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1、智能机器人论文院系：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：秦刚学号：540902021331目录第一章 绪论2一、机器人概述21、机器人定义32、机器人开展史33、各国机器人开展状况5第二章 机器人的根本组成7一、机器人能力评价标准7二、机器人的根本部件7三、机器人的分类81、一般机器人和智能机器人。8第三章 智能机器人9一、智能机器人概述9二、智能机器人的分类9三、智能机器人样机10四、智能机器人开展方向11五、智能机器人的关键技术121怎样变聪明？122. 机器人可能会思考吗？13六、实际应用案例15上海世博会使用过的机器人15第四章 人类与机器人16一、机器人对人类的威胁16二、
2、选修课感想17第一章 绪论一、机器人概述1、机器人定义机器人Robot是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原那么纲领行动。他是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业 、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的、用来搬运材
3、料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速开展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。 1886年法国作家利尔亚当在他的小说?未来夏娃?中将外表像人的机器起名为“安德罗丁Android，它由4局部组成： 1，生命系统平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等； 2，造型解质关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲； 3，人造肌肉在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态； 4，人造皮
4、肤含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等。 在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人： 1，具有脑、手、脚等三要素的个体； 2，具有非接触传感器用眼、耳接收远方信息和接触传感器； 3，具有平衡觉和固有感觉的传感器。机器人的定义是多
5、种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。动物一般具有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。 1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。 1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。在研究和开
6、发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们开展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而
7、为机器人技术开辟出更加广阔的开展空间。 2、机器人开展史西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位创造家，据?墨经?记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下，表达了我国劳动人民的聪明智慧。 公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人创造了最原始的机器人自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 1800年前的汉代，大科学家张衡不仅创造了地动仪，而且创造了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了
8、“木牛流马，并用其运送军粮，支援前方战争。 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术创造了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。 1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊创造了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说?罗萨姆的机器人万能公司?中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工)和Robotnik(波兰文，原意为“工人)，创造出“机器人这个词。 1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至
9、可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原那么。 1948年 诺伯特维纳出版?控制论?，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。 1954年 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1956年 在达特茅斯会议上，马文明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创立周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够
10、从抽象模型中寻找解决方法。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。 1959年 德沃尔与美国创造家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父。 1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特
11、采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年那么开始在机器人中参加视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。 1965年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉的机器人，并向人工智能进发。 1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉
12、传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。 1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人
13、技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。 1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查平安。 1990年 我国著名学者周海中教授在?论机器人?一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。 1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。 1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途
14、径之一。 2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量缺乏时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技。 2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。 3、各国机器人开展状况美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的开展，美国现已成为世界上的机器人强国
15、之一，根底雄厚，技术先进。综观它的开展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点开展工程，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达665，政府担忧开展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人
16、的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。 进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所表达，一方面鼓励工业界开展和应用机器人，另一方面制订方案、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速开展。 80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60的机器人市场。 尽管美国在机器人开展史上走过一条重视理论研究，无视应用开
17、发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在： 1性能可靠，功能全面，精确度高； 2机器人语言研究开展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首； 3智能技术开展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用； 4高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等开展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Aut
18、omation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会公布了否认人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制开展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。 但是，国际上机器人蓬勃开展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人开展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购置机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国不仅在机器
19、人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比拟重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。 法国机器人的开展比拟顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究方案，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人根底技术方面的研究工程，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快开展和普及。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的
20、社会环境却是有利于机器人工业开展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件方案中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个方案为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的开展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原那么。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购置了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业本钱下降
21、、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为快完蛋的行业重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。在前苏联主要是在俄罗斯，从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年方案1970年一1975年开始时，就把开展机器人列入国家科学技术开展纲领之中。到1975
22、年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产开展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有方案、按步骤地进行。有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，开展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的开展做出卓越的奉献。 我国已在“七五方案中把机器人
23、列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人根底理论与根底元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已根本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技开展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、本钱低廉的实用型机器人和某些特种机器人。日本在60年代末正处于经济高度开展时期，年增长率达11
24、。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济开展更加剧了劳动力严重缺乏的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特机器人。 正是由于日本当时劳动力显著缺乏，机器人在企业里受到了“救世主般的欢送。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励开展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉
25、的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优待外，还可再享受 13的价格补贴。另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。 这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速开展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的开展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年，开始在各个领域内广泛推广使用
26、机器人。 日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力缺乏、提高生产率、改良产品质量和降低生产本钱方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。 日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造本钱那么大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充满了美国市场这使“山姆大叔懊悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等
27、许多国家不得不采取措施，奋起直追。第二章 机器人的根本组成一、机器人能力评价标准机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比拟、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的实际空间运行工具。二、机器人的根本部件机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副转动副或移动副常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可
28、分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部夹持器或末端执行器和行走部对于移动机器人等。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反响给控制系统，与设定信息进行比拟后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：
29、一类是内部信息传感器，用于检测机器人各局部的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反响信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之到达更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉，向智能化开展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反响回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散级式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两
30、级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反响信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力力矩控制。三、机器人的分类1、一般机器人和智能机器人。 一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人。智能机器人是以人工智能决定其行动的机器人。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人
31、那么是除工业机器人之外的、用于非制造业并效劳于人类的各种先进机器人，包括：效劳机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支开展很快，有独立成体系的趋势，如效劳机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的效劳与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活泼、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的开展根本上是以美国为主线向前推进的，无论
32、从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。 到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反响性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。这些要素实质上就是相当于人的眼、鼻、耳等五官，它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传成器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。对运动要素来说，智能机器人需要有一个无轨
33、道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机那么是完成这个处理过程的主要手段。 智能机器人第三章 智能机器人一、智能机器人概述智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当兴旺的“大脑。在脑中起作用的是中央计算机，这
34、种计算机跟操作它的人有直接的联系。最主要的是，这样的计算机可以进行按目的安排的动作。正因为这样，我们才说这种机器人才是真正的机器人，尽管它们的外表可能有所不同我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物。其实，这个自控“活物的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。 智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。 我们称这种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生
35、的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了。 智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识中单独形成了一种使它得以“生存的外界环境实际情况的详尽模式。它能分析出现的情况，能调整自己的动作以到达操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。当然，要它和我们人类思维一模一样，这是不可能办到的。不过，仍然有人试图建立计算机能够 理解的某种“微观世界
36、。比方维诺格勒在麻省理工学院人工智能实验室里制作的机器人。这个机器试图完全学会玩积木：积木的排列、移动和几何图案结构，到达一个小孩子的程度。这个机器人能单独行走和拿起一定的物品，能“看到东西并分析看到的东西，能服从指令并用人类语言答复下列问题。更重要的是它具有“理解能力。为此，有人曾经在一次人工智能学术会议上说过，不到十年，我们把电子计算机的智力提高了10倍；如维诺格勒所指出的，计算机具有明显的人工智能成分。二、智能机器人的分类按智能程度分类智能机器人是在工业机器人根底上开展起来的,现在已开始用于生产和生活的许多领域,按其拥有智能的水平可以分为两类:1初级智能机器人 它和工业机器人不一样,具有
37、象人那样的感受,识别,推理和判断能力.可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序,也就是它能适应外界条件变化对自己怎样作相应调整.不过,修改程 序的原那么由人预先给以规定.这种初级智能机器人已拥有一定的智能,虽然还没有自动规划能力,但这种初级智能机器人也开始走向成熟,到达实用水平. 2高级智能机器人它和初级智能机器人一样,具有感觉,识别,推理和判断能力,同样可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序.所不同的是,修改程序的原那么不是由人规定的,而是机器人自己通过学习,总结经验来获得修改程序的原那么.所以它的智能高出初能智能机器人.这种机器人已拥有一定的自动规划能力,能够自己安排自己
38、的工作.这种机器人可以不要人的照料,完全独立的工作,故称为高级自律机器人.这种机器人也开始走向实用。智能机器人根据其智能程度的不同，又可分为三种： 1传感型机器人传感型机器人又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构，它具有利用传感信息包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。 2交互型机器人机器人通过计算机系
39、统与操作员或程序员进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然具有了局部处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。 3自主型机器人在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性，自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节
40、自身的参数，调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究，所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因此，许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。 三、智能机器人样机 智能机器人的研究从60年代初开始，经过几十年的开展，目前，基于感觉控制的智能机器人(又称第二代机器人)已到达实际应用阶段，基于知识控制的智能机器人(又称自主机器人或下一代机器人)也取得较大进展，已研制出多种样机。 1、家务型机器人：
41、能帮助人们打理生活，做简单的家务活。 2、操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 3、程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 4、示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人那么自动重复进行作业。 5、数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 6、感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。 7、适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。 8、学习控制型机器人：能“体会工作的经验，具有一定的学习功能
42、，并将所“学的经验用于工作中。9、自主意识的机器人：据?新科学家?杂志报道，人工智能专家亚伦斯洛曼(Aaron Sloman)日前发表声明，宣称自己想创造一个数学家机器人。他说他已经找到了“人是怎样开展数学才能的关键点。假设他的思路是对的，那么就应该有可能使机器人如同人一样有很好的数学才能，甚至可能会更好。 带有自主意识的女性机器人英国伯明翰大学的斯洛曼(Sloman)说：“人类的大脑不是通过魔法而运转的，因此，大脑所能做到的事同样也适合于机器人。斯洛曼创造的机器人并不意味着就是个能够引领数学界的数学天才。斯洛曼希望“所有的路都通往这个具有重要意义的新数学领域。他认为，人类的数学能力关键期在童
43、年，所以“我们将为机器人制造一个孩童般的大脑，让它自己逐渐开展自己的数学命运。为了认识世界，婴孩们必须获得很多技能。例如，他们要获得这样的知识“玩具火车驶入隧道，将会在隧道的另一端驶出；或者是智力拼图玩具，只有找到凹凸适宜衔接口才能拼好。 四、智能机器人开展方向不过，尽管机器人人工智能取得了显著的成绩，控制论专家们认为它可以具备的智能水平的极限并未到达。问题不光在于计算机的运算速度不够和感觉传感器种类少，而且在于其他方面，如缺乏编制机器人理智行为程序的设计思想。你想，现在甚至连人在解决最普通的问题时的思维过程都没有破译，人类的智能会如何呢这种认识过程进展十分缓慢，又怎能掌握规律让计算机“思维速
44、度快点呢？因此，没有认识人类自己这个问题成了机器人开展道路上的绊脚石。制造“生活在具有不固定性环境中的智能机器人这一课题，近年来使人们对发生在生物系统、动物和人类大脑中的认识和自我认识过程进行了深刻研究。结果就出现了等级自适应系统说，这种学说正在有效地开展着。作为组织智能机器人进行符合目的的行为的理论根底，我们的大脑是怎样控制我们的身体呢？纯粹从机械学观点来粗略估算，我们的身体也具有两百多个自由度。当我们在进行写字、走路、跑步、游泳、弹钢琴这些复杂动作的时候，大脑究竟是怎样对每一块肌肉发号施令的呢？大脑怎么能在最短的时间内处理完这么多的信息呢？我们的大脑根本没有参与这些活动。大脑我们的中心信息
45、处理机“不屑于去管这个。它根本不去监督我们身体的各个运动部位，动作的详细设计是在比大脑皮层低得多的水平上进行的。这很像用高级语言进行程序设计一样，只要指出“间隔为一的从120的一组数字，机器人自己会将这组指令输入详细规定的操作系统。最明显的就是，“一接触到热的物体就把手缩回来这类最明显的指令甚至在大脑还没有意识到的时候就已经发出了。 把一个大任务在几个皮层之间进行分配，这比控制器官给构成系统的每个要素规定必要动作的严格集中的分配合算、经济、有效。在解决重大问题的时候，这样集中化的大脑就会显得过于复杂，不仅脑颅，甚至连人的整个身体都容纳不下。在完成这样或那样的一些复杂动作时，我们通常将其分解成一
46、系列的普遍的小动作 如起来、坐下、迈右脚、迈左脚。教给小孩各种各样的动作可归结为在小孩的“存储器中形成并稳固相应的小动作。同样的道理，知觉过程也是如此组织起来的。感性形象这是听觉、视觉或触觉脉冲的固定序列或组合 马、人，或者是序列和组合二者兼而有之。 学习能力是复杂生物系统中组织控制的另一个普遍原那么，是对先前并不知道、在相当广泛范围内发生变化的生活环境的适应能力。这种适应能力不仅是整个机体所固有的，而且是机体的单个器官、甚至功能所固有的，这种能力在同一个问题应该解决屡次的情况下是不可替代的。可见，适应能力这种现象，在整个生物界的符合目的的行为中起着极其重要的作用。本世纪初，动物学家桑戴克进行
47、了下面的动物试验。先设计一个带有三个小平台的T形迷宫，试验动物位于字母T底点上的小平台上，诱饵位于字母T横梁两头的小平台上。这个动物只可能做出以下两种选择，即跑到岔口后，它可以转向左边或右边的小平台。但是，在通向诱饵的路上埋伏着使它不愉快的东西：走廊两侧装着电极，电压以某种固定频率输进这些电极之中，于是跑着经过这些电极的动物便受到疼痛的刺激外界发出惩罚信号。而另一边平台上等着动物的诱饵那么是外界奖励的信号。实验中，如果一边走廊的刺激概率大大超过另一走廊中的刺激概率，那么，动物自然会适应外界情况：反复跑几次以后，动物朝刺激概率低、痛苦少的那边走廊跑去。桑戴克作试验最多的是老鼠。如老鼠就更快地选择比拟平安的路线，并且在惩罚相差不大的情况下自信地选择一条比拟平安的路线，其它作试验的动物是带着不同程度的自适应性来表达这一点的，不过，这种能力是参加试验的各种动物都具有的。 控制机器人的问题在于模拟动物运动和人的适应能力。建立机器人控制的等级首先是在机器人的各个等级水平上和子系统之间实行知觉功能、信息处理功能和控制功能的分配。第三代机器人具有大规模处理能力，在这种情况下信息的处理和控制的