第7章行為主義：智能機(jī)器人教材：

王萬良《人工智能通識(shí)導(dǎo)論》高等教育出版社，20252第7章行為主義：智能機(jī)器人以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的智能機(jī)器人，擁有各種各樣的傳感器、靈活的構(gòu)架以及應(yīng)用程序，不論是從形體上還是從智力上，智能機(jī)器人都具備了某種程度的“社會(huì)人”的概念。本章從整體上介紹智能機(jī)器人的基本概念、智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)、智能機(jī)器人控制策略、智能機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況等方面的內(nèi)容。3第7章行為主義：智能機(jī)器人7.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展7.2機(jī)器人中的人工智能技術(shù)7.3智能機(jī)器人的應(yīng)用7.4智能機(jī)器人技術(shù)展望7.5智能機(jī)器人倫理問題47.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展世界上第一臺(tái)真正意義上機(jī)器人是誰發(fā)明的呢？1954年，美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并申請了專利。1962年，美國AMF公司推出VERSATRAN和UNIMATION公司推出UNIMATE是采用示教再現(xiàn)。57.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展機(jī)器人（Robot）泛指一切模擬人類或者其他生物行為的機(jī)械，是集機(jī)械、材料、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科及前沿技術(shù)于一體的高端裝備。（1）程序控制機(jī)器人（第一代）（2）自適應(yīng)機(jī)器人（第二代）（3）智能機(jī)器人（第三代）智能機(jī)器人是在傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)器人的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工智能技術(shù)，使得機(jī)器人具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知、規(guī)劃、協(xié)同能力等。67.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展智能機(jī)器人具備各種傳感器，包括視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器等。智能機(jī)器人能理解人類語言，還可以用人類語言與人類進(jìn)行對話。機(jī)器人不是必須具備人的外在形態(tài)。例如，自動(dòng)駕駛機(jī)器人作為輪式機(jī)器人，已經(jīng)開始走向?qū)嵱没?。如特斯拉、谷歌等廠商，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)促進(jìn)智能機(jī)器人迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地?cái)U(kuò)大。7第7章行為主義：智能機(jī)器人7.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展7.2機(jī)器人中的人工智能技術(shù)7.3智能機(jī)器人的應(yīng)用7.4智能機(jī)器人技術(shù)展望7.5智能機(jī)器人倫理問題87.2機(jī)器人中的人工智能技術(shù)97.2.1機(jī)器人智能感知1.機(jī)器人“視覺”2.機(jī)器人“觸覺”3.機(jī)器人“聽覺”4.多傳感器信息融合（1）“動(dòng)態(tài)”的多模態(tài)數(shù)據(jù)（2）“污染”的多模態(tài)數(shù)據(jù)（3）“失配”的多模態(tài)數(shù)據(jù)107.2.2機(jī)器人智能導(dǎo)航智能機(jī)器人的導(dǎo)航是指機(jī)器人根據(jù)自身傳感系統(tǒng)對內(nèi)部姿態(tài)和外部環(huán)境進(jìn)行感知，通過對環(huán)境信息的識(shí)別、存儲(chǔ)、搜索等找出最優(yōu)路徑或近似最優(yōu)的路徑，實(shí)現(xiàn)與障礙物無碰撞的安全運(yùn)動(dòng)。（1）慣性導(dǎo)航。用加速度計(jì)和陀螺儀等慣性傳感器測量機(jī)器人的方位角和加速率，從而推知機(jī)器人的當(dāng)前位置和下一步目的地。（2）視覺導(dǎo)航。機(jī)器人利用自身裝配的攝像機(jī)拍攝周圍環(huán)境的局部圖像，然后根據(jù)圖像處理技術(shù)將外部環(huán)境的相關(guān)信息存儲(chǔ)起來，為機(jī)器人進(jìn)行自身定位以及下一步動(dòng)作的規(guī)劃。（3）衛(wèi)星導(dǎo)航。機(jī)器人通過安裝衛(wèi)星信號(hào)接收裝置在室內(nèi)或者在室外實(shí)現(xiàn)自身定位。117.2.3機(jī)器人路徑智能規(guī)劃路徑規(guī)劃技術(shù)主要是指用最優(yōu)路徑規(guī)劃算法，找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)可以有效避開障礙物的最優(yōu)路徑。機(jī)器人的路徑規(guī)劃分為：基于地圖的全局路徑規(guī)劃、基于傳感器的局部路徑規(guī)劃和基于地圖、傳感器的混合路徑規(guī)劃。智能路徑規(guī)劃的核心是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰。機(jī)器人自動(dòng)避碰系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理機(jī)等構(gòu)成。127.2.3機(jī)器人路徑智能規(guī)劃自動(dòng)避碰的基本過程包括：（1）確定：靜態(tài)參數(shù)：機(jī)器人本體長、寬以及負(fù)載等參數(shù)；動(dòng)態(tài)參數(shù)：機(jī)器人速度及方向，在全速情況下至停止所需時(shí)間及前進(jìn)距離，在全速情況下至全速倒車所需時(shí)間及前進(jìn)距離，機(jī)器人第一次避碰時(shí)機(jī)等；相對位置參數(shù)：機(jī)器人本體與障礙之間的相對速度、相對速度方向、相對方位等。（2）根據(jù)障礙物參數(shù)分析機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢，判斷哪些障礙物與機(jī)器人本體存在碰撞危險(xiǎn)，并對危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。（3）根據(jù)機(jī)器人與障礙物會(huì)遇局面分析結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的知識(shí)模塊求解機(jī)器人避碰規(guī)劃方式及目標(biāo)避碰參數(shù)，并對避碰規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證。137.2.4機(jī)器人運(yùn)動(dòng)智能控制隨著傳感技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能運(yùn)動(dòng)控制和智能操作已成為機(jī)器人控制的主流。（1）PID控制算法控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，易于實(shí)現(xiàn)，而且具有較強(qiáng)的魯棒性，因此，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。它具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和非線性映射能力，它不依賴于比較精確的數(shù)學(xué)模型，能夠解決數(shù)學(xué)模型難以描述或無法處理的控制系統(tǒng)，非常適用于智能機(jī)器人這種具有復(fù)雜、不確定、多變量、非線性系統(tǒng)的控制。（3）模糊控制的關(guān)鍵是模糊控制器，它主要由模糊化、模糊推理、模糊規(guī)則及逆模糊化。147.2.5機(jī)器人智能交互通過人機(jī)智能交互使得人們可以用語言、表情、動(dòng)作或者一些可穿戴設(shè)備等與機(jī)器人進(jìn)行自由的信息交流與理解。（1）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建智能機(jī)器人的工作環(huán)境。（2）基于可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互也正在逐漸改變著人類的生產(chǎn)生活，實(shí)現(xiàn)人機(jī)和諧統(tǒng)一，將會(huì)是未來的發(fā)展趨勢。（3）機(jī)器人通過對動(dòng)態(tài)情境充分理解，完成動(dòng)態(tài)態(tài)勢感知，理解并預(yù)測協(xié)作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)器人互適應(yīng)自主協(xié)作功能。（4）機(jī)器人對人的行為姿態(tài)進(jìn)行理解和預(yù)測，繼而理解人的意圖，為人機(jī)交互與協(xié)作提供充分的信息。15第7章行為主義：智能機(jī)器人7.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展7.2機(jī)器人中的人工智能技術(shù)7.3智能機(jī)器人的應(yīng)用7.4智能機(jī)器人技術(shù)展望7.5智能機(jī)器人倫理問題167.3智能機(jī)器人的應(yīng)用智能機(jī)器人應(yīng)用：掃地機(jī)器人，軍用機(jī)器人，無人機(jī)，工業(yè)機(jī)器人，農(nóng)業(yè)機(jī)器人等。智能機(jī)器人的發(fā)展將加入更多的先進(jìn)技術(shù)，例如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、多傳感器融合等技術(shù)。智能機(jī)器人還將實(shí)現(xiàn)多種算法的融合，例如模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。大數(shù)據(jù)使智能機(jī)器人具有更豐富的知識(shí)儲(chǔ)備；云計(jì)算實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的思維聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人之間的交流。177.3.1工業(yè)機(jī)器人國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義：工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。（1）裝配機(jī)器人（2）焊接機(jī)器人187.3.1工業(yè)機(jī)器人（3）搬運(yùn)機(jī)器人197.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人（1）采摘機(jī)器人207.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人（2）除草和施肥機(jī)器人217.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人（3）畜牧機(jī)器人227.3.3服務(wù)機(jī)器人（1）護(hù)士助手機(jī)器人（2）迎賓咨詢服務(wù)機(jī)器人（3）家用服務(wù)機(jī)器人超高像素廣角攝像頭：室內(nèi)監(jiān)控和人臉識(shí)別。6陣列麥克風(fēng)：降噪收音，聲源定位。可動(dòng)關(guān)節(jié)：多處可動(dòng)，肢體語言，更加人性化。選裝配件：應(yīng)用于不同場景選裝配件，如標(biāo)簽打印機(jī)等。超聲波傳感器：確保行走安全，高效停障防碰撞。激光雷達(dá)：高精度，高效的導(dǎo)航定位和避障繞障技術(shù)。高平衡底盤：行走更加平穩(wěn)。高清觸摸屏：顯示交互信息，增強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)。超萌眼睛：閃動(dòng)雙眼，擬人化設(shè)計(jì)，親和力。237.3.4醫(yī)用機(jī)器人

醫(yī)用機(jī)器人是用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的智能機(jī)器人。醫(yī)用機(jī)器人種類很多，按照其用途不同，有臨床醫(yī)療用機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、醫(yī)用教學(xué)機(jī)器人和為殘疾人服務(wù)機(jī)器人等。247.3.5軍用機(jī)器人25第7章行為主義：智能機(jī)器人7.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展7.2機(jī)器人中的人工智能技術(shù)7.3智能機(jī)器人的應(yīng)用7.4智能機(jī)器人技術(shù)展望7.5智能機(jī)器人倫理問題267.4智能機(jī)器人技術(shù)展望1.基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的智能機(jī)器人技術(shù)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)為智能機(jī)器人的發(fā)展提供了基礎(chǔ)和動(dòng)力，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。2.具有高級(jí)智能的智能機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人機(jī)器人采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)與所處環(huán)境進(jìn)行交互。3.智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用機(jī)器人應(yīng)用無限制，既可完成人能完成的工作，還可完成人不能完成的工作。27第7章行為主義：智能機(jī)器人7.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展7.2機(jī)器人中的人工智能技術(shù)7.3智能機(jī)器人的應(yīng)用7.4智能機(jī)器人技術(shù)展望7.5智能機(jī)器人倫理問題287.5智能機(jī)器人倫理問題1942年，美國科幻作家艾薩克·阿西莫夫（IsaacAsimov）提出“機(jī)器人三定律”：第一定律：機(jī)器人不得傷害人類，且確保人類不受傷害；第二定律：在不違背第一法則的前提下，機(jī)器人必須服從人類的命令；第三定律：在不違背第一及第二法則的前提下，機(jī)器人必須保護(hù)自己。297.5智能機(jī)器人倫理問題隨著機(jī)器人越來越復(fù)雜，專家及學(xué)者越來越重視機(jī)器人的倫理、道德及法律問題。2002年，“國際機(jī)器人倫理學(xué)研討會(huì)”，首次使用了“機(jī)器人倫理學(xué)”（robotethics）這一術(shù)語。機(jī)器人倫理學(xué)是人類設(shè)計(jì)、建造、使用和對待機(jī)器人的道德。機(jī)器人倫理學(xué)以人類為中心，關(guān)注人類如何在設(shè)計(jì)和使用操作階段與這些機(jī)器進(jìn)行聯(lián)系和交互。307.5智能機(jī)器人倫理問題機(jī)器人倫理重點(diǎn)關(guān)注與貫徹安全性原則、主體性原則以及建設(shè)性原則等3條基本原則。1．安全性原則阿爾法狗在圍棋、生命科學(xué)等方面的成就，預(yù)示著具有自主學(xué)習(xí)能力的強(qiáng)人工智能、超級(jí)人工智能的機(jī)器人越來越有可能出現(xiàn)，引發(fā)的人工智能安全性問題的討論越來越強(qiáng)烈。有很多學(xué)者對機(jī)器人技術(shù)的安全性深表憂慮。比如，霍金警告我們，人類創(chuàng)造智能機(jī)器的努力將威脅人類自身的存在。

機(jī)器人倫理需要超前于現(xiàn)有的技術(shù),提前為將來可能出現(xiàn)的問題作好理論準(zhǔn)備,防患于未然。317.5智能機(jī)器人倫理問題2．主體性原則人與技術(shù)的關(guān)系：人是主體，技術(shù)是客體；人是目的，技術(shù)是手段。隨著人類的體力與腦力勞動(dòng)越來越多地被機(jī)器人取代，人的主體性地位也隨之降低。在機(jī)器人倫理中需要強(qiáng)調(diào)人的主體性地位，也就是強(qiáng)調(diào)人的能動(dòng)性、個(gè)體差異性與選擇性。主體性原則要求人類能夠很好地控制機(jī)器人，這也是實(shí)現(xiàn)安全性原則的前提。機(jī)器人倫理研究的根本目標(biāo)：如何在確保人類主體性地位的前提下，規(guī)范人類與機(jī)器人的行為。327.5智能機(jī)器人倫理問題3.建設(shè)性原則機(jī)器人倫理研究不僅僅是抽象的理論研究，除了宏觀