第8章 智能机器人与智能控制

1、第八章第八章 智能机器人与智能控制智能机器人与智能控制 2004年年 科幻电影科幻电影我，机器人我，机器人。第一节第一节 概述概述 我们知道，视觉、触觉、听觉、味觉等对人我们知道，视觉、触觉、听觉、味觉等对人类是及其重要的，因为这些感觉器官对我们适应类是及其重要的，因为这些感觉器官对我们适应周围的环境变化起着至关重要的作用。同样的，周围的环境变化起着至关重要的作用。同样的，对于智能机器人来说，类似的传感器也是十分重对于智能机器人来说，类似的传感器也是十分重要的。近年来，各种传感器的迅速发展以及人工要的。近年来，各种传感器的迅速发展以及人工智能的发展推进了智能机器人的发展。智能机器智能的发展推进

2、了智能机器人的发展。智能机器人是工业机器人从无智能发展到有智能、从低智人是工业机器人从无智能发展到有智能、从低智能水平发展到高度智能化的产物。能水平发展到高度智能化的产物。 智能机器人应该具备四种机能：智能机器人应该具备四种机能： 运动机能运动机能施加于外部环境的相当于人的施加于外部环境的相当于人的手、脚的动作机能；手、脚的动作机能； 感知机能感知机能获取外部环境信息以便进行自获取外部环境信息以便进行自我行动监视的机能；我行动监视的机能； 思维机能思维机能求解问题的认识、推理、判断求解问题的认识、推理、判断机能；机能； 人机通讯机能人机通讯机能理解指示命令、输出内理解指示命令、输出内部状态，与

3、人进行信息交换的机能。实际上智能部状态，与人进行信息交换的机能。实际上智能机器人与人工智能息息相关，人工智能是智能机机器人与人工智能息息相关，人工智能是智能机器人的核心。器人的核心。 人形机器人人形机器人 日本日本2005世博会上机器人接待员世博会上机器人接待员日本卫视的新闻女主播藤井雅子和日本卫视的新闻女主播藤井雅子和她的复制品机器人她的复制品机器人 在智能机器人的研究中，许多是和人工智在智能机器人的研究中，许多是和人工智能（能（Artificial IntelligenceArtificial Intelligence）所研究的内容）所研究的内容一致的。但是它又不可避免地涉及许多其他问题，

4、一致的。但是它又不可避免地涉及许多其他问题，这些实际上与这些实际上与AIAI无关。例如一个具有智能的机器无关。例如一个具有智能的机器人它可以在车间内通过分析图纸的办法知道如何人它可以在车间内通过分析图纸的办法知道如何去装配一个产品，它能发现与找到所需工件，按去装配一个产品，它能发现与找到所需工件，按照正确的顺序把工件装配好。它应该具备人所具照正确的顺序把工件装配好。它应该具备人所具有的一些装配知识，因此它就涉及到知识的表达有的一些装配知识，因此它就涉及到知识的表达和获取技术。它要为装配做出规划，无论机器人和获取技术。它要为装配做出规划，无论机器人采用采用AIAI中的搜索技术或其他方法，都涉及到

5、中的搜索技术或其他方法，都涉及到AIAI中中的问题求解技术。的问题求解技术。 另一方面，它要发现和寻找工件，要利用另一方面，它要发现和寻找工件，要利用模式识别中的技术。装配是一个复杂的工艺，它模式识别中的技术。装配是一个复杂的工艺，它可能要采用力与位置的混合控制技术，同时，还可能要采用力与位置的混合控制技术，同时，还可能为机器人本体安装柔性手腕，才能够完成工可能为机器人本体安装柔性手腕，才能够完成工作任务，因此又涉及机构学问题。所以智能机器作任务，因此又涉及机构学问题。所以智能机器人设计的技术领域相当宽广。人设计的技术领域相当宽广。 1971 1971年，美籍华人付京孙正式提出智能控年，美籍华

6、人付京孙正式提出智能控制（制（Intelligent ControlIntelligent Control）这一概念。它推动）这一概念。它推动了人工智能和自动控制的结合，而智能机器人的了人工智能和自动控制的结合，而智能机器人的控制系统成了这种研究的最好应用领域。控制系统成了这种研究的最好应用领域。 长期以来，人工智能领域的研究一直把机器长期以来，人工智能领域的研究一直把机器人作为研究人工智能理论的载体，他们将智能机人作为研究人工智能理论的载体，他们将智能机器人看作是一个纯软件的系统，而事实上不应该器人看作是一个纯软件的系统，而事实上不应该把智能机器人看成是纯软件系统，它应该是软件、把智能机器人

7、看成是纯软件系统，它应该是软件、硬件和本体组成的一个统一体。硬件和本体组成的一个统一体。 到目前为止，学术界对智能机器人并没有到目前为止，学术界对智能机器人并没有确切的定义，问题的根源在于目前人们对确切的定义，问题的根源在于目前人们对“智能智能”并没有确切的定义。因此虽然当今世界有不少科并没有确切的定义。因此虽然当今世界有不少科学家研究人工智能和智能机器人，人们对人工智学家研究人工智能和智能机器人，人们对人工智能和智能机器人的要求是不断提高的。能和智能机器人的要求是不断提高的。 智能机器人应该是具有对本身状态和环境智能机器人应该是具有对本身状态和环境状态的感知能力，具有根据外界环境变化而自主状

8、态的感知能力，具有根据外界环境变化而自主作出决策的思维能力，并根据自身的思维决策作作出决策的思维能力，并根据自身的思维决策作出相应动作的机器人才能够称为智能机器人。出相应动作的机器人才能够称为智能机器人。 日本的智能机器人日本的智能机器人“ASIMO”能自主走路、跑步、上下楼能自主走路、跑步、上下楼梯、踢足球、跳舞、躲避障碍物等，而且还具备较强的梯、踢足球、跳舞、躲避障碍物等，而且还具备较强的“交交际际”和和“接待接待”能力能力 智能机器人并不是单纯的软件体，它具有可智能机器人并不是单纯的软件体，它具有可以完成作业的结构和驱动装置，或者换句话说它以完成作业的结构和驱动装置，或者换句话说它必须首

9、先符合机器人的基本定义。而作为智能机必须首先符合机器人的基本定义。而作为智能机器人，它必须具有思维和决策能力，它并不是简器人，它必须具有思维和决策能力，它并不是简单地由人以某种方式来命令它干什么就会干什么。单地由人以某种方式来命令它干什么就会干什么。它具有自身解决问题，学习问题，并根据具体情它具有自身解决问题，学习问题，并根据具体情况进行思维决策的能力。况进行思维决策的能力。 例如一台水下机器人去深海打捞物品，它应例如一台水下机器人去深海打捞物品，它应该自己寻找可行的路线，回避障碍，减少危险，该自己寻找可行的路线，回避障碍，减少危险，处理意外事故，发现目标后，采用其可能的办法，处理意外事故，发

10、现目标后，采用其可能的办法，把物品取回。把物品取回。 人类社会和生产对智能机器人有着强烈的需人类社会和生产对智能机器人有着强烈的需求，人类需要这种智能机器人去拓宽生产和活动求，人类需要这种智能机器人去拓宽生产和活动领域，要他们去深水、地下、强放射、太空等环领域，要他们去深水、地下、强放射、太空等环境，希望机器人能够取代人们完成一些危险的工境，希望机器人能够取代人们完成一些危险的工作。同时也期待智能机器人在工业中逐步把人解作。同时也期待智能机器人在工业中逐步把人解放出来，提高生产效率。智能机器人的广泛应用，放出来，提高生产效率。智能机器人的广泛应用，将会使人类从将会使人类从“人人机器人机器人自然

11、界自然界”的生产模的生产模式过渡到式过渡到“人机器人机器自然界人机器人机器自然界”的生产的生产模式。模式。第二节第二节 智能机器人的体系结构和智能机器人的体系结构和控制系统控制系统一、智能机器人的体系结构一、智能机器人的体系结构 事实上，任何一个机器人都有子集的体事实上，任何一个机器人都有子集的体系结构。目前，大多数工业机器人的控制系统为系结构。目前，大多数工业机器人的控制系统为两层结构，上层负责运动学计算和人机交互，下两层结构，上层负责运动学计算和人机交互，下层负责对各个关节进行伺服控制。现在世界上对层负责对各个关节进行伺服控制。现在世界上对一些智能机器人的实验系统追求的是采用某种思一些智能

12、机器人的实验系统追求的是采用某种思想或技术，从而实现某种功能或达到某种水平，想或技术，从而实现某种功能或达到某种水平，所以其体系结构很多都是就其的需要进行设计的。所以其体系结构很多都是就其的需要进行设计的。 智能机器人的体系结构最为广泛遵循的智能机器人的体系结构最为广泛遵循的原则是依据时间和功能来划分体系结构种的层次原则是依据时间和功能来划分体系结构种的层次和模块。这样的体系结构中，最有代表性的是美和模块。这样的体系结构中，最有代表性的是美国航空航天局国航空航天局(NASA)(NASA)和美国国家标准局和美国国家标准局(NBS)(NBS)提提出的，它的出发点是考虑一个航天机器人或一个出的，它的

13、出发点是考虑一个航天机器人或一个水下机器人，或者一个移动机器人上可能有作业水下机器人，或者一个移动机器人上可能有作业手、通讯、声纳等多个被控制的分系统，而这样手、通讯、声纳等多个被控制的分系统，而这样的机器人可能有多个组成为一组相互协调工作。的机器人可能有多个组成为一组相互协调工作。 机器人宇航员机器人宇航员r2国际空间站及组装、维修机器人国际空间站及组装、维修机器人 整个系统分成信息处理、环境建模和任整个系统分成信息处理、环境建模和任务分解三列，分为坐标变换与伺服控制、动力学务分解三列，分为坐标变换与伺服控制、动力学计算、基本运动、单体任务、成组任务和总任务计算、基本运动、单体任务、成组任务

14、和总任务六层，所有模块共享一个全局存储器（数据库）。六层，所有模块共享一个全局存储器（数据库）。 体系结构的六层是依照信息处理的顺序排列的：体系结构的六层是依照信息处理的顺序排列的： 第一层：坐标变换和伺服层。第一层：坐标变换和伺服层。 第二层：动力学计算层。第二层：动力学计算层。 第三层：基本运动层。第三层：基本运动层。 第四层：单个任务层。第四层：单个任务层。 第五层：成组任务层。第五层：成组任务层。 第六层：总任务层。第六层：总任务层。二、智能机器人的硬件结构二、智能机器人的硬件结构智能机器人的硬件结构智能机器人的硬件结构 第三节第三节 智能控制的基础智能控制的基础一、智能控制的发展和涉

15、及的问题一、智能控制的发展和涉及的问题 人工智能研究如何用人工的方法人工智能研究如何用人工的方法和技术，即通过各种自动机器或智能机器和技术，即通过各种自动机器或智能机器来模仿、延伸和扩展人类的智能，实现某来模仿、延伸和扩展人类的智能，实现某些些“机器思维机器思维”或脑力劳动自动化。因此或脑力劳动自动化。因此可以说人工智能的研究对象是机器智能，可以说人工智能的研究对象是机器智能，或者说是智能机器。或者说是智能机器。在人工智能的研究中，主要探讨以下三方在人工智能的研究中，主要探讨以下三方面的问题：面的问题：（1 1）机器感知）机器感知知识的获取知识的获取（2 2）机器思维）机器思维知识的处理知识的处理（3 3）机器行为）机器行为知识的运用知识的运用二、智能控制的特点及应用二、智能控制的特点及应用智能控制具有以下特点：智能控制具有以下特点：（1 1）智能控制系统一般具有以知识表示的非数学）智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。广义模型和以