人工智能与计算机教学研究：第二代感知机器人的发展与应用

2023-11-15 理论教育版权反馈

【摘要】：也称自适应型机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。智能机器人是一个在感知、思维、效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。智能机器人与前两代机器人的根本区别在于，智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。所以，人们通常所说的第二代感知机器人可以看作是第一代智能机器人。目前在工业机器人中，具有初步智能水平的机器人大约占10%。

自电子计算机问世以来，伴随着综合控制论、仿生学、信息论等学科的科学技术成果日益涌现，机器人于60年代应运而生。

世界上的机器人真是琳琅满目，五花八门，但是就其种类来说，大致可以归为三大类：（1）重复型机器人。又称工业机器人，它是一种以程序可以变化的、独立的自动搬运和传递装置为主所构成的重复操作系统。能够代替人去完成一些重复性的操作和劳动，它勤勤恳恳，任劳任怨。这一代机器人是从20世纪60年代后期开始投入使用，目前在工业界已经得到广泛的应用。（2）感知型机器人。也称自适应型机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人的性能的研究始于20世纪70年代初期。到了1982年，美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统，宣告了感知机器人的诞生，在20世纪80年代获得广泛的应用。（3）智能型机器人。智能型机器人是给机器安装了微型计算机，赋予它更多的才能。

智能机器人是一个在感知、思维、效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能的综合实验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。近20年来，不少国家投入大量的人力、物力进行开发，已经取得不少成果。智能机器人与前两代机器人的根本区别在于，智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身就是人类和动物所具有的低级智能，因此，机器的智能分为两个层次：（1）具有感觉、识别、理解和判断功能；（2）具有总结经验和学习开发功能。所以，人们通常所说的第二代感知机器人可以看作是第一代智能机器人。目前在工业机器人中，具有初步智能水平的机器人大约占10%。

智能机器人的发展并不非常乐观，因为发展各代计算机及机器都迫切需要解决一些问题。

在执行装置领域，首先是缩小尺寸和提高生产的工艺文明。因为长期以来机器人制造业的死敌是机械连接的游隙和空隙。这个问题目前已经得到解决，现在的问题是为发动机和人造肌制造牢固的定向外壳，其中包括能够在任何位置规定的灵活的指关节结构研制电动性和液压性的小型大力矩发动机，其中包括先行发动机以及所谓的响应器。在控制方面，首先是完善从执行机构的元件中摄取信号传送给电子计算机的反馈装置；提高小型机械移动装置电动传感器的灵敏度、精确度和寿命；完善运动程序给定、储存和计算，即整个数字出现控制的元件；研制小型而又可靠的有感知装置，主要的动力机构和执行机构；等等。

在机器人的计算—逻辑装置和学习装置方面，首要问题是研制专业化的微处理机。未来装备智能机器人需要相当数量的微处理机。特别重要的是学习输入、输出和变换装置的微型化，提高其可靠性和加强同机器人特殊部件的结合。

从20世纪80年代开始，智能机器人的开发研究就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技术进行了预测。提出智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性这三个方向发展。主要涉及人工智能技术、操作器、移动技术、动力源和驱动器、仿生机构等。

把传统的人工智能的符号处理技术应用到机器人中存在一些困难。一般的工业机器人的控制器不只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系统的顶层，能否得到一个很好的智能控制系统呢？不是那么容易的，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别，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，这种困难表现为两个方面：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，符号层一般很难使用这些信息，需要经过压缩、变换、理解后把它转化为符号表示。这往往是一件很困难又耗费时间的事。而信息来自分布不同的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。这些信息由于受到环境的干扰和各种非确定因素的影响，难免存在畸变、信息不完整等缺陷，因此使上述处理、变换更加复杂和困难。二是从符号层形成命令和动作意图，要变成控制级可以执行的指令（数据），也要经过分解、转化等工作过程，这些工作同样是困难和费时的，同样受到控制动作和环境的非确定因素的影响。由于这些困难，要把人工智能系统与传统的机器人控制系统直接结合起来，很难建立实时性和适应性很好的系统。

未来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得要做长期努力，进行若干课题的研究。例如，高级思维活动应该以什么样的方式的机器人系统来模仿，是采用传统的人工智能的符号推理的方法，还是采用别的方法？需要不需要环境模型，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，这种建模的方式受到挑战。于是就出现了依靠传感器建模的主张，这就引出了一系列新的与传感器技术有关的课题。总之，上述各项课题都是难度很大的长远课题。为了建立智能水平高的较完善的机器人，需要上述问题的初步答案，而且需要较长的时间的研究。

人们为了探索人工智能在机器人中可以使用的技术，暂时抛开入工智能中带有根本性的争论，如符号主义与连接主义、有推理和无推理等，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。这部分技术对当前机器人技术的发展的主要贡献体现在以下方面：基于任务的传感技术、建立感知与动作的直接关系、基于传感器的规划和决策、复杂动作的协调等。

在日本机器人的摇篮——早稻田大学的一个机器人实验室里，围着一群人，他们自动地站在一边，使房间的正前方空出一大块地方。在那里，一个机器人正在做表演。

表演的机器人有4只灵活的轮子，头上装着一台电视摄像机和一台光学测距仪，它的头部能够扬起、俯下，还能够四下转动。身上还有两条具有触觉的手臂。它独自在空地上来来回回地转动着。在它的周围放着一些不同颜色、不同几何形状的木块，但是它可以避开它们，从中穿来穿去，就像长着“眼睛”。墙角有一位操作员正坐在一台计算机旁边，熟练地按着电传打印机的键盘，似乎是用它与机器人交谈着什么。原来是这样：主人要向客人们表演一下由“电脑”——电子计算机控制的机器人到底能够干些什么。请看吧，操作员正在对机器人下达口头命令：“注意，现在开始准备。”只见那个机器人迅速行动起来，走到规定的一面墙跟前，然后站立不动。

“报告，已经准备好了。”机器人没有嘴，他说话的声音是从胸前的喇叭里传出来的。操作员又命令：“到距右墙5米，前方7米的地方去！”

机器人立即行动起来，看着地面朝指定地点走去。忽然，机器人停止了，因为那个指定的目的地已经被一块大木头占据了。“报告，目的地已经被占领了。”这是机器人在报告。“执行命令，你必须占领右5米，前7米的地方。”

这时机器人毫不犹豫地行动起来，敏捷地跑到那块大木头的后面，推开了它，准确地停在了所指定的地点。

“报告，任务已经完成。”

“命令你把立方体推到门口去！”

“哪一个立方体？”原来房间里有大小不等的几个立方体。(www.chuimin.cn)

“把最小的立方体推到门口去！”

命令明确以后，机器人就在若干个障碍物中徘徊、巡视，像是一只在寻找食物的猫。当它看到并确认了最小的立方体以后，就立刻转过身来驶近它，然后用双臂将小立方体推到门口。表演结束了，客人们都发出了愉快的笑声，三三两两地议论着。

这个表演展示了机器人智能所能够达到的水平。“机器人”这个概念发生了何等重大的变化啊！机器，已经不仅可以代替人的体力，作为生产劳动的动力，也不仅仅是伸延了人的五官，扩展了它们的能力，而且已经具有了完成某种复杂任务的“智能”。现在，大家称机器人的这种能力为“人工智能”，叫这种机器为“智能机器”。

目前，世界各地已经有了好几种智能机器人。

日本早稻田大学嘉户一郎教授研究的两条腿走路的机器人“瓦伯特1号”，重270千克，行走时可以扭动臀部、膝部、踝部和足关节，因而它可以走直线，也可以转身，同时还可以侧身行走。“瓦伯特1号”的智商相当于一个1岁的小孩。“瓦伯特2号”可就聪明多了，它可以弹“亚马哈”电子琴。首次演出时，演奏的是一首当时日本十分流行的歌曲《玻璃苹果》，令所有在场的记者倾倒。“瓦伯特2号”的智商相当于一个5岁的孩子。前面提到的那个有手有脚（轮子）、能够说、可以听，还会辨认几何形状的机器人的智商也相当于一个5岁的孩子。机器人的未来是朝着拟人化的方向发展。我国目前主要是大力发展数控、遥控机器人，同时也在研究智能机器人。沈阳机电学院曾经研制的教学智能机械手，可以模拟人的各种动作。

随着电子技术的迅速发展，可以代替人驾驶坦克的机器人智能坦克也应运而生。

20世纪80年代以来，一些国家如美国、英国等开始研究智能型机器人坦克。这种坦克配置有高速电子计算机系统和各种先进而又可靠的传感器等，通过预存储和新采集的信息，能够自主地选择最佳的行驶路线，并能够完成预定的任务。

智能型机器人坦克与一般坦克比具有以下优点：一是用机器人代替坦克驾驶员，减轻了坦克驾驶员和乘员紧张的战斗操作和繁重的体力消耗；二是坦克上的机器人能够自动识别敌我目标，并能够自行驾驶和自动克服或者绕过障碍物追击敌人；三是机器人能够自动发现目标，并报告准确射击目标；四是可以冒着枪林弹雨去爆破和排雷，从而减少人员的伤亡；五是机器人坦克适宜在核战争、化学战和生物战的条件下使用，不会被污染，也不会中毒，可以继续进行战斗。正是由于机器人坦克比普通坦克优越，美国、英国一些国家都在大力研究这种智能型机器人坦克。

值得一提的是，目前国外已经研制成功与智能坦克相类似的机器人车辆，使智能型机器人坦克的出世露出曙光。

德国制成的爆破物处理机器人车辆，是在轮式车辆上装有长而灵活的手臂和操作爪，其上还装有电脑控制装置和摄像机、探照灯等。它能够执行危险物品活动搬运和有毒气体的远距离探测与监视等任务。它长长的手臂可以在转塔上进行360°旋转，而像蟹一样的操作爪能够伸到3.13米的远处，向下可以伸到1.02米处，并能够举起80千克的重物。

美国制成的地面侦察机器人装甲车更是身手不凡，它重6800千克，装有15台微型电子计算机，以及方向传感器、多普勒雷达、声学接近传感器、激光测距机、磁罗盘、摄像机、卫星导航系统等。这种机器人装甲车实际上是为海军陆战队研制的一种两栖式侦察机器人车辆。它既可以在陆地行驶，又可以在水上使用，行动灵活方便。

此外，美国还研制成功一种“突击队员”遥控车，采用光纤通信远距离操纵。它重160千克，高63.5厘米，其配备有反坦克导弹、机枪、催泪毒气弹及猎枪等，能够完成一位步兵所能够完成的所有作战任务。

机器人已经进入工厂做工，到农场务农，参加部队服役……，它们究竟要“能干”到什么程度？会出现比人还要“聪明”的机器人吗？它们将要以什么态度来对待创造它们的人类呢？这些都是人们非常关注的问题。

在西方国家里，有一些人身处科学技术高度发展的社会，却常常对机器人忧心忡忡，担心自己驾驭不了自己创造的这一异己；另外一些人则处于另外一个极端，整日沉浸在科幻电影、小说中描写的机器人的想象中，似乎那就是即将到我们身边的无所不能的机器人。事实上，从事机器人研究的理论家和从事机器人制造的科学家，对这些问题都有明确的回答。

一位从事电脑研究的美国专家宾相德说：“我们可以制造出跳得比人高，或者扔球比人扔得远的机器人，但是未必能够制造出七项运动都能够得到世界冠军的机器人。”

这么来说，电影里和小说里那种用电路板、电线、塑料皮肤等制造出来的，和真人完全一样的机器人恐怕永远也不会出现在我们中间。

机器人终究是机器，不管它们如何聪明，如何“智能化”，从目前来看，它恐怕永远不可能赶上或超过人的聪明才智，永远不可能取代人的地位。道理很简单，因为是人创造了电脑、机器人，而不是机器人创造了世界和人类。尽管对遥远的将来做估计是一件不容易的事，但是我们仍然可以说机器人永远受人控制的这一点是不会改变的。

人工智能与计算机教学研究：第二代感知机器人的发展与应用

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