3.5智能機器人教學設計人教-中圖版高中信息技術選擇性必修4

第3章人工智能領域應用3.5智能機器人教學設計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經濟、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學內容選自人教/地圖出版社選擇性必修4人工智能初步第3章人工智能領域應用3.5智能機器人。人工智能的發(fā)展是以各種算法為基礎的，而飛速發(fā)展的大數(shù)據(jù)和云計算使人工智能的算法在多個領域發(fā)揮了重要的作用，也改變著我們的生活。里有語音助理、智能搜索、人臉識別，汽車能自動駕駛......不知不覺中，生活中的常用設備變得越來越智能。人工智能并不是讓機器模擬人的形態(tài)和人的行為，而是讓機器對人的思維意識和處理信息的過程進行模擬，像人一樣處理事情。這一目標是以計算機視覺、自然語言處理、機器理解與推理、博弈決策與智能機器人等基礎技術的研究為基礎來實現(xiàn)的。在本章的學習中，我們將借助各領域現(xiàn)有的人工智能開發(fā)工具與平臺，以“智能陪伴巧實踐”為主題，開展項目活動，定制智能陪伴機器人，掌握簡單人工智能應用模塊的搭建方法，體驗人工智能應用的實現(xiàn)過程。教學目標1.理解智能機器人的概念，了解智能機器人的廣泛應用，感受智能機器人對人們生活的影響。2.合理選擇人工智能平臺與工具，搭建智能機器人模塊，體驗智能機器人的實際應用，掌握搭建簡單人工智能模塊的一般方法。教學重點與難點教學重點:理解智能機器人的概念，了解智能機器人的廣泛應用，感受智能機器人對人們生活的影響。教學難點:合理選擇人工智能平臺與工具，搭建智能機器人模塊，體驗智能機器人的實際應用，掌握搭建簡單人工智能模塊的一般方法。教學方法與教學手段案例分析法、講授法、任務驅動法。教學過程問題導入體驗探索快遞機器人自動駕駛和智能機器人等人工智能應用正在悄悄地影響著我們的生活。2018年6月18日，快遞機器人在北京海淀區(qū)上路了。上午10點，隨著平臺的指令發(fā)出，3臺滿載著貨物的快遞機器人依次出發(fā)，自動駛向訂單所在地。如圖3.5.1（參見教材P129）所示，快遞機器人不僅外觀簡單可愛，而且擁有很多“智能”本領。一路上，它能進行360°環(huán)境監(jiān)測，自動避讓路障和行人，遇到紅綠燈時能立刻作出反應，到達目的地后它會自主?？颗渌忘c，將取貨信息發(fā)給客戶?？蛻艨梢酝ㄟ^人臉識別、輸入取貨碼或點擊應用程序鏈接三種方式完成取貨。思考：1.這款快遞機器人用到了哪些人工智能技術？這些技術用前面學習的哪些算法可以實現(xiàn)？2.如果想要搭建一個快遞機器人，除了人工智能學科領域的相關知識，還需要哪些學科領域的技術支持？智能機器人簡介機器人將像個人計算機一樣逐步進入家庭，改變我們的生活方式。目前，隨著人工智能、機械制造、材料科學、電子技術、計算機科學、控制技術、傳感技術和仿生學技術等多門學科領域的不斷發(fā)展與學科融合，機器人技術不斷取得進步，在社會服務、公共安全、危險作業(yè)和國防軍事等領域具有廣泛的應用前景。思考活動體驗身邊的智能機器人人工智能之于機器人，更像是人腦之于人類。人工智能可以通過感知、學習、推理和規(guī)劃等一系列的智能應用技術給機器人下達指令。工業(yè)時代，機器人只能通過固定指令幫助人類完成重復、枯燥的作業(yè)任務。人工智能時代，機器人將會擁有智慧，能夠像人一樣進行思考學習，完成作業(yè)任務?？梢哉f：智能機器人是人工智能技術的集成化、產品化，是人工智能的一種具體表現(xiàn)形式，也是人工智能的科研平臺。思考：1.分組討論，談談你在日常生活中接觸過哪些智能機器人？2.查閱相關資料，分析人工智能技術是如何應用于該款智能機器人的。智能機器人的概念與興起“機器人”一詞最早來源于1920年創(chuàng)作的科幻小說《羅薩姆的萬能機器人》。多年來，科研人員一直致力于研發(fā)能夠幫助人類完成各項任務的機器人。國際上對于機器人的定義見仁見智。美國機器人協(xié)會定義機器人為“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，能夠通過程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機”。日本工業(yè)標準局定義機器人為“一種機械裝置，在自動控制下，能夠完成某些操作或者動作功能”。我國科學家將機器人定義為“一種自動化的機器，這種機器具備一些與人或生物相似的智能，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。隨著機器人技術以及人工智能技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的機器人已經無法滿足未知和不確定環(huán)境下的作業(yè)任務，而具有感知、運動和決策能力的智能機器人成為當今各國研究的主要對象。我國國家標準將智能機器人定義為“具有依靠感知環(huán)境和（或）與外部資源交互、能夠調整自身行為來執(zhí)行任務的機器”?？傊悄軝C器人是一種智能的、高度靈活的、自動化的機器，具備感知、規(guī)劃、動作和協(xié)同等能力，是多種高新技術的集成體。智能機器人的“智能”特征體現(xiàn)在它具有與外部對象（即環(huán)境）和人的相適應、相協(xié)調的工作機能，能根據(jù)得到的信息進行加工、處理、決策，并對外界的環(huán)境改變作出反應性的動作。智能機器人的分類與典型應用人工智能與機器人技術已廣泛地應用在人們生產和生活的諸多領域。智能機器人可以分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人三大類。常見的服務機器人有醫(yī)療機器人、迎賓機器人、教育機器人、掃地機器人、快遞機器人、聊天機器人和智能陪伴機器人等。這些形態(tài)各異的智能機器人已遠遠脫離了最初機器人所具有的實體模樣，更加符合各種不同應用領域的特殊要求。工業(yè)機器人現(xiàn)代汽車的自動生產線如圖3.5.2（參見教材P131）所示，所有的機器設備都按統(tǒng)一的節(jié)奏運轉，生產過程高度連續(xù)。生產線全面自動化的實現(xiàn)，得益于日趨成熟的人工智能和機器人技術?！吨袊圃?025》指出，到2025年，制造業(yè)重點領域將全面實現(xiàn)智能化，而人工智能則是提升工業(yè)制造系統(tǒng)智能水平的有效動力。醫(yī)療機器人現(xiàn)如今，醫(yī)學上已經有手術機器人（圖3.5.3）（參見教材P131）應用于臨床心臟病手術的案例?；谌斯ぶ悄芗夹g，手術機器人控制端可將整臺手術過程的二維影像實時還原成三維影像，由醫(yī)生通過三維影像監(jiān)控整個過程。在手術中，機器人的多支手臂各司其職，且靈敏度遠超人類。醫(yī)療機器人可利用微創(chuàng)技術完成復雜的高難度手術。另外，診斷機器人也是人工智能在醫(yī)療領域內的典型應用。診斷機器人運用疾病中心以患者基因組以及血液檢查和圖像診斷等大量信息為基礎建立的數(shù)據(jù)庫，對照醫(yī)學論文等研究成果，給出診斷結果。迎賓機器人迎賓機器人能夠通過視覺系統(tǒng)觀察、識別人類的表情，還能利用語音系統(tǒng)識別人類的語音、語調以及能夠表現(xiàn)情感的特定詞匯。與此同時，迎賓機器人利用人工智能技術對上述一系列人類的情感信息進行分析、判斷、處理，并通過表情、動作和語音等與人類進行交流、反饋。有些迎賓機器人甚至能夠跳舞、逗人開心等，還有些迎賓機器人可以根據(jù)客戶在商場的消費記錄等數(shù)據(jù)為客戶推薦新款產品，如圖3.5.4（參見教材P132）所示。教育機器人教育機器人由于其獨特的形態(tài)、運動方式和智能交互功能，對青少年有較強的吸引力與啟迪作用。它的出現(xiàn)開拓了課堂教育的新模式，成為一種新的學習平臺。如圖3.5.5（參見教材P132）所示，學生可以通過與智能機器人互動，學習編程技巧和科學知識，增強科學意識和創(chuàng)新思維，提高學習能力與動手能力。掃地機器人掃地機器人是一種智能家電，具有一定的人工智能，可以自動完成房間內的地面清掃任務，如圖3.5.6（參見教材P133）所示。掃地機器人可以設定時間預約打掃、自行探索房間布局、即時定位與地圖構建，能夠實現(xiàn)自動避障、清掃和充電。聊天機器人聊天機器人具備模擬人類對話的功能，各大電商平臺打造的智能客服機器人就是其中的一種。聊天機器人能與人們對話，回答人們提出的各種問題，解決人們的某些疑惑，如圖3.5.7（參見教材P133）所示。這些看似“百問百答”的聊天機器人的背后，離不開大數(shù)據(jù)與人工智能技術的支撐。閱讀拓展機器人酒店有這樣一家神奇的酒店，其服務團隊皆由機器人組成。前臺機器人接待員精通中、英、日三國語言，如圖3.5.8（參見教材P134）所示。它們會幫助旅客辦理入住手續(xù)，也會不時與旅客交流、互動。旅客經過大廳時，會有機器人主動幫助旅客寄存小件行李并將行李運送到指定房間。在房間門口，旅客需要通過“刷臉”進入房間。每個房間內都配備了小型機器人，可提供聊天服務，還可以根據(jù)客人的要求開關電視或提供天氣信息。餐廳里的烹飪機器人負責制作煎餅、冰淇淋等食物，如圖3.5.9（參見教材P134）所示。在這家機器人酒店，就連打掃衛(wèi)生、維護綠植等工作，也都由機器人來完成，甚至連垃圾桶都是機器人。此外，酒店還配備了牙科、皮膚科兼內科等機器人診室。這家酒店因其獨特性，每年都吸引著世界各地的游客前往入住?？梢钥吹?，現(xiàn)代智能機器人正影響著我們生活的方方面面，而人工智能的發(fā)展在其中起著至關重要的作用。智能機器人應用實踐現(xiàn)有的智能陪伴機器人主要是為兒童和老年人設計的，外貌大多是卡通或人物形象，可以實現(xiàn)語音交互、游戲教學、英語學習、親子教育和情感表達等功能。智能陪伴機器人不僅能陪伴兒童和老人進行日常生活活動，有些機器人甚至能模擬家人的聲音與兒童和老人進行智能交流。在本節(jié)，我們將利用前面所學知識搭建智能陪伴機器人。機器人硬件的搭建物理形態(tài)機器人硬件的搭建是一個非常復雜的過程，涉及機器人學。機器人學是一門綜合性學科，涉及領域廣，主要涉及機器人本體機構、運動學和動力學、傳感技術、控制技術、人工智能、信息交互、運動規(guī)劃、應用工程以及多機器人協(xié)作等方面。機器人硬件的搭建包括機械結構設計及驅動、控制系統(tǒng)的建立、感知系統(tǒng)的建立、運動規(guī)劃與控制這四個方面的內容。機械結構設計及驅動機械結構就像是機器人的“骨骼”，支撐起整個機器人的外部形態(tài)。實際設計時，需要針對不同的作業(yè)任務，設計相應的機械結構。精巧的機械結構設計，能夠拓展機器人的實際應用場景，有利于提高機器人對復雜環(huán)境的適應性。例如，現(xiàn)有的智能陪伴機器人外貌大多是卡通或人物形象，這樣的設計往往更具親和力，易被用戶接受。機器人的下身往往選擇輪式結構，因為相對足式結構，輪式結構可提供較快的移動速度，且穩(wěn)定性較好，方便機器人在室內行走。常見的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電力驅動。針對不同的環(huán)境和應用場景，選擇適當?shù)尿寗臃绞椒浅ｊP鍵。液壓驅動具有動力大、響應快速和易于實現(xiàn)直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣量大的機器人，但液體泄漏會對環(huán)境產生污染，且工作噪聲較大。氣壓驅動具有響應速度快、系統(tǒng)結構簡單、維修方便和價格低廉等特點，但其驅動裝置較大，且氣體的可壓縮性會降低定位精度。電力驅動是利用各種電動機產生力和力矩，直接或間接經過機械傳動來驅動執(zhí)行機構，以支持機器人的各種運動姿態(tài)。相較前兩種驅動方式，電力驅動系統(tǒng)精度較高，并且因為省去了能量轉換這一中間過程，電力驅動比液壓驅動和氣壓驅動效率更高，使用更方便，且成本較低。由于智能陪伴機器人的工作環(huán)境以室內為主，同時對機器人操作的精度有一定要求，因此建議采用電力驅動的方式?？刂葡到y(tǒng)的建立控制系統(tǒng)是機器人的核心。機器人的智能程度和功能強弱通常與其控制系統(tǒng)的性能直接相關。機器人的控制系統(tǒng)主要負責處理指令信息和內外環(huán)境信息，并依據(jù)現(xiàn)有的模型與信息作出決策，產生相應的控制信號。最終通過驅動機器人各個關節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業(yè)任務。感知系統(tǒng)的建立感知系統(tǒng)猶如機器人的“五官”，可以幫助機器人獲取外部環(huán)境和內部狀態(tài)的信息。為了適應復雜的環(huán)境，機器人往往需要通過多種類型的傳感器，如力傳感器、姿態(tài)傳感器、觸覺傳感器和攝像頭等來獲取多樣化的信息。另外，當工作環(huán)境復雜時，為了使機器人獲取對環(huán)境相對完整的感知，通過多傳感器信息融合來解決問題。運動規(guī)劃與控制機器人的運動規(guī)劃指確定機器人的各關節(jié)在起點和終點之間走過的路徑，以及在各路徑點的速度和加速度。機器人控制技術研究在給定期望的運動規(guī)劃前提下，機器人各關節(jié)如何快速響應并高效完成已經規(guī)劃好的運動。機器人系統(tǒng)的搭建圖3.5.10（參見教材P135）為智能機器人與人類交互的框架示意圖。人類可以通過語音、圖像與陪伴機器人進行交流，也可以通過游戲與機器人進行人機對弈。智能機器人則可以通過語音識別、語音合成、圖像識別、認知推理和強化學習等技術完成與人類的溝通與交流。具體來說，機器人通過麥克風采集人類語音，經過語音識別，對人類語音進行轉換、理解并產生應答信息，而后利用語音合成轉換為人聲并通過揚聲器反饋給人類，完成與人類語音的交流與溝通。同理，機器人通過攝像頭采集人類的圖像，利用圖像對人類的表情、動作加以識別和理解，再通過圖像合成或語音合成反饋給人類。人機對弈則是機器人不斷學習人類的游戲模式，并作出反饋的過程。智能陪伴機器人通過語音和圖像識別技術實現(xiàn)與人的交互。它能夠觀察感知周圍環(huán)境，會看、會聽、會說、會想，也會陪伴，可以與用戶聊天和玩游戲等。它具有如下功能：1.能夠識別用戶的表情；2.能夠與用戶進行語音交流；3.能夠與用戶進行游戲。圖3.5.11（參見教材P136）所示為智能陪伴機器人的功能模塊集成示意圖。為完成上述功能，智能機器人需要集成視覺、語音、人機對弈三大模塊。根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，選擇麥克風和攝像頭作為智能機器人的外部傳感設備。具體來說，視覺模塊主要包括人臉檢測、表情識別。語音模塊主要包括自然語言處理與語音處理（主要包括語音識別與合成）。人機對弈模塊主要體現(xiàn)在與用戶進行游戲交互。圖3.5.12（參見教材P136）為智能陪伴機器人的主程序流程圖，系統(tǒng)程序由Python編程語言實現(xiàn)。程序對用到的Python數(shù)據(jù)庫及模塊進行導入及初始化后，首先對攝像頭數(shù)據(jù)進行讀取，而后進入視覺檢測識別模塊，并對讀取內容進行人臉檢測、表情識別，接著調用語音模塊對基于視覺模塊檢測和識別的結果進行反饋。語音模塊對麥克風語音數(shù)據(jù)進行讀取、轉換和識別，調用應答模塊進行反饋，并通過語音合成轉換為人聲進行播放。當聊天內容涉及游戲時，程序進入到對弈模塊。視覺模塊視覺模塊的流程如圖3.5.13（參見教材P137）所示，程序首先對攝像頭部位進行檢測。如果攝像頭故障，則跳出循環(huán)，結束程序，并要求用戶檢查和排除攝像頭故障后重新開始；如果攝像頭沒有問題，則接著調用視覺模塊進行人臉檢測和表情識別。語音模塊語音模塊主要調用ChatterBot模塊進行文本聊天，調用語音識別與合成模塊進行語音處理。程序首先對語音進行檢測和識別，將語音轉為文本，然后調用文本聊天模塊，獲取響應文本，并調用語音合成及應答模塊將響應文本轉換為音頻播放，完成整個交互。人機對弈模塊人機對弈模塊主要利用強化學習算法教會機器人玩類似“入侵者”（SpaceInvaders）的這類游戲。強化學習中的“智能體”以“環(huán)境”提供的“獎勵”作為反饋，學習一系列的環(huán)境“狀態(tài)”到“動作”的映射，“智能體”在學習過程中掌握的基本規(guī)則是：如果某個“動作”帶來了“環(huán)境”的正回報（“獎勵”），那么這個“動作”就會被加強，反之則會被削弱。“入侵者”游戲基于開源強化學習代碼庫，程序首先進行庫函數(shù)導入和初始化，然后進行強化學習訓練，最后由機器人自己完成“入侵者”游戲任務。核心代碼如下：import