浅谈智能机器人的基本概况和发展应用前景.docx

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1、浅谈智能机器人的基本概况和发展应用前景班 级 021051 学 号 021050* 智能科学与技术作业题 目 浅谈智能机器人的基本概况和发展应用前景 学 院 电子工程学院 专 业 智能科学与技术 学生姓名 * * 导师姓名 董伟生 17摘要本文扼要的介绍了智能机器人的基本概况以及其发展现状，然后举了几个比较典型的实例介绍智能机器人在各行各业的广泛应用，讨论了智能机器人的发展趋势以及对未来技术的展望，最后提出了自己对智能机器人未来发展的建议和设想。关键词：智能机器人 基本现状 发展 应用 趋势AbstractThe thesie have introduce some Auto RobotBas

2、i Basic generalization and its development Status,then I make some typical example to introduce Auto RobotBasic development and application in all kinds of trades，next I talk about Auto RobotBasic development and its future，and last，I have aim at it to develop some of opinions of myselves.Keywords:

3、Auto RobotBasic current state development application current目录摘要IIAbstractII引言1第一章 智能机器人的基本解释1第二章 智能机器人的分类22.1综述22.2.智能机器人的根据其智能程度的不同的分类22.2.1传感型机器人22.2.2交互型机器人22.2.3自主型机器人32.3按智能程度分类32.3.1初级智能机器人32.3.2高级智能机器人4第三章 智能机器人的发展历史5第四章 机器人智能应用实例84.1Asimo84.1.1 Asimo简介84.1.2主要技术94.1.3 Asimo本领大94.2足球机器人114.

4、2.1足球机器人简介114.2.2足球机器人所用关键技术124.3其他多种日本新型智能机器人144.3.1E.M.A.14第五章 智能机器人的未来发展趋势15第六章 结论18参考文献18引言智能机器人技术目前已被广泛应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三个层次：工业机器人、初级智能机器人、高级智能机器人。智能拆除机器入主要适用于建筑拆除、抢险救援、水泥、冶金、核能等行业具有无线有线遥控操作、安全可靠、噪音小、振动低、粉尘少、无废气、工作效率高、经济实用、使用灵活等特点。智能拆除机器人是工业机器人的一种。它包含了机械设计与制造、电子电工技术、计算机原理、网络程序设计、传感器、自动

5、控制、数字信号处理、优化设计、人工智能、机器人学等多种技术。第一章 智能机器人的基本解释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

6、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。第二章 智能机器人的分类2.1综述可分为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。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，对外界做出反应性动作；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

7、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。

8、这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。2.2.智能机器人的根据其智能程度的不同的分类2.2.1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。2.2.2交互型机器人机器人通过计算机系统与操作员或程序员

9、进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能，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。2.2.3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，调节自身的参数，

10、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。智能机器人的研究从60年代初开始，经过几十年的发展，目前，基于感觉控制的智能机器人(又称第二代机器人)已达到实际应用阶段，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。2.3按智能程度分类2.3.1初级智能机器人智能机器人

11、是在工业机器人基础上发展起来的,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:一是初级智能机器人，二是高级智能机器人。初级智能机器人和工业机器人不一样,具有象人那样的感受,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,修改程序的原则由人预先给以规定.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,达到实用水平.2.3.2高级智能机器人高级智能机器人.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

12、行修改程序.所不同的是,修改程序的原则不是由人规定的,而是机器人自己通过学习,总结经验来获得修改程序的原则.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。发展方向不过，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达到。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

13、分缓慢，又怎能掌握规律让计算机“思维”速度快点呢？因此，没有认识人类自己这个问题成了机器人发展道路上的绊脚石。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发展着。作为组织智能机器人进行符合目的的行为的理论基础，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

14、脑根本没有参与这些活动。大脑我们的中心信息处理机“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

15、样或那样的一些复杂动作时，我们通常将其分解成一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”中形成并巩固相应的小动作。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则，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多次的情况下是不可替代的。可见，适应能力这种现象，在整个生物界的合乎目的的行

16、为中起着极其重要的作用。本世纪初，动物学家桑戴克进行了下面的动物试验。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则是外界奖励的信号。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

17、跑去。桑戴克作试验最多的是老鼠。如老鼠就更快地选择比较安全的路线，并且在惩罚相差不大的情况下自信地选择一条比较安全的路线，其它作试验的动物是带着不同程度的自适应性来体现这一点的，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完全统一算法，实际上是低效的，甚至是不中用的。所以，等级自适应结构的出现首先是为了提高机器人控制的质量，也就是降低不定性水平，增加动作的快速性。为了发挥各个等级和

18、子系统的作用，必须使信息量大大减少。因此算法的各司其职使人们可以在不定性大大减少的情况下来完成任务。总之，智能的发达是第三代机器人的一个重要特征。人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别。有的人甚至依此将机器人分为以下几类：受控机器人“零代”机器人，不具备任何智力性能，是由人来掌握操纵的机械手；可以训练的机器人第一代机器人，拥有存储器，由人操作，动作的计划和程序由人指定，它只是记住 （接受训练的能力）和再现出来；感觉机器人机器人记住人安排的计划后，再依据外界这样或那样的数据 （反馈）算出动作的具体程序；智能机器人人指定目标后，机器人独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变

19、为操作机构的运动。因此，它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置（周围情况及自身机器人的意识和自我意识）第三章 智能机器人的发展历史近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型，第二代则具备了感觉能力，第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力。Edinburgh和Devol制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机

20、器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。这一阶段的机器人只有“手”，以固定程序工作，不具有外界信息的反馈能力。 图1 第一代机器人20世纪70年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。第二阶段的机器人具有对外界信息的反馈能力，即有了感觉，如力觉、触觉、视觉等。例如数控机器人具有环境感知装置，一定程度上能适应环境变化。目前在工业上运行的90%以上的机器人，都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。 图2 第二代机器人第三代机器人是智能机器人

21、，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。图3 第三代机器人第四章 机器人智能应用实例4.1Asimo4.1.1 Asimo简介类人机器人ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility，高级步行创新移动机器人）是本田公司开发的双足步行宇宙人ASIMO（仿人形机器人）双脚步行机器人，于2000年11月首次在横滨国际和平会议中

22、心举行的机器人展示会上亮相。ASIMO是目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.3米，体重54公斤，具有26个自由度，行走速度为0-2.7km/h，具有体型小、重量轻的特点，其外形就像背书包的小学生。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。 图4 ASIMO4.1.2主要技术(1)能够实现像人类一样自然奔跑的新姿势控制技术 为了防止高速移动产生的足部打滑和空中旋转，保

23、持平衡状态，Honda通过利用上半身弯曲和旋转的新姿势控制理论和新开发的高速应答硬件等，使ASIMO的最大奔跑速度达到了3km/h。同时，步行速度也由原来的1.6km/h提高到2.5km/h。 在实现机器人的奔跑方面，面临着2大课题。一个是正确地吸收飞跃和着陆时的冲击，另一个是防止高速带来的旋转和打滑。 、正确地吸收飞跃和着陆时的冲击。实现机器人的奔跑，要在极短的周期内无间歇地反复进行足部的踢腿、迈步、着地动作，同时，还必须要吸收足部在着地瞬间产生的冲击。Honda利用新开发的高速运算处理电路、高速应答/高功率马达驱动装置、轻型/高刚性的脚部构造等，设计、开发出性能高于以往4倍以上的高精度/高

24、速应答硬件。 、防止旋转、打滑。在足部离开地面之前的瞬间和离开地面之后，由于足底和地面间的压力很小，所以很容易发生旋转和打滑。克服旋转和打滑，成为在提高奔跑速度方面所面临的控制上的最大课题。对此，Honda在独创的双足步行控制理论的基础上，积极地运用上半身的弯曲和旋转，开发出既能防止打滑又能平稳奔跑的新型控制理论。由此，ASIMO实现了时速达3km/h的像人类一样的平稳奔跑。而且，步行速度也由原来的1.6km/h提高到2.5km/h。另外，人类在奔跑时，迈步的时间周期为0.2-0.4秒，双足悬空的时间(跳跃时间)为0.05-0.1秒。目前，ASIMO的迈步时间周期为0.36秒，跳跃时间为0.0

25、5秒，与人类的慢跑速度相同。 (2)自律性的连续移动技术 通过地面传感器获得的周围环境信息和预先录入的地图信息等，ASIMO能够在步行的同时修正路线偏差，途中无需停歇地直接移动到目的地。 通过地面传感器和头部视觉传感器发现障碍物时，ASIMO可以自身判断，迂回选择其他路线。 (3)配合人的活动而连贯活动的技术 ASIMO通过头部视觉传感器、手腕部位新增加的腕力传感器等检测人的动作，可以进行物品交接，或配合人的动作而握手，而且能够朝着手被牵引的方向迈步等，实现了与人相配合的动作。 4.1.3 Asimo本领大 ASIMO采用了智能化、实时和灵活的行走技术i-WALK技术自由行走 ASIMO可以在

26、平坦的地面上顺畅行走。可调整步伐来保持上半身的平衡，还可旋回、8字行走。i-WALK技术的特点是在早期行走控制技术的基础上增加了预测移动控制技术。这项新的双腿行走技术使得机器人的行走更加具有灵活性，使ASIMO更顺畅和更自然地行走。 形成预测移动控制技术：当人向前行走并开始转向时，在开始转向前会朝转向的内侧改变其重心。正是由于有了i-WALK技术，ASIMO可以实时地预测其下一个移动动作并提前改变其重心。ASIMO则可以实时地形成行走方式，并可随意改变脚的位置和转向角度。因此，可以向多个方向顺畅地行走。此外，由于能够自如地改变步幅(每步的时间)，所以ASIMO的移动更加自然。 自动修正位置。

27、ASIMO可自行识别步行路线上的标示，根据标示一边走一边。通过搭载的多个传感器，可自行判断和区分信息，对周围的环境作出反应，同时自动调整传感器的感应度，获得稳定的环境信息。由此，ASIMO可在复杂的环境下迅速并平稳地移动。 视觉传感器：通过眼睛摄像机进行连续拍摄，对人类轮廓特征进行识别，根据前后数据进行真实性判断，准确地识别对面的人类。地面传感器：由红外线传感器和摄像机构成。红外线传感器可探知距离脚尖2米外的地面及障碍物，CCD摄像机可根据地面上的标识和光泽度调整闪光灯，准确修正外界图像信息。 超声波传感器：视觉传感器捕捉不到的玻璃等信息，则由超声波传感器进行捕捉，可检测出距离米的障碍物。使用

28、道具 交递托盘：通过头部的眼睛照相机和手腕上的力度感应器，可以检测出人类的行动，实时地交接、接纳托盘等物品。 运用手腕的传感器，ASIMO可调整左右手腕的推力，保持与推车之间的合适距离，一边前进一边推车。当推车遇到障碍时，ASIMO还会自行减速并改变行进方向，直线或者转弯推车。 信息交流 ASIMO可识别人的声音以及其它响动，可进行简单的会话。另外，ASIMO还可以识别声音的来源，当你叫它时，它还会把头转向你的方向，看着说话的人来交流。 识别移动物体：检测出由头部装载的摄像机提供的影像信息中的多个移动物体，识别移动物体的距离和方向。用摄像机追踪人的行动、跟着人步行、感知到人的接近并打招呼，等等

29、。 情景姿势识别：从影像信息中检测出手的位置和运动，识别姿势和动作。不仅仅可识别声音指令，也可以使别人的自然动作并作出反应。推断人手指向的位置，向该方向移动。(姿势识别) 人伸出手时会握手。(姿势识别) 人挥手时，会回应做挥手动作。(动作识别)等等。 环境识别：识别周围的环境，把握障碍物的位置，可以避免碰撞并绕行。人或其他移动的障碍物突然出现在面前时会停下来，离开后继续步行。 发现静止障碍物会绕行等等。 音源识别：特定音源位置的能力有了提高，另外可识别人的声音和其他声音。被叫名字后可以转向那个方向并看着对方。 看着说话的人的脸进行回答。 对突然发出的声音(落下和撞击的声音等)作出反应并看那个方

30、向等等。 面部识别：人和ASIMO即使都在移动之中也可以识别面部。 能识别储存在记忆中的面部，称呼姓名、传达信息，可做向导。 可识别十个人左右等等。 和网络的结合： 可根据顾客的信息进行适宜的接待和服务。 可向个人计算机终端传送客人来访的通知，并可直接传送来访者的面部图象。 可将客人引导至约定的场所等等。 和因特网的连接： 可根据声音指令在被询问到新闻和天气时，可以从因特网获取信息进行回答等等。 认知环境 识别周围的环境，把握障碍物的位置，可以避免碰撞并绕行。人或其他移动的障碍物突然出现在面前时会停下来，离开后继续步行。2005年末Honda发表的新技术提高了各传感器的精度，使ASIMO对周围

31、环境的认知度更高。通过搭载的多个传感器，可自行判断和区分信息，对周围的环境作出反应，同时自动调整传感器的感应度，获得稳定的环境信息。由此，ASIMO可在复杂的环境下迅速并平稳地移动。 NewIC通信卡 根据IC通信卡提供的客人信息，ASIMO可判断出对方的属性和位置，判断与客人的距离，还会与擦身而过的人打招呼，将客人引导至预定的场所，可根据顾客的信息进行适宜的接待和服务。ASIMO指尖的力度传感器可检测出牵手人手的力度和牵引的方向，然后调整步行速度和前进的方向。ASIMO可针对施加在手上的力度和方向前后左右地移动脚步，人类可手牵手地与ASIMO走动。4.2足球机器人4.2.1足球机器人简介上个

32、世纪90年代，人工智能领域的专家学者郑重的提出了智能机器人机器人足球（Robot Soccer）项目，将机器人和世界第一大体育项目结合起来，得到了非同寻常的反响，在不到20年的时间里足球机器人球运动已在全世界蓬勃发展。足球机器人比赛是一个有趣并且复杂的新兴的人工智能研究领域，它融合了实时视觉系统、机器人控制、无线通讯、多机器人控制等多个领域的技术。机器人足球是由多个机器人构成一个球队，在复杂的环境条件下，与另一个机器人球队进行对抗赛。机器人球队，既能防守对方的进攻，又能组织力量向对方攻球，是通过合作与协调完成进攻与防守的协同作业系统。在比赛过程中人不得干预比赛。机器人足球系统是一个典型的并且具

33、有挑战性的智能系统，是机器人社会的雏形。足球机器人比赛规则与人类正式的足球赛相类似。足球机器人队的研制涉及机器人学、计算机、自动控制、传感、无线通讯、图像处理、精密机械和仿生材料等众多学科的前沿研究与综合集成，包含着21世纪我们所要开发的信息、自动化、通讯、机电一体化、仿真及决策等许多关键技术。而这些对传统产业技术改造和新型产业的建设具有实际意义。机器人足球是继计算机象棋后出现的发展人工智能的第二个里程碑项目，它将人工智能技术发展到一个新的境界。在国际人工智能领域，足球机器人被越来越多的人认为是未来50年研究的一个标准问题，正如国际象棋人机对抗赛被认为是过去50年研究的一个标准问题一样。机器人

34、足球比赛的目标是：到2050年，在可比的条件下，战胜人类的世界冠军队。 RoboCup是一个标准问题，可以用来评价各种不同的理论、算法和体系结构。与之类似的计算机国际象棋也是一个典型的标准问题。各种搜索算法可以在这个领域中评价和发展。随着最近深蓝的成功，按照正式规则击败人类的顶尖高手Garry Kasparov，计算机国际象棋的挑战已经到了残局。计算机国际象棋作为一个标准问题的成功，主要原因之一是清楚的定义了进展的评价。研究进展可以用系统的棋力来评价。一个挑战必须能够鼓励一系列为下一代工业而发展的技术。RoboCup可以做到这一点。表1 RoboCup与国际象棋的比较环境状态改变获取信息传感器

35、信息控制方式国际象棋静态回合制完全符号式集中RoboCup动态实时不完全非符号式分布4.2.2足球机器人所用关键技术图6 足球机器人关键应用技术进行足球比赛的机器人需要使自己的“眼睛”、“双腿”、“大脑”协同工作才能够实现运动，这就需要感知器系统的帮助，感知器系统是足球机器人能够实现自主化的必须部分。足球机器人常用的外部传感器有视觉传感器、接近觉传感器、力觉传感器和触觉传感器。足球机器人的视觉系统把比赛场地的敌我双方的态势都反映到计算机中，然后用计算机图像软件进行处理。利用模式识别技术，对数字图像进行特征提取等操作，形成自己的计算机内数据的表达，即敌我双方机器人的位置和角度。再由足球机器人内部

36、的决策系统根据现场的敌我双方的比赛态势，决定我方机器人处于进攻还是防守。然后决定机器人的队形和机器人离足球的远近决定是主攻还是助攻、主防还是助防。根据每个机器人的任务决定相应的动作。 根据感知系统和决策系统所在的位置（是在主机上还是在机器人上），可将足球机器人系统划分为如下两种工作模式：基于自主机器人的足球机器人系统（Robot-based Soccer Robot System）基于视觉的遥控足球机器人系统(Vision-based Remote Brainless Soccer Robot System)基于自主机器人的足球机器人具有完全的自主行为，自身具有感知系统，一般装有多种传感器，所

37、有计算（包括决策）都由机器人自身完成。此类系统，由于是分别感知。摄像头置于机器人小车上，视觉变动，视野局限，信息不完整，给决策带来更多的困难。于是感知器官便不仅限于视觉，还可以辅红外线和声纳等，进行距离和障碍的检测。这样信息（传感器、数据）融合成为首当其冲的技术难题。机器人间的信息沟通则要靠无线通信网络，网络形式与通信协议也成为制约系统性能的关键技术 图7 足球机器人系统结构图基于视觉的遥控足球机器人系统由机器人子系统、视觉子系统、决策子系统和通信子系统四个部分组成，其相互联系如图14-34所示。决策子系统处理来自视觉的实时场景辨识数据，作出决策，通过通信子系统发出命令，由机器人小车完成一定的

38、动作。在足球机器人的四个子系统中，决策子系统是核心和灵魂，它决定足球机器人系统的智能度，是人工智能的先进理论应用和测试的平台。4.3其他多种日本新型智能机器人4.3.1E.M.A.1. 下一代机器人，无论是用于工作还是娱乐，将开始投放市场。日本世嘉玩具(Sega Toys)准备于今年秋季推出新款类人机器人，它有着女人的外形，取名“E.M.A.”(永恒的少女)。这款机器人能唱能跳，还会接吻，将于9月在日本上市。2. 今年3月，斟酒服务员机器人在日本京都亮相。这款机器人能识别商标、品酒并推荐哪道小菜适合那种酒。它作为“世界上第一款斟酒服务员机器人”被载入了吉尼斯世界纪录大全。第五章 智能机器人的未

39、来发展趋势智能机器人的开发研究取得了举世瞩目的成果。那么,未来智能机器人技术将如何发展呢?日本工业机器人协会对下一代机器人的发展进行了预测。提出智能机器人技术近期将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。下面我们简单介绍人工智能技术、操作器、移动技术、动力源和驱动器、仿生机构等。(1)人工智能技术在机器人中的应用把传统的人工智能的符号处理技术应用到机器人中存在哪些困难呢?一般的工业机器人的控制器,本质是一个数值计算系统。如若把人工智能系统(如专家系统)直接加到机器人控制器的顶层,能否得到一个很好的智能控制器?并不那么容易。因为符号处理与数值计算,在知识表示的抽象层次以及时间尺度上的重大差距,

40、把两个系统直接结合起来,相互之间将存在通信和交互的问题,这就是组织智能控制系统的困难所在。这种困难表现在两个方面:一是传感器所获取的反馈信息通常是数量很大的数值信息,符号层一般很难直接使用这些信息,需要经过压缩、变换、理解后把它转变为符号表示,这往往是一件很困难而又耗费时间的事。而信息来自分布在不同地点和不同类型的多个传感器。从不同角度,以不同的测量方法得到不同的环境信息。这些信息受到干扰和各种非确定性因素的影响,难免存在畸变、信息不完整等缺陷,因此使上述的处理、变换更加复杂和困难。二是从符号层形成的命令和动作意图,要变成控制级可执行的指令(数据),也要经过分解、转换等过程,这也是困难和费时的

41、工作。它们同样受到控制动作和环境的非确定性因素的影响。由于这些困难,要把人工智能系统与传统机器人控制器直接结合起来就很难建立实时性和适应性很好的系统。为了解决机器人的智能化,组成智能机器人系统,研究者们将面临许多困难且需要做长期努力,进行若干课题的研究。例如:高级思维活动应以什么方式的机器人系统来模仿,是采取传统的人工智能符号推理的方法,还是采用别的方法?需不需要环境模型,需要怎样的环境模型;怎样建立环境模型,传统的人工智能主要依据先验知识建立环境模型。由于环境和任务的复杂性,环境的不确定性,这种建模方式遇到了挑战,于是出现了依靠传感器建模的主张,这就引出一系列新的与传感技术有关的课题。人们为

42、了探讨人工智能在机器人中近期的可用技术,暂时抛开人工智能中的各种带根本性的争论,如符号主义与连接主义、有推理和无推理智能等等,把着眼点放在人工智能技术中较成熟的技术上。对传统的人工智能来说,就是知识的符号表示和推理这部分技术,看一看它对当前的机器人技术的发展会有什么贡献。其主要贡献体现在以下几个方面:基于任务的传感技术,建立感知与动作的直接联系,基于传感器的规划和决策,复杂动作的协调等。(2)操作器工业机器人手臂的设计制造已趋于成熟,因此在智能机器人操作器方面的研究,人们的兴趣主要集中在各种具有柔性和灵巧性的手爪和手臂上。机器人手臂结构要适应智能机器人高速、重载、高精度和轻质的发展趋势。其中轻

43、质化是关键。新型高刚度、抗震结构和材料是目前国外研究的前沿。机器人的手、腕以及连接机构是引人注目的研究课题。其中手腕机构的研究注重于快速、准确、灵活性、柔顺性和结构的紧凑性。与人协调作业关系密切的一类智能机器人如医用机器人、空间机器人、危险品处理机器人、打毛刺机器人等,它们都面临着如何快速、准确地把人的意志和人手的熟练操作传送到机器人执行机构的问题。目前,要让机器人作业一个小时,其软件编制需要60个小时,费时又费工。改善这种状况,需要从软件和硬件两方面着手。如多指多关节灵巧手是一种模拟人的通用手,它能比较逼真地记录和再现人手的熟练动作,受到研究者的青睐。由于它涉及到操作力学、结构学、基于传感器

44、的控制、传感器融和等方面的问题,研制的难度很大,因此到目前为止,还没有一种成熟的产品投放市场。(3)移动技术移动功能是智能机器人与工业机器人显著的区别之一。附加了移动功能之后,机器人的作业范围大幅度增加,从而使移动机器人的概念也从陆地拓展到水下和空中。近几年来,在欧美国家的机器人研究计划中,移动技术占有重要的位置。例如在NASA空间站FREEDOM上搭载的机器人、NASA和NSF共同开发的南极Erebus活火山探测机器人、美国环保局主持开发的核废料处理机器人HA7BOT中,移动技术都被列为关键技术。移动机构与面向作业任务的执行机构综合开发是最近出现的新的倾向。因为无论何种机器人都需要通过搭载的

45、机械手或传感器来完成特定的作业功能。另一个倾向是移动的运动控制与视觉的结合日益密切。这种倾向在美国ALV项目中已初见端倪,最近则越过了静态图像识别的框框,进入主动视觉和主动传感的阶段。显然,智能机器人在非结构环境中自主移动,或在遥控条件下移动,视觉-传感器-驱动器的协调控制不可缺少。最近几年,在步行机构,双足步行机,轮式移动机构的开发和实用化等方面都取得了一些进展。据日本工业机器人协会预测:管内移动机器人将在2007年可达到实用化;与人具有同样步行速度的多足步行机和双足步行机以及不平整地面行走和爬楼梯与人具有相同速度的移动机器人将在2010年可达到实用化。(4)动力源和驱动器智能机器人的机动性

46、要求动力源轻、小、出力大。而现有的移动机器人无一例外地拖着“辫子”。以动力源的重量/功率之比为例,目前电池约达到60g/W(连续使用小时),汽油机约为1.3g/W,都不理想,而且使用有局限性。到目前为止,尚未见到改善动力源的有效办法。电机仍然是智能机器人的主要驱动器。要使智能机器人的作业能力与人相当,它的指、肘、肩、腕各关节大致需要3-300Nm的输出力矩和30-60r/min的输出转速。传统伺服电机的重量/功率之比约为30g/W,而人在百米跑和投掷垒球时腿、肩、臂的出力大约为1g/W,相差甚大。日本在改进电机的性能方面取得了长足的进步。例如:核工业机器人臂和腿的驱动电机的重量已减轻到原来的1

47、/10,使机器人整体自重降低到700kg,但与它只能处理20kg重的工作相比,远非令人满意。人们寄希望于新驱动器,例如:人工肌肉、形状记忆合金、氢吸附合金、压电元件、挠性轴、钢丝绳集束传动等等。虽然各有诱人的优点,但在实用性方面还达不到伺服电机的水平。日本极限作业机器人计划中,水下机器人机械手的手腕和手爪驱动采用了人工肌肉,肌肉本身的重量才5-8g,以20kg/cm2压力的高压水为工作介质,收缩力高达50kg(管径3mm)。这是新型驱动器一个成功的例子。总之,智能机器人性能指标的改进是无止境的,对驱动器的要求也越来越高。什么是客观的衡量标准呢?一个容易接受的办法就是把它与人的体能加以比较。从这个角度来看,智能机器人驱动技术目前差距还相当大。(5)仿生机构智能机器人的生命在创新,开展仿生机构的研究,可以从生体机构、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综