智能機(jī)器人

　　基本解釋

　　我們從廣泛意義上理解所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的“活物”。其實(shí)，這個(gè)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(jī)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(dòng)機(jī)，它們使手、腳、長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來(lái)。由此也可知，智能機(jī)器人至少要具備三個(gè)要素：感覺要素，運(yùn)動(dòng)要素和思考要素。

　　我們稱這種機(jī)器人為自控機(jī)器人，以便使它同前面談到的機(jī)器人區(qū)分開來(lái)。它是控制論產(chǎn)生的結(jié)果，控制論主張這樣的事實(shí)：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(gè)智能機(jī)器人制造者所說的，機(jī)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(xì)胞生長(zhǎng)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(jī)器人能夠理解人類語(yǔ)言，用人類語(yǔ)言同操作者對(duì)話，在它自身的“意識(shí)”中單獨(dú)形成了一種使它得以“生存”的外界環(huán)境——實(shí)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(dòng)作以達(dá)到操作者所提出的全部要求，能擬定所希望的動(dòng)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(dòng)作。當(dāng)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室里制作的機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器試圖完全學(xué)會(huì)玩積木：積木的排列、移動(dòng)和幾何圖案結(jié)構(gòu)，達(dá)到一個(gè)小孩子的程度。這個(gè)機(jī)器人能獨(dú)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(yǔ)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(huì)議上說過，不到十年，我們把電子計(jì)算機(jī)的智力提高了10倍；如維諾格勒所指出的，計(jì)算機(jī)具有明顯的人工智能成分。

　　按功能分類

　　綜述

　　可分為一般機(jī)器人和智能機(jī)器人。

　　一般機(jī)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(jī)器人。

　　到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的智能機(jī)器人定義。大多數(shù)專家認(rèn)為智能機(jī)器人至少要具備以下三個(gè)要素：一是感覺要素，用來(lái)認(rèn)識(shí)周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動(dòng)要素，對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)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(dòng)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(shí)質(zhì)上就是相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機(jī)、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(dòng)元件、行程開關(guān)等機(jī)電元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)運(yùn)動(dòng)要素來(lái)說，智能機(jī)器人需要有一個(gè)無(wú)軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成。在運(yùn)動(dòng)過程中要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)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(dòng)。這些智力活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程，而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段。

　　智能機(jī)器人根據(jù)其智能程度的不同，又可分為三種：

　　傳感型機(jī)器人

　　又稱外部受控機(jī)器人。機(jī)器人的本體上沒有智能單元只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)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(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)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(jī)器人的動(dòng)作。目前機(jī)器人世界杯的小型組比賽使用的機(jī)器人就屬于這樣的類型。

　　交互型機(jī)器人

　　機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作員或程序員進(jìn)行人－機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)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(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡(jiǎn)單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。

　　自主型機(jī)器人

　　在設(shè)計(jì)制作之后，機(jī)器人無(wú)需人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自動(dòng)完成各項(xiàng)擬人任務(wù)。自主型機(jī)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(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問題。機(jī)器人世界杯的中型組比賽中使用的機(jī)器人就屬于這一類型。全自主移動(dòng)機(jī)器人的最重要的特點(diǎn)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(shí)時(shí)識(shí)別和測(cè)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(dòng)作策略以及處理緊急情況。交互性也是自主機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)，機(jī)器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機(jī)器人之間進(jìn)行信息的交流。由于全自主移動(dòng)機(jī)器人涉及諸如驅(qū)動(dòng)器控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、圖像處理、模式識(shí)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(gè)國(guó)家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平。因此，許多國(guó)家都非常重視全自主移動(dòng)機(jī)器人的研究。

　　智能機(jī)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(jī)器人(又稱第二代機(jī)器人)已達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段，基于知識(shí)控制的智能機(jī)器人(又稱自主機(jī)器人或下一代機(jī)器人)也取得較大進(jìn)展，已研制出多種樣機(jī)。

　　按智能程度分類

　　初級(jí)智能機(jī)器人

　　智能機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jí)智能機(jī)器人.它和工業(yè)機(jī)器人不一樣，具有象人那樣的感受，識(shí)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(duì)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(jí)智能機(jī)器人已擁有一定的智能，雖然還沒有自動(dòng)規(guī)劃能力，但這種初級(jí)智能機(jī)器人也開始走向成熟，達(dá)到實(shí)用水平.

　　高級(jí)智能機(jī)器人

　　二是高級(jí)智能機(jī)器人.它和初級(jí)智能機(jī)器人一樣，具有感覺，識(shí)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(jī)器人自己通過學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來(lái)獲得修改程序的原則.所以它的智能高出初能智能機(jī)器人.這種機(jī)器人已擁有一定的自動(dòng)規(guī)劃能力，能夠自己安排自己的工作.這種機(jī)器人可以不要人的照料，完全獨(dú)立的工作，故稱為高級(jí)自律機(jī)器人.這種機(jī)器人也開始走向?qū)嵱谩?/p>

　　發(fā)展方向

　　不過，盡管機(jī)器人人工智能取得了顯著的成績(jī)，控制論專家們認(rèn)為它可以具備的智能水平的極限并未達(dá)到。問題不光在于計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(jī)器人理智行為程序的設(shè)計(jì)思想。你想，現(xiàn)在甚至連人在解決最普通的問題時(shí)的思維過程都沒有破譯，人類的智能會(huì)如何呢——這種認(rèn)識(shí)過程進(jìn)展十分緩慢，又怎能掌握規(guī)律讓計(jì)算機(jī)“思維”速度快點(diǎn)呢？因此，沒有認(rèn)識(shí)人類自己這個(gè)問題成了機(jī)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(jī)器人這一課題，近年來(lái)使人們對(duì)發(fā)生在生物系統(tǒng)、動(dòng)物和人類大腦中的認(rèn)識(shí)和自我認(rèn)識(shí)過程進(jìn)行了深刻研究。結(jié)果就出現(xiàn)了等級(jí)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(jī)器人進(jìn)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(jī)械學(xué)觀點(diǎn)來(lái)粗略估算，我們的身體也具有兩百多個(gè)自由度。當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行寫字、走路、跑步、游泳、彈鋼琴這些復(fù)雜動(dòng)作的時(shí)候，大腦究竟是怎樣對(duì)每一塊肌肉發(fā)號(hào)施令的呢？大腦怎么能在最短的時(shí)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(dòng)。大腦——我們的中心信息處理機(jī)“不屑于”去管這個(gè)。它根本不去監(jiān)督我們身體的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部位，動(dòng)作的詳細(xì)設(shè)計(jì)是在比大腦皮層低得多的水平上進(jìn)行的。這很像用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)一樣，只要指出“間隔為一的從1～20的一組數(shù)字”，機(jī)器人自己會(huì)將這組指令輸入詳細(xì)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(lái)”這類最明顯的指令甚至在大腦還沒有意識(shí)到的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)出了。

　　把一個(gè)大任務(wù)在幾個(gè)皮層之間進(jìn)行分配，這比控制器官給構(gòu)成系統(tǒng)的每個(gè)要素規(guī)定必要?jiǎng)幼鞯膰?yán)格集中的分配合算、經(jīng)濟(jì)、有效。在解決重大問題的時(shí)候，這樣集中化的大腦就會(huì)顯得過于復(fù)雜，不僅腦顱，甚至連人的整個(gè)身體都容納不下。在完成這樣或那樣的一些復(fù)雜動(dòng)作時(shí)，我們通常將其分解成一系列的普遍的小動(dòng)作（如起來(lái)、坐下、邁右腳、邁左腳）。教給小孩各種各樣的動(dòng)作可歸結(jié)為在小孩的“存儲(chǔ)器”中形成并鞏固相應(yīng)的小動(dòng)作。同樣的道理，知覺過程也是如此組織起來(lái)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(gè)普遍原則，是對(duì)先前并不知道、在相當(dāng)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(gè)機(jī)體所固有的，而且是機(jī)體的單個(gè)器官、甚至功能所固有的，這種能力在同一個(gè)問題應(yīng)該解決多次的情況下是不可替代的。可見，適應(yīng)能力這種現(xiàn)象，在整個(gè)生物界的合乎目的的行為中起著極其重要的作用。本世紀(jì)初，動(dòng)物學(xué)家桑戴克進(jìn)行了下面的動(dòng)物試驗(yàn)。先設(shè)計(jì)一個(gè)帶有三個(gè)小平臺(tái)的T形迷宮，試驗(yàn)動(dòng)物位于字母T底點(diǎn)上的小平臺(tái)上，誘餌位于字母T橫梁兩頭的小平臺(tái)上。這個(gè)動(dòng)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(tái)。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(jìn)這些電極之中，于是跑著經(jīng)過這些電極的動(dòng)物便受到疼痛的刺激——外界發(fā)出懲罰信號(hào)。而另一邊平臺(tái)上等著動(dòng)物的誘餌則是外界獎(jiǎng)勵(lì)的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)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(dòng)物自然會(huì)適應(yīng)外界情況：反復(fù)跑幾次以后，動(dòng)物朝刺激概率低、痛苦少的那邊走廊跑去。桑戴克作試驗(yàn)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(yàn)的動(dòng)物是帶著不同程度的自適應(yīng)性來(lái)體現(xiàn)這一點(diǎn)的，不過，這種能力是參加試驗(yàn)的各種動(dòng)物都具有的。

　　控制機(jī)器人的問題在于模擬動(dòng)物運(yùn)動(dòng)和人的適應(yīng)能力。建立機(jī)器人控制的等級(jí)——首先是在機(jī)器人的各個(gè)等級(jí)水平上和子系統(tǒng)之間實(shí)行知覺功能、信息處理功能和控制功能的分配。第三代機(jī)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(shí)際上是低效的，甚至是不中用的。所以，等級(jí)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)首先是為了提高機(jī)器人控制的質(zhì)量，也就是降低不定性水平，增加動(dòng)作的快速性。為了發(fā)揮各個(gè)等級(jí)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(lái)完成任務(wù)。

　　總之，智能的發(fā)達(dá)是第三代機(jī)器人的一個(gè)重要特征。人們根據(jù)機(jī)器人的智力水平?jīng)Q定其所屬的機(jī)器人代別。有的人甚至依此將機(jī)器人分為以下幾類：受控機(jī)器人——“零代”機(jī)器人，不具備任何智力性能，是由人來(lái)掌握操縱的機(jī)械手；可以訓(xùn)練的機(jī)器人——第一代機(jī)器人，擁有存儲(chǔ)器，由人操作，動(dòng)作的計(jì)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(lái)；感覺機(jī)器人——機(jī)器人記住人安排的計(jì)劃后，再依據(jù)外界這樣或那樣的數(shù)據(jù)（反饋）算出動(dòng)作的具體程序；智能機(jī)器人——人指定目標(biāo)后，機(jī)器人獨(dú)自編制操作計(jì)劃，依據(jù)實(shí)際情況確定動(dòng)作程序，然后把動(dòng)作變?yōu)椴僮鳈C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。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(jī)器人的意識(shí)和自我意識(shí)）