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1、第十章 人工智能技术与机器人本 章 导 读人工智能技术是电子信息技术的重要组成部分。是20世纪对人类影响最为深远的三大前沿科学技术之一。机器人的研究与制作是人工智能技术的重要应用领域和前沿领域。本章将介绍人工智能技术的概念、人工智能技术的应用及发展前景、机器人技术的发展、智能机器人的应用及发展趋势。 第一节 人工智能技术 人工智能产生于20世纪50年代末期，从学科地位和发展水平来看，人工智能是当代科学技术的前沿学科，也是一门新思想、新理论、新技术、新成就不断涌现的新兴学科。人们把人工智能技术同宇航空间技术、原子能技术一起誉为20世纪对人类影响最为深远的三大前沿科学技术成就。一、什么是人工智能？
2、 1、人工智能概念及其学科特性人工智能，英译名为Artificial Intelligence，简称AI。人工智能，顾名思义，即用人工制造的方法，实现智能机器或在机器上实现智能。是一门研究构造智能机器或实现机器智能的学科，是研究模拟、延伸和扩展人类智能的科学。人工智能的研究，是在计算机科学、控制论、信息论、心理学、生理学、数学、物理学、化学、生物学、医学、哲学、语言学、社会学、数理逻辑、工程技术等众多学科的基础上发展起来的，因此，它又是一门综合性极强的边缘学科。 2、人工智能的研究目标人工智能的研究目标分为远期目标和近期目标。远期目标：从长远的角度，人工智能的研究就是要设计并制造一种智能机器系
3、统。使该系统能够代替人去完成诸如感知、学习、联想、推理等活动；能够代替人去理解并解决各种复杂困难的问题；能够代替人去完成各种具有思维劳动的任务。也就是说，人工智能的远期目标是要制造出完全具有人脑智慧的人工智能系统。当然，这还是非常遥远的事情。近期目标：从当前的角度，人工智能的研究就是要最大限度地发挥计算机的功能，使计算机能够模拟人脑，在机器上实现各种智能。例如：让计算机能够看、听、读、说、写；使计算机能够想、学、模仿、执行命令甚至出谋献策等。因此，计算机是当前实现人工智能的重要手段，因为计算机在所有机器和人工系统中“智商”最高，所以，人工智能的研究都要通过计算机来实现。计算机解决问题需依靠人工
4、事先编制的软件，它所做的每一件事情都是程序员事先在程序代码中规定好的。也就是说，目前人工智能的研究工作主要是集中在以计算机的硬件系统为基础，通过计算机软件实现模拟人类的智能活动的效果。事实上，人工智能研究的远期目标与近期目标是相辅相成的。远期目标是近期目标的方向，近期目标的研究为远期目标的实现准备着理论和技术的基本条件。随着人工智能的不断发展与进步，近期目标将不断调整，最终完全实现远期目标。二、人工智能研究的三大学派和四大技术1、在人工智能科学的研究与发展中，形成了众多学派，其中主要的三大学派是：功能派。这是最早发展起来的传统主流学派，又称为逻辑学派或宏观功能派，采用功能模拟的观点，使用的是“
5、黑箱”研究方法。功能派涉及逻辑学、心理学、数学、物理学、工具学、语言学、计算机、数理逻辑等众多学科。结构派。也是最早发展起来的传统学派之一，又称为生物学派或微观结构派，与功能派不同，它采用的是结构模拟的观点，使用的是“白箱”的研究方法。结构派涉及生物学、微结构学、医学、仿生学、神经生理学等学科。行为派。又被称作实用技术派。与传统学派完全不同，它采用实用行为模拟的观点，使用“能工巧匠”式的制造方法，是一种按照“激励响应”的工作模式来建立实用工程装置的研究方法。行为派涉及行为学、工程学、机械学、电子学等学科。各个学派学术观点有所不同，研究思路各有侧重，对人工智能的理解定义也不完全一致。因此，各有所
6、获，各有千秋，共同形成了人工智能领域百家争鸣、百花齐放、生动活泼的研究氛围。2、人工智能的四大基本技术是：机器学习和知识获取技术。包括信息变换技术、知识信息的理解技术、知识的条理化、规则化技术、机器的感知与成长技术等。知识表示与处理技术。包括知识模型的建立与描述技术、表示技术及各种知识模型处理技术方法等。知识推理和搜索技术。包括演绎推理计算和智能搜索技术。AI系统构成技术。包括AI语言、硬件系统及智能应用系统等方面的构成技术等。人工智能的三大学派和四大技术构成了AI体系的基础与框架。三、人工智能研究的基本内容根据人工智能的远期目标和基本技术，目前研究的基本内容包括：1、机器感知。就是使机器（计
7、算机）具有类似于人的感知能力，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、知觉、力感等。其中以机器视觉和机器听觉为主。机器视觉是指让机器能够识别并理解文字、图像、景物等；机器听觉是指让机器能够识别并理解人类语言表达及语声、音响等。从而形成了人工智能的两个专门的研究领域：模式识别和自然语言理解技术。2、机器思维。就是使机器对感知获得的外部信息和机器内部的工作信息进行有目的的处理。机器智能主要是通过机器思维实现的。因此，机器思维是人工智能研究中最重要也是最关键的部分。3、机器学习。就是使机器具有获取新知识、学习新技巧，并在实践中不断完善、改进的能力。使它能够通过向书本、与人谈话、对环境观察等方式自动地获取知
8、识。4、机器行为。就是使机器具有说、写、画等表达能力和行走、取物、操作等四肢功能。5、人工智能系统构成。为了实现人工智能的目标，需要建立智能系统及智能机器。因此，还需要开发对模型、系统分析与构造技术、建造工具及语言等的研究。第二节 人工智能技术的应用与发展人类智能是涉及信息描述和信息处理的复杂过程，因而实现人工智能是一项艰巨的任务。但是，随着计算机科学和技术的飞速发展，人工智能已经取得了一系列的研究成果。一、人工智能的应用下面介绍人工智能的几个主要应用领域。1、专家系统。专家系统是早期人工智能研究中最活跃也是最有成效的领域。自1968年第一个专家系统问世以来，已获得迅速发展。专家系统是一种基于
9、知识的系统，它从人类专家那里获得知识并用来解决只有专家才能解决的困难问题，其水平可以达到甚至超过人类个体专家的水平。目前，专家系统已广泛应用于医疗诊断、地质勘探、石油化工、教育、军事等各个领域，并产生了巨大的社会效益和经济效益。例如：地质勘探专家系统PROSPECTOR拥有15种矿藏知识，能根据岩石标本及地质勘探数据对矿藏资源进行估计和预测，并制定合理的开采方案，成功地找到了超亿美元的铜矿；专家系统MYCIN能识别51种病菌，正确使用23种抗菌素，可协助医生诊断、治疗细菌感染性血液病，为患者提供最佳处方，成功地处理了数百病例；内科诊断专家系统CADUCEUS正确地诊断出了许多疑难病症；美国DE
10、C公司的专家系统XCOD能根据用户需求确定计算机的配置，专家完成这项工作一般需要3个小时，而该系统只需要半分钟等等。2、自然语言处理与理解自然语言是人类的交互语言，自然语言处理与理解研究的是如何让计算机理解人类自然语言和所表达的思想。一般来说，自然语言处理系统至少需要达到以下的三个目标之一：（1）能正确理解人们用自然语言输入的信息，并能正确回答输入信息中的有关问题。（2）能对输入信息进行概括综合，能产生相应的摘要，能用不同词语复述输入信息的内容。（3）能把某种自然语言表示的信息自动地翻译为另一种自然语言，即机器翻译系统。可以设想，这种拟人的同步翻译系统一旦完全研制成功，全世界拥有不同母语的人们
11、就能够自由交流，语言就不再成为人们思想交流的障碍了。3、机器自动定理证明机器定理证明是人工智能中最早进行探索并得到成功应用的一个经典领域。要让计算机能够进行定理的证明，就要弄清人进行逻辑推理的内部机制或提供一种适合于计算机使用的推理模式。因此对机器定理证明的研究，对最终制造出具有人的智能程度的机器或系统具有非常重大的意义。目前，人工智能在机器定理证明方面已经取得了不少成就。1959年，美籍华人数学家王浩用计算机证明了罗素等人所著的数学原理中的几百条定理，时间仅用了不到10分钟；1976年，科学家用计算机证明了困扰人类一个多世纪的著名的四色猜想；我国著名数学家吴文俊院士从70年代末开始致力于数学
12、定理的计算机证明，提出了以构造性为核心的算法，证明了几何中一类高难度的定理。并且在用吴院士的算法对微分几何的定理进行证明时，计算机还发现了一个定理的不唯一性。4、模式识别模式识别是研究如何使机器（计算机）具有类似于人的感知能力，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、知觉、力感等。模式识别以机器视觉识别和机器语言识别为主。它是计算机和微电子技术领域中最先进、最复杂技术的综合，具有非常广泛的应用前景。模式识别已经应用到文字识别、自然语言的识别和理解、图像分析、遥感、人的面孔和指纹的辨别、生物和医学信号的识别、医疗诊断等领域，甚至在社会经济学、考古学等领域中也有应用。目前，文字识别中的手写体识别技术和印
13、刷体识别技术、语音识别技术、语言识别技术都已进入实用阶段。如：手写输入的计算机、印刷体输入到计算机、IBM公司的汉语语音识别系统、能将一种语言翻译成其它语言的机器辅助翻译系统等。5、人工神经网络人工神经网络是一个用大量简单处理单元经广泛连接组成的、可用来模拟人类大脑神经系统的结构和功能的人工网络。其特点是：具有自学功能、联想式存储功能和高速寻找最优解的能力。近年来，由于计算机并行处理技术的进展，使人工神经网络的研究进入了新的发展时期，取得了许多研究成果。并行处理技术突破了传统计算机对信息只能串行处理的局限，可实现传统的人工智能程序无法实现的功能。例如：美国麻省理工学院采用神经网络和并行程序，已
14、经能够做到对面孔的识别。人工智能的应用领域还有许多，例如：机器人、智能软件工程、智能决策支持系统、博弈、现代智能通信等，随着科学技术的快速发展，人工智能的应用领域将更加宽广。二、21世纪人工智能的展望目前人工智能的研究有三个热点：智能接口、数据挖掘、主体和主体系统，并可能向模糊处理、并行化、神经网络和机器情感等方向发展。 当前，人工智能的推理功能已获突破，学习及联想功能正在研究之中，下一步就是模仿人类右脑的模糊处理以及整个大脑的并行化处理的功能。未来智能计算机的可能构成形式之一，是以冯诺依曼机作为主机与以人工神经网络作为智能外围的结合。一个重要的研究方向是：要赋予计算机的情感能力。最新的研究表
15、明：情感是智能的一部分。事实上，无论对于计算机及其人工生命的发展研究，还是对于人与机器的未来交往的研究，情感能力都是至关重要的指标。因此，人工智能领域的下一个突破可能就在于赋予计算机的情感能力。总之，人工智能是一个充满挑战和机遇的领域。人工智能研究的进展，将在很大程度上影响着人类社会与发展。目前，已经有很多人工智能的成果进入了我们的日常生活。未来，人工智能技术的发展将会更加造福于人类社会，为人类的各个方面带来巨大的变化。 第三节 智能机器人技术机器人是人工智能技术的重要组成部分，对智能机器人的研究和制造是当前人工智能最前沿的领域，在很大程度上代表着一个国家的高科技发展水平。在这里我们将介绍机器
16、人的发展、智能机器人的概念及其发展趋势，以及智能机器人在各个领域的应用。一、机器人的发展与智能机器人机器人是一种自动机器，除了有目的的拟人化外，绝大多数情况下它的外形与人毫无共同之处。机器人与一般的自动机器又有很大的差别，其一，机器人利用计算机进行控制，只要改变程序，便可以做不同的工作；其二，机器人能够进行灵巧的运动，能像人一样做一般机器无法完成的工作。自从20世纪50年代末，世界上第一个机器人诞生以来，机器人技术的发展速度惊人，从技术角度来看，机器人的发展经历了三个阶段： 1、第一代机器人工业机器人第一代机器人是工业机器人，这种机器人只能按照预先设计好的程序完成规定的重复动作。程序一经装入，
17、它就只能死板地照此工作，不管外界条件有什么变化，它都不能做相应的调整。要改变机器人的工作，只有由人去改变机器人的程序。通常一个机器人可以存放上百种作业的动作和编写程序。这种机器人最重要的特点是：具有记忆功能，经过一次示教，便可以无限地重复这个动作，准确、可靠、不走样。目前世界上广泛应用于工业生产的大部分机器人，都是这一类的机器人。2、第二代机器人初级智能机器人第二代机器人是基于传感器信息的离散编程工业机器人，又称为初级智能机器人。传感器是人工制造的能够感知外界信息的装置，因此，这种机器人可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序，但修改程序的原则是由人事先规定好的。由于这类机器人可通过传
18、感器感知外部的信息，因此增加了对工作环境的适应能力。但它传感的信息还很少，不能满足各种需求。在工业生产中的许多组装机器人便是这一类机器人。3、第三代机器人智能机器人第三代机器人是智能机器人。智能机器人是指可模拟人类智能行为的机器。智能机器人一般装有多种传感器，能识别作用环境，能自主决策，具有人类大脑的部分功能，且动作更加灵活准确。是接收指令后能自行编程的自主式机器人。这类机器人有感觉、有判断或认识功能，能决定自身的行为。它可以不需要人的照料，完全独立地工作。目前，这种机器人还在不断开发中，要达到真正实用，还需要一段时间。人工智能的所有技术在智能机器人的开发中几乎都有应用，因此，智能机器人的研制
19、被当作人工智能理论、方法、技术的试验场地；反过来，对智能机器人的研制又可大力推动人工智能研究的发展。二、智能机器人的应用目前，机器人在世界上许多国家都得到了广泛的应用。随着机器人技术的不断发展和进步，现在已有150万机器人遍布在世界各地，从事清洁、勘探甚至星球探测的工作。在汽车工业中，日本每万名工人占有机器人909台，意大利为400台，美国370台，德国340台，瑞典为300台，法国为220台，英国为150台。此外还有：太空机器人、警卫和保洁机器人、家庭服务机器人、消防机器人等。1、类人型机器人研制具有人类外观特征、可以模拟人类行走和基本操作功能的类人型机器人，一直是人类机器人研究的梦想之一。
20、类人型机器人的研究，涉及的领域宽广综合性很强，是机器人研究的尖端。世界上第一个可以进行自我控制、依靠两腿行走的类人型机器人出现在1996年12月。它身高1.820米，体重210公斤。采用无线电技术，该机器人的躯干内安装有计算机、电机驱动器、电池、无线接受器等装置在不需要导线控制的情况下，该机器人可以独立行走、上下台阶、推车等，实现了独立地操作。第一个完全独立，依靠两条腿行走的类人型机器人诞生于1997年9月。 身高：1.600米， 体重：130公斤 。通过改换部件材料，以及将控制系统分散布置，降低了身高，减轻了体重。较小的尺寸更适宜在人们的生活环境中使用。2000年，日本本田公司研制开发的类人
21、型机器人“阿斯莫”（ASIMO）诞生（见彩图3和彩图4）。从2000年到现在，“ASIMO”不断更新换代装备新技术，使机器人越来越灵活，越来越聪明。2000年的第一个“阿斯莫”只能根据事先设计的程序行事，走起路来步履蹒跚，有时需要操作员扶持。 图10-1 机器人ASIMO与人共舞2002年12月经过改进的“阿斯莫”装备了智能软件，使它变得聪明起来，能够辨貌喊人，人伸出手时，它会上前和你握手，并能与人流利地对话。2004年本田公司推出了新一代“ASIMO”，可以与人共舞，这种机器人重52公斤，高1.2米，能与人对话，会爬楼梯，还会向观众讨掌声。2005年12月，本田公司又推出了最新一代“ASIM
22、O”机器人，它身高1.3米、体重54公斤，行走速度为每小时6公里，行动灵活，能够从工作人员手中接过茶杯，端茶送水，目前，这种机器人共有40个。本田公司计划通过租赁的方式，让“ASIMO”到一些公共事业或企业去“打工”，估计每年可为公司带来2000万日元的收益。2000年11月，日本开发成功模仿一岁婴儿行走的机器人“皮诺”。它全身有26个关节，脚心装有一个传感器，可测量重心，眼睛可分辩颜色，可自测距离，并能跚跚行走。2005年6月，在日本“2005世界博览会”上，日本大阪大学科学家石黑浩教授展示了他发明的一种完全具有人类女性外貌的“女机器人”“雷普莉Q1号”（见彩图5）。这个机器人不仅拥有柔软的
23、硅树脂仿真肌肤，体内还装有大量传感器和电动机，可以使她像人类一样运动，如转身、做手势、向参观者说话，甚至会眨眼睛和“呼吸”。“她”还不是很完美，目前只能坐着，无法直立行走，有时会无预兆地“痉挛”。但许多机器人专家认为，在制造机器人时应尽量避免机器人的外表太过人格化，以免触犯机器人研究的禁忌“恐怖谷理论”。2、微型机器人在医学上的应用微型机器人在医学上的应用正愈来愈受到科学家们的重视。在2000年德国汉诺威世界博览会上，展出了一种潜艇式微型机器人，它小得几乎看不见：长不到4毫米，宽小于0.5毫米，螺旋桨曲轴直径只有百分之一毫米，也就是一根头发丝的十分之一。它可以很轻松地穿过普通注射器的针头而注入
24、生物体内。科学家们设想利用微型或极微机器人将特效药物迅速送到人体的关键部位；或在病灶处进行手术操作，清除癌细胞、清除血栓；或携带仪器、设备和传感器，对人体进行各种检查并将数据传递出来等等。3、太空机器人的研制太空机器人，在探测星球方面具有独特的优越性，正发挥越来越重要的作用。它不需要吃喝、不需要受训，不会生病，不受恶劣环境的影响，并且工作效率高。美国“探测者”登月舱堪称是世界上第一个真正的太空机器人，它有一个可伸缩的机械臂，既能在太空作业，也能在月球表面采集标本。最近，美国研制了一种称为“蛇”的机器人，这种“蛇”可以在行星表面高低不平的地带进行探测活动。它的身体由16段组成，每段长6.4厘米，
25、可以像昆虫一样向前爬行。它不怕翻倒，遇到障碍物时，会不断尝试翻越。据估计再过10年左右，它就可用于执行行星探测任务。目前，美国正准备投入300万美元研制一种太空机器人，取名为“机器宇航员”。它不仅能熟练地使用宇航员经常使用的各种工具，还拥有一个树形中枢神经，是由传感器组成的网络，它可以代替宇航员在星球上收集各种资料。三、我国智能机器人的研究我国较早进行机器人研究的国防科技大学，在国家863计划和国家自然科学基金的支持下，一直从事两足步行机器人、类人型机器人的研究开发，1990年成功研制出我国第一台两足步行机器人。在此基础上，经过十年攻关，又于2000年11月研制成功我国第一台类人型机器人“先行
26、者”。这台类人型机器人可以前进、后退、左、右侧行，左、右转弯、前后摆动手臂，并可快速行走，实现了机器人技术的重大突破。2006年4月，中国代表团在第13届国际家用机器人灭火赛中，一举获得3项冠军，在这次比赛中还首次引入了由中国设计的竞赛项目广茂达机器人足球赛，这是中国首次主导制定国际机器人赛事规则。知 识 点 归 纳10-1、人工智能产生于20世纪50年代末，人工智能技术被誉为20世纪三大前沿科技之一。10-2、人工智能，简称AI。是一门研究构造智能机器或实现机器智能的学科，是研究模拟、延伸和扩展人类智能的科学。也是一门综合性极强的边缘学科。10-3、人工智能的研究目标分为远期目标和近期目标。
27、远期目标：制造出完全具有人脑智慧的人工智能系统；近期目标：最大限度地发挥计算机的功能，使计算机能够模拟人脑，在机器上实现各种智能。10-4、目前人工智能的研究工作主要是集中在以计算机的硬件系统为基础，通过计算机软件实现模拟人类的智能活动的效果。10-5、人工智能研究的三大学派：功能派、结构派和行为派。10-6、人工智能的四大基本技术是：机器学习和知识获取技术、知识表示与处理技术、知识推理和搜索技术、AI系统构成技术。10-7、模式识别是研究如何使机器（计算机）具有类似于人的感知能力，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、知觉、力感等。以机器视觉识别和机器语言识别为主。它是计算机和微电子技术领域中最先进、最复杂技术的综合。10-8、人工神经网络是一个用大量简单处理单元经广泛连接组成的、可用来模拟人类大脑神经系统的结构和功能的人工网络。其特点是：具有自学功能、联想式存储功能和高速寻找最优解的能力。 思 考 与 探 索1、什么是人工智能？人工智能的研究目标和意义是什么？ 2、简述目前人工智能研究的基本内容。 3、什么是专家系统？专家系统的应用有哪些？ 4、据你的了解，人工智能有哪些研究分支？目前有哪些应用研究领域？5、机器人的发展经历了哪几个阶段？谈谈智能机器人的应用。6、查阅资料：（1）21世纪人工智能的发展前景。（2）世界上最新研制的机器人和我国智能机器人的最新成果。16
