进化的下一个跨越。如果将深度学习与工业机器人相结合,成千上万个工业机器人并行工作后分享它们学习到的信息,相互促进学习,不仅省略了烦琐的编程,而且将带来极高的学习效率和精密的加工准确度。在未来的工厂可能出现这样的一幕:设计部的设计师下班前将新设计好的样品交给生产线上的工业机器人,“聪明”的工业机器人将用整个晚上想出如何完成设计师的任务,在学习强化的过程中不断更正自己的错误,不断提高加工精度,同时整个生产线上的工业机器人分享着所有信息,第二天设计师上班时发现生产线已完成成品的生产。机器学习的不断深入研究,将重塑机器人的应用方式。9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用基于AI算法平台,通过良品、不良品以及不同瑕疵类型的训练图片,完成初期的质检能力建模。相比于传统质检方式,融入了智能技术的质检方式(见图9-4)凭借高精准性,能快速定位并提取缺陷细节,避免了人工可能造成的错检、漏检,为企业减轻人力与技术负担。目前工业AI质检已有外观检测和异音检测两大应用场景。1.产品质检9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用工业AI质检以多光源、多角度对产品拍摄多组高分辨率的照片,更好地呈现细节。随后,工业AI质检对产品的各类缺陷进行分类、识别、分割等工作,可划分多个缺陷类型并能准确识别与分辨,提升质检效率,大幅降低整体产品检测过杀率与漏检率。在汽车行业,依靠工业AI质检,可以实现对发动机关键零部件的表面缺陷和装配缺陷的自动检测,提升质检效率,减少人工质检工作量;新能源行业,可以利用AI技术对电池缺陷质量检测产线进行改良,实现整体产品检测准确率的跃升,为动力电池质量保障筑起智能防线;化纤行业,利用AI纤维质检从原本的人工质检100米升级到可覆盖1000千米的全面检测;陶瓷行业,AI质检系统检测最快速度可达60片/分钟,保证检出率达97%以上,误检率仅为1.5%,均高于人工质检平均水平。1)外观检测9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用噪声评判是产品质检的常用方法之一,广泛应用于各行业。由于缺乏系统化的分析方法,目前不少制造企业的产品异音检测仍由人工完成,难以顺应制造自动化的需求。AI质检通过有效降低环境噪声,进一步实现对产品异音的精确检测,并能针对识别结果对产品异音原因进行智能分类,辅助返修排故。在汽车行业,AI异音检测系统利用AI学习能力,构建了AI判定引擎,可高效准确地识别、判断异音问题;家电行业,通过AI异音识别质检系统,实现了检测系统整体的智能化,减少了误判次数。2)异音检测9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用3D定位是指通过对物料数据的收集和学习,从而对物料场景中多种物料进行识别定位,该技术已广泛应用于拆垛、码垛及单品拣选等领域。随着各类光学传感器的发展,人们逐渐将计算机视觉技术引入机器人抓取任务中,以提高机器人获取外界信息的能力。基于视觉引导的机器人拆垛系统通常包含五个模块,分别为视觉信息获取模块、物体定位与分析模块、抓取位姿计算模块、手眼坐标转换模块和运动规划模块。其中,物体定位与分析模块接收视觉信息获取模块输入的数据,分析出场景中存在的物料,并获取其位置、姿态等关键信息,之后再将这些关键信息输入抓取位姿计算模块。2.3D定位9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用通常来说,机器人拆垛系统中的物料定位问题可以转化为视觉领域的目标检测或图像分割问题。基于RGB-D视觉的机器人抓取方案,可以先在RGB图像上对物料进行二维目标检测或二维图像分割,然后融合深度图输出物体的绝对尺寸与抓取位姿;或者直接对三维点云图做目标检测或分割。图9-5所示是基于3D机器视觉引导机器人定位抓取的过程。2.3D定位9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用设备故障诊断是人工智能和故障诊断相结合的产物,主要体现在诊断过程中领域专家知识和人工智能技术的运用。它是一个由人(尤其是领域专家)、能模拟脑功能的硬件及其必要的外部设备、物理器件以及支持这些硬件的软件组成的系统。故障检测及诊断是对设备运行情况进行检测,以发现异常情况(故障检测)并分析异常情况(故障诊断),从而进行设备维护以保障设备的正常运行。传统的故障检测及诊断主要包括基于模型和基于数据两种方法。前者依赖人工设计的数学解析模型来完成任务,后者主要是分析设备运行所积累的历史数据,从而判断设备运行状态。它们都面临一个共同的难题:严重依赖人工,前者需要人工设计数学模型,后者需要人工提取数据特征及分类器设计。对人工的这种依赖既不利于方法的大面积推广,也严重制约故障检测及诊断的最终精度。3.设备故障诊断9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用深度学习以其强大的数据特征自动提取能力及与分类器一体化的端到端的训练模式在设备故障诊断领域受到了广泛的关注。深度学习的这种优势解决了传统方法所面临的难题,从而提高了故障检测及诊断的精度及效率。从机器学习的角度来看,故障检测及诊断都属于分类问题,前者主要监测设备运行是否有异常状况,故属于二分类问题;后者不但要监测设备是否有异常,还要区别异常状态的具体情况,故属于多分类问题。此外,故障诊断要区分不同故障类别的情况,于是需要有标签数据的支撑,故属于有监督学习;故障检测情况稍微特殊,从已有的方法来看,故障检测也需要有异常数据的支撑,故属于有监督学习。目前,市面上还出现了只用正常数据进行故障检测的方法,即只用正常数据来训练模型,然后测试数据,如果与训练数据不一致就是故障数据。这种方法没有故障数据的支撑,所以属于无监督学习。3.设备故障诊断9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用基于人工智能的设备故障诊断可以改善设备状态数据与设备状态描述的对应关系,实现对设备状态的实时监测和精准描述,从而实现设备健康诊断和设备故障预警、报警。3.设备故障诊断9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用随着工业化和现代化进程的推进,我国制造业持续快速发展。智能制造作为工业大数据的重要应用场景,既是数据的载体和产生来源,也是工业大数据形成的数据产品最终的应用场景和目标。大量的工业过程数据能够全面地、系统地反映系统的各种工作状态,这促进了数据驱动技术在工业领域内的广泛应用。与此同时,数据质量问题也受到了重视,若数据质量不能得到一定的保障,那么数据模型的实用性将很难得到保障。在数据挖掘领域,诸多因素都会对数据质量产生显著的影响,如数据噪声、数据缺失、异常数据等。4.数据甄别9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用由于异常数据不能对系统进行准确的描述,基于此类数据的数据模型在应用于工业系统中时则会产生一定的偏差,最终可能导致整个系统的瘫痪。在控制系统中,异常数据会导致辨识的对象参数偏离真实值,进而影响控制信号的准确度。在机器学习领域,异常数据检测已成为讨论已久的话题,基于人工智能算法可以建立多维度数据之间的相互关联模型,精准识别异常数据(包括数据造假、数据异常、数据缺失等)。4.数据甄别9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用在实现我国电气自动化控制的过程中,首要任务是解决电气设备在生产和制造过程中所存在的问题,其次是针对不同场景,对全过程要素进行智能化的整合、调度和控制。电气设备是整个电气系统中最基础的组成设施,设计生产具有高标准质量、高性能、效率执行力的电气设备至关重要。将人工智能技术应用到电气设备中,可以有效地降低备在生产制造时受到的制约条件。例如,利用计算机技术将资深电气类工程师的丰富经和科学的设计理念进行编程,再利用计算机辅助设计和相关的设计软件为设备研发人员供信息技术支持,可以更加便捷工程师的设计工作,进而解决对电气类工程师的丰富经验深厚知识含量的需求。诸如此类,利用人工智能可以为电气设备的设计生产更加便捷提供助力,如图9-6所示。5.自动控制9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用5.自动控制9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用近年来,由于各种传感器技术的成熟和广泛使用,我们可以利用传感器收集设备的历史和实时大数据,并利用人工智能技术来建立预测模型,其中机器设备剩余使用寿命预测、故障预测等都具有广泛的应用前景。设备剩余使用寿命预测的研究至关重要,不但能提高机器设备和工业系统的可靠性,而且由于很多机器设备非常昂贵,还可以最大限度地提高它们的使用寿命、使用效率,降低它们的维护成本等,不仅具备科学的理论价值,而且具有非常实用的应用价值。6.设备寿期预测9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用为了预测机器设备的剩余使用寿命,近年来提出了许多方法。但是由于工业系统种类繁多而且相对复杂,显式的物理建模变得极其困难。与此相比,数据驱动的方法旨在直接从机器设备产生的数据中学习,而不依赖于未知系统的物理模型。人工智能特别是深度学习可以从大量数据中进行学习和预测,因此,基于数据驱动的方法有望成为对于复杂工业系统的剩余使用寿命预测的关键技术。其核心思想是通过结合设备设计参数、运行环境、运行工况等数据,实现对设备生命周期的预测和管理。6.设备寿期预测9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用为了预测机器设备的剩余使用寿命,近年来提出了许多方法。但是由于工业系统种类繁多而且相对复杂,显式的物理建模变得极其困难。与此相比,数据驱动的方法旨在直接从机器设备产生的数据中学习,而不依赖于未知系统的物理模型。人工智能特别是深度学习可以从大量数据中进行学习和预测,因此,基于数据驱动的方法有望成为对于复杂工业系统的剩余使用寿命预测的关键技术。其核心思想是通过结合设备设计参数、运行环境、运行工况等数据,实现对设备生命周期的预测和管理。6.设备寿期预测9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用近年来,人工智能等前沿技术和工业设计相结合,开创了制造业产品设计的新思维,掀起了一轮声势浩大的工业设计变革浪潮,同时引发了公众对传统工业设计的发展瓶颈和未来发展方向的深度思考。将人工智能技术融入工业设计,坚持以用户体验为核心,以市场与技术的迭代更新为导向,在充分考虑产品的使用环境、场景、人群、文化、商业模式等因素的基础上,设计出更加符合用户需求的智能化、个性化产品,将是现代工业设计发展的趋势。7.设计优化9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用人工智能技术在工业设计中的应用意义主要体现在两个方面:其一,对设计师本身而言,利用人工智能技术能让设计师快速了解和准确掌握客户需求,创造出更有想象力的产品,更好地完成产品设计;其二,对于产品和用户来说,利用人工智能技术可以提升产品的设计价值,不仅使产品在造型、功能、结构和材料等方面更加科学、合理,省去不必要的功能以及材料,而且使产品的整体美与社会文化功能得到大幅提升,同时还能有效增加用户对产品使用体验的良好认同感。人工智能技术不仅给工业设计带来了巨大的改变和经济效益,还给人们的生活带来了诸多变化和便利。伴随人工智能技术的日益成熟,其在工业设计中的应用也将不断扩大。7.设计优化9.3.2机器学习在工业机器人领域的应用综合过程数据,对设备、生产线设计进行优化改进。工业设计方案的评定涉及很多领域的知识,包括美学、人机工程学、社会心理学、加工制造工艺学、市场营销学等,通过采用机器学习中的专家系统,可以独立完成对工业设计方案的综合科学评判,以减少人为因素对评定结果的影响,从而实现设计方案的最优化选择。7.设计优化9.3.3工业机器人的应用种类焊接机器人(见图9-7)指的是在工业机器人末端安装焊钳或焊枪,进行焊接或切割的机器人,是目前工业机器人最广泛的应用类型。焊接机器人主要包括点焊机器人和弧焊机器人两种,主要应用在汽车、农机等行业。相较于人工,焊接机器人焊机的质量高、工作效率高、稳定性强,同时还可以避免强光及烟尘对操作人员的伤害。1.焊接机器人点击以上图标观看微课视频

：拓展焊接机器人展示微课9.3.3工业机器人的应用种类喷漆机器人目前广泛应用于汽车、仪表、搪瓷和电器等行业。喷漆的目的是防锈和美观,但油漆的喷涂对人体伤害较大,所以喷漆机器人也是工业机器人的一大应用。2.喷漆机器人点击以上图标观看微课视频

：拓展喷漆机器人展示微课9.3.3工业机器人的应用种类以汽车生产线为例,一台汽车有成百上千个零部件,而装配过程有固定的顺序,如果完全由工人装配将会很烦琐且效率低,若是换成装配机器人装配,则会大幅提高效率,如图9-8所示。3.装配机器人点击以上图标观看微课视频

：拓展装配机器人展示微课9.3.3工业机器人的应用种类产品完成后,需要按要求完成产品分拣,再将分拣的产品送到指定位置,这里就需要使用分拣机器人。分拣机器人是一种具备传感器、物镜和电子光学系统的机器人,可以快速进行货物分拣,不仅速度快而且准确度高,如图9-9所示。4.分拣机器人点击以上图标观看微课视频

：拓展分拣机器人展示微课医疗机器人9.49.4医疗机器人A医疗机器人是高端智能医疗装备的代表。经过近40年的发展,它们成为越来越受医生欢迎的手术助手。我国医疗机器人的科研与产业在经历20多年的发展后,也呈现出“遍地开花、争相斗艳”的态势。在全球后疫情时期,“大健康”产业进入了快速发展期,医疗装备产业发展既面临重大机遇,又面临极大挑战,医疗机器人迎来了更宽阔的发展跑道。医疗机器人在人类就医场景的诸多方面发挥着独特且不可替代的作用,其分类也随着机器人在临床应用中功能的完善而逐渐清晰。根据就医的顺序,医疗机器人可分为三类:诊疗机器人、手术机器人、康复机器人。医疗机器人已涵盖医疗手术、影像定位、医疗问诊、康复训练、护理服务、医用教学、院内物流等多个应用场景。9.4医疗机器人医疗机器人可以按照临床医生的需求把持工具,实施手术和治疗,例如应用于关节假体安装时的骨骼切削、显微外科手术中的精细操作、微创手术中的内窥镜操作、放射治疗中移动直线加速器等。医疗机器人也可用于服务残障人士或老年人士,例如应用于该类人群的护理机器人照顾残障人士的日常生活,仿人机器人对老年人士的生活陪伴,智能假肢等部分或全部替代有缺陷的肢体。医疗机器人还可以承担医疗辅助人员的角色,例如作为康复训练平台可以有效地减轻医护人员的复健任务,帮助脊髓损伤患者、中风患者的运动功能康复,帮助孤独症、阿尔茨海默病患者进行认知功能康复等。随着科学技术的进步,机器人在医疗领域中应用的巨大潜力将进一步被释放,今后将会出现类型更丰富、临床应用更广泛的医疗机器人。人工智能技术与医疗健康领域的融合不断加深,随着语音交互、计算机视觉和认知计算等技术的逐渐成熟,人工智能的应用场景越发丰富,人工智能技术也逐渐成为影响医疗行发展、提升医疗服务水平的重要因素。9.4.1AI赋能的诊疗机器人诊疗机器人是指通过先进的诊疗设备,为医生提供更加精确细致、内容更加丰富的病灶信息的医疗机器人。将人工智能技术应用到诊疗机器人中,让机器“学习”医疗专家的医疗经验和医学知识,模拟医生的诊治思维和推理过程,从而可以给出可靠的治疗方案。9.4.1AI赋能的诊疗机器人人工智能技术在诊疗机器人领域的第一大应用体现在医疗影像方面。医疗影像主要指通过计算机视觉技术对医疗影像进行快速读片和智能诊断,如图9-10所示。医疗影像数据是医疗数据的重要组成部分。人工智能技术能够通过快速准确地标记特定异常结构来提高图像分析的效率,以供放射科医生参考。利用X射线、超声波透过被遮挡物体(如人体内脏)的透视投影图,计算、恢复物体的断层图。利用断层图或直接从物体的二维透视投影求得人体组织内部分布的图像。此技术实现在满足临床诊断需求的同时,还能够降低辐射的风险。不仅可以提高图像分析效率,还可以让放射科医生腾出更多的时间聚焦在需要更多解读或判断的内容的审阅上,从而有望缓解放射科医生供给缺口问题。1.医疗影像方面9.4.1AI赋能的诊疗机器人1.医疗影像方面9.4.1AI赋能的诊疗机器人1)智能辅助诊断肺部疾病如图9-11(a)所示,AI技术能够有效识别肺结节,提供结节位置、大小、密度和性质等信息;AI技术还能对肺结核、气胸、肺癌等肺部疾病进行筛查,大大提高了诊断准确性。2)智能辅助诊断眼底疾病如图9-11(b)所示,AI技术通过对眼底图像的深度学习,可实现对部分眼底疾病的筛查。糖尿病视网膜病变(简称“糖网”)是糖尿病最常见的微血管并发症之一,也是糖尿病患者致盲的最主要眼病,早期没有任何临床症状,一旦有症状便已错过最佳治疗时机。在眼底读片中使用人工智能技术进行初步筛查,可大大提高目前糖尿病视网膜病变筛查效率。2.智能辅助诊疗疾病9.4.1AI赋能的诊疗机器人3)智能辅助诊断脑部疾病脑出血是神经内外科中高致死致残率的一种难治性疾病。如图9-11(c)所示,基于机器视觉与深度学习技术,可以迅速定位脑出血区域,同时能以秒级速度完成专业要求高、耗费时间长的影像评估,协助医生准确判断,让患者第一时间获得最优治疗方案。9.4.2AI赋能的手术机器人手术机器人是医疗机器人领域的核心,其技术要求和门槛都是最高的。AI赋能医疗领域为手术机器人的发展开辟了一条新的路径。手术机器人经历了好几个发展阶段,从最初的工业机器人迁移应用,到通用型手术机器人,而后又进一步演化为多种面向不同术式的专用型手术机器人。主-从式是目前手术机器人实施手术的主要操作模式。主-从式操作系统由一台主处理机记录、控制其他从处理机的状态,并分配任务给从处理机。在手术机器人领域,世界上第一个综合腹腔镜手术机器人系统叫作达·芬奇手术系统。达·芬奇手术机器人就采用了主-从式操作模式,其主要由医生控制系统、床旁机械臂系统、立体成像系统三个部分组成,如图9-12所示。点击以上图标观看微课视频

：拓展AI赋能的手术机器人微课9.4.2AI赋能的手术机器人主刀医生坐在手术台旁的操作车上,对着3D幕镜操纵3D手柄,让达·芬奇手术机器人的机械臂完成精细操作。整台手术并不是机器人本身在做,而是医生操纵着机器人通过操纵杆将动作传递到机械臂上。传统手术需要开几十厘米的口子,如今有了达·芬奇手术机器人,只需要打几个小孔,就可以完成切割、缝合等操作。手术机器人视野更加开阔,手术操作过程更加精准,可以减小创伤面和失血量,有利于患者伤口愈合,减轻疼痛,术后恢复得也更快,达到了微创的效果。9.4.3AI赋能的康复机器人随着社会的发展,康复医疗理念逐渐深入人心,但由于我国人口众多、医疗条件的特殊性,很多需要康复的患者并没有得到有效的康复治疗。随着人工智能技术的不断深化,新兴的康复治疗技术悄然崛起,促进病、伤、残者身体康复,最终重归社会。康复机器人可以帮助由于疾病造成偏瘫,或者意外伤害造成肢体运动障碍的患者完成各种运动功能的恢复训练,康复机器人主要包括康复训练机器人和辅助型康复机器人两类。点击以上图标观看微课视频

：拓展AI赋能的康复机器人微课9.4.3AI赋能的康复机器人康复训练机器人(见图9-13)通过带动肢体做重复性的动作,刺激并重建控制肢体运动的神经系统,对形成正确感觉和运动回路有很大帮助。作为机器人与康复技术结合的产物,康复训练机器人的目标是实现替代或者辅助治疗师,简化传统“一对一”的繁重治疗过程,同时帮助病患康复损伤引起的行动障碍,重塑中枢神经系统,作为社会与行动障碍的干预与治疗,未来还将朝着促进“原居安老”以及延缓阿尔茨海默病等方向发展。康复训练机器人包括上肢康复训练机器人和下肢康复训练机器人两类,分别用于手臂、手部以及行走功能的康复训练。1.康复训练机器人9.4.3AI赋能的康复机器人辅助型康复机器人可以辅助或替代残障人士由于身体机能缺失而无法实现的动作,常见的有机器人轮椅、导盲机器人、机器人护士。1)机器人轮椅机器人轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅上,一般具有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。图9-14(a)所示为中国科学院自动化研究所研制的一款具有视觉和口令导航功能,并能与人类进行语音交互的机器人轮椅。2.辅助型康复机器人9.4.3AI赋能的康复机器人2)导盲机器人导盲机器人是辅助型康复机器人的另一大应用。视障人士主要借助的设备有盲杖、导盲犬。盲杖虽然价格便宜、结构简单,但是缺乏对整体环境的感知能力,无法为视障人士提供确切的环境信息。少数人会选择领养一只导盲犬来辅助出行,但是培养一只导盲犬至少需要18个月的时间,且价格昂贵。因此,各国开始注重导盲机器人的研制,目前导盲机器人可分为五类:电子式导盲器、移动式机器人、穿戴式导盲器、导引式手杖、手机语音导盲。图9-14(b)展示的是在上下楼梯场景下的导盲机器人,其在平坦表面上可以通过滑轮加速前进,在不平坦的表面上则可以利用铰链结构行走。2.辅助型康复机器人9.4.3AI赋能的康复机器人3)机器人护士机器人护士主要是为了缓解医院人手不足,替代普通的护士运送医疗器材和药品,为病人送饭,送病历及信件,帮助病人进食、移动、入浴、如厕等。图9-14(c)所示的一款机器人护士可以在医院中自由行走,可以根据医院地图自主在走廊中导航,其臂部加入的智能橡胶使其能够准确感知与病人的接触,让病人不至于受伤,当发出“抱起”指令时,该机器人护士能够立即将病床上的患者抱起来,并轻松放到轮椅上。2.辅助型康复机器人9.4.3AI赋能的康复机器人社会需求、技术革新和人工智能的融合极大地促进了康复机器人的发展。康复机器人涉及人类生命健康的特殊领域、潜在的经济市场,已被多个国家列为战略性新兴产业,我国一直大力开展康复机器人的研发,推动战略性新兴产业的发展,以应对我国国民对健康服务的需求。2.辅助型康复机器人仿生机器人9.59.5仿生机器人A仿生机器人一直被科学家当作机器人研究中的一个重要方向。科学家和工程师们仔细研究了各种生物系统的结构、运动方式和控制方式之后,精巧地设计出了各种仿生机器人,实现具有该动物特性的相关功能,更好地完成特定的任务。不过在制造仿生机器人的过程中,人类并没有完全抄袭大自然,而是抓住生物系统的一些基本行为特征,保持生物系统和人造系统在基本原理上的一致,使用可以得到的材料和可行的技术创造出了这一机器人群体。虽然比起大自然的造化,人类创造出的种种机器人既笨拙又不经济,但随着人类认识世界和改造世界能力的逐步提高,仿生机器人走进人类的生活并不是一个遥远的梦想。9.5.1仿生机器人的分类仿生学是模仿生物系统的原理建造技术系统,或者使人造技术系统具有或类似生物系统特征的科学。仿生学这个名词由美国科学家斯蒂尔于1960年9月在第一届仿生学国际会议上提出。仿生学是生命科学与工程技术学科交叉的综合性边缘学科。仿生学的任务是通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制,来改进现有的或创造新的人造技术系统。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人。和机器人一样,仿生机器人分类方法也很多,人们通常按以下两种方式对其进行分类。9.5.1仿生机器人的分类按照仿生的类型,仿生机器人主要分为生物机器人、仿人机器人和仿生物机器人三大类。1)生物机器人生物机器人就是对活体生物的人工控制,涉及生物学、信息学、测控技术、微机电系统等多门学科。山东科技大学机器人研究中心利用人工电信号控制家鸽的神经系统,使其能够按照研究人员发出的计算机指令,准确完成起飞、盘旋、绕实验室飞行一周后落地等飞行任务。1.按照仿生类型分类9.5.1仿生机器人的分类2)仿人机器人仿人机器人,顾名思义就是模仿人类制作的机器人。仿人机器人研究集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术等多门科学于一体,代表着一个国家的高科技发展水平。整个机器人领域最初的目标是仿人,最终的目标也是仿人。仿人机器人具有人类的外观,可以适应人类的生活和工作环境,代替人类完成各种作业,并可以在很多方面扩展人类的能力,在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。1.按照仿生类型分类9.5.1仿生机器人的分类3)仿生物机器人仿生物机器人就是模仿自然界的生物制作的机器人。由于仿生物机器人与自然界中的生物外形相似,具有很好的隐蔽性,学术界尤其是军方非常重视仿生物机器人的开发研究工作。自然界中很多生物都具有适应环境的能力,经过上亿年的演化,生物进化成了人类无法达到的生物技能,这为我们设计机器人提供了灵感,如果我们能模拟出类似动物的技能,就可以将机器人应用在自然环境中。1.按照仿生类型分类9.5.1仿生机器人的分类按照工作的环境,仿生机器人主要分为陆地仿生机器人、空中仿生机器人、水中仿生机器人和两栖仿生机器人等,以下介绍前三种。2.按照其工作环境分类1)陆地仿生机器人陆地仿生机器人的研究开展相对较早,仿生式的移动机构与传统的轮式机构相比,具有无可比拟的优势,图9-15所示为可以攀爬管道的蛇形机器人,这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成,最大也只有成人手臂大小,配有摄像机和电子传感器,可以接受遥控指挥。蛇形机器人可以轻易钻入一根塑料管道内,并可以跨越废墟碎片间的空隙以及在草丛中来去自由,能更快地找到坍塌废墟中的幸存者,为灾难救援工作带来了技术突破。9.5.1仿生机器人的分类2.按照其工作环境分类2)空中仿生机器人空中仿生机器人,即具有自主导航能力、无人驾驶的飞行器,如图9-16所示。这类机器人活动空间广阔、运动速度快,居高临下而不受地形限制,在军事、森林火灾以及灾难搜救中前景极好。其飞行分为固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究,它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理,将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统中,可以用很小的能量进行长距离飞行,同时具有较强的机动性。9.5.1仿生机器人的分类2.按照其工作环境分类3)水中仿生机器人水中仿生机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地仿生机器人难度大,在水中深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水中仿生机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压。如今鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪声、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象,仿鱼推进器效率可达到70%~90%,与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多,有效地解决了噪声问题。水中机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇,几乎可以到达水中任何区域。9.5.2AI赋能的仿生机器人1.在军事领域的应用由于近年来人工智能技术飞速发展,仿生机器人在智能方面也取得了长足的发展。仿生机器人未来在军事、服务、工程、安防、医疗等领域的作用不可估量,其应用场景将越来越广。以往仿生机器人凭借其体积小、功能强、隐蔽性较高的特点被广泛应用于军事侦察和间谍任务中,如机器鱼和机器蟹等侦察机器人。随着科技的进步,仿生机器人逐渐地应用于军事的其他领域。军用仿生机器人是以完成预定的战术或战略任务为目标,以智能化信息处理技术和通信技术为核心的智能化武器装备,是多学科知识相互融合的结果。点击以上图标观看微课视频

：拓展AI赋能的仿生机器人——军事领域的应用微课9.5.2AI赋能的仿生机器人军用仿生机器人类别趋于多样化。根据不同的任务,它可以分为材料运输、情报侦察、扫雷排爆机器人等。根据不同的工作环境,它主要分为4类,即水下军用机器人、地面军用机器人、空中军用机器人和空间军用机器人。1)水下军用机器人水下军用机器人主要用来探寻安全航道,进行水雷探测与排除,进行人员搜救等。2)地面军用机器人地面军用机器人主要包括地面运输机器人、排雷排爆机器人、地面侦察机器人、地面微型军用机器人等。9.