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外文翻譯
仿人形機(jī)器人：一種新型工具
Bryan Adams，Cynthia Breazeal，Rodney A.Brooks，and Brian Scassellati著
陸靜金 譯
除了傳統(tǒng)的機(jī)器人，仿人形機(jī)器人可以用來探索人類智慧的理論。作者討論該項(xiàng)目主要是用來開發(fā)具有愛好和交流行為的機(jī)器人。
在1923年他發(fā)表的論文R.U.R:Rossum型通用機(jī)器人,Karel Capek型沖壓機(jī)器人是由Czech型機(jī)器人發(fā)展而來。僅因在過于單調(diào)乏味或危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，現(xiàn)在的機(jī)器人用于裝配線上的焊接部分，檢查核電站，探索其它行星。一般來說，機(jī)器人之間的靈活性與人類相比還相差甚遠(yuǎn)。
仿人形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室正在努力開發(fā)機(jī)器人。開發(fā)人型機(jī)器人是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要結(jié)合工程機(jī)械、電氣、軟件工程；計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)控制。1993年，我們開始了一個(gè)項(xiàng)目，旨在構(gòu)建仿人形機(jī)器人用于探索人類智慧的理論。除了相關(guān)工程，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)控制問題，我們已經(jīng)解決的問題，特別是虛擬集成系統(tǒng)：我們應(yīng)該用何種類型的傳感器，機(jī)器人應(yīng)如何解釋數(shù)據(jù)？在環(huán)境因素下，機(jī)器人是如何實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)？如何適應(yīng)不斷變化的體制條件并學(xué)習(xí)新的任務(wù)？每個(gè)仿人形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室必須處理許多相同的馬達(dá)控制、感知、機(jī)器學(xué)習(xí)問題。
研究方法的原則
真正的分歧來自截然不同群體的基本假設(shè)和研究議程。在麻省理工實(shí)驗(yàn)室，三項(xiàng)基本原則指導(dǎo)我們的研究。
● 設(shè)計(jì)仿人形機(jī)器人的自動(dòng)安全動(dòng)作，沒有人控制或監(jiān)督，在自然工作環(huán)境下能與人互動(dòng)。我們不為他們解決具體機(jī)器人的需求（如在焊接機(jī)器人裝配線）。我們的目標(biāo)是在許多不同的環(huán)境下所構(gòu)建的機(jī)器人的功能基本上一致。
● 社會(huì)機(jī)器人必須能夠像人類一樣察覺并理解，每天都能思考，如頭部點(diǎn)頭或眼睛眨眼，使他們可以和任何未經(jīng)專門訓(xùn)練或指示有所互動(dòng)。他們還能夠運(yùn)用這些條件進(jìn)行交流。這些能力的必要性，影響機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和物理體現(xiàn)。
● 機(jī)器人提供了一個(gè)獨(dú)特的測(cè)試工具是從認(rèn)知科學(xué)和發(fā)展心理學(xué)而來。我們希望不僅能夠創(chuàng)造生物機(jī)器人的啟發(fā)能力，而且通過形成和完善，幫助我們了解這些能力。
運(yùn)用真正的理論系統(tǒng)，我們通過測(cè)試假設(shè)能更容易判斷他們的內(nèi)容和范圍。
在人類環(huán)境中的自動(dòng)機(jī)器人
不同于工業(yè)機(jī)器人，在一個(gè)固定的環(huán)境對(duì)一個(gè)小范圍的操作，我國(guó)機(jī)器人必須在各種環(huán)境條件、各種不同的任務(wù)下靈活操作。因?yàn)槲覀冃枰南到y(tǒng)不受人類控制，我們必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，譬如動(dòng)作的連貫性和命令的執(zhí)行性。這種主動(dòng)權(quán)經(jīng)常表現(xiàn)在一個(gè)特殊任務(wù)和一個(gè)更加寬廣的范圍。但是，我們相信，建立自治系統(tǒng)提供具體任務(wù)的強(qiáng)壯和靈活性系統(tǒng)可能從未達(dá)到。
要求我們的機(jī)器人能夠在一個(gè)喧鬧、凌亂的、交通堵塞的工作區(qū)自行操作，并且能夠應(yīng)付自然環(huán)境的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。雖然這些環(huán)境不會(huì)像那些星球探險(xiǎn)家面孔那樣敵對(duì)，他們也不為專門制作機(jī)器人。除了作為人類安全的互動(dòng)與認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)社會(huì)環(huán)境，我們的機(jī)器人必須能學(xué)會(huì)從人示范。
這反映出我國(guó)實(shí)施機(jī)器人研究的原則。例如，機(jī)器人（見圖1）從上部軀干到一條胳膊和基本視覺系統(tǒng)共有14個(gè)自由度。在這一次的更新，我們實(shí)行多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)，譬如為了接觸一個(gè)視覺目標(biāo)?，F(xiàn)在，機(jī)器人有六個(gè)自由度胳膊，七個(gè)自由度頭，三維特色軀干聯(lián)接和更加富有的知覺系統(tǒng)。每只眼睛有一臺(tái)照相機(jī)以一個(gè)狹窄的視野為高分辨率視覺和以一個(gè)寬視野為周邊視覺，給機(jī)器人一雙眼，可變分辨率鑒于其環(huán)境。一個(gè)慣性系統(tǒng)讓機(jī)器人能協(xié)調(diào)馬達(dá)，反應(yīng)更加可靠。應(yīng)變儀在各胳膊聯(lián)接處測(cè)量出扭矩值，電位器測(cè)量位置，二個(gè)話筒提供聽覺輸入，和各種各樣的極限開關(guān)、壓力傳感器和熱量傳感器提供其它的輸入。
圖1．我們?cè)谏厦嫠v的機(jī)器人,有我們具體地設(shè)計(jì)的22個(gè)自由度與人的運(yùn)動(dòng)越緊密越好。
機(jī)器人的原則，也體現(xiàn)了我們兩個(gè)層次的互動(dòng)安全。首先，我們?cè)诟觳采线B接了馬達(dá)對(duì)聯(lián)接處給以扭轉(zhuǎn)力。除提供傳動(dòng)箱保護(hù)和消滅高頻率碰撞振動(dòng)之外、彈簧提供了安全措施，為人與胳膊相處融洽。這樣的控制讓胳膊從某姿勢(shì)順利地向擺姿勢(shì)以相對(duì)緩慢的命令執(zhí)行，和讓他們偏轉(zhuǎn)在障礙方式外面代替危險(xiǎn)地強(qiáng)迫通過他們，允許安全和自然互作用。（在這個(gè)問題上，辛西亞和她的同事進(jìn)行了討論，其它機(jī)器人的互作用更好，把社會(huì)的限制看成在生命的視覺上）。
人類與社會(huì)互動(dòng)
因?yàn)槲覀兊臋C(jī)器人必須在人類環(huán)境中工作，我們的研究在社會(huì)中有著很重要的影響。建立社會(huì)技能不僅成為我國(guó)機(jī)器人提供一個(gè)自然機(jī)會(huì)人機(jī)互動(dòng)機(jī)制，為引導(dǎo)更復(fù)雜的行為。人體模型機(jī)器人可以兼任輔導(dǎo)員，幫助輔導(dǎo)機(jī)器人行為。我們當(dāng)前的工作重點(diǎn)是四個(gè)社會(huì)互動(dòng)方面：通過社會(huì)環(huán)境達(dá)到一個(gè)有感情的模型、共同找出注意點(diǎn)，通過聲音來獲取信息，通過模仿來獲取知識(shí)。
通過社會(huì)環(huán)境制造一個(gè)有感情的模型。社會(huì)智能機(jī)器人模型的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是一個(gè)感情模型，理解并操縱在某環(huán)境中。機(jī)器人學(xué)習(xí)這種模型需要兩個(gè)技能。一是社會(huì)的投入學(xué)到能力，了解相關(guān)線索提供關(guān)于可能幫助了解的他們的精神狀態(tài)及指定的相互作用的動(dòng)態(tài)理解。二是能夠操縱環(huán)境來表達(dá)自己的情緒，這樣就會(huì)影響社會(huì)相互作用的動(dòng)力學(xué)。舉例來說，如果一個(gè)機(jī)器人觀察一位輔導(dǎo)員展示任務(wù)，但是輔導(dǎo)員的迅速走動(dòng)，隨后機(jī)器人可能顯示一個(gè)迷茫的表示。輔導(dǎo)員把這一信號(hào)放慢并自然地解釋這一顯示。這樣，機(jī)器人可以影響語言的速度和質(zhì)量?，F(xiàn)行機(jī)械學(xué)內(nèi)嵌一個(gè)動(dòng)力模型包含這些交換類型（見圖2）。
圖2．通用控制架構(gòu)下發(fā)展我們的兩用機(jī)器人。每個(gè)大系統(tǒng)下，我們列出了組成的名單，我們都已實(shí)行或正在發(fā)展。同時(shí)，許多技能表現(xiàn)在這些單元間的聯(lián)系，如學(xué)習(xí)視覺技巧和基于調(diào)空激勵(lì)狀態(tài)。在這里我們不列出這些各自的系統(tǒng)單獨(dú)學(xué)習(xí)技術(shù)整體部分的機(jī)器。
通過觀察確定注意點(diǎn)。一個(gè)機(jī)器人的其它重要要求依照由注視表達(dá)參加社會(huì)情況是了解共有的注意基本方向，指向，和其他姿態(tài)。一個(gè)困難在使機(jī)器學(xué)會(huì)從輔導(dǎo)員保證機(jī)器并且輔導(dǎo)員兩個(gè)出席同樣對(duì)象了解在哪里新信息應(yīng)該是應(yīng)用的。換句話說，學(xué)生必須了解這部分零件相關(guān)的內(nèi)容。學(xué)生利用各種線索從人類社會(huì)的教練指導(dǎo)他們注意；語言限定（如這個(gè)或那個(gè)），姿勢(shì)線索(如眼睛或指向方向) 姿勢(shì)和線索（如接近度）都可以向特定對(duì)象直接關(guān)懷和解決這個(gè)問題。我們實(shí)施可能認(rèn)可社會(huì)暗示的系統(tǒng)那與共有的注意關(guān)系并且那可能反應(yīng)適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)社會(huì)環(huán)境。
通過聲音來獲取信息。在許多場(chǎng)合參加聲樂交流互動(dòng)很重要。其它機(jī)器人聽覺識(shí)別系統(tǒng)集中在小部分的命令詞匯上。我們的研究重點(diǎn)是了解更基本的聲音樣式。我們正在實(shí)施一個(gè)聽覺系統(tǒng)，讓我們的機(jī)器人肯承認(rèn)聲樂、禁止和注意標(biāo)志。這樣，機(jī)器人會(huì)得到社會(huì)反饋，自然有它的動(dòng)作。韻律演講模式（含瀝青、節(jié)奏、聲音口氣）可能普及；嬰兒認(rèn)知能力表現(xiàn)稱贊，禁止和注意標(biāo)志在陌生的語言。
通過模仿來獲取知識(shí)。通過仿制人類掌握新技能、新目標(biāo)。也可以模仿自然機(jī)制機(jī)器人學(xué)習(xí)新技能和目標(biāo)，考慮這個(gè)例子：
機(jī)器人在觀測(cè)一個(gè)人打開一個(gè)玻璃瓶。一個(gè)人靠近機(jī)器人，在機(jī)器人旁邊有張放有罐子的桌子。人摩擦雙手，然后自己去開罐子上的蓋子。他一手抓住玻璃瓶及一手抓住瓶蓋向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)他打開罐子時(shí)，他停了一下抹了下眉心，然后看機(jī)器人在做什么。接著，他恢復(fù)了原樣。機(jī)器人然后試圖模仿行動(dòng)。
雖然機(jī)器人學(xué)習(xí)這種情況引起一些問題，但可以根據(jù)這種相互作用，而建立一個(gè)系統(tǒng)。這部分是重要的仿效行動(dòng)（如把蓋子逆時(shí)針）和不重要的仿效行動(dòng)（如你擦眉），一旦行動(dòng)已經(jīng)完成，如何評(píng)價(jià)機(jī)器人的表演？如何從這個(gè)機(jī)器人抽象的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到類似的情況？這些問題，不僅需要知識(shí)，而且需要社會(huì)環(huán)境。
構(gòu)建和測(cè)試人類智力理論
我們的研究，我們汲取靈感不僅來自生物學(xué)模型的設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)，而且我們也試圖利用這些模型測(cè)試來驗(yàn)證原設(shè)想。就像電腦被用來模擬神經(jīng)網(wǎng)模型，從神經(jīng)科學(xué)探索到完善，我們可以用仿人機(jī)器人來驗(yàn)證認(rèn)知科學(xué)、行為科學(xué)的模式。我們用了四個(gè)典型的生物學(xué)研究事例。
能夠自學(xué)并很好的領(lǐng)悟。嬰兒經(jīng)過一個(gè)階段的學(xué)習(xí)，利用手眼協(xié)調(diào)我們推行了一個(gè)視覺系統(tǒng)達(dá)到以下目標(biāo)，這有別于標(biāo)準(zhǔn)模型運(yùn)動(dòng)生物操縱技術(shù)，無論是利用機(jī)器人或環(huán)境，這個(gè)系統(tǒng)是完全自我訓(xùn)練并沒有固定的模式。
用類似的進(jìn)程觀察嬰兒，我們首先在機(jī)器人視覺訓(xùn)練上安置有趣的物體。機(jī)器人移動(dòng)它的眼睛獲取目標(biāo)，然后扭轉(zhuǎn)了它的頭和脖子面對(duì)目標(biāo)。我們當(dāng)時(shí)在達(dá)成此訓(xùn)練目標(biāo)的機(jī)器人之間再插一套姿勢(shì)，模仿原脊椎神經(jīng)的反應(yīng)后辨認(rèn)老鼠和青蛙，使機(jī)器人視覺有效的達(dá)到目的。
幾個(gè)有趣的動(dòng)作造成這一結(jié)果。從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度看，兩步計(jì)算訓(xùn)練過程簡(jiǎn)單。集中學(xué)習(xí)培訓(xùn)兩個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)象可連鎖在一起產(chǎn)生的預(yù)期行為。此外，在無監(jiān)督條件下，機(jī)器人學(xué)會(huì)了兩者之間映射（在眼部位置和原始姿勢(shì)之間）。這是可能的，因?yàn)橛成浜脱劬ξ恢枚ㄎ徽`差，提供了可靠的信號(hào)（圖3）。從生物學(xué)的觀點(diǎn)，這項(xiàng)實(shí)施揭露了一個(gè)局限的姿勢(shì)原始理論。雖然插補(bǔ)模式描述在初期工作姿勢(shì)之間，沒有機(jī)械來初步推斷其他工作期間的姿態(tài)。
圖3．為了達(dá)到視覺效果。機(jī)器人觀察它自己的胳膊運(yùn)動(dòng)，然后使用同樣的途徑接受簡(jiǎn)單指示，而導(dǎo)致了它可能接受到錯(cuò)誤信號(hào)。
音律節(jié)奏。是指脊髓神經(jīng)元模型產(chǎn)生的節(jié)奏性行動(dòng)。我們運(yùn)用這個(gè)模型引起胳膊反復(fù)運(yùn)動(dòng)，譬如把曲柄與模擬神經(jīng)的各胳膊聯(lián)合起來，如圖4展示。本身的擺動(dòng)器采用聯(lián)合輸入，不斷調(diào)節(jié)平衡點(diǎn)，并聯(lián)合虛擬彈簧。擺動(dòng)器作用在動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)為各胳膊的連接，并在物理動(dòng)力學(xué)上確定為整體胳膊運(yùn)動(dòng)。
圖4．神經(jīng)系統(tǒng)的擺動(dòng)器。擺動(dòng)器附有各個(gè)部位的聯(lián)接，包括一對(duì)相互禁止的神經(jīng)元。黑色圓圈代表禁止連接；打開白色圈子使它處于工作狀態(tài)。
這項(xiàng)措施明確了模型在現(xiàn)實(shí)的作用，在工程學(xué)上也有一定的作用。首先，擺動(dòng)器不要求胳膊執(zhí)行動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)。并要求各個(gè)胳膊處在的環(huán)境得到驗(yàn)證。其次，擺動(dòng)器能夠在廣泛的范圍內(nèi)接受任務(wù)，譬如轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，鋸木塊和搖擺擺錘。在控制系統(tǒng)的配置下，一切沒有任何改變。第三，該系統(tǒng)是非常防干擾的。我們不僅可以阻止它，并讓它在短時(shí)期內(nèi)開始工作（通常不到一個(gè)周期）。系統(tǒng)將會(huì)迅速?gòu)浹a(bǔ)變化。最后，投入的擺動(dòng)器可以來自其他方式，其中一個(gè)例子是用聽覺，讓機(jī)器人隨著人類鼓手一起打鼓。
視覺搜索和密切觀察。我們采用了杰里米?沃爾夫的人類視覺搜索和觀察模式，結(jié)合低層次視覺特征作為探測(cè)器，如面孔探測(cè)器、外貌突出、深入分割與動(dòng)做的行為模式（見圖5）。這個(gè)注意系統(tǒng)對(duì)物體所固有的凸極性環(huán)境下有選擇性地讓機(jī)器人直接計(jì)算資源和試探性行為。
圖5．注意系統(tǒng)概況。各種視覺特征探測(cè)器（彩色、行動(dòng)、面孔探測(cè)器）的習(xí)慣相結(jié)合產(chǎn)生的功能。 注意過程控制和影響眼睛的機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)和行為動(dòng)機(jī)。我們獲取了一個(gè)在這期間關(guān)于行為的試驗(yàn)。
實(shí)施這項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)讓我們知道無論是在由上而下的基礎(chǔ)研究和機(jī)會(huì)利用低水平特點(diǎn)的研究。例如，如果探索與描寫機(jī)器人，增加動(dòng)力系統(tǒng)的重量面對(duì)探測(cè)器的特點(diǎn)。這就產(chǎn)生了傾向于面對(duì)一個(gè)實(shí)體。但是，如果出現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的無實(shí)體對(duì)象，面向低水平性能足以吸引機(jī)器人的注意力。我們將根據(jù)示范凸極性線索的焦點(diǎn)來關(guān)注這個(gè)模型。我們還可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械將影響到沃爾夫的習(xí)慣模式，以此來刺激機(jī)器人接收習(xí)慣性的注意力。
共用關(guān)心并專注于理論。在兒童的發(fā)展階段能夠有信仰、期望和獨(dú)立的悟性是一個(gè)重要里程碑，另一個(gè)人有什么能力可以看到，另一人維護(hù)假的信仰，喜歡游戲的和不喜歡這項(xiàng)娛樂的人的不同之處都屬于這個(gè)發(fā)展鏈。此外，能夠認(rèn)識(shí)到自己，能夠認(rèn)知自己的感性經(jīng)驗(yàn)，而參與技能也可以發(fā)揮創(chuàng)意及想象力，因此在發(fā)育提前。我們正在實(shí)施一項(xiàng)示范社會(huì)技能發(fā)展在正常發(fā)育與孤獨(dú)癥及發(fā)育障礙者之間。我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠探測(cè)臉，眼睛視力并檢測(cè)工作環(huán)境和眼睛接觸。
雖然這項(xiàng)工作仍在初級(jí)階段，我們相信，在實(shí)施一個(gè)研究中的機(jī)器人模型，將詳細(xì)的處理模型，使用人類學(xué)科來維持同樣的測(cè)試環(huán)境和方法。研究員能非常熟悉模擬系統(tǒng)參數(shù)當(dāng)他們?cè)u(píng)價(jià)系統(tǒng)模型參數(shù)在不同環(huán)境條件的每一步發(fā)展都有效果。由于機(jī)器人模型進(jìn)入和人一樣主題的環(huán)境，研究者可以用類似的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（無論從主觀觀察或測(cè)量反應(yīng)時(shí)間或測(cè)量精度等）。同時(shí)，研究人員可以通過檢測(cè)對(duì)機(jī)器人受到的潛在危險(xiǎn)、高昂代價(jià)或不道德的行為傳達(dá)給人類。
雖然科學(xué)研究通常是因?yàn)殪`感而受到科幻小說的贊揚(yáng)，但是因?yàn)槿斯ぶ悄芎蜋C(jī)器人技術(shù)的存在，可以使小說中的情景得以實(shí)現(xiàn)。但是，在過去10年間，仿人機(jī)器人在許多研究團(tuán)體、會(huì)議、專題上成為焦點(diǎn)。雖然超出科幻小說作家的想象可能很難，我們的工作也表明未來的一種可能。仿人形機(jī)器人能夠用人類的方式與人溝通，人們會(huì)覺得這是正常和自然的。與此同時(shí)，通過建立這些系統(tǒng)，我們將繼續(xù)了解更多關(guān)于我們?nèi)祟愖陨淼闹橇Α?
鳴謝
這項(xiàng)工作得到了ONR和DARPA的支持，DARPA在MURI N00014-95-1-0600和DABT 63-99-1-0012.下簽定了合同。
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