第九讲行为智能.docx

第九讲行为智能（机器人）教学内容：本章主要学习机器人概念及类型，机器人与行为智能的关系，智能机器人、服务机器人等。教学重点：机器人类型、智能机器人、工业机器人。教学难点：智能机器人、仿生机器人。教学方法：课堂教学为主,结合智慧树等在线平台实时提问、收集学生学习情况，充分利用网络课程中的多媒体、视频素材来表示各种机器人技术的实现原理和过程。讨论10分钟。课后布置作业，要求学生查找、阅读与机器人有关的论文资料等。学习慕课第九章机器人并完成章节测试。教学要求：重点掌握机器人概念与组成，以及智能机器人、工业机器人、移动机器人、空中、水下、太空机器人、仿生机器人、人形机器人、软体机器人等多种类型机器人原理。课程思政内容：太空机器人领域，我们国家在月球探测、火星探测方面利用太空探测机器人取得了巨大成就，玉兔号月球探测器、祝融号火星车都是中华民族的骄傲0在海洋探测机器人及无人潜航器方面，我们国家也取得了举世瞩目的成就。学习目标：1 .掌握一般机器人的基本组成和智能机器人系统的基本结构；2 .了解具有代表性的工业机器人，理解机器人进化与人工智能发展的关系；3 .掌握移动机器人的典型结构，了解移动机器人的导航定位和环境地图构建技术；4 .了解无人机、水下机器人、太空机器人、移动机器人等多种类型机器人；5 .熟悉人形机器人、仿生机器人、软体机器人、微型机器人、群体机器人和认知机器人的形态和功能。学习导言机器人形象和机器人一词，最早出现在科幻和文学作品中。1886年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表象人的机器起名为“安德罗丁"（android）,它由4部分组成：（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）肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；（4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。1920年，捷克作家卡佩克（CaPek）发表了一部名为罗萨姆的万能机器人的剧本,在剧本中，卡佩克把捷克语奴隶"RoB.otA.”写成了“RoB.ot”。剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场，让它充当劳动力代替人类劳动的故事。中国古代有一个偃师造人的故事：偃师谒见王，王荐之曰：“若与偕来者何人邪？”对日：“臣之所造能倡者。”穆王惊视之，趣步俯仰，信人也。巧夫颌其颐，则歌合律；摔其手，则舞应节。千变万化，惟意所适。王以为实人也，与盛姬内御并观之。技将终，倡者瞬其目而招王之左右侍妾。王大怒，立欲诛偃师。偃师大慑，立剖散倡者以示王，皆傅会革、木、胶、漆、白、黑、丹、青之所为。王谛料之，内则肝、胆、心、肺、脾、肾、肠、胃，外则筋骨、支节、皮毛、齿发，皆假物也，而无不毕具者。合会复如初见。这个故事生动的说明，古人很早就设想过创造出像人一样有智能的机器人，无论是行动还是表情。时至今日，当多数人聊起机器人时，要么说的是跟人相似的机器；要么说的是人们如何跟机器人互动，如何处理机器人可能会抢走人类工作的恐惧，以及如何能让机器人在未来更好地帮助人类的渴望；要么说的是电影和电视里才有的机器人。这个时候，人们完全是从人类的视角来看机器人的。本章学习智能机器人、工业机器人、空中无人机、水下机器人、人形机器人以及仿生机器人等多种机器人类型,这些不同类型大致可以从应用场景，比如工业、服务业场景，以及太空、空中、陆地、微观环境等不同空间场景，还有行为仿生的角度，比如各种仿照人形和动物设计的机器人或机器动物、包括软体机器动物等。9.1 机器人与行为智能1、工智能行为主义载体一机器人在人工智能界，很早就有人提出过自下而上的涌现智能的方案，只不过它们从来没有引起大家的注意。一些人认为可以通过模拟大脑的结构（神经网络）来实现，而另一些人则认为可以从那些简单生物体与环境互动的模式中寻找答案。他们分别被称为连接学派和行为学派。行为主义学派也可称为行为模拟学派，他们认为：智能不取决于符号和神经元,而取决于感知和行动，提出智能行为的“感知一动作”模式。智能行为只能在现实世界中与周围环境交互作用而表现出来。机器人承载了人类实现具有类人智能的强人工智能的梦想。有很多机器人技术并不是以人类为对象，而是以各种各样的动物甚至植物为模拟对象或设计灵感来源。因此，机器人技术具有非常多元化的内容，小到纳米机器人大到巨型“阿凡达”机器人，但不一定非要是人类的形象。现代机器人已经从早期的科学幻想中的人形机器人发展到空中、水下、水面、陆地、太空等各种场景、各种形态的机器人，成为实现增强扩展人类体能、活动空间的重要手段。机器人也是人工智能行为主义的典型技术，是实现机器行为智能的主要手段和方式，尤其以各种机器动物为代表。2、一般机器人的基本组成根据智能程度的差异，机器人可以分为一般机器人和智能机器人。般机器人通常是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人。不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同。通常情况下，一般机器人系统包括：机械系统、驱动系统、控制系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统等。3、智能机器人智能机器人系统由基于知识的智能决策子系统和环境感知与识别处理子系统两部分组成，能够实现语言处理、目标理解、推理决策、环境感知和识别、运动控制等基本功能，某种程度上可以实现智能机器人大部分的行为智能。基于知识的智能决策子系统涉及智能数据库和推理机；环境感知与识别处理子系统则与各种传感信号的接收、测量及处理有关。这两个系统所涉及到的有关研究领域包括人机交互、自然语言处理、任务规划、自动程序设计、智能知识库、自动推理、各种传感信息的测量与处理、任务建模和运动控制等，它们已远远超出一般控制器的研究内容。9.2工业机器人1959年，美国人英格伯格和德沃尔联手制造出世界上第一台用于汽车生产线上的工业机器人；1962年，世界上第一家机器人制造工厂一UnimatiOn公司推出了最早的实用机型"UNIMATEw机器人。迄今为止，世界上对于工业机器人的研究、开发及应用己经经历了60年的历程。日本、美国、法国、德国和中国的工业机器人产品己日趋成熟和完善。随着现代科技的迅速发展，工业机器人技术已经广泛地应用于各个生产领城。制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后出现的、全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。工业机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。在国外,工业机器人产品日趋成熟，已经成为一种标准设备而被工业界广泛地应用，从而相继地形成了一批具有影响力的著名的工业机器人公司。这些公司己经成为它们所在国家和地区的支柱性产业。9.3移动机器人移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支，是多学科相互交叉的研究领域，随着硬件计算性能、控制算法等的不断发展，以及图像识别、机器学习、深度学习、自然语言理解(NLP)等人工智能技术在机器人领域的深入应用，移动机器人成为人工智能技术应用的热点之一。人类希望移动机器人能够更加智能，能够在更多的领域为人类服务。在各种机器人类型中，可以在地面运动的移动机器人占据很大部分。移动器人按其移动方式可以分为：轮式移动机器人、足式移动机器人、履带式移动机器人和混合移动等采用不同移动方式的机器人。智能移动机器人的目标是在没有人为干预且无需对环境做任何规定和改变的条件下，有目的的移动和完成相应任务。在智能移动机器人领域，同步定位与地图构建技术占有举足轻重的地位,机器人想要自动的抵达目标位置完成某些任务,前提是要先获取周围的环境地图，有了环境地图后机器人就可以对自身位置和目标位置进行定位,通过传感器避开环境中的障碍物，自动移动到目标位置。利用人工智能技术可以增强智能机器人系统对复杂问题的处理能力，能够使得智能机器人更准确地识别目标，更好地躲避障碍和危险，提高智能移动机器人目标定位和路径规划的能力。9.4无人飞行器无人飞行器一般称为“无人机”，是“无人驾驶航空器"(UnmannedAerialVehicle,UAV)的简称。无人机是一种机上无人驾驶、自动程序控制飞行和无线电遥控引导飞行、具有执行一定的任务能力、可重复使用的飞行器，也是一种通过遥控或自主飞行完成一定任务的飞行机器人。原因在于它与其他类型的机器人类似，也是可以通过人机协作或者一定的自主方式完成任务的机器装备。人工智能领域的图像识别、机器视觉、深度学习、强化学习等方法成为提升飞行机器人智能性的重要技术，其对无人机发展的影响主要体现在3个方面：单机智能飞行、多机智能协同、任务自主智能。在无人机领域，除了小型娱乐型个人无人机外，用于民用和军用的无人机都有一套非常完整的系统，不仅仅是简单的遥控器+无人机模式。一般来说，无人机系统由无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统组成。9.5水下机器人水下机器人是专门在河流、湖泊、水库、海洋等水域执行水下作业的机器人装备。其中以用于海洋的水下机器人的发展最受关注，应用也最为广泛。海洋的平均深度约为4000m,最深处为IlOoOm,平均水压为400个大气压，最大水压为Il(X)个大气压。水下机器人可以代替人类探索深海，堪称是未知深海的“开拓者”。不同于陆上机器人，电波无法在海中传送。因此，水下机器人在深海活动，主要采用以下方法：(1)连接电缆，利用有线通讯进行远距操纵。(2)使用音波进行无线远距离操纵。(3)放弃通讯，做成全自动机器人。9.6太空机器人太空机器人主要是指用于行星探测和在地球轨道工作的各种太空飞船，能够收集和应用科学数据，并把它们发回地球，是一种专门用于执行太空作业的太空智能机器人，也包括在飞船内部执行任务或外行星表面工作的移动机器人或仿人机器人。2004年，我国正式开展月球探测工程错误!未找到引用源。并以中国传统神话人物“嫦娥”进行命名，表达了我国人民对于月球的向往。2007年，伴随着嫦娥一号探月卫星的成功发射，标志着我国的探月工程迈出了坚实而有力的第一步。此后十多年，我国先后发射四枚月球探测器，对月球环境进行了充分的探测，取得众多成果，成为继美苏后世界上第三个具有将探测器发往月球表面技术的国家。截至目前，随着嫦娥四号探测器成功在月球背面着陆，标志着中国对月球的探测技术已处于世界领先地位。随着中国大力发展航天科技，必将在该领域起到决定性的作用，为全人类做出突出贡献。9.7人形机器人人形机器人是以人类形体为原型设计的机器人，也就是一种双足行走机器人。人形机器人是一个机电复合体，其关键在于行走机构的控制上。高仿真机器人近年来发展迅速，尤其从单纯的运动和行为模仿向外观、神态、表情等人类特质方面的高仿真方面发展。这方面以日本的艾西莫人形机器人和波士顿动力公司的阿特拉斯机器人为代表。9.8仿生机器动物机器人工程学参考生物的一些功能来解决工程学上的问题：一是试图理解对象生物机制的科学面；二是利用生物的功能，试图开发有利于社会的系统、组件的工程面。无论是哪一方面，都必须先特征性抽取生物的功能，然后将其转换成现在的技术。然而，仍有许多生物机能无法或很难用现在的组件技术来实现，尤其是有飞行功能的小型昆虫机器人等，技术仍有欠缺之处。仿生机器人中有许多都属于移动机器人，且其中很多都是被设计用来代替人类进入极限环境的。包括四足、蛇类爬行、端虫蠕动、鸟类飞行、鱼类游动等多种仿生运动方式。各种仿生动物除了工业方面的用途，还有机器宠物，以人类喜爱猫、狗等动物为原型设计机器宠物，对儿童教育和老年人心里安慰都有意义。9.9其他类型机器人软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。机器人本体利用柔软材料制作，区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料，一般有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA),形状记忆聚合物(SMP)等等。从响应的物理量暂时分为如下几类：电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。科学家依此设计了各种各样的软体机器人,大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物，如蚯蚓、章鱼、水母等。微型机器人是在微米、纳米级尺度利用纳米及分子技术实现的机器人。它由诺贝尔物理奖获得者理查德费曼在1959年一次题为底层有很大的空间的演讲中提出。理查德费曼认为，人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器人，可以把分子甚至单个原子作为建筑构件，在非常细小的空间里构建物质，这意味着人类可以在底层空间制造任何东西。群居生物在自然界广泛存在，群居生物的群体运动表现出群体智能(SWarmIntelligence)或集体智能(COHeCtiVeIntenigenCe)现象。群体机器人(SwarmRobotics)是群体智能和多机器人系统交叉方向，主要研究大量的简单机器人通过有限的局部感知交互和协调控制，在自组织的机制下涌现出仿自然界群居生物的智能行为，并完成更杂的规定任务。人类认知发展的结果与内部机制与外部环境(养育者为重大因素)的相互作用密切相关。不过，这些因素之间的具体关系并不明确。是单一主体下构造了诸多功能，还是复合主体下相互作用而成，抑或只是不同系统模式着眼点下的表象差异？针对这个问题建构人工系统,然后加以验证，尝试提供新的解释，这就是认知发展机器人的思想。认知发展机器人是以人类婴幼年时期为对象，模拟人类婴幼儿的生长发育过程中智能的形成而研制的一种新型机器人，如图9.40。该研究以人类婴儿为焦点，运用认知发展机器人学的理论，通过集中性研究来探求人类的认知发展过程，以及人类与机器人的共存之道。认知发展机器人学融合了计算神经生物学，以发展心理学解析社会交互模式下的人类行为，来探求认知发展的原理。