發布時間：2022-09-28 19:28:59
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的機器人實驗室樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
這個問題正是Cynthia Breazeal前進的動力。Breazeal是美國麻省理工學院（MIT）媒體實驗室的個人機器人小組創始人，也曾是該小組的主管，絕對稱得上是社交機器人領域里的領軍人物。最近，她從大學辭職，希望能專心開發出史上首個家用社交機器人――Jibo。Breazeal的發明有一個宏大的愿景，那就是讓人性化的高科技機器人走進千家萬戶。
Breazeal認為：“它（機器人）不僅要具有自然的溝通能力，還要能理解人類的思維方式。每當我們體驗這個世界，做決定并采取行動，我們當然會考慮相關信息，但我們也會考慮其他因素。機器人可以有社交功能，也能有真情實感，更是實實在在的物體。不僅如此，只要支持人類全面體驗的技術越多，人類自身的本領就會越強大。社交機器人可以算是歷史上首次在上述所有這些層面內對人類體驗的一種綜合體現。”
多年以來，Breazeal一直在研究人性化的機器人，希望賦予他們人際交往的技巧，探究它們如何推進兒童教育、醫治慢性病、高級護理等各種類型的工作。甚至，社交機器人還可以幫助家庭成員更好地相處、互動。例如利用相關技術，它們可以讓住在千里之外的祖父看到自己的孫女，并且和她玩實時游戲。
Breazeal介紹，除了增進交互，機器人技術也能有效地鼓勵人們改進言行。機器人可以扮演教練，指導用戶鍛煉身體。Breazeal發現，和人類相似的外形、溝通手段、動作和互動方式可以產生比其他技術形式更持久、更重要并且更符合人們期望的成果。
她說：“如果可以創造一種人性化的技術，讓人感到它對所有人一視同仁，那么人們就會更有能力，也會把事情做得更好。”
[關鍵詞]服務機器人； 人機交互；仿生材料；認知互；物理互；安全性
中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0247-01
1 引言
人形交互式服務機器人是具備人類外形特征和行動能力，并且能完成有益于人類服務工作的機器人。隨著當今運動學和動力學、系統結構、傳感技術、控制技術、行動規劃、應用工程和人工智能等學科的發展，機器人學和機器人技術也不斷發展創新。人類可以賦予機器人人類外形和人類的一些特征，使之可以更好的適應人類工作環境和更好的服務于人類，甚至成為人類親密的好朋友[1]。人形交互式服務機器人因此誕生 。近些年來對人形交互式服務機器人的研究取得了很大進展，但仍存在技術上的難點，面臨著巨大的挑戰。本文針對近些年國內國外機器人的研究現狀和發展做了總結和概括，通過分析當前關鍵技術研究，探討了人形交互式服務機器人研究思路和發展趨勢。
2 人形交互式服務機器人國內外研究現狀
2.1 國外研究現狀
20世紀60年代后期，人形機器人進入研究視野，最初目標是使機器人可以模仿人類進行雙足行走。1999年日本本田率先研究雙足仿人機器人的預測運動控制，并在 2000 年了首款 ASIMO 機器人[2]麻省理工研制的機器人Kismet，能通過眼、鼻、耳等處的傳感器識別外界感情信號，可以識別喜、怒、哀、樂等感情表達，并作出相應的表情動作[3]。國際上MIT 計算機科學和智能實驗室、日本本田公司機器人研究中心、德國宇航中心機器人研究室等研究機構都致力于人形交互式服務機器人的發展。
2.2 國內研究現狀
國內人形交互式服務機器人研究起步較晚，但機器人技術發展迅速。2000年國內第一臺人形雙足機器人“先行者”研制成功，可以實現前進后退，轉彎前行和手臂擺動等基本動作。西安超人雕塑研究院仿人機器人“索芙亞”具有聲音識別和眼部控制機構，實現眨眼、微笑、點頭等迎賓服務動作[4]。北京理工大學研制的“匯童”BHR機器人[5]和浙江大學研制的Wu&Kong實現與人乒乓球對打，對打回合次數高達200多回合。
3 人形交互式服務機器人關鍵技術
3.1 仿生學材料與結構
人形交互式服務機器人從仿生學角度出發，具有仿造人體生物結構、性狀、原理及其行為的特點。其中仿生學材料和結構是機器人重要的關鍵技術和組成部分，通過對生物體材料構造與形成過程進行研究和仿生，使組成機器人所用的材料具有與構成人體的生物材料強度、韌性及一些類似的生物特性，這將大大提高機器人對人工作環境的適應能力。當前仿生皮膚和人造肌肉成為機器人仿生材料領域的研究熱點。人體有諸多骨骼支撐，骨骼由關節和肌肉韌帶連接，這可以確保人體的靈活運動，對該結構的仿生是人形交互式服務機器人研究的最高目標。張永軍等根據人體上肢結構原理 ， 提出一種上肢仿生機構 ， 并針對所提出的機構進行了優化設計和運動學分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機構提供了理論依據[6]。
3.2 智能交互性
人與服務機器人之間的交互主要分為認知互和物理互。兩者相互作用才能完成人與機器人之間的互相配合。
3.2.1 認知互
認知互是指人與機器人通過力覺、觸覺、聽覺、視覺等感官性的接觸、肢體語言和語言交流，使機器人與人進行理解性的溝通。符合人類審美的外觀、對人類生存環境的高度適應性以及能與人類進行有效準確的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服務機器人最為關鍵的功能。
認知互的實現需要仿生結構、機械設計、電子傳感等技術相結合例如表情機器人，在結構設計的基礎上，建立和表情機器人結構相匹配的面部柔性體模型，利用有限元分析方法對面部皮膚柔性體模型進行分析和仿真，模擬仿人機器人的幸福、悲傷、驚奇、憤怒等基本面部表情，進而通過位移載荷，控制區域，實現人的表情動作[3]。
3.2.2 物理互
人與機器人的工作距離越來越近，兩者直接的相互接觸越來越多。當機器人本體工作時，會與人類相互接觸，這種情形稱之為物理互。為了使人形交互式服務機器人得到更廣泛的應用，機器人本體不僅需要具有友好的認知互能力，還需要具有良好的人機肢體接觸交互能力。物理互主要分為主動接觸交互和被動接觸交互。
在人機被動接觸交互的過程中，剛度控制的不合理、不準確可能會對機器人自身或者交互對象造成嚴重的損傷。鑒于此，機器人的柔順性控制值得重視。其關鍵在于被動柔順系統及柔順關節設計。如熊根良等利用關節力矩傳感器，阻抗控制策略和力反饋的軌跡規劃構成了人機交互的柔順系統，有效地降低了碰撞瞬間的沖擊力。因此，被動柔順系統及柔順關節設計值得進一步研究[7]。
3.3 安全性
人形交互式服務機器人要想長時間的存在于人們的日常生活中，就必須保證機器人使用的安全性。機器人與人發生碰撞是機器人應用過程中造成傷害的源頭。若交互時機器人不能滿足平衡性約束條件，就很容易導致機器人平衡穩定性差甚至摔倒；若人機交互時手臂采用完全的剛性控制容易導致手臂的彎曲甚至折斷。因此，為了保證人和機器人的安全，有必要對人機肢體接觸交互時的安全性問題和機器人平衡性問題進行深入研究[8]。
關于碰撞檢測與碰撞避免的研究說明百分之百的避免碰撞很難做到，因此必須有其他安全保證策略。通過設計輕型機械臂、被動柔順系統、設計柔順關節、設計被動機器人系統等方式，可以增加機器人的安全性。提高機器人認知性以及設計合理的交互控制參數也是提高機器人安全性的重要途徑。
4 人形交互式服務機器人發展趨勢
人形交互式服務機器人發展迅速，應用前景廣闊，并已取得一定的研究成果，但仍然存在著一些技術上的難題，比如，如何提高機器認本體交互功能準確性、智能性、靈活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互協調，以及如何保證機器人使用的安全性的問題等等。因此，人形交互式服務機器人的發展應以認知互為前提，物理互為目的，并使兩者相互配合、相互協調。例如在觸覺傳感器感知外界環境特性（軟和硬），語音識別判斷交互需求的基礎上，機器人可進行物理互時的柔順性控制。人形交互式服務機器人發展趨勢有以下幾點：
（1）將傳統材料、結構與仿生學材料、結構有機結合，提升機器人對環境的適應能力。
（2）深入研究開發傳感器技術，提升傳感器精度，為機器人的結構提供基本技術基礎。
（3）深入研究柔順性技術，并由剛性結構向剛性結構與柔性結構相結合的一體化結構發展。
（4）通過開發新型材料和控制技術來減小碰撞對安全性問題的不利影響。
相信隨著理論水平的不斷提高和關鍵技術的創新開發，上述問題會得到一一解決，人形交互式服務機器人的整體性能將更加全面，工作效率將進一步提高。
參考文獻
[1]虞漢中， 馮雪梅. 人形機器人技術的發展與現狀[J]. 機械工程師， 2010（7）：3-6.
[2]王田苗， 陶永， 陳陽. 服務機器人技術研究現狀與發展趨勢[J]. 中國科學：信息科學， 2012（9）：1049-1066.
[3]王曉嬌. 面部表情仿人機器人的設計與研究[D]. 沈陽工業大學， 2013.
[4]楊杰. 擬人機器人頭部設計與嗅覺系統研究[D]. 河北工業大學， 2006.
[5]艷濤. 匯童機器人第4、5代集體亮相[J]. 機器人技術與應用， 2012（4）：44-44.
[6]鄭浩峻. 可重構多機器人移動系統結構及運動學研究[D]. 清華大學， 1999.
【關鍵詞】AGV技術 巡檢機器人本體 導引方式
AGV是自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫。在國內電力領域已經開始研制變電站自動巡檢機器人，這種機器人系統一般主要有移動機器人本體、自動控制系統、信息檢測系統等部分。其采用了GPS定位、光碼盤校正定位、激光雷達掃描、路徑跟蹤技術、本體控制技術、臨場感應遙控輔助、無線通信局域網和物聯網等技術劃分出相應的子系統模塊，實現了自控機器人在變電站現場自主巡檢的功能。機器人本體能夠攜帶多種儀器和傳感器，以自主或遙控的方式，代替人對室外高壓設備進行巡測，及時發現電力設備的內部熱缺陷、外部機械或電氣問題如：異物、損傷、發熱、漏油等，診斷電力設備運行中的事故隱患和故障先兆，對設備熱缺陷，聲音異常、移動目標、人與動物闖入，煙霧能自動判斷和報警，以便及時采取措施消除事故隱患。AGV 的導引技術是AGV 控制的核心技術，它決定了AGV 的導引方式。AGV 導引方式按導引線路的形式主要分固定路徑導引和自由路徑導引兩大類。固定路徑導引是在行駛的路徑上設置導引用的信息媒介物，AGV 通過車體上的傳感器檢測出它的信息而得到導引。具體的線路可以是電磁感應方式中的導引電纜、機械方式中的軌道、磁導引方式中的磁條及光導引方式中的反光帶等。自由路徑導引方式是指AGV 上存儲著布局上的尺寸坐標，通過識別車體當前方位，自主地決定行駛路徑。自由路徑導引方式主要有慣性導引、信標定位、位姿積算及計算機視覺等幾種。
一、導引方式
（一）電磁導引方式。利用電磁感應的原理，在沿運行線路的地面上設置一條寬約8mm、深約20mm 的淺溝，淺溝中敷設導線，饋以5-30kHz 的交變電流，以形成沿導線擴展的交變電磁場，車上的撿拾傳感器接收此信號，并根據信號場強度的判斷使車輛正確地沿埋線跟蹤導向運行。電磁導向有單頻制導向和多頻制導向兩種方式。單頻制方式是在整個線路上均提供單一頻率振蕩電磁信號，通過接通或斷開各線路段的饋送電流來規定運行線路，引導車輛運行。這種導向方式要求有集中的控制站，并在各線路交叉和分支處裝設傳感標志（如磁鐵等）和分支線段的通斷接口。多頻制方式是線路中每個環線或分支線都設置自己的線路頻率，分別由不同頻率的振蕩器來饋電。
（二）光學控制帶導引方式。光學導向系統有識別式和反射式兩種。它是在線路上敷設一種具有穩定反光率的專門漆帶。導向車上裝備有發射和接收功能的紅外光源，用以照射漆帶，同時還設有接收反射光的光電傳感器，均勻分布在漆帶及兩側位置上，通過對由傳感器檢測到的光信號進行比較計算，調整小車的運動方向，從而達到導向運行的目的。
（三）激光測距與測角導引方式。該方法的主要特點是在AGV 行走空間的特定位置處，布置一批激光光束的反射鏡模型計算AGV 的位置，實現引導。AGV 行駛過程中，車上的激光掃描頭不斷地掃描周圍環境，當掃描到行駛路徑周圍預先垂直設定好的反射板時，即“看見”了“路標”。只要掃描到三個或三個以上的反射板，即可根據它們的坐標值，以及各塊反光板相對于車體縱向軸的方位角，由定位計算機算出AGV 當前在全局坐標系中的X 、Y 坐標，距離和當前行駛方向與該坐標系X 軸的夾角，實現準確定位和定向。該導引方法的特點是，當提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后，AGV 導引與定位精度十分高，地面無需其他輔助定位，且路徑靈活，適合多種環境。
（四）超聲波制導方式。該方法類似于激光測量方法，不同之處在于不需要設置專門的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類似物體就能進行引導，因而在特定環境下提供了更大的柔性和低成本的方案。
（五） 磁導引方式。這種方式和電磁導引比較類似，只是把導引線換成磁條。
（六） 視覺導引方式。視覺導引是通過CCD 攝像機生成AGV 周圍場景的圖象，與計算機系統中存儲的環境地圖進行特征匹配，從而可以確定出車體的當前位姿。
（七） GPS導引方式。GPS導引方式通過全球定位系統對非固定路面系統中的控制對象進行跟蹤和制導。
AGV有以上多種制導原理，其中，工廠AGV 大多采用電磁制導，而激光、視覺導航具有引導柔性好、工作可靠和智能化水平高的特點，已成為技術先進、性能優越AGV 的發展趨勢。實驗室一般采用光學制導，其運行范圍大，運行精度高，地面費用低，但要求工作環境清潔，不適于工作條件比較惡劣的環境。
二、系統構成和意義
AGV控制系統中的三個主要技術：導航、路徑規劃和導引控制。為了能夠解決好這些問題，控制系統分為地面（上位）控制系統、車載（單機）控制系統及導航/導引系統，其中，地面控制系統指AGV系統的固定設備，主要負責任務分配，車輛調度，路徑（線）管理，交通管理，自動充電等功能；車載控制系統在收到上位系統的指令后，負責AGV的導航計算，導引實現，車輛行走，裝卸操作等功能；導航/導引系統為AGV單機提供系統絕對或相對位置及航向等。該系統的研制將大大降低電廠變電站相關工作人員的勞動強度，能在第一時間監測和發現安全隱患，對突發事故能第一時間響應并處置，從而避免或降低事故風險。
參考文獻：
[1]葉菁.磁導式AGV控制系統設計與研究[D]武漢理工大學 ， 2006 .
[2]徐海貴， 王春香， 楊汝清， 楊明. 磁傳感系統在室外移動機器人導航中的研究[J]. 機器人 ， 2007，29（1）：61-66
關鍵詞：機器人競賽；創新實踐；項目教學法
作者簡介：毛麗民（1981-），男，江蘇常熟人，常熟理工學院電氣與自動化工程學院，講師；劉叔軍（1962-），男，黑龍江寶清人，常熟理工學院電氣與自動化工程學院，教授。（江蘇 常熟 215500）
基金項目：本文系國家自然科學基金（項目編號：61273312）、江蘇省自然科學基金（項目編號：BK2010261）的研究成果。
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）01-0148-03
在國外院校，學生本科階段就開設了機器人啟蒙課程，使學生對機器人能夠有普遍地了解，研究生階段開設關于機器人的更深層次的課程，而國內高校本科階段開設機器人課程的相對較少。
機器人教學與其他學科教學的最大不同之處在于，機器人教學在學習上充分滲透了研究性學習的思想，而且機器人教學實踐性非常強。實踐教學是培養學生實踐能力，培養創新創業人才的重要教學環節。高校要把實踐教學和理論教學擺在同等重要的位置，要不斷改革實踐教學內容，改進實踐教學方法。以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究，對大學生創新素質教育具有重要的現實意義。
一、項目教學方法
“給你55分鐘，你可以造一座橋嗎？”這是德國教育專家弗雷德·海因里希教授在“德國及歐美國家素質教育報告演示會”上介紹“項目教學法”的一個實例。首先由學生或教師在現實中選取一個“造一座橋”的項目，學生分組對項目進行討論，并寫出各自的計劃書；接著正式實施項目——利用一種被稱為“造就一代工程師偉業”的“慧魚”模型拼裝橋梁；然后演示項目結果，由學生闡述設計思想和構造機理；最后由教師對學生的作品進行評估。通過以上步驟，可以充分發掘學生的創造潛能，培養和提高他們的動手能力、實踐能力、分析能力和綜合能力。
以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究，就是要將項目教學法應用到機器人的創新實踐中，把各項理論知識和實踐技能有機地結合，將機器人的項目分解成多個明確的目標任務，讓學生在規定的時間里獨立完成相應的任務，其目的在于充分發掘學生的創造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。通過實踐探索出一種能提高學生創新和實踐能力，全方位調動學生學習的積極性的機器人教學模式。在實施“機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法”時，重視機器人項目的選擇、機器人具體成果展示、教師的評估與總結、充分利用創新實驗室的現有資源并使之與現代化教學相結合，這是搞好“項目教學法”的關鍵。
二、機器人競賽
機器人競賽是一項很好的科技創新活動，形式繁多，內容豐富。設計方案的開放性，也為學生的創新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目，通過比賽，激發其對機器人的學習興趣，引導他們積極探索機器人新科技，為其自主創新能力的培養提供良好的平臺。
中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽：1999年，在RoboCup 國際委員的支持和授權下，首屆中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機器人最具影響力的賽事，比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規模大、水平高，為大學生進行創新實踐活動提供了很好的平臺。
“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽），是中國人工智能機器人專業委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽）。
“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽，由教育部委托高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。
三、機器人實踐教學的具體實施
機器人競賽、創新實踐是一項很好的科技創新活動，機器人的趣味性易于激發學生學習和研究的興趣，同時將創新實踐、競賽引入教學過程，使學生變被動學習為主動學習和研究。
“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示：
“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。
本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽的醫療與服務機器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業和不同年級的學生組成一個競賽小組，研究競賽規則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試，學生分工合作，過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環節無法實現的，對于培養學生的實踐創新能力非常重要。本文以一種醫療與服務機器人設計為導向的項目教學法，按照以下六個教學步驟進行：
1.項目的申請
根據學院參加機器人競賽的實際情況，中國機器人大賽暨RoboCup公開賽，作為全國最具影響力的機器人比賽。本學院主要參加了醫療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目，學生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學生申報的項目，分析學生的實際情況，建議選擇項目規模和難度適中的項目。
中國已經進入了老齡化社會，而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務行業工作者稀缺的背景下，在醫院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項，設計一種醫療服務機器人更好的服務病人。
2.項目團隊的建立
建立學生團隊，營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍，學生在做項目過程中攜手合作，彌補相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學生體會到團隊的重要性，做到共同進步。同時，團隊的學生分工明確，每人負責項目的某一部分，使學生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學生，學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習，主動查資料，可以培養和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立，應考慮學生的專業，年紀，特長等因素。教師確定一名隊長，根據項目的特點，隊長可以自己招學生，實現學生管理學生。
參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項，筆者選擇了5名學生，隊長由09級的一名學生擔任，該生組織能力比較強，專業能力也比較脫出，由他負責整個項目的進展，匯報工作。其他學生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業分別是自動化、測控、電氣。
3.項目任務、計劃的制定
團隊負責人制定機器人項目工作計劃，確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫療服務機器人由小組討論決定，醫療服務機器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告，去門診找醫生復診，降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫療服務機器人更好的服務病人，該團隊為機器人設置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合，實現護士對病人的遠程監護，機器人在前進過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。
根據團隊中學生的專業、特長等分配任務，負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計；電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業的學生負責電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學生，完成程序的設計、調試；控制界面的設計由另外一個學生負責，主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。
根據機器人項目的特點，學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟，進行時間分配。最終得到教師的認可才能執行。
4.項目制作
學生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后，指導學生按照他們設計的醫療服務機器人撰寫論文、申請專利。
5.項目檢查評估
整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進行匯報總結，再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估，并且對設計的醫療服務機器人進行展示，教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查，為到現場比賽作準備。
針對項目中出現的問題，師生共同討論，教師引導學生獨立思考問題，解決問題。學生通過對比師生評價結果，找出造成結果差異的原因
6.項目資料歸檔或應用
為使學生養成良好的習慣，項目結束后，教師監督學生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。
四、機器人項目教學的成果
機器人創新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學生的動手能力和創新能力。在教師指導下，學生通過自己查閱資料、提出有創意的設計方案，選擇合適的元件，設計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調動了學生的積極性，發揮學生的創造力，使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中，使學生們熱愛科技，投身科技，在學校形成良好的科技學術氣氛。
本校參加機器人競賽源于2010年，當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽，并因此開設了機器人技術、機器人創新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學生創新實驗室項目負責制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創新實驗室項目的創新性。實踐教學效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。
五、結論
實踐教學的目標是培養學生通過實踐發現、分析和解決問題的能力，培養創新精神和初步的科學研究能力。機器人創新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學。本校自動化學院機器人實踐教學的具體實施，促進了學院各學科綜合發展，提高了教師的理論、實踐教學水平和科研水平，使學生對機器人相關課程融會貫通，提高了學生自主學習、創新和團隊合作等綜合能力，推動了學院實踐教學體系的發展和完善。
參考文獻：
[1]戰強，閆彩霞.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，（3）：144-146.
[2]劉景福，鐘志賢.基于項目的學習模式（PBL）研究[J].外國教育研究，2002，（11）：18-22.
[3]王旭仁，何花，等.深入完善“智能機器人”實踐課程體系促進教學實踐[J].計算機教育，2009，（11）：116-118.
關鍵詞： 擬人機器人； 人臉檢測； 人臉跟蹤； 人臉識別
中圖分類號：TP319 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2012）12-14-02
Research on face recognition system of humanoid robot
Liu Renping， Han Xianfeng， Fang Yinglan， Hou Ruizhen
（North China of Technology， Beijing 100144， China）
Abstract： Face recognition system is studied in this paper. Based on the workflow of face recognition system of humanoid robot， the Adaboost algorithm for face detection， Camshift algorithm for face tracking and PCA algorithm used in this face recognition system are discussed in detail. After applying these classical algorithms， it produces a higher recognition rate and good system performance.
Key words： humanoid robot； face detection； face tracking； face recognition
0 引言
人臉識別是指根據人臉所特有的特征信息進行人物身份識別的一種技術，是近些年來生物特征識別領域最活躍的研究熱點之一。一個完整的人臉識別系統包括圖像采集、人臉檢測、人臉跟蹤、圖像預處理、特征提取以及身份識別等模塊，因此人臉識別是一門涉及計算機技術、圖像處理、機器視覺、模式識別、人工智能以及生物學的綜合性學科。
本文將要介紹的擬人機器人人臉識別系統的研究，正是致力于實現一個完整的適合擬人機器人的人臉識別系統，使其具有更好的交互能力和擬人效果。這對于擬人機器人的研究以及應用領域具有重要的現實意義。
1 擬人機器人人臉識別工作流程
擬人機器人人臉識別的工作流程如圖1所示，主要有訓練學習和人臉檢測跟蹤識別兩個階段組成。在人臉檢測跟蹤識別階段，位于機器人頭部的攝像頭不停地采集進入其視野范圍內的視頻幀，并實時地進行人臉檢測，如果其視野范圍內一旦出現了人臉目標則立刻對該人臉目標進行實時跟蹤，在跟蹤的過程中系統會自動獲取帶有人臉的視頻幀。接下來系統會對該視頻幀進行圖像預處理、特征提取等一系列操作，將待識別的圖像特征與“人臉庫”中的特征進行對比，觸發擬人機器人的語音模塊，將識別結果進行簡單的語音輸出。而這個階段使用的人臉庫是在訓練學習階段，對事先采集好的待識別的目標人物在不同環境下以及不同表情姿態（正面，微側）的圖片進行處理形成的人臉特征庫。
[機器人頭部][開始][攝像機][獲取視頻流][人臉檢測] [人臉跟蹤] [失敗][失敗][成功][人臉檢測][成功][預處理][人臉識別][目標人臉特征數據][特征提取][人臉訓練集][人臉檢測][預處理][特征提取][識別結果語音輸出][結束]
圖1 擬人機器人人臉識別系統框架
2 人臉檢測、跟蹤和識別的實現
人臉檢測、人臉跟蹤和人臉識別是人臉識別系統當中比較關鍵的步驟，所選擇算法的好壞直接影響著整個系統的性能。
2.1 人臉檢測
如何實時準確地從視頻流或者圖片中檢測出人臉，如何對存在的人臉進行定位并將其從背景圖像中分離出來是人臉檢測過程中最關鍵的問題。人臉檢測對整個人臉識別系統具有重要的意義。本文主要采用實時性好、檢測率高的Adaboost算法。該算法對近景遠景當中的、復雜背景中的各種表情和姿態（正面，微側）的單個人臉或者多個人臉具有比較準確的檢測效果[1]。
Adaboost算法的基本思想是對不同的訓練集訓練同一個弱分類器，然后將這些弱分類器按一定的權值累加起來，得到一個分類能力很強的強分類器[2]。Adaboost算法的具體步驟如下。
設給定的一個訓練集合S={（xi，yi）|i=1，2，…，n}，xi∈X，yi∈Y其中，X是樣本描述，Y是樣本表示，yi∈（0，1），1表示正例樣本，0表示負例樣本。在人臉檢測中，1表示人臉，0表示非人臉。
⑴ 將訓練樣本權重（訓練樣本的初始概率分布）初始化。Wt，i=1/2L，L為人臉樣本總數。Wt，i=1/2M，M為非人臉樣本總數。Wt，i為第t次循環第i個樣本的誤差權重。
⑵ For t=1 to T do（T為弱分類器的個數）
⑶ 對權重進行歸一化：
⑷ 對每個特征f，訓練一個弱分類器h（x，f，p，θ），計算弱分類器的加權錯誤率：
⑸ 按照錯誤率選擇最佳的弱分類器（最小錯誤率）：
⑹ 根據選擇的最佳的弱分類器更新樣本權重：
其中，，ei=0表示xi被正確分類，ei=1表示xi被錯誤分類。
⑺ 對經過T次循環得到的T個弱分類器按更新的權重疊加得到強分類器：
其中，。
本系統正是利用Adaboost算法較好的檢測能力以及較強的魯棒性，來提高系統的檢測性能，提高檢測準確率和實時性。
2.2 人臉跟蹤
當利用Adaboost算法從視頻流中檢測出人臉目標之后，系統會立刻對視頻流當中的人臉目標進行跟蹤。目前常用的人臉跟蹤方法有基于特征匹配的跟蹤，基于區域匹配的跟蹤以及基于模型匹配的跟蹤[3]。對于本系統而言，實時性是最基本的要求。多人臉跟蹤的實現是需要解決的一個關鍵問題。經過實驗分析對比，本系統選擇了時效性較好、魯棒性較強的Camshift算法，該算法能夠快速地對運動目標進行跟蹤，對于一些遮擋的場景也具有較好的跟蹤效果。
Camshift算法的基本思想是對視頻流當中的每一幀作MeanShift運算，將上一幀的運算結果，作為其后一幀進行MeanShift運算的搜索窗的初始值，如此迭代下去實現對目標的跟蹤。
MeanShift算法具體步驟如下。
⑴ 選擇搜索框，即初始化跟蹤窗口的位置和大小。
⑵ 計算搜索窗的質心：
xc=M10/M00；yc=M01/M00 ⑹
其中（搜索窗的零階矩），；（x，y的一階矩），I（x，y）為（x，y）的像素值，x，y的取值范圍決定搜索窗的大小。
⑶ 調整搜索窗的大小，移動其中心到質心。
寬度為：；長度為1.2s
⑷ 重復上述⑵⑶步驟，直至中心與質心的移動距離小于預定的閾值，或者超出循環次數，停止計算。
Camshift算法的實質是對MeanShift算法的改進，將MeanShift算法應用于連續的圖像序列當中。因此Camshift算法的流程如下：
⑴ 初始化搜索窗口；
⑵ 計算窗口區域的2D機率分布；
⑶ 用MeanShift算法來收斂跟蹤的區域，獲得搜索窗新的位置和大小；
⑷ 把第⑶步得到的結果作為下一幀的初始值，跳轉到第⑵步繼續執行。
使用以上介紹的Camshift算法可以較好地實現單人臉跟蹤。而為了實現多人臉的跟蹤，本系統采用的方法是為每一個人臉目標分配一個Camshift跟蹤器[4]。具體方法是為在人臉檢測階段檢測出來的每一個人臉目標區域初始化一個Camshift跟蹤器窗口；然后利用為每一個人臉目標分配的跟蹤器對相應的搜索窗口進行實時跟蹤，并將跟蹤的結果進行保存，用于后續繼續跟蹤。實驗表明，本系統采用的這種多人臉跟蹤策略能夠很好地實現多人臉的跟蹤，具有較好的跟蹤效果和時效性。
2.3 人臉識別
本系統在人臉識別階段采用了識別性能較好的PCA算法[5]，即主成分分析算法。該算法在特征提取以及降維方面有著明顯的優勢，是人臉識別領域當中最為經典的算法。PCA算法的基本思想是利用K-L變化獲取人臉的主成分信息，構成特征臉空間，在識別的時候將待識別的圖像在特征臉空間上進行投影，得到一組投影系數，通過與各個人臉圖片進行比較來進行識別。PCA算法在本人臉識別系統當中進行人臉識別主要是由訓練和識別階段組成。
在訓練階段，步驟如下。
⑴ 訓練樣本矩陣為x=（x1，x2，…，xn）T，n為訓練的樣本數。
⑵ 計算出所有訓練圖片的平均臉。
⑺
⑶ 計算出每一張人臉與第⑵步計算出來的平均臉之差。
⑻
⑷ 構建協方差矩陣。
⑼
⑸ 求協方差矩陣的特征值和特征向量，形成“特征臉”空間。
w=（u1，u2，…，up） （10）
其中，p為訓練樣本前p個特征向量集。
⑹ 將第⑶步計算出來的差值投影到第⑸步得到的“特征臉”空間上。
（11）
在識別階段步驟如下。
⑴ 將待識別的人臉圖像與上面計算的平均臉的差值投影都特征空間中。
⑵ 定義一個閾值。
⑶ 計算第⑴步得到ΩΓ與每個人臉的距離。
⑷ 計算原始圖像與重建的圖像之間的距離，用于區分是否為人臉。
其中，。
人臉分類的規則如下。
⑴ 若ε≥θ，結果不為人臉圖像。
⑵ 若ε
⑶ 若ε
PCA算法的識別率高，識別速度快的優點使得本系統達到了一個較高的人臉識別性能效果。
3 結束語
本文主要對擬人機器人人臉識別系統中所采用的經典的人臉檢測、人臉跟跟蹤以及人臉識別算法進行了研究和分析。實驗表明，本擬人機器人人臉識別系統可以對其視野范圍內的單個或者多個人臉進行實時檢測、跟蹤和識別，具有較強的魯棒性和較高的識別率，具有很好的應用前景。但是這些算法本身還存在著各自的不足和限制，如何改進它們以彌補這些不足，使系統能夠達到更好的性能，是需要我們進一步研究和探討的課題。
參考文獻：
[1] 類紅樂，魏忠恒，彭延軍.人臉識別機器人的設計與實現[J].電腦知識
與技術，2011.31.
[2] 郭玉珂，張松敏，高翔.AdaBoost人臉檢測算法研究[J].計算機與網絡，
2010.
[3] 雷靜.基于OpenCV的人臉跟蹤識別系統設計[D].西安電子科技大
學，2010.
[4] 張濤，蔡燦輝.一種快速多人臉跟蹤算法[J].視頻應用與工程，2009.2.
[關鍵詞] 人工氣道；濕化處理；護理；進展
[中圖分類號] R473.5 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-4721（2013）01（b）-0016-02
呼吸道黏液-纖毛系統是呼吸道的第一道防線，對于維持呼吸道濕化及維持正常的防御功能起重要的作用。正常呼吸過程中，干燥、低溫的空氣流經上呼吸道后，逐步變得濕潤溫暖以利于在肺泡進行氣體交換。在正常情況下，呼吸道必須保持一定濕度，才能保證纖毛的正常運動和黏液分泌。人工氣道建立后，由于缺少上氣道對吸入氣體的加溫和加濕作用，易引起下呼吸道氣管黏膜干燥，分泌物黏稠，從而易于形成痰栓，阻塞氣道。由于呼吸道纖毛擺動受損，黏液移動受限甚至氣道黏膜上皮發生炎性反應改變，導致肺部感染發生；分泌物黏稠也可阻塞小氣道，出現肺不張。氣道濕化可以起到稀釋痰液、促進痰液及時排出、保持呼吸道通暢、保持氣道濕潤的作用。所以，合理的人工氣道濕化處理是預防肺部感染的一項重要措施[1]。
選擇最佳的氣道濕化方法是臨床護理學中一個值得探索的重要問題。一般護理方法是保持室內溫度在20～22℃，濕度在60%～70%。定時翻身拍背，及時吸痰，保持呼吸道通暢。同時護士要注意觀察痰液的顏色、形狀、量等，發現患者痰液呈Ⅲ度黏稠時，即采用適宜濕化方法稀釋痰液[2]。
1 人工氣道濕化的方法
人工氣道濕化應該遵循的原則是盡可能模擬或接近正常生理狀態，并且能夠保證充足的液體供應。目前應用的方法主要有：
1.1 氣道滴注濕化法
主要包括間斷氣道內滴入和持續氣道滴注濕化方法。
間斷氣道內滴入一般是于吸痰前用一次性注射器抽取濕化液直接快速注入。間斷推注濕化法易引起患者刺激性咳嗽、憋悶、心率增快、缺氧、血壓升高等并發癥。陳建芬等[3]報道將0.9%氯化鈉溶液直接泵入氣道會導致濕化液進入氣道后分布不均，使某些細小支氣管得不到充分濕化，同時患者咳嗽或吸痰操作時易脫出，不僅影響濕化效果，還增加感染機會。這提示護理工作者在以后使用氣道滴注濕化方法時應更注重于小支氣管的充分濕化。
持續氣道內滴注濕化法使氣道始終處于濕化狀態，減少咳嗽次數及其對氣道黏膜的損傷，因而對氣道刺激小，不易引起咳嗽，此法能夠有效克服濕化液大量快速注入引起患者嗆咳和憋氣等癥狀。因此近年來許多的先進設備應用都采用此項濕化方法。楊曉容[4]對90例人工氣道患者分別進行輸液泵控制持續氣道內滴注濕化、精密輸液器持續氣道滴注濕化和間斷氣道內滴注濕化的效果進行了對比研究，發現進行氣道內滴注濕化患者的各項指標如血氧飽和度、帶管時間和吸痰次數均優于對照組。賀照球[5]將精密輸液器用于氣管切開患者氣道濕化，持續氣道內滴注濕化液，發現可有效降低痰液黏稠度，利于痰液排出，他們認為此法操作簡單，安全可靠。
1.2 霧化加濕
霧化分為加溫霧化和不加溫霧化。從霧化器的類型分，霧化有超聲霧化、氧氣霧化器霧化、高頻振動霧化及噴射式霧化器霧化等。霧化時間長短可以分為持續霧化和間斷霧化。加溫霧化霧化氣流能夠避免在人工氣道口液滴形成、濕紗布覆蓋等引起的不安全因素，有助于保持患者呼吸道正常功能，能使氣管和支氣管充分擴張濕化，起到較好改善肺部通氣的作用[6-7]。持續霧化會導致患者發生缺氧，所以臨床上主張小劑量間斷霧化優于持續霧化。但是如果濕化液中加入抗生素盡量不要選用霧化加濕。
1.3 人工鼻（HME）
人工鼻（HME）是根據人體解剖濕化系統的機制所模擬制造的替代性裝置，可通過保留呼出氣體內的熱量、水分，對吸入的氣體起到加溫和濕化的作用，并且能夠過濾細菌和塵粒。具有避免濕化過度或濕化不足、無效死腔量少、減少肺部感染等優點。由于HME簡單，安全和輕便，因此可廣泛用于使用呼吸機、氣管切開和氣管插管患者。陳蓮芳等[8]的研究結果也表明應用人工鼻濕化效果明顯優于濕化灌組。人工鼻的缺點在于不提供額外熱量和水氣，因此對于痰多黏稠并且存在脫水、低溫或肺疾患引起的分泌物滯留患者，人工鼻并不是理想的濕化裝置[9]。
2 濕化液的選擇
臨床護理中根據痰液性狀，選擇合適的濕化液，可顯著改善痰液性狀，減少痰量及痰痂，減少肺部感染發生，提高人工氣道護理的質量。目前臨床上最常用的濕化液是蒸餾水、純凈水和0.9%氯化鈉溶液。無菌蒸餾水和0.45%鹽水濕化效果優于0.9%氯化鈉溶液，其原因在于0.9%氯化鈉溶液進入支氣管后水分可快速蒸發，導致鈉離子在肺泡支氣管沉積形成高滲，從而容易引起支氣管水腫，不利于氣體交換，而0.45%鹽水對氣道無刺激作用。蒸餾水稀釋黏液的作用強，但其刺激性也強，故只有在分泌物稠厚，量多，需積極排痰的情況下才使用蒸餾水；劉海燕等[10]分別用0.9%氯化鈉、0.45%氯化鈉、滅菌注射用水和1.25%碳酸氫鈉溶液進行氣道濕化，于每次吸痰前注入濕化液2～4 mL。研究結果表明0.45%氯化鈉溶液具有較好的濕化效果；對于分泌物多且黏稠的患者，滅菌注射用水效果較好；而對于痰痂、血痂形成的患者，建議用1.25%碳酸氫鈉溶液。李紅等[11]采用碳酸氫鈉聯合鹽酸氨溴索用于氣管切開患者術后進行氣道濕化，能使患者痰液得到有效地稀釋，改善了肺通氣功能，有效地清除氣道痰液，從而減輕患者的痛苦，降低護士護理工作風險系數。
3 濕化液的溫度
在采取濕化措施時，需要對氣體的溫度進行控制。由于正常人體內熱量的放散7%～8%由肺負擔，如果長時間吸入溫度過高氣體，會導致體溫升高，患者會出現喉痙攣、發熱、出汗、呼吸功能增加等癥狀，嚴重者甚至可發生氣道燒傷和高熱反應。如果濕化液溫度過低，纖毛運動會受到抑制，失去濕化效果，氣道過敏者易誘發哮喘發作甚至寒戰反應。所以濕化液應該保持在32～35℃，逐漸升至37℃水平。這種溫度下相對濕度可維持纖毛活動的生理要求，若需要加強濕化，應相應提高吸入氣體溫度，但應小于40℃。
4 濕化液的量及速度要求
痰液黏稠程度以及引流是否通暢是衡量濕化效果的可靠指標，通常情況下每日不少于250 mL，但確切的量仍需視臨床情況調整。濕化液的用量取決于體溫、室溫、通氣量大小、空氣濕度、患者吸入氣量的多少、痰液的量和性質等多種因素。姜超美等[12]將痰液黏稠度分級，根據痰液黏稠度確定濕化液用量。
總之，建立人工氣道患者要保持呼吸道的通暢和濕化，其中氣道濕化是氣道管理中最重要的，氣道濕化效果體現了護士對患者氣道管理的水平。人工氣道的濕化方法很多，臨床效果評價也不盡相同。但總體上來說，人們對氣道濕化的效果研究越來越重視，在濕化的原理和方法方面進行了大量的臨床試驗和研究，也取得了很多進步。隨著人工氣道技術的不斷應用和逐漸成熟，筆者對人工氣道濕化的方法將會有更深的了解和研究進展，從而為臨床護理工作提供更優化的氣道護理方法，從而進一步提高臨床療效，確保患者的舒適和安全。
[參考文獻]
[1] 李秀川. 氣管切開氣道濕化患者濕化量的研究[J]. 蚌埠醫學院學報，2010，35（7）：731-732.
[2] 余明杰，倪玲云，周碧君. 氣管切開患者氣道濕化的管理[J]. 現代中西醫結合雜志，2006，15（2）：255-256.
[3] 陳建芬，季玲，朱濱. 兩種氣道濕化法在氣管切開術患者應用中的效果觀察[J]. 基礎護理研究，2008，22（12）：3350-3351.
[4] 楊曉容. 三種氣道濕化方法的效果觀察及研究[J]. 四川醫學，2011，32（4）：610-611.
[5] 賀照球. 精密輸液器持續氣道濕化的效果觀察[J]. 現代護理，2006，12（14）：1331-1332.
[6] 袁月華，熊艷，葛慧青. 加溫霧化器在人工氣道中應用[J]. 護理學雜志，1999，14（5）：295-296.
[7] 潮欣暢，王美蓉，張磊潔，等. 溫霧化改善心臟直視術后肺通氣的臨床研究[J]. 實用護理雜志，2001，17（2）：24-25.
[8] 陳蓮芳，陶芳萍，王銀娥，等. 人工鼻在機械通氣患者氣道濕化中的應用[J]. 蚌埠醫學院學報，2010，35（7）：733-734.
[9] 胡祥芹，王春梅. 人工氣道濕化的研究進展[J]. 護理研究，2008，22（11）：2824-2826.
[10] 劉海燕，吳秋萍. 四種不同濕化液對人工氣道濕化的效果[J]. 皖南醫學院學報，2010，29（1）：76-77.
[11] 李紅，關華，高傳英. 碳酸氫鈉聯合沐舒坦用于氣管切開患者氣道濕化的護理[J]. 醫學臨床研究，2011，28（8）：1625-1626.
【關鍵詞】工業機器人;分揀;機器視覺;工件識別;定位
Abstract：Industrial robots have been widely used on industrial production line to complete a variety of operations such as workpiece handling，loading and unloading，etc.The machine vision can improve robotic flexibilities and Intelligence.This paper introduces researching machine vision for the workpiece Sorting technology of industrial robot. When workpiece enter the sorting operation area，machine vision system capture image information to extract the feature parameters of workpiece， recognize the workpiece types，colour，size，and to judge the position and posture of workpiece，and finally control the robot to implement the sorting action.Experiments prove the system work reliability，improve the efficiency and flexibility of the automatic production line.
Key words：industrial robot;sorting;machine vision;workpiece recognition;location
引言
工業機器人廣泛應用于搬運、上下料、焊接、噴涂、裝卸等生產領域。在對不同的物體進行分類拾取操作時，需要識別與定位，采用機器機器視覺系統可代替人眼做測量和判斷進行分揀。本文把機器視覺應用于工業機器人，搭建立了基于視覺的生產線工件分揀系統試驗平臺，采用模板匹配的方式識別，進行分類目標的定位，實現對不同顏色，高度或文字的工件準確、穩定的分揀，提高生產的柔性和自動化程度。
1.工業機器人分揀系統的構成
分揀作業是流水生產線上的一道重要的工序，將不同類型的工件或物料分類擺放到相應的位置，通過智能工業機器人系統可完成其操作。本文選用三菱六自由度工業機器人系統RV-3SD，歐姆龍智能機器視覺系統FZ4，三菱PLC FX3U組成工業機器人分揀控制系統為平臺，對機器視覺信息引導控制機器人的工作系統進行了研究。結構圖如圖1所示。
圖1 工業機器人分揀控制系統結構圖
1.1 工業機器人
三菱RV-3SD工業機器人系統是由六自由度垂直多關節型機器人本體，AC伺服控制器，輸入輸出信號轉換器和抓取機構組成。活動范圍半徑大于600mm，角度340°，可對工件進行抓取、吸取、搬運、裝配、測量、拆解等操作。
1.2 機器視覺
歐姆龍FZ4-350智能視覺系統，由視覺控制器、視覺相機及監視顯示器等組成。用于檢測工件的特性，如數字、顏色、形狀等，可以對裝配效果進行實時檢測操作。通過I/O電纜，串行總線或以太網總線連接到PLC或機器人控制器。
1.3 PLC可編程控制器單元
三菱FX3U FX3U-64MT可編程控制器用于控制機器人、電機等執行機構動作，處理各單元檢測信號，管理工作流程、數據傳輸等任務。
2.工業機器人分揀工作流程
生產線的分揀作業步驟主要分為定位、識別、抓取和放置四個階段。工業機器人分揀系統工作主要由相機標定、圖像處理、模式識別以及機器人控制部分構成。
相機標定為系統建立一個圖像坐標系與機器人坐標系，判定目標對象在機器人坐標系中所處的位置;圖像處理對相機拍攝到的圖像進行預處理，提取圖像中的某些特征，如顏色、長度、面積等，并根據這些特征來確定出中心坐標，圖像中目標工件的位置決定了它在空間的位置。
分揀工作過程如圖2所示，在工件進入視覺系統的采集區域后，將圖像數據送到計算機，計算機程序調用編寫好的圖像處理軟件包對圖像進行預處理，對處理后的圖像進行目標識別，提取圖像特征，采用模板匹配的方法識別出目標工件，對識別出的工件進行標定，將標定目標工件的位姿結果反饋給PLC，PLC控制機器人驅動關節運動執行拾取工件操作。
圖2 分揀工作流程
3.工件識別與定位
工件識別與定位的正確與否直接影響機器人分揀工件操作的結果。目標的識別定位大多依賴于圖像匹配技術，按匹配基元的不同主要分為區域匹配、相位匹配、特征匹配，其征匹配不直接依賴于灰度而得到廣泛應用。
3.1 圖像識別
圖像識別就是從圖像中找出與已知模式相似的目標圖像，即識別出物體并確定出它在整幅圖像中的位置和方向。圖像識別的一般流程，由模型庫、圖像信息獲取、圖像預處理、特征檢測和匹配組成。
從圖中找到所要的工件，將影像中的對象和背景分離出來，最常用的方法就是將影像二值化處理，再對二值化處理后的圖像進行判別與比對兩個待匹配形狀之間的相似性程度。
檢測彩色工件的文字編號是通過顏色灰度過濾先將彩色圖像轉換為黑白圖像，將特征圖像登錄為模型，然后對輸入的圖像搜索與模型最相似的部分，并檢測匹配程度和位置。檢測工件的顏色是通過計算測量區域內顏色的平均值與登錄過的基準顏色之差值以及測量區域內的色差進行比較。檢測工件高度是通過測量區域內的顏色變化對測量對象的邊緣位置進行測量對比。
以文字編號，顏色搜索為例，先將圖3（a）工件經過如圖（b）的特征圖像處理后登錄為模型，然后在輸入圖像中搜索與這些模型最相似的部分，并檢測位置，判斷判別相似度，如圖（c）相似度高，而圖（d）相似度低。。在分類識別時，針對模板庫的每個模板生成相識度。目標與哪一個模板的相似度度最高且大于某值，則目標被判斷為哪一類。利用平均色差來檢測工件顏色，比如圖（a）紅色，圖（c）中的工件為黃色。
圖3 圖像識別
通過與生產線實際需要登陸的模型進行匹配，判斷出需要分揀操作的工件，將結果數據通過串行接口方式，以利用指令的無序方式輸出至可編程控制器或PC等外部設備時使用。
3.2 定位
工件識別解決了搬運哪個工件，至于要搬的工件在哪，還需要對工件進行準確的定位。通過拍攝的圖像可計算定位目標工件的位置，先將工件在視頻圖像中的圖像坐標轉換為攝像機坐標，再結合攝像機標定轉換為世界坐標，得到相機器人位姿態坐標，根據機器人運動學得到機器人關節角度和電機驅動角度。
工件的定位是基于圖像計算出工件的中心坐標（x，y），本文的工件是圓柱型，垂直拍攝為圓面，所以僅計算出中心點位置。采用Thomas的最小面積誤差對圓心及半徑R作量測，其公式為：
利用最小平方誤差法將J最小化，分別對三個變量R，x， y各別進行偏微分且設定其微分值為0，可得R值為：
在計算出R值后即可知式中N為坐標點數，進而得知對象的所在坐標及其旋轉角度。找到工件中心后，從中心往左邊搜索找到目標物邊緣上的三個點，再通過比較這三個點的坐標，找到合適的兩點（x1，y1），（x2，y2），以求取該斜邊的斜率k，計算公式為k = tanθ=（y2-y1）/（x2-x1）再通過求反正切，計算公式為，便可求得夾角。
獲取了目標工件在圖像坐標系中的實時坐標后，機器人執行拾取時工件已在傳送帶上運動了一段距離，可根據傳送帶的速度對獲取的跟蹤目標位置進行預估補償來修正這一誤差。
4.實驗結果
經實驗結果表明該控制系統能夠準確、穩定地完成對工件形狀，顏色，文字等分揀工作，支持不規則形狀物體的匹配識別以及近似物體的區分。
5.結束語
本文利用視覺系統中攝像機的標定技術、圖像處理以及特征參數提取等，完成對工件識別定位，實現機器人分揀控制系統進行抓取，分類放置，為提高生產線的柔性打下基礎要求。
參考文獻
[1]焦恩璋，杜榮.工業機器人分揀技術的實現[J].組合機床與自動化加工技術，2010（2）：84-87.
[2]劉振宇，李中生，趙雪，鄒風山.基于機器視覺的工業機器人分揀技術研究[J].制造業自動化，2013，09（上）：25-30.
[3]李婷，柳寧.基于機器視覺的圓定位技術研究[J].計算機工程與應用，2012（9）：153-156.
關鍵詞：社會責任會計 博弈 成本控制
改革開放以來，我國經濟高速增長，人民生活水平日益提高，綜合國力也不斷增強。但是，在經濟發展的過程中，也出現了能源危機、環境污染嚴重、社會分配不公、職工生產安全以及消費者權益得不到保障等一系列社會問題，若不及時采取有力措施，勢必嚴重阻礙我國經濟的可持續發展。要走可持續發展道路，實現社會對資源的優化配置及有效利用，需要解決企業生產經營行為的外部性問題，即企業行為對社會的影響，而社會責任會計就是以會計的形式反映這種影響。
一、社會責任會計
社會責任會計運用會計學的基本原理與方法，采用多種計量手段和屬性，對企業生產經營活動所產生的社會影響、企業的社會責任及其履行情況進行反映和監督，以便向相關信息使用者（如：政府和群眾、企業內部管理部門、社會公眾利益集團等）提供有用的社會責任信息。
傳統的會計注重計量和反映企業追求利潤的過程與結果，但卻對企業從事生產經營活動產生的社會影響關注甚少。相較于傳統會計，社會責任會計更加強調會計與企業社會責任的有機結合，將會計學有效地運用于解決企業與社會形成的社會責任中，其目的在于提高企業、社會的整體效益。
社會責任會計作為傳統會計領域中新的拓展，加入了企業履行社會責任的成本以及社會收益，同時其發展還得益于會計學科與其他社會學科的結合運用。總的來看，社會責任會計不僅包括自身“經濟的”目標，也包括“社會的”目標。也就是說，在微觀領域中，它的主要目的是反映和報告單個企業的行為對社會所產生的影響；在宏觀領域中，它的主要目的則是反映和披露整個社會（國家）的經濟與社會業績。
二、企業與政府之間的博弈
為更好地論證企業實施社會責任會計的必要性，本文基于博弈論的視角，主要通過企業與政府雙方的“成本―效益”進行博弈分析研究。
在此，首先設定博弈分析的假設前提：1.參與博弈的雙方都是理性人，都追求自身利益的最大化；2.參與博弈的雙方都知道對方的策略以及各種策略的成本或收益。
（一）博弈要素的分析
企業作為一個理性經濟人，追求自身經濟利益最大化是其最終目的。但是，企業在生產經營及其發展的過程中，同時會產生對社會的影響。而政府作為企業的監管機構及社會的管理機構，代表著社會公共權力的同時，也對社會（公共利益）的管理有著不可推卸的責任。因此，政府會希望企業能將社會責任成本、收益等內部化，正確反映和披露企業主體對社會的影響情況，并能自覺承擔其應當承擔的社會責任。假設：
1.社會責任總成本為A+B（A>0，B>0），A是指企業應承擔的部分成本；B是指政府應當承擔的部分成本。
2.若企業承擔了自己應當承擔的那部分成本，也即企業履行了相應的社會責任，例如在對環境的責任上，企業合理利用資源，減少資源浪費。采用合理的方式，防治廢氣、廢水等環境污染源；企業充分尊重并主動維護消費者權益，成為消費者信賴企業，營造良好銷售風氣等。這也就是說，企業加強了社會責任“意識”，并以社會責任會計的形式進行確認成本及收益（將該部分成本及收益內部化），及時反映并報告該社會影響。此時，對于政府而言，將會出現以下兩種策略：
一是政府嚴格監管，政府將會對企業進行一定的獎勵，比如稅收的優惠、貸款利息的優惠等，這部分的獎勵就可以看成是企業履行社會責任，實施社會責任會計、加強社會責任成本控制所取得的收益。同時，企業因此而獲得的社會信譽、美譽，也可以看成是企業潛在的社會收益。在此，將這些優惠或收益表示為S。
二是政府監管不嚴，即政府對企業是否履行社會責任、是否實施社會責任會計或是否對企業生產經營產生社會影響進行報告與披露等方面，不予監管、置之不理，則企業就得不到上述的獎勵。
3.若企業不承擔自己應承擔的那部分成本，也就是企業不履行自己應負的社會責任，僅僅單純的追逐利潤，罔顧社會公眾利益。此時，政府也將面臨以下兩種策略：
一是政府監管嚴格，政府勢必會對這部分企業進行處罰，比如罰款、賠償損失、吊銷營業執照等，情節嚴重的甚至會將有關涉事人員移交司法機關追求其刑事責任。這些處罰（罰金、企業信譽受損等）可表示為F。
二是政府監管不嚴，則企業將不會受到處罰，也就是說企業將不用花費任何成本費用。
具體的收益矩陣見上表。
（二）博弈雙方的成本分析
1.從政府的角度來看：
（1）當政府選擇Y，也就是對企業進行嚴格監管。此時，政府為之付出的成本（取得的效益）C（Y，α）=B+S，或者C（Y，β）=B+A-F；
（2）當政府選擇N，也就是對企業不實施監管。政府所付出的成本（取得的效益）C（N，α）=B，或者C（N，β）=B+A。
在這個博弈中，當企業選擇實施社會責任會計，加強社會責任成本控制（自覺履行社會責任）時，政府選擇對企業進行嚴格監管的成本（B+S）要大于對企業不實施監管的成本B；而當企業選擇不實施社會責任會計，不進行社會責任成本控制（不履行社會責任）時，政府選擇嚴格監控的成本B+A-F則小于不監控的成本B+A。也即政府在這個博弈中不存在嚴格的優勢策略。
2.從企業的角度來看：
（1）當企業選擇α，即實施社會責任會計，加強社會責任成本控制。此時，企業為之付出的成本（取得的效益）C（Y，α）=A-S，或者C（N，α）=A；
（2）當企業選擇β，即不實施社會責任會計、不進行社會責任成本控制，不承擔應承擔的社會責任。企業所付出的成本（取得的效益）C（Y，β）=F，或者C（N，β）=0。
在這個博弈中，當政府選擇嚴格監管時，企業不實施社會責任會計、不進行社會責任成本控制的成本為F；企業實施社會責任會計，加強社會責任成本控制的成本為A-S。而當政府選擇不監管時，企業不實施社會責任會計的成本0，小于企業實施社會責任會計的成本A。
因此，若F
三、分析結論
（一）明確政府社會監管責任、加大懲處力度有助于企業主動承擔其社會責任
政府應加強社會責任監管，對于那些不履行社會責任、不實施社會責任成本控制的企業加大懲處力度，即要使得F>A-S。也就是說，要使企業受到處罰而付出的代價大于企業履行社會責任、實施社會責任會計的所花費成本。
而在實際生產經營過程中，部分企業明知不履行自身應承擔的社會責任將會受到政府的處罰，仍愿意以身試法，承擔政府的懲罰，究其原因，主要是政府的懲處力度過小，甚至小于企業承擔自身應負社會責任（即進行社會責任成本控制、實施社會責任會計）的成本。在這種情況下，企業會選擇付出代價較小的政府懲處，也不去承擔成本較大的社會責任，更不會實施社會責任會計了。
因此，應明確政府社會監管責任，加強社會責任監管，加大對罔顧社會責任企業的懲處力度，并引導企業自覺樹立社會責任觀，促使企業積極主動承擔自身應負的社會責任，實施社會責任會計、加強社會責任成本控制。
（二）提高企業社會責任意識、擴大獎勵范圍有助于企業積極承擔其社會責任
企業社會責任意識的提高是社會責任會計有效實施的重要基礎。企業作為社會經濟發展中的重要分子，其具備較強的社會責任意識，自覺承擔社會責任，不僅能給企業營造更大的生存與發展空間，還能促進企業經濟效益和社會效益的共同進步與發展。
而在實現經濟的可持續發展、企業社會責任的培育中，不僅政府的監督、約束作用必不可少，而且引導、鼓勵等宏觀調控和管理也顯得非常重要。即政府可以適當提高獎勵S，使企業實施社會責任會計、進行相關成本控制的成本（A-S）降低，積極促進企業轉變觀念，自覺承擔社會責任，并主動將企業的社會責任信息進行披露。
綜上所述，若F>A-S，則企業不會選擇β策略。即當政府加大懲處力度，F增加時，相對的（A-S）就小了；或者政府提高獎勵力度，S增加時，相對的（A-S）減少，而相較之下F則增加了。此時，企業會傾向于選擇α策略。也就是說，通過政府的賞罰分明、約束與引導，企業將選擇成本最小、收益最大的策略（α）――實施社會責任成本會計（承擔社會責任）并積極進行社會責任成本控制。那么，該選擇最終將帶來企業效益與社會效益的雙贏，實現社會資源的優化配置，實現經濟與社會的和諧、可持續發展。
四、實施社會責任會計的建議
（一）加強法治，建立健全相關法律法規、制度
加快建立和完善相關法律法規與制度，規范社會責任會計、明確企業應承擔的社會責任和義務。加強法治，對損害社會利益、給社會造成“外部不經濟”的企業進行懲處；正確引導，對自覺承擔社會責任、給社會造成的“外部經濟”的企業進行獎勵并鼓勵發展。通過嚴明法治，保障社會責任會計的有效實施與管理。
（二）加強研究，建立與健全社會責任會計體系
社會責任會計體系的建立與完善是推進社會責任會計理論發展和社會責任會計得以實施的重要基礎。因此，在廣泛借鑒國外先進研究成果的同時，應結合我國實際國情及企業的現狀，積極構建中國特色的社會責任會計體系，加強社會責任會計的理論與實務研究。
（三）加強教育，做好社會責任會計教育培訓
社會責任會計主要是從社會角度反映企業的外部，無論是在理論基礎上，還是內容、方法上都與傳統的會計存在很大差別。因此，一些傳統的會計概念、原則等都不適用于社會責任會計。為準確、完整的反映企業社會責任信息，做好相應成本控制，應加強社會責任會計的教育培訓、提升相關人員的專業素質。
（四）加強宣傳，提高全社會的社會責任意識
隨著經濟的發展，社會將更加關注企業的社會責任。應通過多種宣傳方式和途徑加大對企業履行社會責任的宣傳，提高全社會的社會責任意識。這不僅有益于提升社會對企業社會責任的關注度，也能合理反映、評價企業所承擔社會責任，推動社會責任會計的發展。
參考文獻：
[1]李潔.低碳經濟下社會責任會計的發展與應用[J].會計之友，2012（6）.
