基于光神经网络的机器人系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于光神经网络的机器人系统，所述机器人系统包括：通信系统，用于接收外界传达给机器人的指令；光神经网络中央处理系统，用于解算携带决策信息的光信号并进行输出；控制系统，用于解算输出携带控制信息的光信号并将光信号编码为携带控制信息的电信号进行输出；执行系统，用于接收携带控制信息的电信号并执行相应的指令；以及传感系统，用于监测所述执行系统和外部环境，并将感应到的传感信息以光信号的方式传递给所述光神经网络中央处理系统，光神经网络中央处理系统再根据传感信息决策当前机器人的行为。本发明专利技术中机器人系统绝大部分计算工作以光速进行，计算速度快、实时性高。

Robot System Based on Optical Neural Network

The invention provides a robot system based on an optical neural network, which comprises a communication system for receiving instructions conveyed to the robot from outside; an optical neural network central processing system for solving and outputting optical signals carrying decision information; and a control system for solving and outputting optical signals carrying control information and coding optical signals as carriers. The electrical signal of control information is output; the executive system is used to receive the electrical signal carrying control information and execute the corresponding instructions; and the sensing system is used to monitor the executive system and the external environment, and transmit the sensing information to the central processing system of the optical neural network in the form of optical signal. The Central processing system of the optical neural network is based on the sensing information. Decide the behavior of the current robot. Most of the calculation work of the robot system in the invention is carried out at the speed of light, and the calculation speed is fast and the real-time performance is high.

【技术实现步骤摘要】
基于光神经网络的机器人系统
本专利技术涉及机械电子
，更为具体地，涉及一种基于光神经网络的机器人系统。
技术介绍
近几十年来，机器人技术的高速发展极大地促进了人类生产生活质量的提高。机器人的高速发展离不开机械电子技术与机器人计算处理能力的发展。其中，机器人的计算处理能力直接限制了机器人的能力。近年来，随着机器人应用背景的复杂度越来越高，其对机器人实时计算处理能力的需求也不断增长。然而，在实时处理大量数据与复杂系统方面，已建立的微电子技术面领着巨大的限制。摩尔定律标志着微电子芯片的晶体管数量和集成度即将无法进一步推进。同时，微电子芯片依赖于电子传输，其固有的RC寄生效应使得实时计算速度受到电路内部互连速度和功率的限制。近年来，基于光计算的神经网络相关研究以其高计算速度与低功率引发了巨大的关注。光以光速传播，其在传播过程中同时完成所携带信息的计算过程。同时，神经网络的计算并行性进一步提高了光计算速度。因此，通过光神经网络处理机器人计算任务具有极大的实时性与低功率优点。本专利技术人发现之前从未见基于光神经网络的机器人系统。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于光神经网络的机器人系统，以提高机器人的实时计算能力和速度。为了实现上述目的，本专利技术通过以下的技术方案来实现的：一种基于光神经网络的机器人系统，所述机器人系统包括：通信系统，用于接收外界传达给机器人的指令并将接收到的指令转换成第一光信号进行传输；光神经网络中央处理系统，用于接收所述第一光信号，并根据所述第一光信号解算携带决策信息的第二光信号并进行输出；控制系统，用于接收所述第二光信号并根据所述第二光信号解算输出携带控制信息的第三光信号，再将所述第三光信号编码为携带控制信息的电信号进行输出；执行系统，用于接收携带控制信息的电信号并执行相应的指令；以及传感系统，用于监测所述执行系统和外部环境，并将感应到的传感信息以光信号的方式传递给所述光神经网络中央处理系统，所述光神经网络中央处理系统再根据传感信息决策当前机器人的行为。进一步地，所述通信系统包括外界指令接收模块和以光纤网络为主的内部信号传输模块。进一步地，所述光纤网络用于在硬件间传输光信号，所述光纤网络中设置有光信号放大装置。进一步地，所述光神经网络中央处理系统包括第一光源、空间光调制器、第二光源、中央处理光神经网络以及光存储器件；第一光源用于为所述空间光调制器提供光；空间光调制器用于接收所述第一光信号并编码所述第一光源提供的光使其携带所述第一光信号的指令信息并输出该光信号；第二光源用于为所述中央处理光神经网络补充光信号；中央处理光神经网络用于接收所述空间调制器输出的光信号，并解算输出携带决策信息的所述第二光信号；所述光存储器件用于存储所述光中央处理光神经网络的处理任务。进一步地，所述空间光调制器为液晶光阀、数字微镜器件、激光直写型空间光调制器中的一种。进一步地，所述控制系统包括控制光神经网络和探测器系统；所述控制光神经网络用于接收所述第二光信号并根据所述第二光信号解算携带控制信息的第三光信号并进行传输；所述探测器系统用于接收所述第三光信号并将其编码为携带控制信息的电信号进行输出。进一步地，所述探测器系统采用一个或多个光电转换器件编码所述第三光信号；当采用多个光电转换器件时，将多个光电转换器件设置成阵列，对所述第三光信号进行多路编码。进一步地，所述传感系统包括第三光源、传感模块以及传感光神经网络；所述第三光源用于为所述传感模块提供传感初始光；所述传感模块用于实时监测所述执行系统和外界环境，并输出携带传感信息的传感光信号；传感光神经网络用于接收传感光信号并根据传感光信号解算传感信息，再将解算出的传感信息用光信号的方式传递给中央处理光神经网络。进一步地，所述传感模块采用基于光学传感方式直接输出光信号或基于非光学传感方式，然后通过电光转换器输出光信号的方式。进一步地，所述执行系统包括驱动系统和机械系统；所述驱动系统用于接收携带控制信息的电信号，并驱动所述机械系统执行相应的指令。进一步地，所述中央处理系统包含多个处理子系统，各子系统按照输入任务的优先级逐个处理；优先级高的任务先被处理，优先级低的任务暂存至光存储器件，待后续处理。进一步地，所述中央处理系统包含多个处理子系统，各子系统任务分工不同，其中部分子系统处理高级任务，部分子系统处理低级任务。进一步地，所述中央处理系统包含多个处理子系统，各子系统任务分工存在部分重叠；其中一个子系统负责分配待处理任务至其它子系统，对于当前待处理的任务，优先分配至可处理该任务的空闲子系统处。进一步地，所述光神经网络中央处理系统、所述传感系统、控制系统的处理任务主要由光神经网络完成，所述光神经网络中存在非线性光学过程，所述非线性光学过程包括但不限于倍频、光学混频、拉曼散射、自聚焦、光致透明、光折变。进一步地，所述光神经网络基于光学传播过程完成计算过程，该光学传播过程的实现形式包括但不限于光波导、透镜组合、印刷板衍射。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：1、区别于现有基于电子计算的机器人系统，本专利技术的处理任务主要由光神经网络来完成，光神经网络以光为信息载体，计算过程与光的物理传播同时完成，其计算速度为光速，具有高速传播、并行、干扰低的优点，得益于光神经网络的计算高速性，本专利技术中机器人系统绝大部分计算工作以光速进行，该系统具有非常高的实时性；2、光神经网络硬件中只有光源存在能源消耗，光传播过程自发进行，无需能源消耗，机器人的中央处理系统与测控系统能耗小；3、由于本专利技术中采用光信号为信息载体，以光纤网络作为光信号传输途径，光神经网络硬件系统结构简单，集成度高，可广泛应用于各种背景及需求下的机器人应用。为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细说明特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本专利技术的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。附图说明通过参考以下结合附图的说明内容，并且随着对本专利技术的更全面理解，本专利技术的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为本专利技术的基于光神经网络的机器人系统组成示意图。图2为本专利技术的基于光神经网络的机器人系统实施例一框图。图3为实施例一的中央处理系统示意图。图4为实施例一的光神经网络硬件示意图。图5为本专利技术的基于光神经网络的机器人系统实施例二框图。图6为本专利技术的基于光神经网络的机器人系统实施例三框图。图中：电信号101、107、201、206、301、3071、3072、3073，光信号102、103、104、105、106、108、109、110、202、203、204、205、207、208、302、303、304、3051、3052、3053、3061、3062、3063、308、3091、3092、3093、3101、3102、3103。在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术的具体实施例进行详细描述。实施例一：参见图1和图2，本专利技术提供的基于光神经网络的机器人系统的一个实施例包括通信系统、光神经网络中央处理系统、控制系统、执行系统以及传感系统。通讯系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述机器人系统包括：通信系统，用于接收外界传达给机器人的指令并将接收到的指令转换成第一光信号进行传输；光神经网络中央处理系统，用于接收所述第一光信号，并根据所述第一光信号解算携带决策信息的第二光信号并进行输出；控制系统，用于接收所述第二光信号并根据所述第二光信号解算输出携带控制信息的第三光信号，再将所述第三光信号编码为携带控制信息的电信号进行输出；执行系统，用于接收携带控制信息的电信号并执行相应的指令；以及传感系统，用于监测所述执行系统和外部环境，并将感应到的传感信息以光信号的方式传递给所述光神经网络中央处理系统，所述光神经网络中央处理系统再根据传感信息决策当前机器人的行为。

【技术特征摘要】
1.一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述机器人系统包括：通信系统，用于接收外界传达给机器人的指令并将接收到的指令转换成第一光信号进行传输；光神经网络中央处理系统，用于接收所述第一光信号，并根据所述第一光信号解算携带决策信息的第二光信号并进行输出；控制系统，用于接收所述第二光信号并根据所述第二光信号解算输出携带控制信息的第三光信号，再将所述第三光信号编码为携带控制信息的电信号进行输出；执行系统，用于接收携带控制信息的电信号并执行相应的指令；以及传感系统，用于监测所述执行系统和外部环境，并将感应到的传感信息以光信号的方式传递给所述光神经网络中央处理系统，所述光神经网络中央处理系统再根据传感信息决策当前机器人的行为。2.如权利要求1所述的一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述通信系统包括外界指令接收模块和以光纤网络为主的内部信号传输模块。3.如权利要求2所述的一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述光纤网络用于在硬件间传输光信号，所述光纤网络中设置有光信号放大装置。4.如权利要求1所述的一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述光神经网络中央处理系统包括第一光源、空间光调制器、第二光源、中央处理光神经网络以及光存储器件；第一光源用于为所述空间光调制器提供光；空间光调制器用于接收所述第一光信号并编码所述第一光源提供的光使其携带所述第一光信号的指令信息并输出该光信号；第二光源用于为所述中央处理光神经网络补充光信号；中央处理光神经网络用于接收所述空间调制器输出的光信号，并解算输出携带决策信息的所述第二光信号；所述光存储器件用于存储所述光中央处理光神经网络的处理任务。5.如权利要求4所述的一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述空间光调制器为液晶光阀、数字微镜器件、激光直写型空间光调制器中的一种。6.如权利要求1所述的一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述控制系统包括控制光神经网络和探测器系统；所述控制光神经网络用于接收所述第二光信号并根据所述第二光信号解算携带控制信息的第三光信号并进行传输；所述探测器系统用于接收所述第三光信号并将其编码为携带控制信息的电信号进行输出。7.如权利要求6所述的一种基于光神经网络的机器人系统，其特征在于，所述探测器系统采...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱煜，张鸣，赵家琦，王磊杰，李鑫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11