智能機器人

　　基本解釋

　　我們從廣泛意義上理解所謂的智能機器人，它給人的最深刻的印象是一個獨特的進行自我控制的“活物”。其實，這個自控“活物”的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。

　　智能機器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。由此也可知，智能機器人至少要具備三個要素：感覺要素，運動要素和思考要素。

　　我們稱這種機器人為自控機器人，以便使它同前面談到的機器人區(qū)分開來。它是控制論產(chǎn)生的結(jié)果，控制論主張這樣的事實：生命和非生命有目的的行為在很多方面是一致的。正像一個智能機器人制造者所說的，機器人是一種系統(tǒng)的功能描述，這種系統(tǒng)過去只能從生命細胞生長的結(jié)果中得到，現(xiàn)在它們已經(jīng)成了我們自己能夠制造的東西了。

　　智能機器人能夠理解人類語言，用人類語言同操作者對話，在它自身的“意識”中單獨形成了一種使它得以“生存”的外界環(huán)境——實際情況的詳盡模式。它能分析出現(xiàn)的情況，能調(diào)整自己的動作以達到操作者所提出的全部要求，能擬定所希望的動作，并在信息不充分的情況下和環(huán)境迅速變化的條件下完成這些動作。當然，要它和我們?nèi)祟愃季S一模一樣，這是不可能辦到的。不過，仍然有人試圖建立計算機能夠理解的某種“微觀世界”。比如維諾格勒在麻省理工學(xué)院人工智能實驗室里制作的機器人。這個機器試圖完全學(xué)會玩積木：積木的排列、移動和幾何圖案結(jié)構(gòu)，達到一個小孩子的程度。這個機器人能獨自行走和拿起一定的物品，能“看到”東西并分析看到的東西，能服從指令并用人類語言回答問題。更重要的是它具有“理解”能力。為此，有人曾經(jīng)在一次人工智能學(xué)術(shù)會議上說過，不到十年，我們把電子計算機的智力提高了10倍；如維諾格勒所指出的，計算機具有明顯的人工智能成分。

　　按功能分類

　　綜述

　　可分為一般機器人和智能機器人。

　　一般機器人是指不具有智能，只具有一般編程能力和操作功能的機器人。

　　到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的智能機器人定義。大多數(shù)專家認為智能機器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運動要素，對外界做出反應(yīng)性動作；三是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實質(zhì)上就是相當于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關(guān)等機電元器件來實現(xiàn)。對運動要素來說，智能機器人需要有一個無軌道型的移動機構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構(gòu)來完成。在運動過程中要對移動機構(gòu)進行實時控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機器人的思考要素是三個要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質(zhì)上是一個信息處理過程，而計算機則是完成這個處理過程的主要手段。

　　智能機器人根據(jù)其智能程度的不同，又可分為三種：

　　傳感型機器人

　　又稱外部受控機器人。機器人的本體上沒有智能單元只有執(zhí)行機構(gòu)和感應(yīng)機構(gòu)，它具有利用傳感信息（包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等）進行傳感信息處理、實現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外部計算機，在外部計算機上具有智能處理單元，處理由受控機器人采集的各種信息以及機器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機器人的動作。目前機器人世界杯的小型組比賽使用的機器人就屬于這樣的類型。

　　交互型機器人

　　機器人通過計算機系統(tǒng)與操作員或程序員進行人－機對話，實現(xiàn)對機器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能，能夠獨立地實現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。

　　自主型機器人

　　在設(shè)計制作之后，機器人無需人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自動完成各項擬人任務(wù)。自主型機器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個自主的人一樣獨立地活動和處理問題。機器人世界杯的中型組比賽中使用的機器人就屬于這一類型。全自主移動機器人的最重要的特點在于它的自主性和適應(yīng)性，自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù)。適應(yīng)性是指它可以實時識別和測量周圍的物體，根據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，調(diào)整動作策略以及處理緊急情況。交互性也是自主機器人的一個重要特點，機器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機器人之間進行信息的交流。由于全自主移動機器人涉及諸如驅(qū)動器控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、圖像處理、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多方面的研究，所以能夠綜合反映一個國家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平。因此，許多國家都非常重視全自主移動機器人的研究。

　　智能機器人的研究從60年代初開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，基于感覺控制的智能機器人(又稱第二代機器人)已達到實際應(yīng)用階段，基于知識控制的智能機器人(又稱自主機器人或下一代機器人)也取得較大進展，已研制出多種樣機。

　　按智能程度分類

　　初級智能機器人

　　智能機器人是在工業(yè)機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，現(xiàn)在已開始用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域，按其擁有智能的水平可以分為兩類：

　　一是初級智能機器人.它和工業(yè)機器人不一樣，具有象人那樣的感受，識別，推理和判斷能力.可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，也就是它能適應(yīng)外界條件變化對自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整.不過，修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定.這種初級智能機器人已擁有一定的智能，雖然還沒有自動規(guī)劃能力，但這種初級智能機器人也開始走向成熟，達到實用水平.

　　高級智能機器人

　　二是高級智能機器人.它和初級智能機器人一樣，具有感覺，識別，推理和判斷能力，同樣可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序.所不同的是，修改程序的原則不是由人規(guī)定的，而是機器人自己通過學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗來獲得修改程序的原則.所以它的智能高出初能智能機器人.這種機器人已擁有一定的自動規(guī)劃能力，能夠自己安排自己的工作.這種機器人可以不要人的照料，完全獨立的工作，故稱為高級自律機器人.這種機器人也開始走向?qū)嵱谩?/p>

　　發(fā)展方向

　　不過，盡管機器人人工智能取得了顯著的成績，控制論專家們認為它可以具備的智能水平的極限并未達到。問題不光在于計算機的運算速度不夠和感覺傳感器種類少，而且在于其他方面，如缺乏編制機器人理智行為程序的設(shè)計思想。你想，現(xiàn)在甚至連人在解決最普通的問題時的思維過程都沒有破譯，人類的智能會如何呢——這種認識過程進展十分緩慢，又怎能掌握規(guī)律讓計算機“思維”速度快點呢？因此，沒有認識人類自己這個問題成了機器人發(fā)展道路上的絆腳石。制造“生活”在具有不固定性環(huán)境中的智能機器人這一課題，近年來使人們對發(fā)生在生物系統(tǒng)、動物和人類大腦中的認識和自我認識過程進行了深刻研究。結(jié)果就出現(xiàn)了等級自適應(yīng)系統(tǒng)說，這種學(xué)說正在有效地發(fā)展著。作為組織智能機器人進行符合目的的行為的理論基礎(chǔ)，我們的大腦是怎樣控制我們的身體呢？純粹從機械學(xué)觀點來粗略估算，我們的身體也具有兩百多個自由度。當我們在進行寫字、走路、跑步、游泳、彈鋼琴這些復(fù)雜動作的時候，大腦究竟是怎樣對每一塊肌肉發(fā)號施令的呢？大腦怎么能在最短的時間內(nèi)處理完這么多的信息呢？我們的大腦根本沒有參與這些活動。大腦——我們的中心信息處理機“不屑于”去管這個。它根本不去監(jiān)督我們身體的各個運動部位，動作的詳細設(shè)計是在比大腦皮層低得多的水平上進行的。這很像用高級語言進行程序設(shè)計一樣，只要指出“間隔為一的從1～20的一組數(shù)字”，機器人自己會將這組指令輸入詳細規(guī)定的操作系統(tǒng)。最明顯的就是，“一接觸到熱的物體就把手縮回來”這類最明顯的指令甚至在大腦還沒有意識到的時候就已經(jīng)發(fā)出了。

　　把一個大任務(wù)在幾個皮層之間進行分配，這比控制器官給構(gòu)成系統(tǒng)的每個要素規(guī)定必要動作的嚴格集中的分配合算、經(jīng)濟、有效。在解決重大問題的時候，這樣集中化的大腦就會顯得過于復(fù)雜，不僅腦顱，甚至連人的整個身體都容納不下。在完成這樣或那樣的一些復(fù)雜動作時，我們通常將其分解成一系列的普遍的小動作（如起來、坐下、邁右腳、邁左腳）。教給小孩各種各樣的動作可歸結(jié)為在小孩的“存儲器”中形成并鞏固相應(yīng)的小動作。同樣的道理，知覺過程也是如此組織起來的。感性形象——這是聽覺、視覺或觸覺脈沖的固定序列或組合（馬、人），或者是序列和組合二者兼而有之。學(xué)習(xí)能力是復(fù)雜生物系統(tǒng)中組織控制的另一個普遍原則，是對先前并不知道、在相當廣泛范圍內(nèi)發(fā)生變化的生活環(huán)境的適應(yīng)能力。這種適應(yīng)能力不僅是整個機體所固有的，而且是機體的單個器官、甚至功能所固有的，這種能力在同一個問題應(yīng)該解決多次的情況下是不可替代的?？梢?，適應(yīng)能力這種現(xiàn)象，在整個生物界的合乎目的的行為中起著極其重要的作用。本世紀初，動物學(xué)家桑戴克進行了下面的動物試驗。先設(shè)計一個帶有三個小平臺的T形迷宮，試驗動物位于字母T底點上的小平臺上，誘餌位于字母T橫梁兩頭的小平臺上。這個動物只可能做出以下兩種選擇，即跑到岔口后，它可以轉(zhuǎn)向左邊或右邊的小平臺。但是，在通向誘餌的路上埋伏著使它不愉快的東西：走廊兩側(cè)裝著電極，電壓以某種固定頻率輸進這些電極之中，于是跑著經(jīng)過這些電極的動物便受到疼痛的刺激——外界發(fā)出懲罰信號。而另一邊平臺上等著動物的誘餌則是外界獎勵的信號。實驗中，如果一邊走廊的刺激概率大大超過另一走廊中的刺激概率，那么，動物自然會適應(yīng)外界情況：反復(fù)跑幾次以后，動物朝刺激概率低、痛苦少的那邊走廊跑去。桑戴克作試驗最多的是老鼠。如老鼠就更快地選擇比較安全的路線，并且在懲罰相差不大的情況下自信地選擇一條比較安全的路線，其它作試驗的動物是帶著不同程度的自適應(yīng)性來體現(xiàn)這一點的，不過，這種能力是參加試驗的各種動物都具有的。

　　控制機器人的問題在于模擬動物運動和人的適應(yīng)能力。建立機器人控制的等級——首先是在機器人的各個等級水平上和子系統(tǒng)之間實行知覺功能、信息處理功能和控制功能的分配。第三代機器人具有大規(guī)模處理能力，在這種情況下信息的處理和控制的完全統(tǒng)一算法，實際上是低效的，甚至是不中用的。所以，等級自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)首先是為了提高機器人控制的質(zhì)量，也就是降低不定性水平，增加動作的快速性。為了發(fā)揮各個等級和子系統(tǒng)的作用，必須使信息量大大減少。因此算法的各司其職使人們可以在不定性大大減少的情況下來完成任務(wù)。

　　總之，智能的發(fā)達是第三代機器人的一個重要特征。人們根據(jù)機器人的智力水平?jīng)Q定其所屬的機器人代別。有的人甚至依此將機器人分為以下幾類：受控機器人——“零代”機器人，不具備任何智力性能，是由人來掌握操縱的機械手；可以訓(xùn)練的機器人——第一代機器人，擁有存儲器，由人操作，動作的計劃和程序由人指定，它只是記?。ń邮苡?xùn)練的能力）和再現(xiàn)出來；感覺機器人——機器人記住人安排的計劃后，再依據(jù)外界這樣或那樣的數(shù)據(jù)（反饋）算出動作的具體程序；智能機器人——人指定目標后，機器人獨自編制操作計劃，依據(jù)實際情況確定動作程序，然后把動作變?yōu)椴僮鳈C構(gòu)的運動。因此，它有廣泛的感覺系統(tǒng)、智能、模擬裝置（周圍情況及自身——機器人的意識和自我意識）