發(fā)布時(shí)間：2022-09-28 19:28:59
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
這個(gè)問(wèn)題正是Cynthia Breazeal前進(jìn)的動(dòng)力。Breazeal是美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實(shí)驗(yàn)室的個(gè)人機(jī)器人小組創(chuàng)始人，也曾是該小組的主管，絕對(duì)稱(chēng)得上是社交機(jī)器人領(lǐng)域里的領(lǐng)軍人物。最近，她從大學(xué)辭職，希望能專(zhuān)心開(kāi)發(fā)出史上首個(gè)家用社交機(jī)器人――Jibo。Breazeal的發(fā)明有一個(gè)宏大的愿景，那就是讓人性化的高科技機(jī)器人走進(jìn)千家萬(wàn)戶。
Breazeal認(rèn)為：“它（機(jī)器人）不僅要具有自然的溝通能力，還要能理解人類(lèi)的思維方式。每當(dāng)我們體驗(yàn)這個(gè)世界，做決定并采取行動(dòng)，我們當(dāng)然會(huì)考慮相關(guān)信息，但我們也會(huì)考慮其他因素。機(jī)器人可以有社交功能，也能有真情實(shí)感，更是實(shí)實(shí)在在的物體。不僅如此，只要支持人類(lèi)全面體驗(yàn)的技術(shù)越多，人類(lèi)自身的本領(lǐng)就會(huì)越強(qiáng)大。社交機(jī)器人可以算是歷史上首次在上述所有這些層面內(nèi)對(duì)人類(lèi)體驗(yàn)的一種綜合體現(xiàn)。”
多年以來(lái)，Breazeal一直在研究人性化的機(jī)器人，希望賦予他們?nèi)穗H交往的技巧，探究它們?nèi)绾瓮七M(jìn)兒童教育、醫(yī)治慢性病、高級(jí)護(hù)理等各種類(lèi)型的工作。甚至，社交機(jī)器人還可以幫助家庭成員更好地相處、互動(dòng)。例如利用相關(guān)技術(shù)，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(shí)時(shí)游戲。
Breazeal介紹，除了增進(jìn)交互，機(jī)器人技術(shù)也能有效地鼓勵(lì)人們改進(jìn)言行。機(jī)器人可以扮演教練，指導(dǎo)用戶鍛煉身體。Breazeal發(fā)現(xiàn)，和人類(lèi)相似的外形、溝通手段、動(dòng)作和互動(dòng)方式可以產(chǎn)生比其他技術(shù)形式更持久、更重要并且更符合人們期望的成果。
她說(shuō)：“如果可以創(chuàng)造一種人性化的技術(shù)，讓人感到它對(duì)所有人一視同仁，那么人們就會(huì)更有能力，也會(huì)把事情做得更好?！?/p>
[關(guān)鍵詞]服務(wù)機(jī)器人； 人機(jī)交互；仿生材料；認(rèn)知互；物理互；安全性
中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0247-01
1 引言
人形交互式服務(wù)機(jī)器人是具備人類(lèi)外形特征和行動(dòng)能力，并且能完成有益于人類(lèi)服務(wù)工作的機(jī)器人。隨著當(dāng)今運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃、應(yīng)用工程和人工智能等學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)也不斷發(fā)展創(chuàng)新。人類(lèi)可以賦予機(jī)器人人類(lèi)外形和人類(lèi)的一些特征，使之可以更好的適應(yīng)人類(lèi)工作環(huán)境和更好的服務(wù)于人類(lèi)，甚至成為人類(lèi)親密的好朋友[1]。人形交互式服務(wù)機(jī)器人因此誕生 。近些年來(lái)對(duì)人形交互式服務(wù)機(jī)器人的研究取得了很大進(jìn)展，但仍存在技術(shù)上的難點(diǎn)，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)近些年國(guó)內(nèi)國(guó)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展做了總結(jié)和概括，通過(guò)分析當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)研究，探討了人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究思路和發(fā)展趨勢(shì)。
2 人形交互式服務(wù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代后期，人形機(jī)器人進(jìn)入研究視野，最初目標(biāo)是使機(jī)器人可以模仿人類(lèi)進(jìn)行雙足行走。1999年日本本田率先研究雙足仿人機(jī)器人的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，并在 2000 年了首款 ASIMO 機(jī)器人[2]麻省理工研制的機(jī)器人Kismet，能通過(guò)眼、鼻、耳等處的傳感器識(shí)別外界感情信號(hào)，可以識(shí)別喜、怒、哀、樂(lè)等感情表達(dá)，并作出相應(yīng)的表情動(dòng)作[3]。國(guó)際上MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能實(shí)驗(yàn)室、日本本田公司機(jī)器人研究中心、德國(guó)宇航中心機(jī)器人研究室等研究機(jī)構(gòu)都致力于人形交互式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。
2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究起步較晚，但機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速。2000年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)人形雙足機(jī)器人“先行者”研制成功，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)彎前行和手臂擺動(dòng)等基本動(dòng)作。西安超人雕塑研究院仿人機(jī)器人“索芙亞”具有聲音識(shí)別和眼部控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)眨眼、微笑、點(diǎn)頭等迎賓服務(wù)動(dòng)作[4]。北京理工大學(xué)研制的“匯童”BHR機(jī)器人[5]和浙江大學(xué)研制的Wu&Kong實(shí)現(xiàn)與人乒乓球?qū)Υ颍瑢?duì)打回合次數(shù)高達(dá)200多回合。
3 人形交互式服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
3.1 仿生學(xué)材料與結(jié)構(gòu)
人形交互式服務(wù)機(jī)器人從仿生學(xué)角度出發(fā)，具有仿造人體生物結(jié)構(gòu)、性狀、原理及其行為的特點(diǎn)。其中仿生學(xué)材料和結(jié)構(gòu)是機(jī)器人重要的關(guān)鍵技術(shù)和組成部分，通過(guò)對(duì)生物體材料構(gòu)造與形成過(guò)程進(jìn)行研究和仿生，使組成機(jī)器人所用的材料具有與構(gòu)成人體的生物材料強(qiáng)度、韌性及一些類(lèi)似的生物特性，這將大大提高機(jī)器人對(duì)人工作環(huán)境的適應(yīng)能力。當(dāng)前仿生皮膚和人造肌肉成為機(jī)器人仿生材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人體有諸多骨骼支撐，骨骼由關(guān)節(jié)和肌肉韌帶連接，這可以確保人體的靈活運(yùn)動(dòng)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的仿生是人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究的最高目標(biāo)。張永軍等根據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)原理 ， 提出一種上肢仿生機(jī)構(gòu) ， 并針對(duì)所提出的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)[6]。
3.2 智能交互性
人與服務(wù)機(jī)器人之間的交互主要分為認(rèn)知互和物理互。兩者相互作用才能完成人與機(jī)器人之間的互相配合。
3.2.1 認(rèn)知互
認(rèn)知互是指人與機(jī)器人通過(guò)力覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等感官性的接觸、肢體語(yǔ)言和語(yǔ)言交流，使機(jī)器人與人進(jìn)行理解性的溝通。符合人類(lèi)審美的外觀、對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境的高度適應(yīng)性以及能與人類(lèi)進(jìn)行有效準(zhǔn)確的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服務(wù)機(jī)器人最為關(guān)鍵的功能。
認(rèn)知互的實(shí)現(xiàn)需要仿生結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子傳感等技術(shù)相結(jié)合例如表情機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立和表情機(jī)器人結(jié)構(gòu)相匹配的面部柔性體模型，利用有限元分析方法對(duì)面部皮膚柔性體模型進(jìn)行分析和仿真，模擬仿人機(jī)器人的幸福、悲傷、驚奇、憤怒等基本面部表情，進(jìn)而通過(guò)位移載荷，控制區(qū)域，實(shí)現(xiàn)人的表情動(dòng)作[3]。
3.2.2 物理互
人與機(jī)器人的工作距離越來(lái)越近，兩者直接的相互接觸越來(lái)越多。當(dāng)機(jī)器人本體工作時(shí)，會(huì)與人類(lèi)相互接觸，這種情形稱(chēng)之為物理互。為了使人形交互式服務(wù)機(jī)器人得到更廣泛的應(yīng)用，機(jī)器人本體不僅需要具有友好的認(rèn)知互能力，還需要具有良好的人機(jī)肢體接觸交互能力。物理互主要分為主動(dòng)接觸交互和被動(dòng)接觸交互。
在人機(jī)被動(dòng)接觸交互的過(guò)程中，剛度控制的不合理、不準(zhǔn)確可能會(huì)對(duì)機(jī)器人自身或者交互對(duì)象造成嚴(yán)重的損傷。鑒于此，機(jī)器人的柔順性控制值得重視。其關(guān)鍵在于被動(dòng)柔順系統(tǒng)及柔順關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。如熊根良等利用關(guān)節(jié)力矩傳感器，阻抗控制策略和力反饋的軌跡規(guī)劃構(gòu)成了人機(jī)交互的柔順系統(tǒng)，有效地降低了碰撞瞬間的沖擊力。因此，被動(dòng)柔順系統(tǒng)及柔順關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步研究[7]。
3.3 安全性
人形交互式服務(wù)機(jī)器人要想長(zhǎng)時(shí)間的存在于人們的日常生活中，就必須保證機(jī)器人使用的安全性。機(jī)器人與人發(fā)生碰撞是機(jī)器人應(yīng)用過(guò)程中造成傷害的源頭。若交互時(shí)機(jī)器人不能滿足平衡性約束條件，就很容易導(dǎo)致機(jī)器人平衡穩(wěn)定性差甚至摔倒；若人機(jī)交互時(shí)手臂采用完全的剛性控制容易導(dǎo)致手臂的彎曲甚至折斷。因此，為了保證人和機(jī)器人的安全，有必要對(duì)人機(jī)肢體接觸交互時(shí)的安全性問(wèn)題和機(jī)器人平衡性問(wèn)題進(jìn)行深入研究[8]。
關(guān)于碰撞檢測(cè)與碰撞避免的研究說(shuō)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(guò)設(shè)計(jì)輕型機(jī)械臂、被動(dòng)柔順系統(tǒng)、設(shè)計(jì)柔順關(guān)節(jié)、設(shè)計(jì)被動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)等方式，可以增加機(jī)器人的安全性。提高機(jī)器人認(rèn)知性以及設(shè)計(jì)合理的交互控制參數(shù)也是提高機(jī)器人安全性的重要途徑。
4 人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展迅速，應(yīng)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(shù)上的難題，比如，如何提高機(jī)器認(rèn)本體交互功能準(zhǔn)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(xié)調(diào)，以及如何保證機(jī)器人使用的安全性的問(wèn)題等等。因此，人形交互式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)以認(rèn)知互為前提，物理互為目的，并使兩者相互配合、相互協(xié)調(diào)。例如在觸覺(jué)傳感器感知外界環(huán)境特性（軟和硬），語(yǔ)音識(shí)別判斷交互需求的基礎(chǔ)上，機(jī)器人可進(jìn)行物理互時(shí)的柔順性控制。人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：
（1）將傳統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)與仿生學(xué)材料、結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，提升機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。
（2）深入研究開(kāi)發(fā)傳感器技術(shù)，提升傳感器精度，為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)提供基本技術(shù)基礎(chǔ)。
（3）深入研究柔順性技術(shù)，并由剛性結(jié)構(gòu)向剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展。
（4）通過(guò)開(kāi)發(fā)新型材料和控制技術(shù)來(lái)減小碰撞對(duì)安全性問(wèn)題的不利影響。
相信隨著理論水平的不斷提高和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，上述問(wèn)題會(huì)得到一一解決，人形交互式服務(wù)機(jī)器人的整體性能將更加全面，工作效率將進(jìn)一步提高。
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【關(guān)鍵詞】AGV技術(shù) 巡檢機(jī)器人本體 導(dǎo)引方式
AGV是自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫(xiě)。在國(guó)內(nèi)電力領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始研制變電站自動(dòng)巡檢機(jī)器人，這種機(jī)器人系統(tǒng)一般主要有移動(dòng)機(jī)器人本體、自動(dòng)控制系統(tǒng)、信息檢測(cè)系統(tǒng)等部分。其采用了GPS定位、光碼盤(pán)校正定位、激光雷達(dá)掃描、路徑跟蹤技術(shù)、本體控制技術(shù)、臨場(chǎng)感應(yīng)遙控輔助、無(wú)線通信局域網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)劃分出相應(yīng)的子系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)了自控機(jī)器人在變電站現(xiàn)場(chǎng)自主巡檢的功能。機(jī)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(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、外部機(jī)械或電氣問(wèn)題如：異物、損傷、發(fā)熱、漏油等，診斷電力設(shè)備運(yùn)行中的事故隱患和故障先兆，對(duì)設(shè)備熱缺陷，聲音異常、移動(dòng)目標(biāo)、人與動(dòng)物闖入，煙霧能自動(dòng)判斷和報(bào)警，以便及時(shí)采取措施消除事故隱患。AGV 的導(dǎo)引技術(shù)是AGV 控制的核心技術(shù)，它決定了AGV 的導(dǎo)引方式。AGV 導(dǎo)引方式按導(dǎo)引線路的形式主要分固定路徑導(dǎo)引和自由路徑導(dǎo)引兩大類(lèi)。固定路徑導(dǎo)引是在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物，AGV 通過(guò)車(chē)體上的傳感器檢測(cè)出它的信息而得到導(dǎo)引。具體的線路可以是電磁感應(yīng)方式中的導(dǎo)引電纜、機(jī)械方式中的軌道、磁導(dǎo)引方式中的磁條及光導(dǎo)引方式中的反光帶等。自由路徑導(dǎo)引方式是指AGV 上存儲(chǔ)著布局上的尺寸坐標(biāo)，通過(guò)識(shí)別車(chē)體當(dāng)前方位，自主地決定行駛路徑。自由路徑導(dǎo)引方式主要有慣性導(dǎo)引、信標(biāo)定位、位姿積算及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等幾種。
一、導(dǎo)引方式
（一）電磁導(dǎo)引方式。利用電磁感應(yīng)的原理，在沿運(yùn)行線路的地面上設(shè)置一條寬約8mm、深約20mm 的淺溝，淺溝中敷設(shè)導(dǎo)線，饋以5-30kHz 的交變電流，以形成沿導(dǎo)線擴(kuò)展的交變電磁場(chǎng)，車(chē)上的撿拾傳感器接收此信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度的判斷使車(chē)輛正確地沿埋線跟蹤導(dǎo)向運(yùn)行。電磁導(dǎo)向有單頻制導(dǎo)向和多頻制導(dǎo)向兩種方式。單頻制方式是在整個(gè)線路上均提供單一頻率振蕩電磁信號(hào)，通過(guò)接通或斷開(kāi)各線路段的饋送電流來(lái)規(guī)定運(yùn)行線路，引導(dǎo)車(chē)輛運(yùn)行。這種導(dǎo)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(shè)傳感標(biāo)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(gè)環(huán)線或分支線都設(shè)置自己的線路頻率，分別由不同頻率的振蕩器來(lái)饋電。
（二）光學(xué)控制帶導(dǎo)引方式。光學(xué)導(dǎo)向系統(tǒng)有識(shí)別式和反射式兩種。它是在線路上敷設(shè)一種具有穩(wěn)定反光率的專(zhuān)門(mén)漆帶。導(dǎo)向車(chē)上裝備有發(fā)射和接收功能的紅外光源，用以照射漆帶，同時(shí)還設(shè)有接收反射光的光電傳感器，均勻分布在漆帶及兩側(cè)位置上，通過(guò)對(duì)由傳感器檢測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行比較計(jì)算，調(diào)整小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向，從而達(dá)到導(dǎo)向運(yùn)行的目的。
（三）激光測(cè)距與測(cè)角導(dǎo)引方式。該方法的主要特點(diǎn)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(jì)算AGV 的位置，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)。AGV 行駛過(guò)程中，車(chē)上的激光掃描頭不斷地掃描周?chē)h(huán)境，當(dāng)掃描到行駛路徑周?chē)A(yù)先垂直設(shè)定好的反射板時(shí)，即“看見(jiàn)”了“路標(biāo)”。只要掃描到三個(gè)或三個(gè)以上的反射板，即可根據(jù)它們的坐標(biāo)值，以及各塊反光板相對(duì)于車(chē)體縱向軸的方位角，由定位計(jì)算機(jī)算出AGV 當(dāng)前在全局坐標(biāo)系中的X 、Y 坐標(biāo)，距離和當(dāng)前行駛方向與該坐標(biāo)系X 軸的夾角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位和定向。該導(dǎo)引方法的特點(diǎn)是，當(dāng)提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后，AGV 導(dǎo)引與定位精度十分高，地面無(wú)需其他輔助定位，且路徑靈活，適合多種環(huán)境。
（四）超聲波制導(dǎo)方式。該方法類(lèi)似于激光測(cè)量方法，不同之處在于不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類(lèi)似物體就能進(jìn)行引導(dǎo)，因而在特定環(huán)境下提供了更大的柔性和低成本的方案。
（五） 磁導(dǎo)引方式。這種方式和電磁導(dǎo)引比較類(lèi)似，只是把導(dǎo)引線換成磁條。
（六） 視覺(jué)導(dǎo)引方式。視覺(jué)導(dǎo)引是通過(guò)CCD 攝像機(jī)生成AGV 周?chē)鷪?chǎng)景的圖象，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的環(huán)境地圖進(jìn)行特征匹配，從而可以確定出車(chē)體的當(dāng)前位姿。
（七） GPS導(dǎo)引方式。GPS導(dǎo)引方式通過(guò)全球定位系統(tǒng)對(duì)非固定路面系統(tǒng)中的控制對(duì)象進(jìn)行跟蹤和制導(dǎo)。
AGV有以上多種制導(dǎo)原理，其中，工廠AGV 大多采用電磁制導(dǎo)，而激光、視覺(jué)導(dǎo)航具有引導(dǎo)柔性好、工作可靠和智能化水平高的特點(diǎn)，已成為技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越AGV 的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室一般采用光學(xué)制導(dǎo)，其運(yùn)行范圍大，運(yùn)行精度高，地面費(fèi)用低，但要求工作環(huán)境清潔，不適于工作條件比較惡劣的環(huán)境。
二、系統(tǒng)構(gòu)成和意義
AGV控制系統(tǒng)中的三個(gè)主要技術(shù)：導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和導(dǎo)引控制。為了能夠解決好這些問(wèn)題，控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)、車(chē)載（單機(jī)）控制系統(tǒng)及導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設(shè)備，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配，車(chē)輛調(diào)度，路徑（線）管理，交通管理，自動(dòng)充電等功能；車(chē)載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負(fù)責(zé)AGV的導(dǎo)航計(jì)算，導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛行走，裝卸操作等功能；導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)為AGV單機(jī)提供系統(tǒng)絕對(duì)或相對(duì)位置及航向等。該系統(tǒng)的研制將大大降低電廠變電站相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，能在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)安全隱患，對(duì)突發(fā)事故能第一時(shí)間響應(yīng)并處置，從而避免或降低事故風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：機(jī)器人競(jìng)賽；創(chuàng)新實(shí)踐；項(xiàng)目教學(xué)法
作者簡(jiǎn)介：毛麗民（1981-），男，江蘇常熟人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，講師；劉叔軍（1962-），男，黑龍江寶清人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，教授。（江蘇 常熟 215500）
基金項(xiàng)目：本文系國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：61273312）、江蘇省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：BK2010261）的研究成果。
中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）01-0148-03
在國(guó)外院校，學(xué)生本科階段就開(kāi)設(shè)了機(jī)器人啟蒙課程，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人能夠有普遍地了解，研究生階段開(kāi)設(shè)關(guān)于機(jī)器人的更深層次的課程，而國(guó)內(nèi)高校本科階段開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程的相對(duì)較少。
機(jī)器人教學(xué)與其他學(xué)科教學(xué)的最大不同之處在于，機(jī)器人教學(xué)在學(xué)習(xí)上充分滲透了研究性學(xué)習(xí)的思想，而且機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐性非常強(qiáng)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。高校要把實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)擺在同等重要的位置，要不斷改革實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法。以機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法研究，對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)教育具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
一、項(xiàng)目教學(xué)方法
“給你55分鐘，你可以造一座橋嗎？”這是德國(guó)教育專(zhuān)家弗雷德·海因里希教授在“德國(guó)及歐美國(guó)家素質(zhì)教育報(bào)告演示會(huì)”上介紹“項(xiàng)目教學(xué)法”的一個(gè)實(shí)例。首先由學(xué)生或教師在現(xiàn)實(shí)中選取一個(gè)“造一座橋”的項(xiàng)目，學(xué)生分組對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行討論，并寫(xiě)出各自的計(jì)劃書(shū)；接著正式實(shí)施項(xiàng)目——利用一種被稱(chēng)為“造就一代工程師偉業(yè)”的“慧魚(yú)”模型拼裝橋梁；然后演示項(xiàng)目結(jié)果，由學(xué)生闡述設(shè)計(jì)思想和構(gòu)造機(jī)理；最后由教師對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)以上步驟，可以充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)和提高他們的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力、分析能力和綜合能力。
以機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法研究，就是要將項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用到機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐中，把各項(xiàng)理論知識(shí)和實(shí)踐技能有機(jī)地結(jié)合，將機(jī)器人的項(xiàng)目分解成多個(gè)明確的目標(biāo)任務(wù)，讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間里獨(dú)立完成相應(yīng)的任務(wù)，其目的在于充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。通過(guò)實(shí)踐探索出一種能提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性的機(jī)器人教學(xué)模式。在實(shí)施“機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法”時(shí)，重視機(jī)器人項(xiàng)目的選擇、機(jī)器人具體成果展示、教師的評(píng)估與總結(jié)、充分利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源并使之與現(xiàn)代化教學(xué)相結(jié)合，這是搞好“項(xiàng)目教學(xué)法”的關(guān)鍵。
二、機(jī)器人競(jìng)賽
機(jī)器人競(jìng)賽是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng)，形式繁多，內(nèi)容豐富。設(shè)計(jì)方案的開(kāi)放性，也為學(xué)生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實(shí)現(xiàn)同一個(gè)項(xiàng)目，通過(guò)比賽，激發(fā)其對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們積極探索機(jī)器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺(tái)。
中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開(kāi)賽：1999年，在RoboCup 國(guó)際委員的支持和授權(quán)下，首屆中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開(kāi)賽在中國(guó)重慶舉辦，目前是中國(guó)機(jī)器人最具影響力的賽事，比賽共設(shè)立12類(lèi)65項(xiàng)賽事。機(jī)器人競(jìng)賽種類(lèi)多、規(guī)模大、水平高，為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了很好的平臺(tái)。
“未來(lái)伙伴”杯中國(guó)智能機(jī)器人大賽（暨國(guó)際機(jī)器人滅火比賽中國(guó)賽區(qū)選拔賽），是中國(guó)人工智能機(jī)器人專(zhuān)業(yè)委員會(huì)等多個(gè)單位主辦的一項(xiàng)全國(guó)性賽事。大賽包含機(jī)器人救火大賽、機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人創(chuàng)新大賽、機(jī)器人搜救大賽、機(jī)器人擂臺(tái)賽和機(jī)器人舞蹈戲劇大賽等6個(gè)主題項(xiàng)目。其中機(jī)器人救火大賽是國(guó)際賽制機(jī)器人滅火比賽（暨國(guó)際機(jī)器人滅火比賽中國(guó)賽區(qū)選拔賽）。
“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽，由教育部委托高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦。競(jìng)賽分競(jìng)速賽與創(chuàng)意賽兩類(lèi)比賽。自2006年首次舉辦以來(lái)，“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。
三、機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施
機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng)，機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣，同時(shí)將創(chuàng)新實(shí)踐、競(jìng)賽引入教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究。
“機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)法”的一般教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示：
“項(xiàng)目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽(tīng)”被動(dòng)的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。
本文以參加2012年中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開(kāi)賽的醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人組的項(xiàng)目為例，在比賽初期確定人員，將不同專(zhuān)業(yè)和不同年級(jí)的學(xué)生組成一個(gè)競(jìng)賽小組，研究競(jìng)賽規(guī)則、制定項(xiàng)目方案、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試，學(xué)生分工合作，過(guò)程中集思廣益、取長(zhǎng)補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作。這種在探索中學(xué)習(xí)的過(guò)程是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法，按照以下六個(gè)教學(xué)步驟進(jìn)行：
1.項(xiàng)目的申請(qǐng)
根據(jù)學(xué)院參加機(jī)器人競(jìng)賽的實(shí)際情況，中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽，作為全國(guó)最具影響力的機(jī)器人比賽。本學(xué)院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人游中國(guó)、擂臺(tái)等機(jī)器人項(xiàng)目，學(xué)生可以針對(duì)感興趣的比賽項(xiàng)目，或者根據(jù)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，申報(bào)項(xiàng)目，填寫(xiě)申請(qǐng)書(shū)。教師針對(duì)學(xué)生申報(bào)的項(xiàng)目，分析學(xué)生的實(shí)際情況，建議選擇項(xiàng)目規(guī)模和難度適中的項(xiàng)目。
中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)，而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會(huì)呈上升趨勢(shì)，老齡化將更加嚴(yán)重。老齡化使社會(huì)的勞動(dòng)力減少，一些老年人不僅不能參加勞動(dòng)，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(huì)的負(fù)擔(dān)。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時(shí)不時(shí)會(huì)有行動(dòng)不便的病人需要護(hù)士和家人的攙扶。而在沒(méi)有人幫助的情況下，行動(dòng)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(xué)生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)，設(shè)計(jì)一種醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人。
2.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的建立
建立學(xué)生團(tuán)隊(duì)，營(yíng)造互相競(jìng)爭(zhēng)、互相幫助的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生在做項(xiàng)目過(guò)程中攜手合作，彌補(bǔ)相互間的不足，遇到問(wèn)題大家一起討論解決，這讓學(xué)生體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的重要性，做到共同進(jìn)步。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)的學(xué)生分工明確，每人負(fù)責(zé)項(xiàng)目的某一部分，使學(xué)生真正參與到項(xiàng)目中，整個(gè)項(xiàng)目的完成，離不開(kāi)每一個(gè)學(xué)生，學(xué)生為使項(xiàng)目不會(huì)因?yàn)樽约贺?fù)責(zé)的部分沒(méi)有完成而主動(dòng)學(xué)習(xí)，主動(dòng)查資料，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生團(tuán)隊(duì)的建立，應(yīng)考慮學(xué)生的專(zhuān)業(yè)，年紀(jì)，特長(zhǎng)等因素。教師確定一名隊(duì)長(zhǎng)，根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，隊(duì)長(zhǎng)可以自己招學(xué)生，實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理學(xué)生。
參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)，筆者選擇了5名學(xué)生，隊(duì)長(zhǎng)由09級(jí)的一名學(xué)生擔(dān)任，該生組織能力比較強(qiáng)，專(zhuān)業(yè)能力也比較脫出，由他負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展，匯報(bào)工作。其他學(xué)生分別是1名2009級(jí)的，2名2010級(jí)的，1名2011級(jí)的，專(zhuān)業(yè)分別是自動(dòng)化、測(cè)控、電氣。
3.項(xiàng)目任務(wù)、計(jì)劃的制定
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人制定機(jī)器人項(xiàng)目工作計(jì)劃，確定工作步驟。機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的智能儀器。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人由小組討論決定，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人外形像輪椅，病人能夠獨(dú)自駕駛?cè)セ?yàn)室拿取報(bào)告，去門(mén)診找醫(yī)生復(fù)診，降低護(hù)士工作量及病人家屬的負(fù)擔(dān)。為使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人，該團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人設(shè)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(shí)需要被移動(dòng)到病床上的麻煩。機(jī)器人將現(xiàn)場(chǎng)鍵盤(pán)控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)護(hù)士對(duì)病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中，檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)就會(huì)立刻停下，減少不必要的事故。同時(shí)機(jī)器人配備了機(jī)械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。
根據(jù)團(tuán)隊(duì)中學(xué)生的專(zhuān)業(yè)、特長(zhǎng)等分配任務(wù)，負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生需要畫(huà)圖紙、電焊等來(lái)完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手的設(shè)計(jì)；電路設(shè)計(jì)的學(xué)生制作包括單片機(jī)電路、電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、紅外避障電路、鍵盤(pán)輸入電路；測(cè)控專(zhuān)業(yè)的學(xué)生負(fù)責(zé)電路的測(cè)試、場(chǎng)地的制作等工作；程序編寫(xiě)的學(xué)生，完成程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試；控制界面的設(shè)計(jì)由另外一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)，主要是VB編寫(xiě)上位機(jī)、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍(lán)牙通信的調(diào)試。
根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的特點(diǎn)，學(xué)生在制作過(guò)程中可適當(dāng)?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項(xiàng)目完成的時(shí)間確定工作步驟，進(jìn)行時(shí)間分配。最終得到教師的認(rèn)可才能執(zhí)行。
4.項(xiàng)目制作
學(xué)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?；跈C(jī)器人項(xiàng)目的作品成果形式多種多樣，可以是調(diào)查報(bào)告、實(shí)物模型、演講稿、論文等。通過(guò)展示作品成果，可反映學(xué)生在項(xiàng)目完成過(guò)程中所掌握的技能。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成果包括機(jī)器人模型一個(gè)、機(jī)器人設(shè)計(jì)與使用說(shuō)明書(shū)一份、演講稿一份。在本項(xiàng)目比賽結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生按照他們?cè)O(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人撰寫(xiě)論文、申請(qǐng)專(zhuān)利。
5.項(xiàng)目檢查評(píng)估
整個(gè)項(xiàng)目檢查評(píng)估采用答辯的形式向教師匯報(bào)，首先由隊(duì)長(zhǎng)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)，再由隊(duì)員對(duì)自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報(bào)和自我評(píng)估，并且對(duì)設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行展示，教師根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進(jìn)行檢查，為到現(xiàn)場(chǎng)比賽作準(zhǔn)備。
針對(duì)項(xiàng)目中出現(xiàn)的問(wèn)題，師生共同討論，教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題，解決問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)對(duì)比師生評(píng)價(jià)結(jié)果，找出造成結(jié)果差異的原因
6.項(xiàng)目資料歸檔或應(yīng)用
為使學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，項(xiàng)目結(jié)束后，教師監(jiān)督學(xué)生將項(xiàng)目工作資料整理歸檔，材料包括項(xiàng)目申報(bào)書(shū)、進(jìn)度表、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計(jì)流程、機(jī)器人控制程序、項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)書(shū)、項(xiàng)目報(bào)告講義等。
四、機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的成果
機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐是一個(gè)綜合性、高難度的科技制作過(guò)程，有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)方案，選擇合適的元件，設(shè)計(jì)、焊接電路，編程、測(cè)試程序等，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，使學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步提高自己的綜合能力。有助于將學(xué)生的興趣應(yīng)用到教師的科研中，使學(xué)生們熱愛(ài)科技，投身科技，在學(xué)校形成良好的科技學(xué)術(shù)氣氛。
本校參加機(jī)器人競(jìng)賽源于2010年，當(dāng)時(shí)參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽、中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽、江蘇省機(jī)器人大賽、“未來(lái)伙伴”杯機(jī)器人競(jìng)賽，并因此開(kāi)設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐與競(jìng)賽等公共選修課；制定了《大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)制實(shí)施辦法》，針對(duì)項(xiàng)目采取一系列措施，保證學(xué)生能在項(xiàng)目的過(guò)程中鍛煉自己的能力，同時(shí)能保證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的創(chuàng)新性。實(shí)踐教學(xué)效果顯著，本校代表隊(duì)在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級(jí)參加全國(guó)決賽的隊(duì)伍，獲得全國(guó)攝像頭組特等獎(jiǎng)。2012年中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽獲得3項(xiàng)季軍，2010年“未來(lái)伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國(guó)舉辦的國(guó)際機(jī)器人滅火比賽。
五、結(jié)論
實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學(xué)研究能力。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)以其高度的實(shí)踐性被越來(lái)越多的高校引入實(shí)踐教學(xué)。本校自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施，促進(jìn)了學(xué)院各學(xué)科綜合發(fā)展，提高了教師的理論、實(shí)踐教學(xué)水平和科研水平，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人相關(guān)課程融會(huì)貫通，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，推動(dòng)了學(xué)院實(shí)踐教學(xué)體系的發(fā)展和完善。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞： 擬人機(jī)器人； 人臉檢測(cè)； 人臉跟蹤； 人臉識(shí)別
中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)別是指根據(jù)人臉?biāo)赜械奶卣餍畔⑦M(jìn)行人物身份識(shí)別的一種技術(shù)，是近些年來(lái)生物特征識(shí)別領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)之一。一個(gè)完整的人臉識(shí)別系統(tǒng)包括圖像采集、人臉檢測(cè)、人臉跟蹤、圖像預(yù)處理、特征提取以及身份識(shí)別等模塊，因此人臉識(shí)別是一門(mén)涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理、機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別、人工智能以及生物學(xué)的綜合性學(xué)科。
本文將要介紹的擬人機(jī)器人人臉識(shí)別系統(tǒng)的研究，正是致力于實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的適合擬人機(jī)器人的人臉識(shí)別系統(tǒng)，使其具有更好的交互能力和擬人效果。這對(duì)于擬人機(jī)器人的研究以及應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 擬人機(jī)器人人臉識(shí)別工作流程
擬人機(jī)器人人臉識(shí)別的工作流程如圖1所示，主要有訓(xùn)練學(xué)習(xí)和人臉檢測(cè)跟蹤識(shí)別兩個(gè)階段組成。在人臉檢測(cè)跟蹤識(shí)別階段，位于機(jī)器人頭部的攝像頭不停地采集進(jìn)入其視野范圍內(nèi)的視頻幀，并實(shí)時(shí)地進(jìn)行人臉檢測(cè)，如果其視野范圍內(nèi)一旦出現(xiàn)了人臉目標(biāo)則立刻對(duì)該人臉目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，在跟蹤的過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取帶有人臉的視頻幀。接下來(lái)系統(tǒng)會(huì)對(duì)該視頻幀進(jìn)行圖像預(yù)處理、特征提取等一系列操作，將待識(shí)別的圖像特征與“人臉庫(kù)”中的特征進(jìn)行對(duì)比，觸發(fā)擬人機(jī)器人的語(yǔ)音模塊，將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音輸出。而這個(gè)階段使用的人臉庫(kù)是在訓(xùn)練學(xué)習(xí)階段，對(duì)事先采集好的待識(shí)別的目標(biāo)人物在不同環(huán)境下以及不同表情姿態(tài)（正面，微側(cè)）的圖片進(jìn)行處理形成的人臉特征庫(kù)。
[機(jī)器人頭部][開(kāi)始][攝像機(jī)][獲取視頻流][人臉檢測(cè)] [人臉跟蹤] [失敗][失敗][成功][人臉檢測(cè)][成功][預(yù)處理][人臉識(shí)別][目標(biāo)人臉特征數(shù)據(jù)][特征提取][人臉訓(xùn)練集][人臉檢測(cè)][預(yù)處理][特征提取][識(shí)別結(jié)果語(yǔ)音輸出][結(jié)束]
圖1 擬人機(jī)器人人臉識(shí)別系統(tǒng)框架
2 人臉檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別的實(shí)現(xiàn)
人臉檢測(cè)、人臉跟蹤和人臉識(shí)別是人臉識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)中比較關(guān)鍵的步驟，所選擇算法的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。
2.1 人臉檢測(cè)
如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地從視頻流或者圖片中檢測(cè)出人臉，如何對(duì)存在的人臉進(jìn)行定位并將其從背景圖像中分離出來(lái)是人臉檢測(cè)過(guò)程中最關(guān)鍵的問(wèn)題。人臉檢測(cè)對(duì)整個(gè)人臉識(shí)別系統(tǒng)具有重要的意義。本文主要采用實(shí)時(shí)性好、檢測(cè)率高的Adaboost算法。該算法對(duì)近景遠(yuǎn)景當(dāng)中的、復(fù)雜背景中的各種表情和姿態(tài)（正面，微側(cè)）的單個(gè)人臉或者多個(gè)人臉具有比較準(zhǔn)確的檢測(cè)效果[1]。
Adaboost算法的基本思想是對(duì)不同的訓(xùn)練集訓(xùn)練同一個(gè)弱分類(lèi)器，然后將這些弱分類(lèi)器按一定的權(quán)值累加起來(lái)，得到一個(gè)分類(lèi)能力很強(qiáng)的強(qiáng)分類(lèi)器[2]。Adaboost算法的具體步驟如下。
設(shè)給定的一個(gè)訓(xùn)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(fù)例樣本。在人臉檢測(cè)中，1表示人臉，0表示非人臉。
⑴ 將訓(xùn)練樣本權(quán)重（訓(xùn)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(shù)。Wt，i=1/2M，M為非人臉樣本總數(shù)。Wt，i為第t次循環(huán)第i個(gè)樣本的誤差權(quán)重。
⑵ For t=1 to T do（T為弱分類(lèi)器的個(gè)數(shù)）
⑶ 對(duì)權(quán)重進(jìn)行歸一化：
⑷ 對(duì)每個(gè)特征f，訓(xùn)練一個(gè)弱分類(lèi)器h（x，f，p，θ），計(jì)算弱分類(lèi)器的加權(quán)錯(cuò)誤率：
⑸ 按照錯(cuò)誤率選擇最佳的弱分類(lèi)器（最小錯(cuò)誤率）：
⑹ 根據(jù)選擇的最佳的弱分類(lèi)器更新樣本權(quán)重：
其中，，ei=0表示xi被正確分類(lèi)，ei=1表示xi被錯(cuò)誤分類(lèi)。
⑺ 對(duì)經(jīng)過(guò)T次循環(huán)得到的T個(gè)弱分類(lèi)器按更新的權(quán)重疊加得到強(qiáng)分類(lèi)器：
其中，。
本系統(tǒng)正是利用Adaboost算法較好的檢測(cè)能力以及較強(qiáng)的魯棒性，來(lái)提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能，提高檢測(cè)準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性。
2.2 人臉跟蹤
當(dāng)利用Adaboost算法從視頻流中檢測(cè)出人臉目標(biāo)之后，系統(tǒng)會(huì)立刻對(duì)視頻流當(dāng)中的人臉目標(biāo)進(jìn)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(qū)域匹配的跟蹤以及基于模型匹配的跟蹤[3]。對(duì)于本系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)性是最基本的要求。多人臉跟蹤的實(shí)現(xiàn)是需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比，本系統(tǒng)選擇了時(shí)效性較好、魯棒性較強(qiáng)的Camshift算法，該算法能夠快速地對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，對(duì)于一些遮擋的場(chǎng)景也具有較好的跟蹤效果。
Camshift算法的基本思想是對(duì)視頻流當(dāng)中的每一幀作MeanShift運(yùn)算，將上一幀的運(yùn)算結(jié)果，作為其后一幀進(jìn)行MeanShift運(yùn)算的搜索窗的初始值，如此迭代下去實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)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(jì)算搜索窗的質(zhì)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(diào)整搜索窗的大小，移動(dòng)其中心到質(zhì)心。
寬度為：；長(zhǎng)度為1.2s
⑷ 重復(fù)上述⑵⑶步驟，直至中心與質(zhì)心的移動(dòng)距離小于預(yù)定的閾值，或者超出循環(huán)次數(shù)，停止計(jì)算。
Camshift算法的實(shí)質(zhì)是對(duì)MeanShift算法的改進(jìn)，將MeanShift算法應(yīng)用于連續(xù)的圖像序列當(dāng)中。因此Camshift算法的流程如下：
⑴ 初始化搜索窗口；
⑵ 計(jì)算窗口區(qū)域的2D機(jī)率分布；
⑶ 用MeanShift算法來(lái)收斂跟蹤的區(qū)域，獲得搜索窗新的位置和大??；
⑷ 把第⑶步得到的結(jié)果作為下一幀的初始值，跳轉(zhuǎn)到第⑵步繼續(xù)執(zhí)行。
使用以上介紹的Camshift算法可以較好地實(shí)現(xiàn)單人臉跟蹤。而為了實(shí)現(xiàn)多人臉的跟蹤，本系統(tǒng)采用的方法是為每一個(gè)人臉目標(biāo)分配一個(gè)Camshift跟蹤器[4]。具體方法是為在人臉檢測(cè)階段檢測(cè)出來(lái)的每一個(gè)人臉目標(biāo)區(qū)域初始化一個(gè)Camshift跟蹤器窗口；然后利用為每一個(gè)人臉目標(biāo)分配的跟蹤器對(duì)相應(yīng)的搜索窗口進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并將跟蹤的結(jié)果進(jìn)行保存，用于后續(xù)繼續(xù)跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)采用的這種多人臉跟蹤策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)多人臉的跟蹤，具有較好的跟蹤效果和時(shí)效性。
2.3 人臉識(shí)別
本系統(tǒng)在人臉識(shí)別階段采用了識(shí)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(yōu)勢(shì)，是人臉識(shí)別領(lǐng)域當(dāng)中最為經(jīng)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(gòu)成特征臉空間，在識(shí)別的時(shí)候?qū)⒋R(shí)別的圖像在特征臉空間上進(jìn)行投影，得到一組投影系數(shù)，通過(guò)與各個(gè)人臉圖片進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行識(shí)別。PCA算法在本人臉識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行人臉識(shí)別主要是由訓(xùn)練和識(shí)別階段組成。
在訓(xùn)練階段，步驟如下。
⑴ 訓(xùn)練樣本矩陣為x=（x1，x2，…，xn）T，n為訓(xùn)練的樣本數(shù)。
⑵ 計(jì)算出所有訓(xùn)練圖片的平均臉。
⑺
⑶ 計(jì)算出每一張人臉與第⑵步計(jì)算出來(lái)的平均臉之差。
⑻
⑷ 構(gòu)建協(xié)方差矩陣。
⑼
⑸ 求協(xié)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(xùn)練樣本前p個(gè)特征向量集。
⑹ 將第⑶步計(jì)算出來(lái)的差值投影到第⑸步得到的“特征臉”空間上。
（11）
在識(shí)別階段步驟如下。
⑴ 將待識(shí)別的人臉圖像與上面計(jì)算的平均臉的差值投影都特征空間中。
⑵ 定義一個(gè)閾值。
⑶ 計(jì)算第⑴步得到ΩΓ與每個(gè)人臉的距離。
⑷ 計(jì)算原始圖像與重建的圖像之間的距離，用于區(qū)分是否為人臉。
其中，。
人臉?lè)诸?lèi)的規(guī)則如下。
⑴ 若ε≥θ，結(jié)果不為人臉圖像。
⑵ 若ε
⑶ 若ε
PCA算法的識(shí)別率高，識(shí)別速度快的優(yōu)點(diǎn)使得本系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)較高的人臉識(shí)別性能效果。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文主要對(duì)擬人機(jī)器人人臉識(shí)別系統(tǒng)中所采用的經(jīng)典的人臉檢測(cè)、人臉跟跟蹤以及人臉識(shí)別算法進(jìn)行了研究和分析。實(shí)驗(yàn)表明，本擬人機(jī)器人人臉識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)其視野范圍內(nèi)的單個(gè)或者多個(gè)人臉進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，具有較強(qiáng)的魯棒性和較高的識(shí)別率，具有很好的應(yīng)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(jìn)它們以彌補(bǔ)這些不足，使系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的性能，是需要我們進(jìn)一步研究和探討的課題。
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[關(guān)鍵詞] 人工氣道；濕化處理；護(hù)理；進(jìn)展
[中圖分類(lèi)號(hào)] R473.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-4721（2013）01（b）-0016-02
呼吸道黏液-纖毛系統(tǒng)是呼吸道的第一道防線，對(duì)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(guò)程中，干燥、低溫的空氣流經(jīng)上呼吸道后，逐步變得濕潤(rùn)溫暖以利于在肺泡進(jìn)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(yùn)動(dòng)和黏液分泌。人工氣道建立后，由于缺少上氣道對(duì)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(dòng)受損，黏液移動(dòng)受限甚至氣道黏膜上皮發(fā)生炎性反應(yīng)改變，導(dǎo)致肺部感染發(fā)生；分泌物黏稠也可阻塞小氣道，出現(xiàn)肺不張。氣道濕化可以起到稀釋痰液、促進(jìn)痰液及時(shí)排出、保持呼吸道通暢、保持氣道濕潤(rùn)的作用。所以，合理的人工氣道濕化處理是預(yù)防肺部感染的一項(xiàng)重要措施[1]。
選擇最佳的氣道濕化方法是臨床護(hù)理學(xué)中一個(gè)值得探索的重要問(wèn)題。一般護(hù)理方法是保持室內(nèi)溫度在20～22℃，濕度在60%～70%。定時(shí)翻身拍背，及時(shí)吸痰，保持呼吸道通暢。同時(shí)護(hù)士要注意觀察痰液的顏色、形狀、量等，發(fā)現(xiàn)患者痰液呈Ⅲ度黏稠時(shí)，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(yīng)該遵循的原則是盡可能模擬或接近正常生理狀態(tài)，并且能夠保證充足的液體供應(yīng)。目前應(yīng)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(nèi)滴入和持續(xù)氣道滴注濕化方法。
間斷氣道內(nèi)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(fā)癥。陳建芬等[3]報(bào)道將0.9%氯化鈉溶液直接泵入氣道會(huì)導(dǎo)致濕化液進(jìn)入氣道后分布不均，使某些細(xì)小支氣管得不到充分濕化，同時(shí)患者咳嗽或吸痰操作時(shí)易脫出，不僅影響濕化效果，還增加感染機(jī)會(huì)。這提示護(hù)理工作者在以后使用氣道滴注濕化方法時(shí)應(yīng)更注重于小支氣管的充分濕化。
持續(xù)氣道內(nèi)滴注濕化法使氣道始終處于濕化狀態(tài)，減少咳嗽次數(shù)及其對(duì)氣道黏膜的損傷，因而對(duì)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(lái)許多的先進(jìn)設(shè)備應(yīng)用都采用此項(xiàng)濕化方法。楊曉容[4]對(duì)90例人工氣道患者分別進(jìn)行輸液泵控制持續(xù)氣道內(nèi)滴注濕化、精密輸液器持續(xù)氣道滴注濕化和間斷氣道內(nèi)滴注濕化的效果進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行氣道內(nèi)滴注濕化患者的各項(xiàng)指標(biāo)如血氧飽和度、帶管時(shí)間和吸痰次數(shù)均優(yōu)于對(duì)照組。賀照球[5]將精密輸液器用于氣管切開(kāi)患者氣道濕化，持續(xù)氣道內(nèi)滴注濕化液，發(fā)現(xiàn)可有效降低痰液黏稠度，利于痰液排出，他們認(rèn)為此法操作簡(jiǎn)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(lèi)型分，霧化有超聲霧化、氧氣霧化器霧化、高頻振動(dòng)霧化及噴射式霧化器霧化等。霧化時(shí)間長(zhǎng)短可以分為持續(xù)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?jǐn)U張濕化，起到較好改善肺部通氣的作用[6-7]。持續(xù)霧化會(huì)導(dǎo)致患者發(fā)生缺氧，所以臨床上主張小劑量間斷霧化優(yōu)于持續(xù)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(jù)人體解剖濕化系統(tǒng)的機(jī)制所模擬制造的替代性裝置，可通過(guò)保留呼出氣體內(nèi)的熱量、水分，對(duì)吸入的氣體起到加溫和濕化的作用，并且能夠過(guò)濾細(xì)菌和塵粒。具有避免濕化過(guò)度或濕化不足、無(wú)效死腔量少、減少肺部感染等優(yōu)點(diǎn)。由于HME簡(jiǎn)單，安全和輕便，因此可廣泛用于使用呼吸機(jī)、氣管切開(kāi)和氣管插管患者。陳蓮芳等[8]的研究結(jié)果也表明應(yīng)用人工鼻濕化效果明顯優(yōu)于濕化灌組。人工鼻的缺點(diǎn)在于不提供額外熱量和水氣，因此對(duì)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(hù)理中根據(jù)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(fā)生，提高人工氣道護(hù)理的質(zhì)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(wú)菌蒸餾水和0.45%鹽水濕化效果優(yōu)于0.9%氯化鈉溶液，其原因在于0.9%氯化鈉溶液進(jìn)入支氣管后水分可快速蒸發(fā)，導(dǎo)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(duì)氣道無(wú)刺激作用。蒸餾水稀釋黏液的作用強(qiáng)，但其刺激性也強(qiáng)，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(jìn)行氣道濕化，于每次吸痰前注入濕化液2～4 mL。研究結(jié)果表明0.45%氯化鈉溶液具有較好的濕化效果；對(duì)于分泌物多且黏稠的患者，滅菌注射用水效果較好；而對(duì)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(lián)合鹽酸氨溴索用于氣管切開(kāi)患者術(shù)后進(jìn)行氣道濕化，能使患者痰液得到有效地稀釋?zhuān)纳屏朔瓮夤δ埽行У厍宄龤獾捞狄?，從而減輕患者的痛苦，降低護(hù)士護(hù)理工作風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。
3 濕化液的溫度
在采取濕化措施時(shí)，需要對(duì)氣體的溫度進(jìn)行控制。由于正常人體內(nèi)熱量的放散7%～8%由肺負(fù)擔(dān)，如果長(zhǎng)時(shí)間吸入溫度過(guò)高氣體，會(huì)導(dǎo)致體溫升高，患者會(huì)出現(xiàn)喉痙攣、發(fā)熱、出汗、呼吸功能增加等癥狀，嚴(yán)重者甚至可發(fā)生氣道燒傷和高熱反應(yīng)。如果濕化液溫度過(guò)低，纖毛運(yùn)動(dòng)會(huì)受到抑制，失去濕化效果，氣道過(guò)敏者易誘發(fā)哮喘發(fā)作甚至寒戰(zhàn)反應(yīng)。所以濕化液應(yīng)該保持在32～35℃，逐漸升至37℃水平。這種溫度下相對(duì)濕度可維持纖毛活動(dòng)的生理要求，若需要加強(qiáng)濕化，應(yīng)相應(yīng)提高吸入氣體溫度，但應(yīng)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(biāo)，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(diào)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(zhì)等多種因素。姜超美等[12]將痰液黏稠度分級(jí)，根據(jù)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(xiàn)了護(hù)士對(duì)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(píng)價(jià)也不盡相同。但總體上來(lái)說(shuō)，人們對(duì)氣道濕化的效果研究越來(lái)越重視，在濕化的原理和方法方面進(jìn)行了大量的臨床試驗(yàn)和研究，也取得了很多進(jìn)步。隨著人工氣道技術(shù)的不斷應(yīng)用和逐漸成熟，筆者對(duì)人工氣道濕化的方法將會(huì)有更深的了解和研究進(jìn)展，從而為臨床護(hù)理工作提供更優(yōu)化的氣道護(hù)理方法，從而進(jìn)一步提高臨床療效，確?；颊叩氖孢m和安全。
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【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人;分揀;機(jī)器視覺(jué);工件識(shí)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(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、上下料、焊接、噴涂、裝卸等生產(chǎn)領(lǐng)域。在對(duì)不同的物體進(jìn)行分類(lèi)拾取操作時(shí)，需要識(shí)別與定位，采用機(jī)器機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可代替人眼做測(cè)量和判斷進(jìn)行分揀。本文把機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，搭建立了基于視覺(jué)的生產(chǎn)線工件分揀系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，采用模板匹配的方式識(shí)別，進(jìn)行分類(lèi)目標(biāo)的定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色，高度或文字的工件準(zhǔn)確、穩(wěn)定的分揀，提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。
1.工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的構(gòu)成
分揀作業(yè)是流水生產(chǎn)線上的一道重要的工序，將不同類(lèi)型的工件或物料分類(lèi)擺放到相應(yīng)的位置，通過(guò)智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)可完成其操作。本文選用三菱六自由度工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)RV-3SD，歐姆龍智能機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)FZ4，三菱PLC FX3U組成工業(yè)機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)機(jī)器視覺(jué)信息引導(dǎo)控制機(jī)器人的工作系統(tǒng)進(jìn)行了研究。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 工業(yè)機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.1 工業(yè)機(jī)器人
三菱RV-3SD工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是由六自由度垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體，AC伺服控制器，輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換器和抓取機(jī)構(gòu)組成?；顒?dòng)范圍半徑大于600mm，角度340°，可對(duì)工件進(jìn)行抓取、吸取、搬運(yùn)、裝配、測(cè)量、拆解等操作。
1.2 機(jī)器視覺(jué)
歐姆龍F(tuán)Z4-350智能視覺(jué)系統(tǒng)，由視覺(jué)控制器、視覺(jué)相機(jī)及監(jiān)視顯示器等組成。用于檢測(cè)工件的特性，如數(shù)字、顏色、形狀等，可以對(duì)裝配效果進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)操作。通過(guò)I/O電纜，串行總線或以太網(wǎng)總線連接到PLC或機(jī)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(jī)器人、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，處理各單元檢測(cè)信號(hào)，管理工作流程、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。
2.工業(yè)機(jī)器人分揀工作流程
生產(chǎn)線的分揀作業(yè)步驟主要分為定位、識(shí)別、抓取和放置四個(gè)階段。工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)工作主要由相機(jī)標(biāo)定、圖像處理、模式識(shí)別以及機(jī)器人控制部分構(gòu)成。
相機(jī)標(biāo)定為系統(tǒng)建立一個(gè)圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系，判定目標(biāo)對(duì)象在機(jī)器人坐標(biāo)系中所處的位置;圖像處理對(duì)相機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取圖像中的某些特征，如顏色、長(zhǎng)度、面積等，并根據(jù)這些特征來(lái)確定出中心坐標(biāo)，圖像中目標(biāo)工件的位置決定了它在空間的位置。
分揀工作過(guò)程如圖2所示，在工件進(jìn)入視覺(jué)系統(tǒng)的采集區(qū)域后，將圖像數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)程序調(diào)用編寫(xiě)好的圖像處理軟件包對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)處理后的圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，提取圖像特征，采用模板匹配的方法識(shí)別出目標(biāo)工件，對(duì)識(shí)別出的工件進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定目標(biāo)工件的位姿結(jié)果反饋給PLC，PLC控制機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行拾取工件操作。
圖2 分揀工作流程
3.工件識(shí)別與定位
工件識(shí)別與定位的正確與否直接影響機(jī)器人分揀工件操作的結(jié)果。目標(biāo)的識(shí)別定位大多依賴(lài)于圖像匹配技術(shù)，按匹配基元的不同主要分為區(qū)域匹配、相位匹配、特征匹配，其征匹配不直接依賴(lài)于灰度而得到廣泛應(yīng)用。
3.1 圖像識(shí)別
圖像識(shí)別就是從圖像中找出與已知模式相似的目標(biāo)圖像，即識(shí)別出物體并確定出它在整幅圖像中的位置和方向。圖像識(shí)別的一般流程，由模型庫(kù)、圖像信息獲取、圖像預(yù)處理、特征檢測(cè)和匹配組成。
從圖中找到所要的工件，將影像中的對(duì)象和背景分離出來(lái)，最常用的方法就是將影像二值化處理，再對(duì)二值化處理后的圖像進(jìn)行判別與比對(duì)兩個(gè)待匹配形狀之間的相似性程度。
檢測(cè)彩色工件的文字編號(hào)是通過(guò)顏色灰度過(guò)濾先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像，將特征圖像登錄為模型，然后對(duì)輸入的圖像搜索與模型最相似的部分，并檢測(cè)匹配程度和位置。檢測(cè)工件的顏色是通過(guò)計(jì)算測(cè)量區(qū)域內(nèi)顏色的平均值與登錄過(guò)的基準(zhǔn)顏色之差值以及測(cè)量區(qū)域內(nèi)的色差進(jìn)行比較。檢測(cè)工件高度是通過(guò)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的顏色變化對(duì)測(cè)量對(duì)象的邊緣位置進(jìn)行測(cè)量對(duì)比。
以文字編號(hào)，顏色搜索為例，先將圖3（a）工件經(jīng)過(guò)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(cè)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(lèi)識(shí)別時(shí)，針對(duì)模板庫(kù)的每個(gè)模板生成相識(shí)度。目標(biāo)與哪一個(gè)模板的相似度度最高且大于某值，則目標(biāo)被判斷為哪一類(lèi)。利用平均色差來(lái)檢測(cè)工件顏色，比如圖（a）紅色，圖（c）中的工件為黃色。
圖3 圖像識(shí)別
通過(guò)與生產(chǎn)線實(shí)際需要登陸的模型進(jìn)行匹配，判斷出需要分揀操作的工件，將結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口方式，以利用指令的無(wú)序方式輸出至可編程控制器或PC等外部設(shè)備時(shí)使用。
3.2 定位
工件識(shí)別解決了搬運(yùn)哪個(gè)工件，至于要搬的工件在哪，還需要對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。通過(guò)拍攝的圖像可計(jì)算定位目標(biāo)工件的位置，先將工件在視頻圖像中的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝像機(jī)坐標(biāo)，再結(jié)合攝像機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)，得到相機(jī)器人位姿態(tài)坐標(biāo)，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)得到機(jī)器人關(guān)節(jié)角度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度。
工件的定位是基于圖像計(jì)算出工件的中心坐標(biāo)（x，y），本文的工件是圓柱型，垂直拍攝為圓面，所以?xún)H計(jì)算出中心點(diǎn)位置。采用Thomas的最小面積誤差對(duì)圓心及半徑R作量測(cè)，其公式為：
利用最小平方誤差法將J最小化，分別對(duì)三個(gè)變量R，x， y各別進(jìn)行偏微分且設(shè)定其微分值為0，可得R值為：
在計(jì)算出R值后即可知式中N為坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)，進(jìn)而得知對(duì)象的所在坐標(biāo)及其旋轉(zhuǎn)角度。找到工件中心后，從中心往左邊搜索找到目標(biāo)物邊緣上的三個(gè)點(diǎn)，再通過(guò)比較這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，找到合適的兩點(diǎn)（x1，y1），（x2，y2），以求取該斜邊的斜率k，計(jì)算公式為k = tanθ=（y2-y1）/（x2-x1）再通過(guò)求反正切，計(jì)算公式為，便可求得夾角。
獲取了目標(biāo)工件在圖像坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)后，機(jī)器人執(zhí)行拾取時(shí)工件已在傳送帶上運(yùn)動(dòng)了一段距離，可根據(jù)傳送帶的速度對(duì)獲取的跟蹤目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償來(lái)修正這一誤差。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地完成對(duì)工件形狀，顏色，文字等分揀工作，支持不規(guī)則形狀物體的匹配識(shí)別以及近似物體的區(qū)分。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文利用視覺(jué)系統(tǒng)中攝像機(jī)的標(biāo)定技術(shù)、圖像處理以及特征參數(shù)提取等，完成對(duì)工件識(shí)別定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)進(jìn)行抓取，分類(lèi)放置，為提高生產(chǎn)線的柔性打下基礎(chǔ)要求。
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關(guān)鍵詞：新加坡；國(guó)家認(rèn)同；文化主導(dǎo)；內(nèi)生動(dòng)力
中圖分類(lèi)號(hào)：D7339
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1002-7408（2017）03-0108-05
新加坡是一個(gè)以移民為主建立起來(lái)的國(guó)家，種族、語(yǔ)言、文化錯(cuò)綜復(fù)雜，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“多元性質(zhì)國(guó)家”。[1]就是這樣一個(gè)“多元性質(zhì)的國(guó)家”，秉承多民族一體的理念，實(shí)現(xiàn)了多民族混居、多民族共學(xué)、多民族共進(jìn)，并成為全世界解決多民族國(guó)家認(rèn)同問(wèn)題的典范。新加坡國(guó)家認(rèn)同培育實(shí)踐形成的從“制度”到“文化”、從“外生”到“內(nèi)生”、從“共存”到“一體”的演變路徑為我國(guó)國(guó)家認(rèn)同教育提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。鑒于此，本文將著重對(duì)新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的范式轉(zhuǎn)型、動(dòng)力轉(zhuǎn)換以及使命轉(zhuǎn)變展開(kāi)思考和討論，以期為推進(jìn)我國(guó)國(guó)家認(rèn)同培育問(wèn)題提供借鑒。
一、從“制度”到“文化”：新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建中的范式轉(zhuǎn)型
就一般意義而言，國(guó)家認(rèn)同源于三個(gè)方面，即“族群血緣關(guān)系”“歷史文化傳統(tǒng)”以及“政治社會(huì)經(jīng)濟(jì)體制”，也就是我們通常所說(shuō)的“族群認(rèn)同”“文化認(rèn)同”以及“制度認(rèn)同”。新加坡獨(dú)立建國(guó)后首先采取的便是“制度認(rèn)同”的構(gòu)建策略，并通過(guò)這一策略相對(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)種族的和諧、宗教的寬容、社會(huì)的穩(wěn)定以及濟(jì)的騰飛。然而，“制度認(rèn)同”強(qiáng)調(diào)通過(guò)現(xiàn)實(shí)利益的恰當(dāng)分配來(lái)實(shí)現(xiàn)國(guó)家認(rèn)同，但由此帶來(lái)的問(wèn)題是當(dāng)各方利益主體未能獲得利益滿足時(shí)，這種認(rèn)同的基礎(chǔ)就會(huì)松動(dòng)，甚至斷裂。事實(shí)也證實(shí)了這一認(rèn)同模式的局限。伴隨著新加坡后發(fā)優(yōu)勢(shì)的逐漸消失，利益增量日益難以滿足各方主體的需求，依賴(lài)“利益滿足”而構(gòu)建起來(lái)的“制度認(rèn)同”也就出現(xiàn)了危機(jī)。面對(duì)這一危機(jī)，新加坡政府采取了復(fù)興東方文化、打造新加坡價(jià)值觀的措施來(lái)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)以“制度認(rèn)同為主，文化認(rèn)同為輔”的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建范式已經(jīng)不合時(shí)宜，取而代之的則是以“文化認(rèn)同為主，制度認(rèn)同為輔”的新式的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建范式。
1.制度認(rèn)同――新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建初期的選擇。所謂制度認(rèn)同模式，就是國(guó)民基于對(duì)現(xiàn)有的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和社會(huì)制度的認(rèn)可，進(jìn)而產(chǎn)生的對(duì)整個(gè)國(guó)家認(rèn)可認(rèn)同的建構(gòu)模式。這種認(rèn)同模式建基于利益導(dǎo)向的自然選擇。即它是一種主體基于制度依賴(lài)而獲得個(gè)體
利益滿足從而逐漸產(chǎn)生的對(duì)制度乃至制度背后的國(guó)家認(rèn)可的認(rèn)同模式。新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建初期選擇“以制度認(rèn)同為主，文化認(rèn)同為輔”的模式具有著深刻的歷史原因。
作為一個(gè)典型的移民國(guó)家，新加坡在建國(guó)初期缺乏一種國(guó)民之間天然凝聚在一起的歷史傳統(tǒng)和自然偏好。廣大移民對(duì)于這塊陌生的土地難以快速建立相應(yīng)的認(rèn)同。每一個(gè)來(lái)到這里的人更多把它當(dāng)作一個(gè)生活的暫居地，希望在這里可以成就一番事業(yè)，然后再回歸故里、光宗耀祖?！拔覀冄矍袄щy重重，生存機(jī)會(huì)十分渺茫。新加坡不是一個(gè)自然形成的國(guó)家，而是人為的……我們把它繼承過(guò)來(lái)，沒(méi)有腹地，就像心臟少了軀體一樣?！盵2]在新加坡，主要由四類(lèi)人群構(gòu)成了多元文化的社會(huì)結(jié)構(gòu)。通常用CMIO（C=Chinese，M=Malay，I=Indian，O=Others）來(lái)表示。[3] 69這四類(lèi)人群之間沒(méi)有很強(qiáng)的宗法血緣關(guān)系，由于“宗族血緣關(guān)系”“歷史文化傳統(tǒng)”的差異，新加坡國(guó)民內(nèi)生共同體的產(chǎn)生非常困難，那種依靠族群認(rèn)同來(lái)構(gòu)建國(guó)家認(rèn)同的模式也幾乎不可能。與此同時(shí)，由于歷史上英國(guó)殖民者長(zhǎng)期實(shí)施“分而治之”的策略以及日本侵略者的從中挑撥，使得四大群體之間不僅難以形成歷史文化傳統(tǒng)的共同體，反而彼此之間矛盾重重，難以調(diào)和，這使得希冀通過(guò)文化認(rèn)同來(lái)構(gòu)建國(guó)家認(rèn)同也變得十分困難。
在這種情況下，必然要求借助外生力量來(lái)推動(dòng)國(guó)民共同體的構(gòu)建。一方面，囿于新加坡建國(guó)初期國(guó)家生存危機(jī)的考量，新加坡政府采取了全盤(pán)西化的實(shí)用主義做法，以期獲得西方國(guó)家的支持，進(jìn)而快速實(shí)現(xiàn)自立。另一方面，以李光耀為首的人民行動(dòng)黨選擇通過(guò)“施惠”于民的舉動(dòng)來(lái)凝聚民心，消弭沖突，進(jìn)而鑄就新加坡共同體。這直接體現(xiàn)在以利益識(shí)別為基礎(chǔ)的“制度認(rèn)同”。這一“制度認(rèn)同”體系包括了混居組屋計(jì)劃、語(yǔ)言政策、節(jié)日安排、宗教政策、制度、社會(huì)群眾組織管理、基層管理等有利于共同體構(gòu)建的各種政策措施。其核心問(wèn)題仍然是通過(guò)制度的構(gòu)建來(lái)實(shí)現(xiàn)主體利益的合理分配，即通過(guò)使個(gè)體獲得現(xiàn)實(shí)利益以使其認(rèn)可當(dāng)前的政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)體制，進(jìn)而認(rèn)同新加坡國(guó)家、新加坡共同體。
可以說(shuō)，新加坡在構(gòu)建國(guó)家認(rèn)同的過(guò)程中采取“制度認(rèn)同為主，文化認(rèn)同為輔”的策略實(shí)為無(wú)奈之舉，這種模式在新加坡建國(guó)初期擔(dān)負(fù)起了國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的歷史重任。但值得注意的是，深植于全盤(pán)西化的實(shí)用主義背景下的制度認(rèn)同模式也存在諸多隱患。
2.文化認(rèn)同――新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建發(fā)展的轉(zhuǎn)型。這種“制度認(rèn)同”的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建模式在新加坡建國(guó)初期發(fā)揮了巨大的作用，伴隨著新加坡后發(fā)優(yōu)勢(shì)的逐漸消失，新加坡的發(fā)展速度也在不斷下降，這種國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建模式日益面臨能否持久的危機(jī)。因?yàn)檫@種模式的核心是不斷滿足公民持續(xù)增長(zhǎng)的利益需求，經(jīng)濟(jì)的健康持續(xù)增長(zhǎng)構(gòu)成了其生存的基礎(chǔ)。在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)持續(xù)變緩的情況下，無(wú)疑需要尋求一種新的、更為穩(wěn)定和持久的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建模式?！耙晕幕J(rèn)同為主，制度認(rèn)同為輔”的新型國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建模式應(yīng)運(yùn)而生。
“以文化認(rèn)同為主導(dǎo)”的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建策略強(qiáng)調(diào)每個(gè)新加坡公民共享相同的價(jià)值觀、擁有相似的歷史回憶。無(wú)疑，這對(duì)于建國(guó)初期的新加坡來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現(xiàn)的。但是，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的發(fā)展以及在“制度認(rèn)同”的持續(xù)助力之下，不同種族之間日益寬容、理解，容易達(dá)致共識(shí)。更為重要的是，他們之間產(chǎn)生了共同的記憶――新加坡的騰飛。巨大的成就以及由此激發(fā)的強(qiáng)烈的國(guó)家自豪感和自信心，使得新加坡政府有機(jī)會(huì)、有條件提出適合新加坡全體國(guó)民的共同價(jià)值觀。1991年1月5日，新加坡國(guó)會(huì)通過(guò)了“國(guó)家至上，社會(huì)為先；家庭為根，社會(huì)為本；關(guān)懷扶持，同舟共濟(jì)；，協(xié)商共識(shí)；種族和諧，宗教寬容”的共同價(jià)值觀。[3]69
與此同時(shí)，新加坡社會(huì)不斷涌現(xiàn)的新問(wèn)題，也迫使“制度認(rèn)同”作出轉(zhuǎn)變。誠(chéng)如前文所述，深受全盤(pán)西化實(shí)用主義思潮影響的新加坡社會(huì)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展的同時(shí)，也使得拜金主義、極端個(gè)人主義、享樂(lè)主義等腐朽思想日益滲入到了新加坡民眾的思想和生活之中，使得新加坡青年的勞動(dòng)意識(shí)、工作意識(shí)出現(xiàn)了下滑，而享樂(lè)思想、思想不斷蔓延，導(dǎo)致新加坡在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了犯罪率上升、吸毒等社會(huì)問(wèn)題。[3] 134這些“娛樂(lè)至上、消費(fèi)至上、享樂(lè)至上的看電視長(zhǎng)大的麥當(dāng)勞少年”[4]成為了社會(huì)亟需解決的問(wèn)題，原本的“西化發(fā)展”成為了“西化墮落”。新加坡政府在經(jīng)過(guò)思考后認(rèn)為，向傳統(tǒng)尋求經(jīng)驗(yàn)、向東方文明汲取營(yíng)養(yǎng)是解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，新加坡政府開(kāi)始向東方、向傳統(tǒng)尋求經(jīng)驗(yàn)，繼而希望通過(guò)傳統(tǒng)價(jià)值觀的恢復(fù)來(lái)改善國(guó)民意識(shí)，進(jìn)而推動(dòng)新加坡的再次繁榮。
總之，基于共同價(jià)值觀和共同記憶的“文化認(rèn)同”作為一種更深層次的認(rèn)同，使得新加坡的國(guó)家凝聚力獲得了更為持久和穩(wěn)定的提高，也構(gòu)成了新加坡在以后發(fā)展過(guò)程中繼續(xù)實(shí)施的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建模式。
二、從“外生”到“內(nèi)生”：新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建中的動(dòng)力轉(zhuǎn)換
新加坡通過(guò)一系列的制度措施構(gòu)造了全方位、立體式的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)容涵蓋了新加坡居民的生活、學(xué)習(xí)、休閑、宗教、政治參與等方方面面，這種通過(guò)制度安排來(lái)喚醒、鼓勵(lì)、引導(dǎo)甚至強(qiáng)制性植入的國(guó)家認(rèn)同過(guò)程，在新加坡建國(guó)初期發(fā)揮了非常重要的作用。然而，伴隨著“制度認(rèn)同”模式的衰落和“文化認(rèn)同”的興起，新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建中的動(dòng)力機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)換，即由傳統(tǒng)主要依靠外力推動(dòng)的認(rèn)同轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕劳袀€(gè)體內(nèi)心意愿驅(qū)動(dòng)的認(rèn)同。
1.外力推動(dòng)――新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建中的傳統(tǒng)動(dòng)力。誠(chéng)如前文所述，新加坡并非一個(gè)自然形成的國(guó)家，其形成建立源于自身區(qū)位優(yōu)勢(shì)所吸引的移民群體。這一現(xiàn)實(shí)情況使得新加坡公民內(nèi)生國(guó)家認(rèn)同感的自然偏好和原發(fā)動(dòng)力幾乎沒(méi)有。新加坡政府必須通過(guò)整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)體制的構(gòu)建來(lái)推動(dòng)國(guó)家認(rèn)同的生成。因此，建國(guó)初期的新加坡政府主要通過(guò)外部力量（主要表現(xiàn)為 “制度認(rèn)同”）來(lái)實(shí)現(xiàn)國(guó)家認(rèn)同的構(gòu)建。具體而言，主要體現(xiàn)在以下方面。
第一，混合組屋計(jì)劃。新加坡獨(dú)立建國(guó)后存在著嚴(yán)重的“屋荒”問(wèn)題，據(jù)有關(guān)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，新加坡市區(qū)有84%的家庭住在店鋪和簡(jiǎn)陋的木屋區(qū)，其中40%的人住在貧民窟和窩棚內(nèi)，只有9%的居民有自己較為穩(wěn)定的住房。[5]而且，由于英國(guó)殖者采取“分而治之”的統(tǒng)治策略，使得各種族之間存在著較大的隔閡，民族間關(guān)系緊張，沖突、矛盾時(shí)有發(fā)生。新加坡政府面對(duì)這一問(wèn)題，果斷采取措施，利用行政手段將各種族居民的原住地進(jìn)行拆分，并通過(guò)組屋計(jì)劃將各種族人群進(jìn)行混合安置。正是這種強(qiáng)制安置以及“居者有其屋”的住房政策，才使得新加坡政府打破了世代以硪災(zāi)腫?、丫?、宗教、語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自然社區(qū)，也才得核心家庭成為社會(huì)的基本單位。[3]87很顯然，在這一過(guò)程中，新加坡政府運(yùn)用的便是“當(dāng)?shù)鼐用窈懿辉敢獾姆绞健?，[6]即通過(guò)外力來(lái)推動(dòng)各族人民相互寬容，進(jìn)而達(dá)到相互的認(rèn)同、達(dá)到對(duì)國(guó)家的認(rèn)同。
第二，多語(yǔ)與雙語(yǔ)并行的語(yǔ)言政策。在一個(gè)新國(guó)家成立時(shí)，政府的首要任務(wù)之一就是確定國(guó)語(yǔ)，并制定出一套適應(yīng)本國(guó)需要的語(yǔ)言政策。[7]建國(guó)初期，出于地緣和政治的考量，新加坡將馬來(lái)語(yǔ)確定為國(guó)語(yǔ)。但是，由于掌握和使用馬來(lái)語(yǔ)的人在整個(gè)新加坡的比例非常低，使得新加坡政府不得不重新考慮構(gòu)建一套更為有效的語(yǔ)言政策，以促成多種族之間的有效交流?？紤]到新加坡在英國(guó)殖民統(tǒng)治時(shí)期英語(yǔ)得到了極大的推廣以及對(duì)外貿(mào)易中英語(yǔ)的重要意義，新加坡政府制定了以馬來(lái)語(yǔ)為國(guó)語(yǔ)，重視英語(yǔ)，平等對(duì)待各種族語(yǔ)言的語(yǔ)言政策。同時(shí)，新加坡政府有意提高英語(yǔ)在國(guó)內(nèi)生活中的作用，例如在官方場(chǎng)合使用英語(yǔ)、高等教育采用英語(yǔ)授課等。[3]76這樣，新加坡通過(guò)英語(yǔ)的普及基本鑄就了國(guó)家認(rèn)同的語(yǔ)言基礎(chǔ)，使各種族人民能夠運(yùn)用非本民族語(yǔ)言進(jìn)行交流，也使各種族能夠突破原有的語(yǔ)言隔閡，以實(shí)現(xiàn)更好的理解、交流與交融。
第三，民主政治制度。在建國(guó)之初新加坡人民行動(dòng)黨就意識(shí)到了國(guó)內(nèi)不同種族之間政治利益表達(dá)能力存在差距這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。為了平衡國(guó)內(nèi)各種族之間的力量，盡可能滿足各方主體的利益要求，新加坡政府采取了多種措施保證各種族利益能夠得到充分表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。一方面，新加坡通過(guò)立法保障各種族的基本利益，例如《新加坡共和國(guó)憲法》第89條第一款規(guī)定：“始終不渝地保護(hù)新加坡少數(shù)民族和少數(shù)宗教集團(tuán)的利益應(yīng)是政府的責(zé)任?！钡诙罡敲鞔_表示“政府應(yīng)承認(rèn)新加坡本土人民馬來(lái)人的特殊地位……”另一方面，在政府雇員和國(guó)會(huì)議員結(jié)構(gòu)中推動(dòng)各種族成員數(shù)量平衡。特別是針對(duì)上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的馬來(lái)人在國(guó)會(huì)議員中數(shù)量減少這一新情況，新加坡采用了三個(gè)候選人一組的“集選區(qū)”制度。該制度是1988年由新加坡選舉委員會(huì)在當(dāng)年大選前推出的一項(xiàng)制度，它針對(duì)一些較大的選區(qū)，明確規(guī)定在這些選區(qū)參加競(jìng)選的政黨必須同時(shí)推出由4-6名候選人組成的候選人團(tuán)隊(duì)，其中至少分別包括一名印度裔和一名馬來(lái)裔候選人。這對(duì)于華人占主流的新加坡社會(huì)（華人、馬來(lái)人、印度裔約占總?cè)丝诜謩e為76%、16%和 6%，其他各種族占2%）而言，客觀上有利于保證少數(shù)族裔的候選人更大可能地當(dāng)選國(guó)會(huì)議員，避免候選人可能均為華裔所壟斷。
2.內(nèi)力自生――新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建中的新型動(dòng)力。新加坡制度認(rèn)同在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了問(wèn)題，這就使得外力推動(dòng)下的國(guó)家認(rèn)同在“制度認(rèn)同”這一中介環(huán)節(jié)出現(xiàn)了斷裂，由于外力推動(dòng)模式缺乏其他路徑來(lái)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)國(guó)家認(rèn)同，這使得原本的“制度認(rèn)同破裂”極易導(dǎo)致“國(guó)家認(rèn)同斷裂”。毋庸置疑，這對(duì)于一個(gè)國(guó)家的沖擊是十分巨大的。因此，新加坡政府開(kāi)始轉(zhuǎn)向了構(gòu)建“我是新加坡人”“新加坡價(jià)值觀”的內(nèi)力自生的國(guó)家認(rèn)同動(dòng)力模式。作為行政首長(zhǎng)的李光耀也多次強(qiáng)調(diào)“新加坡人”這一概念，并號(hào)召大家作為新加坡人團(tuán)結(jié)起來(lái)。[8]
由上圖我們可以清晰的看出，外力推動(dòng)下的國(guó)家認(rèn)同必須經(jīng)過(guò)制度認(rèn)同這一中介環(huán)節(jié)，而內(nèi)力自生則可直接實(shí)現(xiàn)國(guó)家的認(rèn)同。當(dāng)然，“內(nèi)力自生”也并不是完全拋棄了“制度認(rèn)同”的作用，而是著意使“文化認(rèn)同”承擔(dān)起主要職責(zé)，避免出現(xiàn)在外力推動(dòng)模式下可能出現(xiàn)的國(guó)家認(rèn)同斷裂。
具體而言，所謂內(nèi)力自生國(guó)家認(rèn)同模式就是指?jìng)€(gè)體經(jīng)由內(nèi)心的體認(rèn)而產(chǎn)生的對(duì)國(guó)家的一種依歸、順從，這種認(rèn)同不經(jīng)中介而自然生成，是個(gè)體的一種主動(dòng)心理活動(dòng)。顯而易見(jiàn)，這種內(nèi)力自生國(guó)家認(rèn)同模式必須獲得個(gè)體主觀上的對(duì)于國(guó)家的認(rèn)可、遵從，也就是說(shuō)必須使個(gè)體將國(guó)家歸化為自己生存的家園序列，而不能是“浮萍般的暫住地”。這一過(guò)程需要國(guó)家獲取個(gè)體內(nèi)心最深處的認(rèn)同，其中，最關(guān)鍵的是讓個(gè)體能夠產(chǎn)生同國(guó)家命運(yùn)一體的認(rèn)知、情感、意志。這無(wú)疑需要新加坡國(guó)民能夠認(rèn)同新加坡的歷史、文化、價(jià)值觀以及政治經(jīng)濟(jì)體制等。
上述內(nèi)力自生國(guó)家認(rèn)同的基本要素在新加坡建國(guó)初期都是很難實(shí)現(xiàn)的。但是，經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，新加坡人民同政府一同創(chuàng)造了“新加坡奇跡”“亞洲四小龍”等一系列輝煌成就，使得國(guó)民在享受榮耀的同時(shí)獲得了與新加坡政府共同奮斗的寶貴記憶。正是這充滿奮斗汗水的歷史記憶使得新加坡國(guó)民可以?xún)?nèi)生國(guó)家認(rèn)同感，這也就是我們所謂的“內(nèi)力自生國(guó)家認(rèn)同”的開(kāi)始。之后，新加坡政府開(kāi)始大力宣揚(yáng)新加坡精神、新加坡價(jià)值觀等傳統(tǒng)文化，這使得新加坡這片土地上原有的東方元素再次復(fù)活，這一重生的文化力量同樣為內(nèi)生性的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建提供了動(dòng)力。
值得注意的是，內(nèi)生性的動(dòng)力已成為新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的主導(dǎo)力量，但如同認(rèn)同范式的轉(zhuǎn)換一樣，這種主導(dǎo)并不能完全取代制度認(rèn)同等外力推動(dòng)，其同樣需要相應(yīng)的制度支持，以此共同協(xié)力進(jìn)行國(guó)家認(rèn)同的構(gòu)建。
三、從“共存”到“一體”：新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建中的使命轉(zhuǎn)變
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，新加坡的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了巨大的突破，國(guó)內(nèi)各種族間基本實(shí)現(xiàn)了和諧共處，各宗教也得以寬容共生，整個(gè)國(guó)家都處在相對(duì)和諧的狀態(tài)之中。然而，20世紀(jì)90年代以來(lái)，新加坡出現(xiàn)了對(duì)外移民大增的趨勢(shì)。[9]可以看出，新加坡在進(jìn)行國(guó)家認(rèn)同的構(gòu)建中雖然通過(guò)制度性的強(qiáng)制力和有效的經(jīng)濟(jì)政策使得國(guó)內(nèi)各種族、宗教以及文化團(tuán)體實(shí)現(xiàn)了互益共生，然而，這一過(guò)程卻沒(méi)能生成“一體”意識(shí)。這就使得“作為歷史上殖民化最完整的社會(huì)之一的新加坡”[10]沒(méi)能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代民族國(guó)家中最自主、最自信、最有認(rèn)同感的國(guó)家。發(fā)展共同體意識(shí)，構(gòu)建一體化的新加坡就成為了其國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建發(fā)展的主要方向。
1.共存意識(shí)――新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建初級(jí)階段。就國(guó)家認(rèn)同的層次來(lái)講，其主要由兩部分構(gòu)成：一是共存，二是一體。一個(gè)國(guó)家在進(jìn)行國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的過(guò)程中，應(yīng)首先生存于這個(gè)國(guó)家，而后才可能同這個(gè)國(guó)家相融，以至一體。新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的道路就遵循著這樣一種歷史軌跡。上文已經(jīng)就新加坡在住房、語(yǔ)言、教育以及政治參與等各方面的制度進(jìn)行了介紹和解讀，我們發(fā)現(xiàn)，新加坡初期國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的著眼點(diǎn)更傾向于使多種族的國(guó)民共生、共存于新加坡一國(guó)之中。例如，在新加坡的混合組屋計(jì)劃中，新加坡不同種族的人被強(qiáng)制安排在一起生活，無(wú)論其是否愿意，其必須努力m應(yīng)這種共居的生活，但是在這一過(guò)程中，初期的新加坡政府并沒(méi)有采取使雙方進(jìn)行融合的策略，而只是努力使雙方變得寬容，其目的僅僅是使各種族居民可以共同生存于同一空間之中；在語(yǔ)言政策方面，新加坡政府十分重視英語(yǔ)，并把英語(yǔ)塑造成了“第一語(yǔ)言”，其目的也只是為方便國(guó)民溝通，而不是使全體國(guó)民將其視為新加坡人的語(yǔ)言、視為他們自己最?lèi)?ài)的語(yǔ)言；在政治上，新加坡政府努力將國(guó)民政治活動(dòng)限制在政府的管控之內(nèi)，而不愿意太多調(diào)動(dòng)國(guó)民的政治參與性。
無(wú)疑，新加坡在國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的初期較好地完成了共存意識(shí)的搭建，這種共存意識(shí)保證了新加坡在獨(dú)立建國(guó)后能夠有效地應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)和國(guó)際的風(fēng)云變幻，并為新加坡帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)的騰飛。然而，伴隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國(guó)民對(duì)于政治權(quán)利的訴求也越來(lái)越多，它們開(kāi)始日益關(guān)注那些影響自身實(shí)際生活狀況的政策的制定及執(zhí)行，并希冀在現(xiàn)有政治制度框架下尋求更廣闊的政治空間。但是由于缺乏共同的價(jià)值觀和文化基礎(chǔ)，多種族的國(guó)民雖然生活在一起，很難形成“新加坡人”的整體印象。不得不說(shuō)，發(fā)生在20世紀(jì)90年代的新加坡國(guó)民移民潮同缺乏這種“新加坡人”的想象具有一定的關(guān)聯(lián)性。這就需要政府構(gòu)建更為有效的國(guó)家認(rèn)同策略。其中，最引人注目的便是由“共存”到“一體”的國(guó)家認(rèn)同策略轉(zhuǎn)變，即如何真正讓每一個(gè)國(guó)民深切感受到自己是新加坡一份子的“新加坡人”教育。
2.一體意識(shí)――新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建的進(jìn)階轉(zhuǎn)型。一體意識(shí)是生存意識(shí)的進(jìn)階，是國(guó)家認(rèn)同發(fā)展的高級(jí)階段，相對(duì)于生存式的被動(dòng)的國(guó)家認(rèn)同，一體意識(shí)強(qiáng)調(diào)對(duì)個(gè)體主觀的認(rèn)同情感、認(rèn)同意志和認(rèn)同行為的喚醒，即個(gè)體自覺(jué)將自己的生活、學(xué)習(xí)、工作以至于整個(gè)生命同國(guó)家命運(yùn)聯(lián)系在一起，真正地將自己視為國(guó)家的一份子，將國(guó)家視為自己的國(guó)家。
在一體意識(shí)的構(gòu)建過(guò)程中，新加坡在思想文化上有意復(fù)興東方文化，重點(diǎn)宣揚(yáng)“新加坡人”“新加坡價(jià)值觀”；在政治上，新加坡逐漸放松了對(duì)社會(huì)團(tuán)體、利益集團(tuán)等民間機(jī)構(gòu)的控制，賦予公民更多的政治自由和更為廣闊的政治參與空間；在民生問(wèn)題上，新加坡政府通過(guò)強(qiáng)化居民委員會(huì)職能，進(jìn)一步豐富了新加坡組屋居民的文化生活，促進(jìn)租屋內(nèi)的居民更好的交往、交流和交融。
第一，復(fù)興東方文化、儒家文化的活動(dòng)。由于新加坡本身屬于亞洲儒家文化圈，因此，20世紀(jì)后半期，新加坡政府開(kāi)始注重對(duì)東方文化和儒家文化的傳播和應(yīng)用，希望以恢復(fù)傳統(tǒng)的方式來(lái)喚醒蘊(yùn)藏在國(guó)民心中的對(duì)傳統(tǒng)文化的感知，并以此凝聚國(guó)民意識(shí)，構(gòu)筑屬于新加坡自己的國(guó)民文化、國(guó)民精神，例如，新加坡政府在20世紀(jì)末在全社會(huì)進(jìn)行的“禮貌月運(yùn)動(dòng)”“敬老周運(yùn)動(dòng)”“推廣華語(yǔ)運(yùn)動(dòng)”[3]139等活動(dòng)。
第二，放松政治管控，暢通公民參與的渠道和途徑。在獨(dú)立建國(guó)初期，新加坡為應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的國(guó)內(nèi)外環(huán)境和挑戰(zhàn)，采取了威權(quán)主義治理模式，以期能夠集中精力應(yīng)對(duì)困境、發(fā)展經(jīng)濟(jì)。然而，面對(duì)中產(chǎn)階級(jí)的崛起以及國(guó)民普遍的政治意識(shí)的提高，新加坡政府原有的統(tǒng)治策略面臨著失效的威脅?；诖?，新加坡政府主動(dòng)適應(yīng)民主化浪潮，放松了對(duì)政治的控制，進(jìn)一步開(kāi)放了國(guó)民參與政治的途徑。例如，在學(xué)校，新加坡政府就鼓勵(lì)學(xué)校開(kāi)展政治辯論活動(dòng)，讓學(xué)生能夠根據(jù)自己的意愿選擇不同的政黨、發(fā)表不同的政見(jiàn)，并展開(kāi)討論；在社會(huì)領(lǐng)域，新加坡也出現(xiàn)了越來(lái)越多的NGO、NPO組織，這些組織開(kāi)始成為市民社會(huì)十分重要的力量，它們也逐漸能夠?yàn)楦髯缘睦鎸?duì)政黨施壓等等。[3] 163-165可以這么說(shuō)，新加坡的政治民主化進(jìn)程正在使越來(lái)越多的國(guó)民感受到自己是新加坡的國(guó)民、自己是新加坡的主人，由此萌生出愈來(lái)愈濃厚的國(guó)家認(rèn)同感。
第一，就思想領(lǐng)域來(lái)講，要堅(jiān)持打牢中華民族命運(yùn)共同體意識(shí)，培育中華民族共有精神家園。即要在歷史維度充分認(rèn)識(shí)中華民族是一個(gè)命運(yùn)共同體。通過(guò)長(zhǎng)期的交往交流交融業(yè)已形成了各民族交錯(cuò)雜居分布、經(jīng)濟(jì)上相互依存、文化上兼收并蓄、情感上彼此親近，你中有我、我中有你、誰(shuí)也離不開(kāi)誰(shuí)的一體多元格局。在現(xiàn)實(shí)和發(fā)展維度，要始終牢固樹(shù)立中華民族共同體意識(shí)，通過(guò)自覺(jué)加強(qiáng)“五個(gè)認(rèn)同”教育，加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)教育，通過(guò)推動(dòng)建立嵌入式社會(huì)結(jié)構(gòu)和社區(qū)環(huán)境，通過(guò)文化嵌入、經(jīng)濟(jì)嵌入、社會(huì)嵌入和情感嵌入，促進(jìn)各民族交往交流交融，培育中華民族共有精神家園。
第二，就政治與社會(huì)領(lǐng)域而言，通過(guò)“放權(quán)社會(huì)”來(lái)實(shí)現(xiàn)“一體意識(shí)”的培養(yǎng)較為符合我國(guó)的國(guó)情?！胺艡?quán)社會(huì)”本質(zhì)上是公共部門(mén)借助社會(huì)力量來(lái)解決日益龐雜的社會(huì)事務(wù)的一種治理方式，它是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物。一般而言，它有兩種表現(xiàn)形式，一是讓個(gè)體直接參與到既有的權(quán)力運(yùn)作中來(lái)，例如聽(tīng)證會(huì)制度、公示制度等其他擴(kuò)大公民政治與社會(huì)生活參與的活動(dòng)；二是將權(quán)力下放，由其他治理主體進(jìn)行運(yùn)作，例如NPO、NGO組織的興起?！胺艡?quán)社會(huì)”有利于使公民更多地參與政治生活，它增加了公眾與政府之間的互動(dòng)，也提供了社會(huì)成員之間的互聯(lián)互通平臺(tái)。無(wú)疑，它將有利于國(guó)家認(rèn)同的構(gòu)建。
第三，就教育領(lǐng)域而言，我們更多地應(yīng)該考慮公平的問(wèn)題，即通過(guò)公平地對(duì)待來(lái)讓整個(gè)國(guó)民群體感覺(jué)到“一體意識(shí)”。我們要進(jìn)一步優(yōu)化教育資源的配置，更多地考慮中西部地區(qū)、少數(shù)民族聚居地區(qū)的教育資源配置；要進(jìn)一步完善高考制度，使身份、需求、能力相同的人能夠獲得相同的結(jié)果。具體而言，就是要對(duì)教育領(lǐng)域內(nèi)的活動(dòng)進(jìn)行三維的考量：一是要考慮平等原則，即受教育基本權(quán)利和機(jī)會(huì)的分配要平等；二是要考慮差異原則，即要使具有不同需求、不同能力的人獲得不同的教育資源，實(shí)現(xiàn)他們不同的愿望；三是要考慮補(bǔ)償原則，即要使教育資源的配置能夠縮小受教育者的社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位的差距，并對(duì)處于不利地位的個(gè)體予以補(bǔ)償。[14]只有通過(guò)公平地對(duì)待受教育者，才能真正地讓它們感受到自己歸屬于同一個(gè)群體。也只有這樣，“一體意識(shí)”的構(gòu)建才能真正實(shí)現(xiàn)。
結(jié)語(yǔ)
新加坡國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建呈現(xiàn)出一種“文化、內(nèi)生、一體化”的策略?xún)A向，這使得新加坡的國(guó)民統(tǒng)合得到了有效的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，每個(gè)國(guó)家都有著自己的國(guó)情，這就決定了每一個(gè)國(guó)家在采取國(guó)家認(rèn)同教育的過(guò)程中必然具有其特殊性。然而，這種特殊性絕非獨(dú)立于普遍性之外。也就是說(shuō)，新加坡的“文化、內(nèi)生、一體化”的國(guó)家認(rèn)同構(gòu)建策略為我們提供了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。這就要求我們?cè)趫?jiān)持“五個(gè)認(rèn)同”“三個(gè)自信”“三個(gè)離不開(kāi)”的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)借鑒新加坡“文化、內(nèi)生、一體化”的國(guó)家認(rèn)同教育經(jīng)驗(yàn)，以此推進(jìn)具有中國(guó)特色的交往交流交融教育研究，進(jìn)而優(yōu)化中華民族多元一體的整合，實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，而這也正是我們今后需要研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵。
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