北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第一章

概論“robot”一詞源于捷克語(yǔ)“robota”，意為“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920年，捷克作家恰佩克在《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》劇本中把在羅薩姆萬(wàn)能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”（捷克語(yǔ)意為“奴隸”）。機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門科學(xué)。機(jī)器人的發(fā)展是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，發(fā)展應(yīng)用機(jī)器人的目的在于：(1)提高生產(chǎn)效率，降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度；(2)機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事；(3)機(jī)器人做人做不了的事情。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.1機(jī)器人的定義1950年，美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出的“機(jī)器人三定律”雖然只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造，但已成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則，內(nèi)容如下：1.1.1

機(jī)器人三定律(1)機(jī)器人不得傷害人，也不得見(jiàn)人受到傷害而袖手旁觀；(2)機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律；(3)機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身的安全，但不得違反第一、第二定律。1.1機(jī)器人的定義1.1.2機(jī)器人各種定義北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)曾把機(jī)器人定義為一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)把工業(yè)機(jī)器人定義為一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局定義機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織把機(jī)器人定義為：機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。蔣新松院士言簡(jiǎn)意賅地把機(jī)器人定義為一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。1.2機(jī)器人的生產(chǎn)與發(fā)展北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1948年，羅伯特·維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。1980年后，各種用途的機(jī)器人廣泛應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。1990開始，機(jī)器人開始面向服務(wù)業(yè)，并走向家庭?，F(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)發(fā)展大事年表總結(jié)。P2-P31.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》機(jī)器人現(xiàn)在已被廣泛地用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域，按其擁有智能的水平,可以分為以下三個(gè)層次：(1)示教再現(xiàn)型：示教再現(xiàn)型機(jī)器人只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作，不管外界條件有何變化，它都不能對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。如果要改變機(jī)器人所做的工作，必須由人對(duì)程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無(wú)智能的。(2)感覺(jué)型：感覺(jué)型機(jī)器人可以根據(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(guò)，修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定。感覺(jué)型機(jī)器人擁有初級(jí)智能水平，但沒(méi)有自動(dòng)規(guī)劃能力，目前已走向成熟，達(dá)到實(shí)用水平。(3)智能型：智能型機(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。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》程控架構(gòu)，又稱規(guī)劃式架構(gòu)。它根據(jù)給定初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)給出一個(gè)行為動(dòng)作的序列，按部就班地執(zhí)行。程序序列中可采用“條件判斷+跳轉(zhuǎn)”的方法，根據(jù)傳感器的反饋情況調(diào)整控制策略。

集中式程控架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，所有邏輯決策和計(jì)算均在集中式的控制器中完成。這種架構(gòu)清晰，顯然控制器是大腦，其他的部分不需要有處理能力。設(shè)計(jì)者在機(jī)器人工作前預(yù)先設(shè)計(jì)好最優(yōu)策略，讓機(jī)器人開始工作，工作過(guò)程中只需要處理一些可以預(yù)料到的異常事件。1.3.1程控架構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)在房間里漫游的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，若房間的大小未知，無(wú)法準(zhǔn)確地得到機(jī)器人在房間中的相對(duì)位置的情況時(shí)，程控式控制架構(gòu)就很難適應(yīng)了。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》分層遞階架構(gòu)，又稱為慎思式架構(gòu)。它是隨著分布式控制理論和技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。分布式控制通常由一個(gè)或多個(gè)主控制器和很多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，主控制器和節(jié)點(diǎn)均具有處理能力。主控制器可以比較弱，大部分的非符號(hào)化信息在其各自的節(jié)點(diǎn)被處理、符號(hào)化后，再傳遞給主控制器來(lái)進(jìn)行決策判斷。1.3.2分層遞階架構(gòu)1.

分層遞階結(jié)構(gòu)的信息流程信息流程是從低層傳感器開始，經(jīng)過(guò)內(nèi)外狀態(tài)的形勢(shì)評(píng)估、歸納，逐層向上，且在高層進(jìn)行總體決策；高層接受總體任務(wù)，根據(jù)信息系統(tǒng)提供的信息進(jìn)行規(guī)劃，確定總體策略，形成宏觀命令，再經(jīng)協(xié)調(diào)級(jí)的規(guī)劃設(shè)計(jì)形成若干子命令和工作序列，分配給各個(gè)執(zhí)行器執(zhí)行，如圖所示。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.

分層遞階結(jié)構(gòu)的信息流程傳感器感知建模任務(wù)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行器2.

分層遞階架構(gòu)的特點(diǎn)遵循“感知—思維—行動(dòng)”的基本規(guī)律，較好地解決了智能和控制精度的問(wèn)題。層次向上智能增加，精度降低，層次向下，智能降低，精度增加。輸入環(huán)境的信息通過(guò)信息流程的所有模塊，往往是將簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化，影響了機(jī)器人對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度。各模塊串行連接，其中任何一個(gè)模塊的故障直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.3包容式架構(gòu)包容式架構(gòu)，又稱為基于行為、基于情境的結(jié)構(gòu)，是一種典型的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。1986年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的布魯克斯以智能機(jī)器人為背景提出了這種依據(jù)行為來(lái)劃分層次和構(gòu)造模塊的反應(yīng)式架構(gòu)。Brooks認(rèn)為機(jī)器人行為的復(fù)雜性反映了其所處環(huán)境的復(fù)雜性，而非因?yàn)闄C(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。1.

包容架構(gòu)的信息流程包容式體系結(jié)構(gòu)是一種完全的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為（SA）之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)。包容結(jié)構(gòu)中每個(gè)控制層直接基于傳感器的輸人進(jìn)行決策，在其內(nèi)部不維護(hù)外界環(huán)境模型，可以在完全陌生的環(huán)境中進(jìn)行操作，結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)傳感器基于行為推理基于環(huán)境規(guī)劃目標(biāo)任務(wù)識(shí)別環(huán)境動(dòng)態(tài)變化地圖建立規(guī)劃搜

索

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避

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執(zhí)行器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.包容結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)包容結(jié)構(gòu)中沒(méi)有環(huán)境模型，模塊之間信息流的表示也很簡(jiǎn)單，反應(yīng)性非常好，其靈活的反應(yīng)行為體現(xiàn)了一定的智能特征。包容結(jié)構(gòu)不存在中心控制，各層間的通信量極小，可擴(kuò)充性好。多傳感信息各層獨(dú)自處理，增加了系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)起到了穩(wěn)定可靠的作用。包容結(jié)構(gòu)過(guò)分強(qiáng)調(diào)單元的獨(dú)立、平行工作，缺少全局的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)，雖然在局部行動(dòng)上可顯示出很靈活的反應(yīng)能力和魯棒性，但是對(duì)于長(zhǎng)遠(yuǎn)的全局性的目標(biāo)跟蹤顯得缺少主動(dòng)性，目的性較差，而且人的經(jīng)驗(yàn)、啟發(fā)性知識(shí)難于加入，限制了人的知識(shí)和應(yīng)用。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.4混合式架構(gòu)蓋特提出的混合式三層體系結(jié)構(gòu)，分別是：反應(yīng)式的反饋控制層（controller），反應(yīng)式的規(guī)劃―執(zhí)行層(sequencer)和規(guī)劃層(deliberator)?；旌鲜郊軜?gòu)在較高級(jí)的決策層面采用程控架構(gòu)，以獲得較好的目的性和效率；在較低級(jí)的反應(yīng)層面采用包容式架構(gòu)，以獲得較好的環(huán)境適應(yīng)能力、魯棒性和實(shí)時(shí)性。包容式架構(gòu)機(jī)器人提供了一個(gè)高魯棒性、高適應(yīng)能力和對(duì)外界信息依賴更少的控制方法。但它的致命問(wèn)題是效率低。因此對(duì)于一些復(fù)雜的情況,需要融合應(yīng)用程控架構(gòu)、分層遞階架構(gòu)和包容式架構(gòu)。1.3.5分布式結(jié)構(gòu)1998年，比亞喬提出一種HEIR（hybridexpertsinintelligentrobots）的非層次的分布式結(jié)構(gòu)。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》分布式結(jié)構(gòu)由符號(hào)組件(S)、圖解組件(D)和反應(yīng)組件(R)三部分組成，如圖所示。每個(gè)組件處理不同類型的知識(shí),是一個(gè)由多個(gè)具有特定認(rèn)知功能、可以并發(fā)執(zhí)行的Agent構(gòu)成的專家組。各組件相互間通過(guò)信息交換進(jìn)行協(xié)調(diào),沒(méi)有層次高低之分,自主地、并發(fā)地工作。1.分布式架構(gòu)的信息流程2.分布式架構(gòu)的特點(diǎn)突破了以往智能機(jī)器人體系架構(gòu)中層次框架的分布模式，各個(gè)Agent具有極大的自主性和良好的交互性，使得智能，行為，信息和控制的分布表現(xiàn)出極大的靈活性和并行性。對(duì)于系統(tǒng)任務(wù)，每個(gè)Agent擁有不全面的信息或能力，應(yīng)保證Agent成員之間以及系統(tǒng)的目標(biāo)，意愿和行為的一致性，建立必要的集中機(jī)制，解決分散資源的有效共性，沖突的檢測(cè)和協(xié)調(diào)等問(wèn)題。更多地適用于多機(jī)器人群體。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.6進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)將進(jìn)化計(jì)算理論與反饋控制理論相結(jié)合，形成了一個(gè)新的智能控制方法—進(jìn)化控制。它能很好地解決移動(dòng)機(jī)器人的學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力方面的問(wèn)題。2000年，蔡自興提出了基于功能/行為集成的自主式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu)。既具有基于行為的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又保持了基于功能的系統(tǒng)的目標(biāo)可控性同時(shí)該體系結(jié)構(gòu)具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)、歷史經(jīng)驗(yàn)、對(duì)當(dāng)前環(huán)境情況的判斷和自身的狀況，調(diào)整自己的目標(biāo)、行為，以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)機(jī)制，以達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、完成任務(wù)的目的。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)包括進(jìn)化規(guī)劃與基于行為的控制兩大模塊。這種綜合體系架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.6進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.7社會(huì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1999年，Rooney等根據(jù)社會(huì)智能假說(shuō)提出了一種由物理層、反應(yīng)層、慎思層和社會(huì)層構(gòu)成的社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu),如下圖所示。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的信息流程社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)總體上看是一個(gè)混合式體系結(jié)構(gòu)。反應(yīng)層為基于行為、基于情境的的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)；慎思層基于BDI模型，賦予了機(jī)器人心智狀態(tài)；社會(huì)層應(yīng)用基于Agent通信語(yǔ)言Teanga，賦予了機(jī)器人社會(huì)交互能力。2.社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)社會(huì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用Agent對(duì)機(jī)器人建模，體現(xiàn)了Agent的