智能人机交互HRI图像搜索与智能应用课件

1、 机器人交互（RHI）历史及发展简介周佳齐机器人交互（RHI）历史及发展简介1.智能人机交互（ HRI ）领域概略2.智能人机交互的早期历史3.智能人机交互作为一个独立领域被研究4.怎样定义一个HRI问题5. HRI里的问题域6.智能人机交互的挑战与解决方案、途径7.与其他领域的联系8.总结1.智能人机交互（ HRI ）领域概略一、智能人机交互（ HRI ）是一个理解、设计、评估机器人的使用及与人之间的互动的一个领域。二、分为远程交互与近程交互。三、邻近的交互可以包括物理性交互、社会性交互（包括社会，情感和认知方面的相互作用）。在社会交往中，人类与机器人作为同行或同伴生活。四、智能人机交互（

2、HRI ）是一个新领域，需要很强的工程能力与跨学科的交叉合作方法。2.智能人机交互的早期历史一、人类对机器人的概念，早在几个世纪前的宗教，神话，哲学和小说中就存在了：（1）达芬奇在1495年勾勒出了一个机械人。（2）古希腊诗人荷马的长篇叙事诗伊利亚特中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司，就用黄金铸造出一个美丽聪颖的侍女。（3）西周时期，能工巧匠偃师研制出了能歌善舞的伶人。.2.智能人机交互的早期历史二、阿西莫夫定律是为HRI的第一个设计师的指导方针： 第一、机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观；第二、在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类给与的任何命令；第三、在不违反第一定律和第二

3、定律的前提下，机器人必须尽力保护自己。“零定律”:机器人必须保护人类的整体利益不受伤害整体来说，这个定律很难实现，阿西莫夫自己也承认不太可能，只有在规则推动智能的情况下可能实现，但也会出现难以解决的悖论；而以神经网络的方式所实现的智能目前认为不可能用此定律进行约束。2.智能人机交互的早期历史另一个科幻作家罗杰克拉克在一篇论文中还指出了三条潜在的定律：元定律：机器人可以什么也不做，除非它的行动符合机器人学定律。此定律置于第零、第一、第二、第三定律之前。 第四定律：机器人必须履行内置程序所赋予的责任，除非这与其他高阶的定律冲突。 繁殖定律：机器人不得参与机器人的设计和制造，除非新的机器人的行动服从

4、机器人学定律。2.智能人机交互的早期历史1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。第一个突破，基于行为的机器人技术突破整体集中式系统的反馈循环，而是采用分布式反馈循环，对外界刺激作出适当反应。这些分布的响应的组合可以产生非常复杂的反应行为，环境变化有相当的鲁棒性。第二个突破，混合架构的出现，这些架构允许机器人同时拥有基本行为反应与复杂和持久的高级别认知推理与人类互动。仿人机器人：自主机器人具有拟人化的尺寸，

5、模仿类似人类的行为，包括自主运动和人类类似的推理，也被称为人形机器人。在这方面的工作已经持续了超过十年，并正在迅速升温。2.智能人机交互的早期历史2.智能人机交互的早期历史RobonautRobonaut是美国航空航天局(NASA)和通用电气联合开发的一种航天机器人，这种机器人将主要用于航空作业以及汽车制造业。Robonaut被设计成一种具用先进的机械控制技术，灵敏的传感器和视觉技术的未来机器人。它拥有一双像人类一样灵活的手臂，“双手”能应付各种复杂的操作，这种特殊的机器人未来将取代航天员完场舱外的航天作业任务。国外媒体报道，2010年9月，国际空间站将迎来历史上首位机器人成员。该机器人成员的

6、主要工作任务在于执行国际空间站中危险及重复的太空作业，以节省人手和时间使得空间站的其他宇航员可以从事其他太空研究工作。机器人的早期工作中，人类与机器人的交互有两种范式：控制操作和监控。与一个完全自主的机器人的交互可能包括高层次的监督和指导，提供目标和维护机器人的知识世界，任务和它的约束。2.智能人机交互的早期历史3.智能人机交互作为一个独立领域被研究始于20世纪90年代中期和2000 早期发生在这个时间段的关键事件众多，多学科的研究方法是出现这些事件的催化剂，研究人员开始从机器人，认知科学，人为因素，自然语言，心理学等学科角度研究人机交互，开始认识到跨学科合作的重要性。国际人工智能协会AAAI

7、、 IEEE、机器人与自动化ICRA 4.怎样定义一个HRI问题HRI的问题是要了解机器人与一个或多个人类或一个或多个机器人之间的交互。评价指标的好坏，及其设计技术和相关实施过程是HRI的重要组成部分。工作本质上是跨学科的，需要认知科学，语言学和心理学，从工程设计，数学和计算机科学方面的知识，并从人因工程方面设计。本质上说，设计者可以影响会影响人类和之间的相互作用五个属性：（1）行为的自主控制程度。（2）信息交互的情况。（3）协作团队的情况。（4）人与机器人的培训，学习，适应。（5）任务塑造。4.怎样定义一个HRI问题（1）行为的自主控制程度：1 。电脑没有提供任何协助。2 。计算机提供了一套

8、完整的行动方案，包括所有方法。3 。电脑缩小了方案规模到几个最佳选择之中。4 。电脑提示具体的动作。5 。如果人批准，计算机自动执行操作。6 。电脑让人在有限的时间之前否决方案，否则执行。7 。电脑会自动执行，然后自动告知人们具体的情况。8 。自动执行后，只有当人问起的时候电脑才会通知人。9 。自动执行后，只有当它决定了应该通知人的时候才会通知人。10 。计算机自主决定一切的行为，忽略人的干涉。4.怎样定义一个HRI问题自主控制程度：最高目标是能够完全对等合作交流的伙伴关系。4.怎样定义一个HRI问题自主控制主要使用控制理论技术，也包括人工智能，信号处理，认知科学和语言学等方面的技术。感知 -

9、 计划 - 行动模式：虽然这种模式一直受到很多批评 ，有些批评是正确的，但大部分的批评是由于初期机器人的硬件限制，而不是模型本身的缺陷。这个模型通过人工智能技术，例如逻辑和规划来进行计划行动。该模型还可以结合控制理论，已经非常成功在航空，航天，导弹控制等领域使用。感知 - 思考 - 行动模式：低级别的反馈行动与较高级别的推理相分离，这种混合体系结构的形式化框架被称为智能控制理论 。已经能够产生出自主控制，真正有用的活动人形机器人。机器人控制算法的进步，传感器，传感器处理以及推理算法的进步，包括信念 - 愿望 - 意图架构的出现，将会推动下一步的自主控制出现。4.怎样定义一个HRI问题（2）信息

10、交互：自主是HRI所需讨论的一部分，另一部分是采用何种方式进行信息交互。有一个指标用以衡量人类和机器人之间的交互效率：所要传达的意图正确传达给机器人的时间决定信息的方式两个主要维度：通信媒介与通信格式4.怎样定义一个HRI问题初级通信媒介是视觉，听觉，和触觉。这些媒介在HRI中表现如下：【1】可视化显示，通常呈现为图形用户界面或增强现实接口。【2】手势，包括手和面部动作和意图运动的特征。【3】语音和自然语言，其中包括听觉，语音和基于文本的应答，并且一般情况下着重于对话和多重互动。语音和自然语言为基础的交流可以尝试支持全自然语言，或者可以限制为自然语言的一个子集。【4】非语音音频，经常使用在警报

11、上面。【5】物理相互作用和触觉，经常使用远程在增强现实或遥操作来调用感尤其是存在于遥操作任务，并且还经常使用近因促进情感，社会和辅助交流。4.怎样定义一个HRI问题（3）协作团队的情况。一个重要的组织问题是，谁有权做出某些决定：机器人，接口软件，或者是人类吗？另一个重要的问题是，谁有权发布不同级别（决策，方法或实施）的指示或命令来让机器人进行实施？第三个重要问题是如何解决冲突，特别是当机器人在同多个人进行交换的情况下。第四个问题是，如何定义和支持一个合适的角色：机器人应当是作为同行、助理而行动，或作为从属机器并服从另一个机器人/人的指令，或者是完全独立行动？4.怎样定义一个HRI问题（4）人与

12、机器人的培训，学习，适应。对机器人的训练中，应当尽量减小人类的参与量。要适应相互合作，对双方的学习和适应都是必不可少的。并且有越来越多的证据表明，许多长期的相互作用需要长期的相互适应。机器人通过触发正确的心智模式的行为和众所周知的隐喻，例子包括经常提到的一些常识，来达到心理交互的层次。恐怖谷理论：恐怖谷理论是一个关于人类对机器人和非人类物体的感觉的假设。它在1970年由日本机器人专家森昌弘提出，当机器人与人类相像超过95%的时候。森昌弘的假设指出，由于机器人与人类在外表动作上都相当相似，所以人类亦会对机器人产生正面的情感；直至到了一个特定程度，他们的反应便会突然变得极之反感。哪怕机器人与人类有

13、一点点的差别，都会显得非常显眼刺目，让整个机器人显得非常僵硬恐怖，让人有面对行尸走肉的感觉。可是，当机器人的外表和动作和人类的相似度继续上升的时候，人类对他们的情感反应亦会变回正面，贴近人类与人类之间的移情作用。也许正因为如此，许多机器人专家在制造机器人时，都尽量避免“机器人”外表太过人格化，以求避免跌入“恐怖谷陷阱”。/20100326/n271103057.shtml/d/2006-08-03/16281069586.shtml/2006/08/11/china-first-beauty-robot4.怎样定义一个HRI问题2006 06 20104.怎样定义一个HRI问题（5）任务塑造。

14、指定一个任务是如何完成的，包括它应该怎么做，如何判断任务完成，包括考虑意想不到的后果。这些过程包括目标导向和任务分析。5. HRI里的问题域机器人可以担当的角色：监督者，操作者，机械合作者旁观者。能够承担的工作：协助盲人，和治疗老年人，机器人导师，自闭症儿童，社交互动，军队和警察，搜索和营救，机器人宇航员，娱乐机器人等等。基本人能做的事它们都能做，某些人不能做的事它们也能做。/d/2011-03-03/08465240156_2.shtml5. HRI里的问题域6.智能人机交互的挑战与解决方案、途径一个重要的领域是依靠多个学科的专家的合作。这些学科通常包括机器人技术，电气和机械工程，计算机科学

15、，人机交互，认知科学和人因工程。其他相关学科包括组织行为学和社会科学。第二个新兴的领域是创建真正的系统（机器人的自主性，交互模式等等），然后实验以人类为对象评估这些系统。工程，评估和建模是主要方面。第三个新兴的领域是进行实验，其中包括一个精心策划的模拟过程和结果。第四个领域是建立标准和通用指标。6.智能人机交互的挑战与解决方案、途径人形机器人是一个挑战区，无论是在工程方面类似人类的动作和表情，并且机器人需要一个人形。因此互动的社交和情感方面变得极为重要。自然语言交互是一个挑战问题，不仅因为它需要复杂的语音识别和语言的理解，而且还因为它不可避免地包括mixed-initiative问题的相互作用

16、，多模态相互作用，和认知模型相互作用。7.与其他领域的联系现代飞机是最有能力的半自主系统，未来无人机系统将成为主流。智能车辆系统人机交互（HCI ）人工智能与控制论：HRI经常使用的人工智能概念的自主设计算法。此外，人工智能技术已经学习并融合一些认知科学的概念。例如， ACT- R系统，一个流行的建模认知工具，采用人工智能的产生式规则。这种认知模式已日益成为对有关HRI 进行建模的工具和生成机器人的行为的基础。ACT-RACT-R（Adaptive Control of ThoughtRational） 是象征的认知架构，它已经被广泛使用来模拟人类认知行为的不同方面。ACT-R 已经被使用来研究人类性能的不同的方面包括感知和注意力、学习和记忆、问题解决和做决定、语言处理、智能代理、智能辅导系统、人类计算机交互。ACT-R 能够在很多不同的方面与 SOAR, DUAL, EPIC, Psi, Copycat 和包容架构相比较。 ACT-R是一种认知架构，用以仿真并