智能机器人系统导论
课程名称：智能机器人系统导论
英文名称：Introduction to Intelligent Robot System
学分：3
任课教师简历及教学科研成果
王韬，博士，现任北京大学计算机学院研究员（Research Professor），情感智能机器人实验室主任、浙江省北大信息技术高等研究院副院长，北京计算机学会秘书长兼机器人情感计算专业委员会主任。于1999年和2006年在北京大学取得学士和博士学位，2006年-2008年在清华大学-Intel联合博士后工作站从事博士后工作，之后在Intel公司任主任研究员，2010年11月被北京大学引进。发表学术论文80余篇，其中多篇论文在国际顶级会议AAAI、MULTIMEDIA、IROS、IJCAI、ISCA、MICRO、MobiCom、MobiSys及国际顶级期刊IEEE TC、IEEE TMC、IEEE TWC、IEEE TCAD上发表。一篇论文在移动计算与无线网络领域排名第一的国际顶级学术会议MobiCom’17上获得最佳学术社区论文奖，多篇论文获得国际学术会议最佳论文奖。得到专利授权20余项。获得多项国家级、省部级科研基金及横向项目资助。带领研发的智能机器人原型系统多次代表北京大学在各类会议、展览中进行展示。获教育部2017年度高等学科科学研究优秀成果（科学技术）自然科学一等奖、2017年北京市高等教育教学成果奖一等奖、2017年北京市高等教育教学成果奖二等奖、2020年中国通信学会科学技术一等奖。目前的研究方向为：情感计算、智能机器人系统、系统建模与推演。
先修课程：
机器人概论类课程
计算机系统基础类课程
中文简介：
随着科技的发展，越来越多的“智能机器人”以各种形式出现在了人们的生活中，像是手机里的“智能助理”，家中客厅摆放着的“智能音箱”，给孩子们讲故事的“陪伴智能机器人”，甚至每天迎接我们回家的“智能宠物”……与此同时，科幻影视里出现的智能机器人们更是不断刷新着我们对于它们功能的认知：它们可以听懂人类的心声，和我们谈笑风生，可以和人类并肩作战，可以像我们一样进行学习和思考……
相信大家在享受着它们带来的全新的生活体验方式，对未来机器人产生无限憧憬的同时，也会产生思考：智能机器人究竟是什么，它是如何被设计出来的？现在的智能机器人真的够智能吗，要怎样帮助它更加聪明更加智能？科幻电影里的机器人可以实现吗？
本门课程将会围绕智能机器人这一热点领域，介绍智能机器人系统的原理、设计方法和实现技术，展示机器人的环境感知、视觉、语音、移动、操作各方面的相关知识，讨论智能机器人本体、软件系统框架，还会讲解智能机器人的前沿领域—情感机器人，以及机器人伦理问题。
本门课程是面向信息科学技术研究院本科生开设的一门专业选修课程，通过理论讲授与实践结合的教学方式，使同学们对于智能机器人的概念、原理、模型、实现有更加深刻的了解，掌握智能机器人系统的理论与相关知识，实践智能机器人的设计方法，为进一步学习或进行相关应用打下坚实的基础。
本门课程结合北京大学计算机学院情感智能机器人实验室研发的仿人机器人，为选课同学提供针对智能机器人的实践、分析、验证平台。
在本门课程的最后，选课同学还将实现基本的智能机器人系统（部分）。
本课程采用根据平时课堂报告、课程项目与期末考试相结合的方式进行考核。
英文简介：
With the development of science and technology, more and more intelligent robots appear in people's lives in various forms, such as "smart assistants" in mobile phones, "smart speakers" and "intelligent robot" in our homes, or even the "smart pet" who greets us home every day ... At the same time, the intelligent robots that appear in science fiction movies and televisions are constantly refreshing our understanding of their functions: They can understand the voice of human beings, chat with us, can fight side by side with humans, and can even learn and think like us ...
While enjoying the new way of life experience and unlimited imagination of future robots they bring to us, we believe that everyone will be thinking about what is an intelligent robot, and how to help it become smarter and smarter? Can robots in science fiction movies be realized?
This course will focus on the structure of intelligent robot systems, introducing the principles, design methods, and implementation techniques of robot systems, comprehensively demonstrating the realization of robots' perception, planning, action, as well as the framework and design of robot architecture. At the end of the course, we will also explain the frontier field of intelligent robots-emotional robots, and discuss robot ethics.
This course is a professional elective course for undergraduates of the School of Electronics Engineering and Computer Science. Through the combination of theoretical teaching and practical teaching methods, students will have a deeper understanding of the concepts, principles, models, implementation of intelligent robots, as well as gain practice of designing intelligent robots and lay a solid foundation for further learning or related applications.
This course also combines the humanoid robot designed by the Laboratory of Affective Intelligent Robots, Peking University to provide a practical platform for intelligent robot practice, analysis, and verification.
At the end of this course, the students will also implement a basic intelligent robot system (part).
This course employs a combination of usual classroom performance, class project and final examination to evaluate the final score of a student.
课程基本目的：
1）使同学们了解智能机器人的历史发展、框架设计、研发流程、关键技术；
2）使同学们掌握智能机器人系统硬件和软件的设计思想与核心概念；
3）通过在机器人平台的实践，使同学们搭建智能机器人框架，获得机器人系统设计的实践经验；
4）使同学们对于智能机器人重要研究领域的发展有所了解，以便未来进行更深入的研究。
内容提要及相应学时分配：
第一周：智能机器人概述（3课时）
* 机器人名词的起源
* 想象与现实中的机器人
* 机器人的历史
* 当代机器人
* 讨论：分组进行头脑风暴，讨论理想的机器人功能模型
第二周：机器人基础概念（3课时）
* 智能机器人简化模型：感知-规划-行动
* 机器人本体基础（基本架构、运动学、动力学）
* 最简单的机器人系统
* 资料阅读+讨论：小组选2-3个同类型的智能机器人，讨论这些机器人实现的功能，解决了哪些机器人学中的问题
第三周：机器人感知概述（3课时）
* 智能机器人感知概述
* 智能感知过程（通用感知模型、传感、特征提取、世界模型匹配与更新、多传感模型整合，世界/系统模型生成、预测前馈）
* 实践：分组讨论智能机器人需要具备的感知手段
第四周：环境感知方法（上）（3课时）
* 对传感器建模
* 常用传感器
* 方位感知
* 实践：着手设计机器人感知模型（上）
第五周：环境感知方法（下）（3课时）
* 距离感知
* 触觉感知
* 听觉感知
* 实践：着手设计机器人感知模型（下）
第六周：机器人视觉与语音（3课时）
* 机器人视觉技术
* 机器人语音技术
* 实践：为自己设计的机器人添加视觉和语音功能
第七周：智能移动基础（3课时）
* 定位方法
* 移动规划
* 避障
* 实践：为自己设计的机器人添加移动的功能（上）
第八周：同时定位与建图（SLAM）（3课时）
* 前端位姿估计
* 后端优化
* 回环检测
* 建图
* 实践：设计SLAM系统
第九周：机器人智能操作（3课时）
* 操作结构
* 操作控制
* 操作规划
* 实践：为自己设计的机器人添加操作的功能
第十周：机器人本体系统设计（3课时）
* 机器人本体系统设计准备工作
* 机器人本体系统设计过程（结构、机电、计算）
* 机器人系统仿真
* 实践：以情感智能机器人实验室的仿人机器人为参考，设计自己的智能机器人本体系统
第十一周：机器人软件系统结构（3课时）
* 机器人软件系统分层控制结构
* 案例分析：邮差机器人的软件系统结构
* 讨论：结合案例，讨论自己设计的智能机器人中，各部分软件结构该如何设计
第十二周：机器人操作系统ROS（3课时）
* 机器人操作系统ROS概述
* ROS的核心概念
* ROS的应用
* 实践：在ROS上实现机器人的相关功能
第十三周：人与智能机器人的交互（3课时）
* 人-机器人交互（HRI）概述
* 机器人智能交互
* 实践：在自己设计的机器人之上添加智能交互能力
第十四周：情感机器人（3课时）
* 基于情感的机器人交互
* 机器人的情感识别（面部表情、姿态、语气、脑电）
* 机器人的情感表达
* 资料分享+讨论：分组查找学术界和工业界研发的具有情感能力的机器人，分析它们的功能
* 实践：为自己设计的智能机器人添加情感相关的功能
第十五周：机器人伦理（3课时）
* 机器人伦理概述
* 各类机器人与人类共存中的伦理问题
* 智能机器人的未来
* 讨论：分组讨论大家设计的机器人可能会遇到哪些机器人伦理方面的问题
第十六周：课程项目展示（3课时）
* 每小组进行15-20分钟的展示，包括设计灵感、实现过程、实例演示等，也要畅想未来机器人的发展思路
教学方式：课堂讲授、文献阅读、讨论、报告等，大致标明比重
教学方式：采用课堂讲授、文献阅读、动手实践、讨论与报告相结合的方式。其中每次课程前两课时用于课堂 讲授，另外一课时用于课堂讨论与报告。课后文献阅读与动手实践大致相当于授课时间的50%。学生将在课后阅读相关文献、进行动手实践以完成报告材料，并在下次课程中进行课堂报告。
授课时间：约48学时；其中课堂讲授约32学时，课堂讨论与报告时间约16学时。
课后学习时间：约24学时，用于课后文献阅读与动手实践。
学生成绩评定办法：考试方式和要求，考试中几个环节占的比重
本课程采用根据平时课堂报告、课程项目与期末考试相结合的方式进行考核，其中:
课堂报告：30%
课程项目：30%
期末考试：40%