機器人概論概述PPT課件

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1、01 什么是機器人?02 Robot 與控制論03 Robot 與機器人學(xué)04 Robot 與人工智能05 Robot 的進化史06 機器人名人堂07 機器人能做什么？第一章第一章 概述概述(Introduction)(Introduction)第1頁/共73頁01 什么是機器人?1.1 機器人與機器人與 Robot機器人是 Robot 的譯名。然而，大多數(shù) Robot 都不像人。Robot 不僅包括機器人，還包括：機器狗，機器貓，機器龜，機器蛇，機器昆蟲，機器蜘蛛，以及一切具有生命特征的機電系統(tǒng)。在英文新造的詞匯中，有一個詞組：Artificial Life，一般譯作：人工生命，意即人造的生

2、命。Robot 就是一種人工生命，是物理的人工生命，我們不妨將其稱為機器生命（Mechanical Life）。第2頁/共73頁01 什么是機器人?1.2 Robot 一詞的由來一詞的由來1920 年，捷克作家 Capek 編寫了一部幻想劇，名叫Rossum 的 Robota 萬能公司，劇中，Rossum 發(fā)明制造了一大批無思想，無情感，能勞動的個體 Robota。一個 Robota 能干三個人的活，Rossum的公司因此生意興隆。第3頁/共73頁01 什么是機器人?1.2 Robot 一詞的由來一詞的由來捷克語中，Robota 意即“奴隸”。劇中的 Robota 能存活 20 年，剛制造出來

3、時，由人教給它們知識，之后，受人驅(qū)使，埋頭干活，其存在的價值僅在于為人類服務(wù)。第4頁/共73頁01 什么是機器人?1.2 Robot 一詞的由來一詞的由來然而，有一天，一次偶發(fā)的事故使 Robota 開始有了知覺。Robota 們不堪忍受人類的奴役，發(fā)起了對人類的攻擊，最終消滅了人類。第5頁/共73頁01 什么是機器人?1.2 Robot 一詞的由來一詞的由來Capek 的幻想劇Rossum 的 Robota 萬能公司十分成功，在歐美廣為流傳，英文中的 Robot 一詞由此而來，意即仿人的機器。漸漸地，仿人機器和仿生機器的研究形成了一門學(xué)科， Robot 衍生出 Robotics，意即“機器人

4、學(xué)”。機器人學(xué)是仿生機器或機器生命的機體和行為設(shè)計學(xué)。Capek 的幻想代表了人類對先進生產(chǎn)工具的渴望，這種渴望激發(fā)了人類豐富的想象力，促動人類研究仿人機器，這種機器有胳膊有腿，甚至能感知，有智能。第6頁/共73頁01 什么是機器人?1.3 Webster 定義的定義的 RobotAn automatic apparatus or device that performs functions ordinarily ascribed to humans or operates with what appears to be almost human intelligence.機器人是一種自動的儀

5、器或設(shè)備，它履行通常歸屬人類的職責，運行起來像是具有人類的智能。1.4 Wikipedia 定義的定義的 RobotA robot is a mechanical intelligent agent which can perform tasks on its own, or with guidance. In practice a robot is usually an electro-mechanical machine which is guided by computer and electronic programming。機器人是一種機械的智能體，能自行執(zhí)行任務(wù)，自主導(dǎo)航。通常，它

6、是一種機電系統(tǒng)，由計算機和電子程序操縱。第7頁/共73頁01 什么是機器人?1.5 Robot 作為機器生命的特征作為機器生命的特征本課程所講述的機器人（Robot），主要指自治移動式機器人（Autonomous Mobile Robot），或稱機器生命。Robot，作為仿生機器或機器生命，應(yīng)該具備三個特征：特征一：Robot 是一種機器，是由機電元件構(gòu)成的機器。與自然生命不同，機器生命不是有機物構(gòu)成的，而是機電元件構(gòu)成的。因此，Robot 首先應(yīng)該是機器。第8頁/共73頁01 什么是機器人?1.5 Robot 作為機器生命的特征作為機器生命的特征Robot，作為機器生命，應(yīng)該具備三個特征：特

7、征二：Robot 能自主地遷移，或于陸地上行走或爬行，或于大海里遨游，或于天空中飛翔。Robot 是可遷移或可移動的機器（Mobile Machine），或會爬行，或會行走，或會游泳和潛水，或會飛行。并且，Robot 的遷移是自主的或自治的（Autonomous）。第9頁/共73頁01 什么是機器人?1.5 Robot 作為機器生命的特征作為機器生命的特征Robot，作為機器生命，應(yīng)該具備三個特征：特征三：Robot 具有感知能力和認知能力。Robot 像自然生命一樣，或聽，或看，或嗅，或嘗，或觸摸，其最高形式是：象自然生命一樣，是智能的，有腦，會思考，會判斷，會決策，并且，能認知，會學(xué)習(xí)。類

8、比一般自動控制系統(tǒng)。 第10頁/共73頁01 什么是機器人?1.6 Robot 的亞當和夏娃的亞當和夏娃如果說人類的創(chuàng)造者是上帝，那么，自治移動式 Robot（仿生機器或機器生命）的上帝就是人類 。如果說亞當和夏娃是人類的祖先，那么，自治移動式 Robot（仿生機器或機器生命）的祖先又是誰呢？這將會是一個爭論不休的問題。公元 126 年，中國東漢時期的大科學(xué)家張衡設(shè)計了一種機器鳥，稱為“獨飛木雕”?！蔼氾w木雕”是一種木制的飛行裝置，有類似鳥翅膀的撲翼，利用彈性物體積蓄的能量飛行，能量耗盡后，憑借上升氣流的作用滑翔。第11頁/共73頁01 什么是機器人?1.6 Robot 的亞當和夏娃的亞當和夏

9、娃張衡的“獨飛木雕”具備自治移動式 Robot（仿生機器或機器生命）的特征一和特征二，卻不具備特征三。“獨飛木雕”沒有感覺器官，無感知能力，因而，還不能算作真正意義上的 Robot，或者說，還不能算作真正意義上的仿生機器或機器生命。二十世紀 40 年代，為了模擬自然生命，英國科學(xué)家 Walter 設(shè)計制作了一只機器龜，名叫 Elmer，這便是最早的具有生命特征的機器，一個真正意義上的自治移動式 Robot（仿生機器或機器生命）。Walter 對 Elmer 和 Timothy 的行為進行了有趣的類比。第12頁/共73頁01 什么是機器人?1.6 Robot 的亞當和夏娃的亞當和夏娃Timoth

10、y 是 Walter 的兒子。Walter及其家人與ElmerElmer 及其復(fù)制品第13頁/共73頁01 什么是機器人?1.6 Robot 的亞當和夏娃的亞當和夏娃Timothy 饑餓的時候會搜尋食物，食物進入體內(nèi)后，能量以脂肪的形式存儲，而 Elmer 能量不足的時候會尋求光照，并將光轉(zhuǎn)變?yōu)樾铍姵刂械幕瘜W(xué)能；Timothy 吃飽后會小睡一會兒，而 Elmer 充足電之后會找一個光線柔和的地方休息休息。與張衡的“獨飛木雕”不同，Walter 的機器龜不僅具有生命的第一和第二特征，還具有生命的第三特征。Walter 的機器龜有感覺器官，因而，具備了感知能力。Elmer 有類似動物的饑餓感，有初

11、級的視覺。同時，Elmer具有依據(jù)感知信息自主地或自治地制定行動規(guī)劃的能力：饑餓時尋求光，而溫飽時回避光。 第14頁/共73頁01 什么是機器人?1.6 Robot 的亞當和夏娃的亞當和夏娃Walter 的機器龜 Elmer 和 Walter 的另一只機器龜 Elsie 被視為自治移動式 Robot（仿生機器或機器生命）的亞當和夏娃，而 Walter 則被視為自治移動式 Robot（仿生機器或機器生命）之父 。Elmer 和 Elsie 誕生后，自治移動式 Robot （仿生機器或機器生命）逐漸成為科學(xué)技術(shù)的一個熱點，形形色色的機器生命相繼出現(xiàn)，如：足球機器人、機器牧羊犬、電子狗、機器貓、人工

12、魚、機器蜻蜓、機器水母、機器龜、機器昆蟲、電子三葉蟲、機器蛇、電子蝸牛、機器蜘蛛、機器工兵、機器戰(zhàn)士、外星爬行機械（月球車和火星車）、水下自治探測器等。第15頁/共73頁01 什么是機器人?1.6 Robot 的亞當和夏娃的亞當和夏娃如今，自治移動式Robot（仿人機器或機器生命）已經(jīng)成為一個多學(xué)科融合的科學(xué)研究領(lǐng)域，其中：控制論（Cybernatics）機器人學(xué)（Robotics）人工智能（Artificial Intelligence）扮演著重要角色。第16頁/共73頁02 Robot 與控制論2.1 Wiener 與控制論與控制論1948 年，美國天才科學(xué)家 Wiener 將機器與生命類

13、比，將計算機與人腦類比，從而創(chuàng)立了控制論。Wiener 是一個天才，8 歲上中學(xué)，11 歲上大學(xué)，14 歲大學(xué)畢業(yè)，18 歲獲得博士學(xué)位，其后，師從英國數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家 Rosu。Wiener，雖然主修數(shù)學(xué)和哲學(xué)，卻始終思索著動物和機器的辨證關(guān)系。Wiener 的控制論就是關(guān)于動物和機器共性的科學(xué)，是關(guān)于動物和機器統(tǒng)一性或同一性的科學(xué)。Wiener 興趣廣泛，在理論物理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和心理學(xué)、哲學(xué)、文學(xué)等領(lǐng)域都有建樹。正是 Wiener 廣博的知識，使控制論成為科學(xué)融合的藝術(shù)。 第17頁/共73頁02 Robot 與控制論Wiener 說：“就其控制行為而言，所有的技術(shù)系統(tǒng)都是生物系統(tǒng)的

14、仿制品?！?W i e n e r 所 說 的 “ 技 術(shù) 系 統(tǒng) ”（Technological System），就是人工系統(tǒng)（Artificial System）或人造系統(tǒng)（Man-Made System），就是機器。 自然地，Robot（仿人機器或機器生命）就是一種技術(shù)系統(tǒng)，是最典型的生物系統(tǒng)的仿制品。2.1 Wiener 與控制論與控制論第18頁/共73頁02 Robot 與控制論2.2 機器和生命系統(tǒng)中的運動模式機器和生命系統(tǒng)中的運動模式在控制論中，Wiener 指出：“我們正研究這樣一種自動機器，它不僅通過能量流動和新陳代謝，而且通過信息流動和傳遞信號，引起動作流動，并和外界有效地

15、聯(lián)系起來。自動機器接收信息的裝置相當于人和動物的感覺器官；相當于動作器官的可以是電動機或其它不同性質(zhì)的工具。自動機器接收到的信息不一定立即使用，可以儲存起來以備未來之需，這與記憶相似。自動機器運轉(zhuǎn)時，其操作規(guī)則會依歷史數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，這就象是學(xué)習(xí)的過程?！?。 第19頁/共73頁02 Robot 與控制論依據(jù) Wiener 的控制論，機器和動物具有兩種共同的基本的運動模式：模式一：能量流動動物的能量流動過程是能量變換的過程，是能量由攝入器官到動作器官的過程，是維持機體活性的過程。動物的能量流動依賴血液、肌肉和骨骼。機器具有與動物類似的能量流動。機器的能量流動過程也是能量變換的過程，是能量由能量的

16、輸入和儲存裝置到運動機構(gòu)的過程，是維持機器運轉(zhuǎn)的過程。機器的能量流動依賴電荷、馬達和齒輪。2.2 機器和生命系統(tǒng)中的運動模式機器和生命系統(tǒng)中的運動模式第20頁/共73頁02 Robot 與控制論依據(jù) Wiener 的控制論，機器和動物具有兩種共同的基本的運動模式：模式一：能量流動機器和動物的能量流動2.2 機器和生命系統(tǒng)中的運動模式機器和生命系統(tǒng)中的運動模式第21頁/共73頁02 Robot 與控制論依據(jù) Wiener 的控制論，機器和動物具有兩種共同的基本的運動模式：模式二：信息流動動物的信息流動過程是信息變換的過程，是由刺激到反應(yīng)的過程，是信息由感覺器官、傳入神經(jīng)，到神經(jīng)中樞，再由傳出神經(jīng)

17、至動作器官的過程。動物的信息流動2.2 機器和生命系統(tǒng)中的運動模式機器和生命系統(tǒng)中的運動模式第22頁/共73頁02 Robot 與控制論依據(jù) Wiener 的控制論，機器和動物具有兩種共同的基本的運動模式：模式二：信息流動機器具有與動物類似的信息流動。機器的信息流動過程也是信息變換的過程，是信息由傳感器、輸入線路，到計算機或電腦，再由輸出線路至電機的過程。機器的信息流動2.2 機器和生命系統(tǒng)中的運動模式機器和生命系統(tǒng)中的運動模式第23頁/共73頁02 Robot 與控制論依據(jù) Wiener 的控制論，機器和動物具有兩種共同的基本的運動模式：模式二：信息流動機器中，相對于動物感覺器官的是傳感器，

18、如紅外探測儀、攝像儀、聲納，以及各種觸覺、溫度、濕度、壓力、流量傳感器。機器中，相對于動物神經(jīng)線路的是電子線路。機器中，相對于動物神經(jīng)中樞或腦的是計算機。機器中，相對于動物動作器官的是齒輪和馬達。2.2 機器和生命系統(tǒng)中的運動模式機器和生命系統(tǒng)中的運動模式第24頁/共73頁02 Robot 與控制論2.3 Wiener 的機器蠕蟲的機器蠕蟲Wiener 在控制論中虛擬了一個 Robot，一個機器蠕蟲，模擬蠕蟲的負趨光行為，以闡明動物和機器的共性。Wiener 的機器蠕蟲具有：感覺器官：一對帶放大器的光電管神經(jīng)中樞：一個用于平衡兩個光電管輸出的電橋動作器官：兩個推動雙螺旋機構(gòu)的電動機第25頁/共

19、73頁02 Robot 與控制論Wiener 的機器蠕蟲能象自然界中的蠕蟲一樣回避光：光電管受光的刺激，并通過電子線路將感受的光信號送達電橋；電橋?qū)碜圆煌怆姽艿男盘栠M行鑒別和比較，給出關(guān)于運動方向的指令信號；指令信號送達運動機構(gòu)，驅(qū)動馬達，機器蠕蟲就避開光，向光線較弱的方向運動。Wiener蟲的機電式反射弧2.3 Wiener 的機器蠕蟲的機器蠕蟲第26頁/共73頁02 Robot 與控制論2.4 控制論對于機器人學(xué)的意義控制論對于機器人學(xué)的意義Wiener 的機器蠕蟲是一個典型的機器生命體，它甚至早于 Walter 的 Elmer 和 Elsie。然而，Wiener 的機器蠕蟲只是控制論

20、中的一個思想實驗，是虛擬的，而 Walter 的 Elmer 和 Elsie 是物理的，是現(xiàn)實的。Wiener 的控制論對于機器人學(xué)有兩個重要的涵義：涵義一：機器具有生命的特性涵義二：生命的特型（包括學(xué)習(xí)和記憶）是可以移植給機器的Wiener 的控制論是理念，是哲學(xué)，是世界觀，是方法論。Wiener 的控制論是機器人學(xué)（Robotics）的思想基礎(chǔ)。第27頁/共73頁03 Robot 與機器人學(xué)3.1 Robotics 是關(guān)于是關(guān)于 Robot 的科學(xué)的科學(xué) Robotics，意即“機器人學(xué)”，是關(guān)于機器人的科學(xué)，設(shè)計機器人，分析機器人的動力學(xué)特性，規(guī)劃機器人的運動軌跡，研究機器人的行為及其控

21、制問題。機器人學(xué)是技術(shù)規(guī)范和技術(shù)準則，是設(shè)計仿生機器或機器生命的機體和行為的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)準則。 第28頁/共73頁03 Robot 與機器人學(xué)3.2 Asimov 關(guān)于關(guān)于 Robot 的三定律的三定律1942年，著名科幻作家Asimov出版了一部關(guān)于機器人的書，名為Runaround，提出了如今已成為共識的機器人學(xué)三定律：定律一：機器人不能傷害人類；定律二：機器人必須服從人的命令，除非這些命令與定律一相違背；定律三：機器人必須維護自身的存在，除非這與定律一和定律二相違背。機器人學(xué)（Robotics）是技術(shù)規(guī)范和技術(shù)準則，是設(shè)計機器生命的機體和行為的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)準則。在機器人學(xué)（Robot

22、ics）中，機器生命屬于自治移動式機器人（Autonomous Mobile Robot）一類。第29頁/共73頁04 Robot 與人工智能4.1 人工智能的誕生人工智能的誕生關(guān)于 Dartmouth 夏季會議：發(fā)起人：MeCarthy, Minsky, Lochester 和Shannon參加人：More, Samuel, Newell, Simon等地點：美國Dartmouth大學(xué)性質(zhì)：科學(xué)討論會內(nèi)容：關(guān)于機器模擬智能的問題會期：兩個月Dartmouth 夏季會議是一次不尋常的科學(xué)討論會，世界上許多著名的科學(xué)家為參加這次會議而聚集到美國的Dartmouth，研討機器智能的問題。1956

23、年的美國 Dartmouth 夏季會議宣告了人工智能（Artificial Intelligence）科學(xué)的誕生。第30頁/共73頁04 Robot 與人工智能4.2 人工智能的目標人工智能的目標美國科學(xué)家Nilsson認為，人工智能包含兩類目標：科學(xué)的目標：理解智能（Why？）工程的目標：實現(xiàn)智能（How？）生命的最高形式是智慧生命，或者說，智能的生命。同樣地，機器的最高形式，是具有智慧或智能的機器人，即智能型的 Autonomous Mobile Robot（AMR）。從某種意義上說，人工智能的最高目標就是使機器或人工系統(tǒng)具有智能，包括記憶、判斷、推理、思維、認知或?qū)W習(xí)，其中，最典型的人工

24、系統(tǒng)是 AMR。所謂的實現(xiàn)智能，就是使機器或人工系統(tǒng)具有智能。第31頁/共73頁04 Robot 與人工智能4.3 人工智能與智能機器人學(xué)人工智能與智能機器人學(xué)人工智能與機器人學(xué)交叉，形成了智能機器人學(xué)（Intelligent Robotics）。上世紀 60 年代末 70 年代初，美國 Stanford 研究所 研制出具有邏輯推理能力和行為規(guī)劃能力的移動式機器人 Shakey，被認為是第一個具有智能的機器人，同時，也被視為是智能機器人學(xué)誕生的標志。從某鐘意義上說，缺乏認知和學(xué)習(xí)能力的機器人不是真正意義上的智能機器人。1997年，美國 MIT 人工智能實驗室的 Brooks 教授提出了認知機器

25、人學(xué)（Cognitive Robotics）的概念，旨在賦予機器人認知和學(xué)習(xí)的能力。第32頁/共73頁04 Robot 與人工智能4.4 Darwin 機的認知和學(xué)習(xí)機的認知和學(xué)習(xí)美國科學(xué)家 Edelman 將 Darwin 的生物進化論和自然選擇理論引入神經(jīng)生理學(xué)，提出了神經(jīng)元選擇理論，以刻劃智能的發(fā)育和進化特征。神經(jīng)元選擇理論是一種神經(jīng)計算理論，基于這一理論的神經(jīng)計算模型類似動物的神經(jīng)系統(tǒng)，其基本元素是人工神經(jīng)元，即神經(jīng)細胞的模型，是人工神經(jīng)元相互聯(lián)接便形成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Edelmand的工作既是人工智能科學(xué)的一部分，又是智能機器人學(xué)的一部份?；谏窠?jīng)元選擇理論，Edelman等人設(shè)計出所

26、謂的Darwin機(Darwin Machine)。第33頁/共73頁04 Robot 與人工智能4.4 Darwin 機的認知和學(xué)習(xí)機的認知和學(xué)習(xí)Darwin 機的物理實現(xiàn)就是一種自治的移動式機器人（Autonomous Mobile Robot，AMR）。Darwin 機學(xué)習(xí)識別道路交叉口及其相互關(guān)系。Darwin 機是智能的 Robot，具有認知和學(xué)習(xí)的能力， 能自主地學(xué)習(xí)識別道路交叉口及其相互關(guān)系。第34頁/共73頁04 Robot 與人工智能4.4 Darwin 機的認知和學(xué)習(xí)機的認知和學(xué)習(xí)Darwin 機具有類似動物的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，是智能型的機器人（Robot 或 AMR），有感知

27、和認知能力：通過視覺和觸覺傳感器感知客觀世界；在與環(huán)境的交互過程中，其神經(jīng)機能得以不斷地發(fā)展；最終，學(xué)會識別環(huán)境中不同的物體，懂得接近目標，或規(guī)避障礙。正如美國科學(xué)家Winston所說的：“人工智能的中心目標是建立那些使智能的實現(xiàn)成為可能的原理?！边@些原理就是智能機器人實現(xiàn)智能的基礎(chǔ)。第35頁/共73頁05 Robot 的進化史5.1 通向智能機器人之路通向智能機器人之路如果把機器人的研究和發(fā)展進程與人類的進化類比，可以發(fā)現(xiàn)，機器人的進化與人類的進化一樣，涉及兩個方面：肌體的進化：機電系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增長智力的進化：機器智能行為復(fù)雜性的增長與 人 類 的 進 化 一 樣 ， 機 器 人（R

28、obot）進化過程中具有典型意義的是機器人（Robot）腦系統(tǒng)的發(fā)展。機器人（Robot）的腦系統(tǒng)是電腦。電腦是機器人（Robot）表現(xiàn)人工智能或機器智能的物質(zhì)條件。第36頁/共73頁人類制造機器人或自動機器的思想由來已久，甚至可以追溯到公元前 1400 年，那時，巴比倫人設(shè)計制做了能自動運行的水鐘（Water Clock） 。05 Robot 的進化史5.1 通向智能機器人之路通向智能機器人之路就自治移動式機器人（AMR）而言，人類有關(guān)機器人（Robot）的研究可以追溯到十九世紀 40 年代末 50 年代初，那時，英國伯頓神經(jīng)科學(xué)研究所的 Walter 制做了名為埃爾墨（Elmer）和埃爾希

29、（Elsie）的兩只機器龜，他們是自治移動式機器人（AMR）的亞當和夏娃 。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，在 Walter 龜之后，機器人學(xué)和機器人技術(shù)得到了越來越迅速的發(fā)展，特別是近十年，各種自治移動式機器人層出不窮。第37頁/共73頁05 Robot 的進化史5.2 1950s：電子管一代電子管一代代表性機器人（Robot）：Elmer 和 Elsie大腦：真空電子管作為神經(jīng)元構(gòu)成簡單的神經(jīng)系統(tǒng)。行為：玩：游蕩，照鏡子；吃：電量不足時尋求光照為電池充電；睡：充電后找個光線柔和的地方休息。感官：2 只光電二極管產(chǎn)生視覺1 個靈敏開關(guān)產(chǎn)生觸覺光蓄電池高阻抗旁路產(chǎn)生饑餓感第38頁/共73頁05 Robot

30、 的進化史5.3 1960s：晶體管一代晶體管一代代表性機器人（Robot）：Hopkins 野獸 大腦：晶體管作為神經(jīng)元構(gòu)成的簡單的人工神經(jīng)線路行為：在走廊上巡游，依靠聲納避障，電量不足時依靠紅外傳感器尋找墻上黑色的電源插座自行充電。感官：紅外傳感器和聲納Moravec 認為，Hopkins 野獸的行為復(fù)雜性趕得上草履蟲一類單核細胞生物。第39頁/共73頁05 Robot 的進化史5.4 1970s：數(shù)字計算機一代數(shù)字計算機一代代表性機器人（Robot）：Standford Cart大腦：一臺（與肌體分離的）電子數(shù)字計算機行為：電子數(shù)字計算機處理視覺圖像，辨別 2 維環(huán)境，搜索地表上預(yù)先繪制

31、的白色線條，并沿著白色線條巡游。感官：電視攝像機（TV Camera）作為電子眼第40頁/共73頁05 Robot 的進化史5.4 1970s：數(shù)字計算機一代數(shù)字計算機一代代表性機器人（Robot）：Standford Cart行為：到 70 年代末期，其感知認知能力提高，能學(xué)習(xí)，有了預(yù)測和適應(yīng)能力，能辨別 3 維環(huán)境，能在復(fù)雜環(huán)境中自由地游蕩。大腦：一臺（與肌體分離的）電子數(shù)字計算機感官：電視攝像機（TV Camera）作為電子眼第41頁/共73頁05 Robot 的進化史5.5 1980s：微型計算機一代微型計算機一代代表性機器人（Robot）：CoreSampler大腦：一臺（機載的）單

32、板機行為：追蹤放射線，采集核反應(yīng)堆芯體樣本，1983 年進入三里島核電站安放核反應(yīng)堆的地下室勘測核泄漏狀況，1984 年再次進入并成功地取回核反應(yīng)堆芯體樣本。感官：數(shù)字攝像機和放射線探測器第42頁/共73頁05 Robot 的進化史5.6 1990s：多多 CPU 一代一代代表性機器人（Robot）：機器蜘蛛 Dantin感官：7 個數(shù)字攝像機組成電子復(fù)眼；每一條腿各安裝有 1 個力傳感器和 1 個位置傳感器，足底有 1 個探測溫度的熱電偶；1 個探測地形的球形激光掃描儀；1 個檢測二氧化硫含量的傳感器和 1 個檢測硫化氫含量的傳感器。大腦：8 個單片微型數(shù)字計算機形成的計算網(wǎng)絡(luò)。第43頁/共

33、73頁05 Robot 的進化史5.6 1990s：多多 CPU 一代一代代表性機器人（Robot）：機器蜘蛛 Dantin行為：探測火山噴發(fā)氣體中的二氧化硫和硫化氫的含量。1994 年 Dante 成功地對 Alaska 火山進行了勘探，在連續(xù)五天的勘探中，Dante 獨自呆在火山坑，自治與遙控相結(jié)合，開展火山勘探活動 。第44頁/共73頁05 Robot 的進化史5.7 2000s：人形化一代人形化一代代表性機器人（Robot）：ASIMO大腦：復(fù)雜的多 CPU 分布并行計算網(wǎng)絡(luò)，各 CPU 并行地和協(xié)調(diào)地執(zhí)行各種任務(wù)機。感官：感知身體姿態(tài)的陀螺儀和傾角儀；感知足關(guān)節(jié)和腿關(guān)節(jié)運動的力傳感器

34、，感知臂關(guān)節(jié)運動的力傳感器；感知聲音的麥克；獲取視覺信號的數(shù)字攝像儀探測器。第45頁/共73頁05 Robot 的進化史行為：像人一樣，輕松優(yōu)雅地前進，后退，拐彎，上下樓梯；擁有各種仿生技能，包括：人臉識別，自然語言理解，手勢和姿態(tài)識別，環(huán)境數(shù)字映射，以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)操作。5.7 2000s：人形化一代人形化一代代表性機器人（Robot）：ASIMO第46頁/共73頁05 Robot 的進化史5.8 Moravec 的預(yù)言的預(yù)言依據(jù) Moravec 的觀點，自治移動式機器人（Robot 或 AMR）與生物一樣，正在經(jīng)歷一個進化的過程：195060s 單細胞生物的水平1970s 多細胞生物的水平

35、1980s 低等魚類的水平1990s 一般昆蟲的水平2000s 小型蜥蜴的水平第47頁/共73頁05 Robot 的進化史5.8 Moravec 的預(yù)言的預(yù)言美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機器人技術(shù)學(xué)院移動式機器人實驗室主任 Hans Peter Moravec 博士被人為是當今世界上處于領(lǐng)導(dǎo)地位的“硬”人工智能（Hard AI）專家，他在 2000 年世紀交替之時對機器人的未來做了極為樂觀的預(yù)測和展望：“它們現(xiàn)在才剛剛達到脊椎動物復(fù)雜性它們現(xiàn)在才剛剛達到脊椎動物復(fù)雜性的低級水平，然而，它們將在半個世紀內(nèi)的低級水平，然而，它們將在半個世紀內(nèi)趕上我們?nèi)?/p>

36、類。趕上我們?nèi)祟??！?Hans P. Moravec 第48頁/共73頁05 Robot 的進化史5.8 Moravec 的預(yù)言的預(yù)言2010：非常自治的小型機器人出現(xiàn)，能執(zhí)行具體的任務(wù)，如：在家庭中承擔清潔任務(wù)，自行勘測房間并規(guī)劃行動路線，自行制定工作時間表，自行檢測房間清潔程度并有針對性地進行清潔工作，自行充電和自我管理，無需人的照料，具有低等哺乳動物的智力水平。 2020：第一代萬能機器人出現(xiàn)，其微電腦的運算速度達到每秒百億次，具有較為復(fù)雜的運算和運籌能力，智力達到中小型哺乳動物的水平，能執(zhí)行若干不同的任務(wù)，如：在家庭中，處理各種家務(wù)雜事。 2030：第二代萬能機器人出現(xiàn)，智力達到中等哺

37、乳動物的水平，具有認知能力和條件反射的學(xué)習(xí)機制，能依據(jù)過去的經(jīng)驗面對選擇，能逐漸地適應(yīng)其特殊的和變化的生存環(huán)境。2040：第三代萬能機器人出現(xiàn)，智力達到靈長類動物的水平，具有生理的、心理的和文化的特征。 2050：第四代萬能機器人出現(xiàn)，智力達到人類的水平。 第49頁/共73頁05 Robot 的進化史5.8 Moravec 的預(yù)言的預(yù)言Moravec的預(yù)言太樂觀了。然而， Moravec 的預(yù)言代表了科學(xué)家甚至科學(xué)界的追求和愿望。更重要的是，Moravec 的預(yù)言為機器人學(xué)和機器人技術(shù)領(lǐng)域描繪了機器人發(fā)展的方向和目標：方向：朝向智能機器人的方向，朝向提高機器人智能的方向。目標：趕上和超過人類。

38、第50頁/共73頁06 機器人名人堂6.1 關(guān)于機器人名人堂關(guān)于機器人名人堂2003 年 4 月 30 日，美國 Carnegie Mellon 大學(xué)為機器人建立了一個名人堂，即“機器人名人堂”（The Robot Hall of Fame, RHF）。機器人名人堂祭典那些對于人類具有里程碑意義的機器人。這些機器人分為兩類：(1) 真實機器人(2) 虛幻機器人真實的機器人，如 Walter 龜，人形機器人 ASIMO，火星探測車 Sojourner，它們具有特定的功能或技能，能服務(wù)于人類。而虛幻機器人，如科學(xué)幻想小說中的機器人，電影或電視劇中的機器人，它們能激發(fā)我們的想象力，使我們創(chuàng)造出更精巧

39、的真實機器人。第51頁/共73頁06 機器人名人堂6.2 首屆首屆 RHF 入住儀式入住儀式2003 年 11 月 10 日，首屆機器人名人堂入堂儀式在美國 C a r n e g i e Mellon 大學(xué)所在地 Pittsburgh 的 Carnegie 科學(xué)中心舉行，4 種機器人首批入住機器人名人堂，其中，2 種是真實機器人，另 2 種是虛幻機器人：美國 NASA 研制的 1997 年登陸火星的火星探測車“旅居者（Sojourner）”1961 年美國 G. Devol 發(fā)明的用于 組 裝 汽 車 的 通 用 機 械 臂（Unimate Robotic Arm）美國科幻系列影片星球大戰(zhàn)（

40、Star Wars）中的機器人 R2-D2美國科幻影片宇宙奧德賽（2001: A Space Odyssey）中的機器人 HAL-9000第52頁/共73頁06 機器人名人堂6.3 第二屆第二屆 RHF 入住儀式入住儀式2004 年 10 月 11 日，第二屆機器人名人堂入堂儀式在 Carnegie 科學(xué)中心舉行，又有 5 種機器人入住機器人名人堂，其中，2 種是真實機器人，另 3 種是虛幻機器人：2000 年日本 Honda 制造的人性化機器人 ASIMO。1969 年美國 Standford 研究所人工智能中心發(fā)明的 Shakey (最早的由計算機控制且有模式識別智能行為的移動式機器人)日

41、本科幻動畫片宇宙男孩(Astroboy)中的機器人“鐵臂阿童木(Atom Boy)”美國系列科幻影片星球大戰(zhàn)(Star Wars)中的機器人 C-3PO (R2-D2 的同僚)美國科幻影片禁錮的星球(Forbidden Planet)中的機器人 Robby (最早的機器人銀幕形象)第53頁/共73頁06 機器人名人堂隨“探路者（Pathfinder）”到達火星的“旅居者（Sojourner）”是第一個入住機器人名人堂的自治移動移動式機器人（Robot 或 AMR）。6.4 探索火星的探索火星的“旅居者旅居者”：Sojourner第54頁/共73頁6.4 探索火星的探索火星的“旅居者旅居者”：S

42、ojourner06 機器人名人堂Sojourner（旅居者）是 美 國 航 空 航 天 局NASA研制的用于探測火星的自治機器人，有較高的智能，安裝有精密的激光電子眼，面對預(yù)料之外的火星環(huán)境，能自治地規(guī)劃行動方案。“旅居者”（Sojourner） 于1996 年 12 月 4 日隨“探路者” （Pathfinder）起飛，1997 年 7 月 4 日抵達火星。科研人員在“旅居者”(Sojourner) 出發(fā)前對其進行組裝和測試第55頁/共73頁06 機器人名人堂6.4 探索火星的探索火星的“旅居者旅居者”：Sojourner“旅居者”對火星表面大約 250 平方米的范圍進行了勘探，進行了 1

43、6 次巖石和土壤的化學(xué)分析和力學(xué)實驗，向地球發(fā)回了 2.310+9 比特的數(shù)據(jù)，包括17,050 張照片、16 組巖石和土壤化學(xué)實驗結(jié)果，以及 8.510+6組有關(guān)火星大氣壓力、溫度和風的測試數(shù)據(jù)。美國在“旅居者”即將登陸火星時發(fā)行的宣傳畫美國在“旅居者”(Sojourner) 出發(fā)前發(fā)行的紀念郵票第56頁/共73頁06 機器人名人堂6.5 第一個智能機器人：第一個智能機器人：ShakeyShakey 是世界上第一具有規(guī)劃其行動的邏輯推理能力的移動式機器人 (Mobile Robot)，因其行動顛簸搖擺而得名。2004 年 10 月 11 日作為第二批成員進駐機器人名人堂。第57頁/共73頁0

44、6 機器人名人堂6.5 第一個智能機器人：第一個智能機器人：ShakeyShakey 的研發(fā)始于 1966 年，由 Stanford Research Institute （現(xiàn)為 SRI International） 創(chuàng)作。經(jīng)過多年的研究，Shakey，移動式機器人族中的丑小鴉 (Ungainly “bot”)，已經(jīng)成為機器人技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用的一個里程碑。Shakey 是一個智能機器人：裝備了 TV Camera，觸碰傳感器，并通過無線設(shè)備與 DEC PDP-10 和 PDP-15 計算機聯(lián)系在一起；能通過“看”和“推理”而“行動”；甚至，具有簡單的言語能力，能接收英語鍵入的命令，用英語

45、輸出響應(yīng)；其最大的成就在于，能理解一般的而非 “step-by-step”的指令，進而自主地進行行動規(guī)劃以完成任務(wù)。第58頁/共73頁06 機器人名人堂6.6 人形機器人：人形機器人： ASIMOASIMO 誕生于 2000 年 10 月 31日，之前，它已經(jīng)在日本 Honda Motor Co. 腹中孕育了 15 年。ASIMO 是一個首字母組合詞，意即 Advanced Step in Innovative Mobility。2004 年 10 月 11 日作為第二批成員進駐機器人名人堂，是美國之外的第一個 Robot 名人。ASIMO 上臺接受名人堂證書第59頁/共73頁06 機器人名人

46、堂6.6 人形機器人：人形機器人： ASIMOHonda 的工程師們還在繼續(xù)地改進 ASIMO 以提高其智力水平和運動技能。目前，ASIMO 的仿生技能包括：語言和人臉識別，環(huán)境數(shù)字映射，手勢和姿態(tài)識別，以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)操作。ASIMO 是世界上第一個能能像人一樣輕松優(yōu)雅地行走的機器人。第60頁/共73頁06 機器人名人堂6.7 科幻機器人：科幻機器人：ASTRO BOY機 器 人 名 人 堂 中 的 機 器 人 ， 不 僅 僅 來 自 于 科 學(xué)（Science），也來自于科學(xué)幻想（Science Fiction）。ASTRO BOY，又叫阿童木（Atom），是日本漫畫家手冢治蟲（Osamu

47、 Tezuka）1951 年創(chuàng)作的卡通機器人，以其為主人翁的連環(huán)畫流行于全世界，共計 5000 頁之多。在手冢治蟲的作品中，一個杰出的科學(xué)家心愛的兒子死于一場車禍，對愛子的懷念驅(qū)使他創(chuàng)作了少年機器人 (Child-Robot) Atom，并賦予它超人的力量：眼睛象探照燈，耳朵能聽千里，手指能放射激光，腿是噴火的火箭，因而有飛行的本領(lǐng)。不僅如此，Atom 還有靈魂，有善心，有人類的情感。介乎人類和機器人之間，Atom 經(jīng)歷了各種艱難困苦，終究克服了自己面對的一切困難而成長起來。第61頁/共73頁06 機器人名人堂6.7 科幻機器人：科幻機器人：ASTRO BOY1963 年，阿童木被搬上黑白電視

48、屏幕，并在 50 多個國家播放；1980 年，阿童木彩色版問世；2003 年，阿童木動漫問世。Atom 激發(fā)了無數(shù)日本兒童的想象力，其中一些人后來成為了機器人學(xué)和機器人技術(shù)以及政治經(jīng)濟文化科學(xué)等其他領(lǐng)域的領(lǐng)袖。這正是 Atom 被選入機器人名人堂的重要因素。第62頁/共73頁06 機器人名人堂6.7 科幻機器人：科幻機器人：ASTRO BOY科幻機器人的意義或許遠遠地超過我們所能想象的。2004 年 10 月 11 日作為第二批成員進駐機器人名人堂，是美國之外的第一個科幻 Robot 名人。第63頁/共73頁07 機器人能做什么？7.1 Simon 1957 年的預(yù)言年的預(yù)言機器人（Robot

49、 或 AMR）是科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，是人類的杰作。那么，機器人能為人類做什么呢？人類對智能機器充滿期望。1957年，人工智能的先驅(qū) Simon 預(yù)測，10年之內(nèi)，計算機將能：譜寫具有美學(xué)價值的音樂用計算機程序表達大多數(shù)的心理學(xué)理論證明重大的數(shù)學(xué)猜想戰(zhàn)勝人類國際象棋冠軍第64頁/共73頁07 機器人能做什么？7.2 Winston 1957 年的預(yù)言年的預(yù)言1977年，Winston在其所著的人工智能一書中充滿幻想地寫到：不難想象計算機在未來世界中的應(yīng)用，以今天的標準來看，很象科學(xué)幻想。這里給出一些例子：在農(nóng)業(yè)中，計算機將控制病蟲害，進行剪枝，并能有選擇地收割套種的莊稼。在采礦業(yè)中，計算機將在對人類

50、來說過于危險的條件下工作，它將在海底發(fā)掘錳。在制造業(yè)中，計算機將進行裝配以及檢查各種工作。在辦公室中，計算機將編制有關(guān)人員和團體的各種表格，把問題提交給適當?shù)娜?，做新聞?wù)魄梦募莅?，改正拼寫和文法錯誤。第65頁/共73頁07 機器人能做什么？7.2 Winston 1957 年的預(yù)言年的預(yù)言1977年，Winston在其所著的人工智能一書中充滿幻想地寫到：不難想象計算機在未來世界中的應(yīng)用，以今天的標準來看，很象科學(xué)幻想。這里給出一些例子：在學(xué)校里，計算機把學(xué)生們的問題視為要找的錯誤，給學(xué)生提供計算機化的書籍，顯示行星運行的軌跡，演奏樂章。在醫(yī)院里，計算機將幫助診斷、監(jiān)護病人，處理治療和管

51、理床位。在家庭里，計算機將考慮烹調(diào)和采購，清理地板和草地，擔負洗衣和處理生活費用等。Winston所說的計算機大多應(yīng)該是裝備了電腦的 AMR。Winston 1977年描述的所謂幻想，今天大多已成為現(xiàn)實。第66頁/共73頁07 機器人能做什么？7.3 機器人能為人類做很多事情機器人能為人類做很多事情實際上，今天的機器生命甚至比Winston所想象的更能干，更聰明。機器人能為人類做許多的事情。電子千足蟲能在火星上翻山越嶺，勘探火星的地質(zhì)構(gòu)造。機器蛇能深入南極上千米深的冰裂縫，研究冰裂縫的成因，報告冰裂縫的走向。機器鼴鼠能打地洞，深入地下尋找水源。機器海豚能幫助人類獲取大洋和海底信息，探測海情，預(yù)

52、警海底地震及海嘯。機器狗和機器貓能成為人類的另類寵物，看門，為盲人引路，照看嬰幼兒，以及病人和老人。機器保安員認識大樓內(nèi)所有的人員，能對外來人員進行甄別，能及時地將異常情況報告指揮中心。第67頁/共73頁07 機器人能做什么？7.3 機器人能為人類做很多事情機器人能為人類做很多事情機器牧羊犬能照看羊群。與真正的牧羊犬相比，機器牧羊犬能與羊群形成更為融洽的關(guān)系。農(nóng)業(yè)機器人能適時地和有針對性的為果樹噴灑農(nóng)藥，修剪果樹，識別并采摘成熟的水果。電子三葉蟲能清潔地板，自由地在房間里爬行，能量不足時自行充電。機器鷹和機器昆蟲能更加隱秘地偵察敵情。機器工兵能高效率地探測和排除地雷。機器戰(zhàn)士能代替人上戰(zhàn)場，消

53、滅敵人，摧毀敵方目標。2005 年新年伊始，美國就向伊拉克派遣了一支由 8 名機器戰(zhàn)士組成的特種部隊，據(jù)說，這些機器戰(zhàn)士個個都是神槍手，能負重行軍，穿越壕溝，并且刀槍不入。第68頁/共73頁07 機器人能做什么？7.3 機器人能為人類做很多事情機器人能為人類做很多事情機器蟑螂能模仿蟑螂的行為，散發(fā)蟑螂的氣味，影響和改變蟑螂的習(xí)性。微型機器人能進入人體，幫助醫(yī)生為病人診斷或治療疾病，甚至給病人做手術(shù)。甚至，美國軍方還設(shè)計制造了一種機器狗，專為美軍搬運彈藥。據(jù)說，這種機器狗使用四條機械腿而不是輪子，擅長在森林和山地間行走，還能爬樓梯，并且，這種機器狗有敏銳的視覺，能準確地觀測地形，繞過障礙物。這種

54、機器狗將被用于叢林或城市的戰(zhàn)斗中。工業(yè)上，機器生命能做的事情就更是枚不勝舉。第69頁/共73頁思考與練習(xí)1 什么是 Robot？什么是 Robotics？2 自治移動式機器人（Autonomous Mobile Robot），作為機器生命，具有什么樣的特征？3 什么是“能量流動”？對比機器人系統(tǒng)與生物系統(tǒng)中能量流動的相似性。4 什么是“信息流動”？對比機器人系統(tǒng)與生物系統(tǒng)中信息流動的相似性。5 復(fù)述 Asimov 關(guān)于 Robot 的三定律。6 機器人學(xué)（Robotics）和機器人技術(shù)（Robotic Technology）是一個多學(xué)科交叉融合的科學(xué)研究領(lǐng)域，其中，主要涉及了哪些學(xué)科領(lǐng)域？第70頁/共73頁思考與練習(xí)7 從機器人的智力水平（電腦的復(fù)雜性）看，機器人的發(fā)展史上一共出現(xiàn)了哪幾代機器人？8 阿童木是一個幻想的機器人，卻入了“機器人名人堂”。你認為，幻想的機器人有什么價值或意義？9 機器人能做什么？第71頁/共73頁如果說人類的創(chuàng)造者是上帝，那么，機器人的上帝就是人類。第72頁/共73頁感謝您的觀看。第73頁/共73頁