人工智能技术与机器人

1、PAGE PAGE 16第十章 人人工智能技技术与机器器人本 章 导 读人工智能技术是电子信息技术的重要组成部分。是20世纪对人类影响最为深远的三大前沿科学技术之一。机器人的研究与制作是人工智能技术的重要应用领域和前沿领域。本章将介绍人工智能技术的概念、人工智能技术的应用及发展前景、机器人技术的发展、智能机器人的应用及发展趋势。 第一节 人工智智能技术 人人工智能产产生于200世纪500年代末期期，从学科科地位和发发展水平来来看，人工工智能是当当代科学技技术的前沿沿学科，也也是一门新新思想、新新理论、新新技术、新新成就不断断涌现的新新兴学科。人们把人人工智能技技术同宇航航空间技术术、原子能能技

2、术一起起誉为200世纪对人人类影响最最为深远的的三大前沿沿科学技术术成就。一、什么是是人工智能能？ 11、人工智智能概念及及其学科特特性人工智能，英英译名为AArtifficiaal Inntellligennce，简简称AI。人工智能，顾顾名思义，即即用人工制制造的方法法，实现智智能机器或或在机器上上实现智能能。是一门门研究构造造智能机器器或实现机机器智能的的学科，是是研究模拟拟、延伸和和扩展人类类智能的科科学。人工工智能的研研究，是在在计算机科科学、控制制论、信息息论、心理理学、生理理学、数学学、物理学学、化学、生物学、医学、哲哲学、语言言学、社会会学、数理理逻辑、工工程技术等等众多学科科

3、的基础上上发展起来来的，因此此，它又是是一门综合合性极强的的边缘学科科。 22、人工智智能的研究究目标人工智能的的研究目标标分为远期期目标和近近期目标。远期目标：从长远的的角度，人人工智能的的研究就是是要设计并并制造一种种智能机器器系统。使使该系统能能够代替人人去完成诸诸如感知、学习、联联想、推理理等活动；能够代替替人去理解解并解决各各种复杂困困难的问题题；能够代代替人去完完成各种具具有思维劳劳动的任务务。也就是是说，人工工智能的远远期目标是是要制造出出完全具有有人脑智慧慧的人工智智能系统。当然，这这还是非常常遥远的事事情。近期目标：从当前的的角度，人人工智能的的研究就是是要最大限限度地发挥挥

4、计算机的的功能，使使计算机能能够模拟人人脑，在机机器上实现现各种智能能。例如：让计算机机能够看、听、读、说、写；使计算机机能够想、学、模仿仿、执行命命令甚至出出谋献策等等。因此，计计算机是当当前实现人人工智能的的重要手段段，因为计计算机在所所有机器和和人工系统统中“智商”最高，所所以，人工工智能的研研究都要通通过计算机机来实现。计算机解解决问题需需依靠人工工事先编制制的软件，它它所做的每每一件事情情都是程序序员事先在在程序代码码中规定好好的。也就就是说，目目前人工智智能的研究究工作主要要是集中在在以计算机机的硬件系系统为基础础，通过计计算机软件件实现模拟拟人类的智智能活动的的效果。事实上，人人

5、工智能研研究的远期期目标与近近期目标是是相辅相成成的。远期期目标是近近期目标的的方向，近近期目标的的研究为远远期目标的的实现准备备着理论和和技术的基基本条件。随着人工工智能的不不断发展与与进步，近近期目标将将不断调整整，最终完完全实现远远期目标。二、人工智智能研究的的三大学派派和四大技技术1、在人工工智能科学学的研究与与发展中，形形成了众多多学派，其其中主要的的三大学派派是：功能派。这这是最早发发展起来的的传统主流流学派，又又称为逻辑辑学派或宏宏观功能派派，采用功功能模拟的的观点，使使用的是“黑箱”研究方法法。功能派派涉及逻辑辑学、心理理学、数学学、物理学学、工具学学、语言学学、计算机机、数理

6、逻逻辑等众多多学科。结构派。也也是最早发发展起来的的传统学派派之一，又又称为生物物学派或微微观结构派派，与功能能派不同，它它采用的是是结构模拟拟的观点，使使用的是“白箱”的研究方方法。结构构派涉及生生物学、微微结构学、医学、仿仿生学、神神经生理学学等学科。行为派。又又被称作实实用技术派派。与传统统学派完全全不同，它它采用实用用行为模拟拟的观点，使使用“能工巧匠匠”式的制造造方法，是是一种按照照“激励响应”的工作模模式来建立立实用工程程装置的研研究方法。行为派涉涉及行为学学、工程学学、机械学学、电子学学等学科。各个学派学学术观点有有所不同，研研究思路各各有侧重，对对人工智能能的理解定定义也不完完

7、全一致。因此，各各有所获，各各有千秋，共共同形成了了人工智能能领域百家家争鸣、百百花齐放、生动活泼泼的研究氛氛围。2、人工智智能的四大大基本技术术是：机器学习和和知识获取取技术。包包括信息变变换技术、知识信息息的理解技技术、知识识的条理化化、规则化化技术、机机器的感知知与成长技技术等。知识表示与与处理技术术。包括知知识模型的的建立与描描述技术、表示技术术及各种知知识模型处处理技术方方法等。知识推理和和搜索技术术。包括演演绎推理计计算和智能能搜索技术术。AI系统构构成技术。包括AII语言、硬硬件系统及及智能应用用系统等方方面的构成成技术等。人工智能的的三大学派派和四大技技术构成了了AI体系系的基

8、础与与框架。三、人工智智能研究的的基本内容容根据人工智智能的远期期目标和基基本技术，目目前研究的的基本内容容包括：1、机器感感知。就是是使机器（计计算机）具具有类似于于人的感知知能力，包包括视觉、听觉、触触觉、味觉觉、嗅觉、知觉、力力感等。其其中以机器器视觉和机机器听觉为为主。机器器视觉是指指让机器能能够识别并并理解文字字、图像、景物等；机器听觉觉是指让机机器能够识识别并理解解人类语言言表达及语语声、音响响等。从而而形成了人人工智能的的两个专门门的研究领领域：模式式识别和自自然语言理理解技术。2、机器思思维。就是是使机器对对感知获得得的外部信信息和机器器内部的工工作信息进进行有目的的的处理。机

9、器智能能主要是通通过机器思思维实现的的。因此，机机器思维是是人工智能能研究中最最重要也是是最关键的的部分。3、机器学学习。就是是使机器具具有获取新新知识、学学习新技巧巧，并在实实践中不断断完善、改改进的能力力。使它能能够通过向向书本、与与人谈话、对环境观观察等方式式自动地获获取知识。4、机器行行为。就是是使机器具具有说、写写、画等表表达能力和和行走、取取物、操作作等四肢功功能。5、人工智智能系统构构成。为了了实现人工工智能的目目标，需要要建立智能能系统及智智能机器。因此，还还需要开发发对模型、系统分析析与构造技技术、建造造工具及语语言等的研研究。第二节 人工智能能技术的应应用与发展展人类智能是

10、是涉及信息息描述和信信息处理的的复杂过程程，因而实实现人工智智能是一项项艰巨的任任务。但是是，随着计计算机科学学和技术的的飞速发展展，人工智智能已经取取得了一系系列的研究究成果。一、人工智智能的应用用下面介绍人人工智能的的几个主要要应用领域域。1、专家系系统。专家系统是是早期人工工智能研究究中最活跃跃也是最有有成效的领领域。自11968年年第一个专专家系统问问世以来，已已获得迅速速发展。专家系统是是一种基于于知识的系系统，它从从人类专家家那里获得得知识并用用来解决只只有专家才才能解决的的困难问题题，其水平平可以达到到甚至超过过人类个体体专家的水水平。目前，专家家系统已广广泛应用于于医疗诊断断、

11、地质勘勘探、石油油化工、教教育、军事事等各个领领域，并产产生了巨大大的社会效效益和经济济效益。例例如：地质质勘探专家家系统PRROSPEECTORR拥有155种矿藏知知识，能根根据岩石标标本及地质质勘探数据据对矿藏资资源进行估估计和预测测，并制定定合理的开开采方案，成成功地找到到了超亿美美元的铜矿矿；专家系系统MYCCIN能识识别51种种病菌，正正确使用223种抗菌菌素，可协协助医生诊诊断、治疗疗细菌感染染性血液病病，为患者者提供最佳佳处方，成成功地处理理了数百病病例；内科科诊断专家家系统CAADUCEEUS正确确地诊断出出了许多疑疑难病症；美国DEEC公司的的专家系统统XCODD能根据用用户

12、需求确确定计算机机的配置，专专家完成这这项工作一一般需要33个小时，而而该系统只只需要半分分钟等等。2、自然语语言处理与与理解自然语言是是人类的交交互语言，自自然语言处处理与理解解研究的是是如何让计计算机理解解人类自然然语言和所所表达的思思想。一般般来说，自自然语言处处理系统至至少需要达达到以下的的三个目标标之一：（1）能正正确理解人人们用自然然语言输入入的信息，并并能正确回回答输入信信息中的有有关问题。（2）能对对输入信息息进行概括括综合，能能产生相应应的摘要，能能用不同词词语复述输输入信息的的内容。（3）能把把某种自然然语言表示示的信息自自动地翻译译为另一种种自然语言言，即机器器翻译系统统

13、。可以设设想，这种种拟人的同同步翻译系系统一旦完完全研制成成功，全世世界拥有不不同母语的的人们就能能够自由交交流，语言言就不再成成为人们思思想交流的的障碍了。3、机器自自动定理证证明机器定理证证明是人工工智能中最最早进行探探索并得到到成功应用用的一个经经典领域。要让计算算机能够进进行定理的的证明，就就要弄清人人进行逻辑辑推理的内内部机制或或提供一种种适合于计计算机使用用的推理模模式。因此此对机器定定理证明的的研究，对对最终制造造出具有人人的智能程程度的机器器或系统具具有非常重重大的意义义。目前，人工工智能在机机器定理证证明方面已已经取得了了不少成就就。19559年，美美籍华人数数学家王浩浩用计

14、算机机证明了罗罗素等人所所著的数数学原理中的几百百条定理，时时间仅用了了不到100分钟；11976年年，科学家家用计算机机证明了困困扰人类一一个多世纪纪的著名的的四色猜想想；我国著著名数学家家吴文俊院院士从700年代末开开始致力于于数学定理理的计算机机证明，提提出了以构构造性为核核心的算法法，证明了了几何中一一类高难度度的定理。并且在用用吴院士的的算法对微分几何何的定理理进行证明明时，计算算机还发现现了一个定定理的不唯唯一性。4、模式识识别模式识别是是研究如何何使机器（计计算机）具具有类似于于人的感知知能力，包包括视觉、听觉、触触觉、味觉觉、嗅觉、知觉、力力感等。模模式识别以以机器视觉觉识别和

15、机机器语言识识别为主。它是计算算机和微电电子技术领领域中最先先进、最复复杂技术的的综合，具具有非常广广泛的应用用前景。模式识别已已经应用到到文字识别别、自然语语言的识别别和理解、图像分析析、遥感、人的面孔孔和指纹的的辨别、生生物和医学学信号的识识别、医疗疗诊断等领领域，甚至至在社会经经济学、考考古学等领领域中也有有应用。目目前，文字字识别中的的手写体识识别技术和和印刷体识识别技术、语音识别别技术、语语言识别技技术都已进进入实用阶阶段。如：手写输入入的计算机机、印刷体体输入到计计算机、IIBM公司司的汉语语语音识别系系统、能将将一种语言言翻译成其其它语言的的机器辅助助翻译系统统等。5、人工神神经

16、网络人工神经网网络是一个个用大量简简单处理单单元经广泛泛连接组成成的、可用用来模拟人人类大脑神神经系统的的结构和功功能的人工工网络。其其特点是：具有自学学功能、联联想式存储储功能和高高速寻找最最优解的能能力。近年来，由由于计算机机并行处理理技术的进进展，使人人工神经网网络的研究究进入了新新的发展时时期，取得得了许多研研究成果。并行处理理技术突破破了传统计计算机对信信息只能串串行处理的的局限，可可实现传统统的人工智智能程序无无法实现的的功能。例例如：美国国麻省理工工学院采用用神经网络络和并行程程序，已经经能够做到到对面孔的的识别。人工智能的的应用领域域还有许多多，例如：机器人、智能软件件工程、智

17、智能决策支支持系统、博弈、现现代智能通通信等，随随着科学技技术的快速速发展，人人工智能的的应用领域域将更加宽宽广。二、21世世纪人工智智能的展望望目前人工智智能的研究究有三个热热点：智能能接口、数数据挖掘、主体和主主体系统，并并可能向模模糊处理、并行化、神经网络络和机器情情感等方向向发展。 当前前，人工智智能的推理理功能已获获突破，学学习及联想想功能正在在研究之中中，下一步步就是模仿仿人类右脑脑的模糊处处理以及整整个大脑的的并行化处处理的功能能。未来智智能计算机机的可能构构成形式之之一，是以以冯诺依曼机机作为主机机与以人工工神经网络络作为智能能外围的结结合。一个个重要的研研究方向是是：要赋予予

18、计算机的的情感能力力。最新的研究究表明：情情感是智能能的一部分分。事实上上，无论对对于计算机机及其人工工生命的发发展研究，还还是对于人人与机器的的未来交往往的研究，情情感能力都都是至关重重要的指标标。因此，人人工智能领领域的下一一个突破可可能就在于于赋予计算算机的情感感能力。总之，人工工智能是一一个充满挑挑战和机遇遇的领域。人工智能能研究的进进展，将在在很大程度度上影响着着人类社会会与发展。目前，已已经有很多多人工智能能的成果进进入了我们们的日常生生活。未来来，人工智智能技术的的发展将会会更加造福福于人类社社会，为人人类的各个个方面带来来巨大的变变化。 第三节 智能机器器人技术机器人是人人工智

19、能技技术的重要要组成部分分，对智能能机器人的的研究和制制造是当前前人工智能能最前沿的的领域，在在很大程度度上代表着着一个国家家的高科技技发展水平平。在这里里我们将介介绍机器人人的发展、智能机器器人的概念念及其发展展趋势，以以及智能机机器人在各各个领域的的应用。一、机器人人的发展与与智能机器器人机器人是一一种自动机机器，除了了有目的的的拟人化外外，绝大多多数情况下下它的外形形与人毫无无共同之处处。机器人人与一般的的自动机器器又有很大大的差别，其其一，机器器人利用计计算机进行行控制，只只要改变程程序，便可可以做不同同的工作；其二，机机器人能够够进行灵巧巧的运动，能能像人一样样做一般机机器无法完完成

20、的工作作。自从20世世纪50年年代末，世世界上第一一个机器人人诞生以来来，机器人人技术的发发展速度惊惊人，从技技术角度来来看，机器器人的发展展经历了三三个阶段： 1、第一代代机器人工业机机器人第一代机器器人是工业业机器人，这这种机器人人只能按照照预先设计计好的程序序完成规定定的重复动动作。程序序一经装入入，它就只只能死板地地照此工作作，不管外外界条件有有什么变化化，它都不不能做相应应的调整。要改变机机器人的工工作，只有有由人去改改变机器人人的程序。通常一个个机器人可可以存放上上百种作业业的动作和和编写程序序。这种机机器人最重重要的特点点是：具有有记忆功能能，经过一一次示教，便便可以无限限地重复

21、这这个动作，准准确、可靠靠、不走样样。目前世世界上广泛泛应用于工工业生产的的大部分机机器人，都都是这一类类的机器人人。2、第二代代机器人初级智智能机器人人第二代机器器人是基于于传感器信信息的离散散编程工业业机器人，又又称为初级级智能机器器人。传感感器是人工工制造的能能够感知外外界信息的的装置，因因此，这种种机器人可可以根据外外界条件的的变化，在在一定范围围内自行修修改程序，但但修改程序序的原则是是由人事先先规定好的的。由于这这类机器人人可通过传传感器感知知外部的信信息，因此此增加了对对工作环境境的适应能能力。但它它传感的信信息还很少少，不能满满足各种需需求。在工工业生产中中的许多组组装机器人人

22、便是这一一类机器人人。3、第三代代机器人智能机机器人第三代机器器人是智能能机器人。智能机器器人是指可可模拟人类类智能行为为的机器。智能机器器人一般装装有多种传传感器，能能识别作用用环境，能能自主决策策，具有人人类大脑的的部分功能能，且动作作更加灵活活准确。是是接收指令令后能自行行编程的自自主式机器器人。这类类机器人有有感觉、有有判断或认认识功能，能能决定自身身的行为。它可以不不需要人的的照料，完完全独立地地工作。目目前，这种种机器人还还在不断开开发中，要要达到真正正实用，还还需要一段段时间。人工智能的的所有技术术在智能机机器人的开开发中几乎乎都有应用用，因此，智智能机器人人的研制被被当作人工工

23、智能理论论、方法、技术的试试验场地；反过来，对对智能机器器人的研制制又可大力力推动人工工智能研究究的发展。二、智能机机器人的应应用目前，机器器人在世界界上许多国国家都得到到了广泛的的应用。随随着机器人人技术的不不断发展和和进步，现现在已有1150万机机器人遍布布在世界各各地，从事事清洁、勘勘探甚至星星球探测的的工作。在在汽车工业业中，日本本每万名工工人占有机机器人9009台，意意大利为4400台，美美国3700台，德国国340台台，瑞典为为300台台，法国为为220台台，英国为为150台台。此外还还有：太空空机器人、警卫和保保洁机器人人、家庭服服务机器人人、消防机机器人等。1、类人型型机器人研

24、制具有人人类外观特特征、可以以模拟人类类行走和基基本操作功功能的类人人型机器人人，一直是是人类机器器人研究的的梦想之一一。类人型型机器人的的研究，涉涉及的领域域宽广综合合性很强，是是机器人研研究的尖端端。世界上第一一个可以进进行自我控控制、依靠靠两腿行走走的类人型型机器人出出现在19996年112月。它它身高1.820米米，体重2210公斤斤。采用无无线电技术术，该机器器人的躯干干内安装有有计算机、电机驱动动器、电池池、无线接接受器等装装置在不需需要导线控控制的情况况下，该机机器人可以以独立行走走、上下台台阶、推车车等，实现现了独立地地操作。第一个完全全独立，依依靠两条腿腿行走的类类人型机器器

25、人诞生于于19977年9月。 身高：11.6000米， 体体重：1330公斤 。通过改换换部件材料料，以及将将控制系统统分散布置置，降低了了身高，减减轻了体重重。较小的的尺寸更适适宜在人们们的生活环环境中使用用。2000年年，日本本本田公司研研制开发的的类人型机机器人“阿斯莫”（ASIIMO）诞诞生（见彩彩图3和彩彩图4）。从20000年到现现在，“ASIMMO”不断更新新换代装备备新技术，使使机器人越越来越灵活活，越来越越聪明。22000年年的第一个个“阿斯莫”只能根据据事先设计计的程序行行事，走起起路来步履履蹒跚，有有时需要操操作员扶持持。 图10-1 机器人ASIMO与人共舞2002年年

26、12月经经过改进的的“阿斯莫”装备了智智能软件，使使它变得聪聪明起来，能能够辨貌喊喊人，人伸伸出手时，它它会上前和和你握手，并并能与人流流利地对话话。20004年本田田公司推出出了新一代代“ASIMMO”，可以与与人共舞，这这种机器人人重52公公斤，高11.2米，能能与人对话话，会爬楼楼梯，还会会向观众讨讨掌声。22005年年12月，本本田公司又又推出了最最新一代“ASIMMO”机器人，它它身高1.3米、体体重54公公斤，行走走速度为每每小时6公公里，行动动灵活，能能够从工作作人员手中中接过茶杯杯，端茶送送水，目前前，这种机机器人共有有40个。本田公司司计划通过过租赁的方方式，让“ASIMMO

27、”到一些公公共事业或或企业去“打工”，估计每每年可为公公司带来22000万万日元的收收益。2000年年11月，日日本开发成成功模仿一一岁婴儿行行走的机器器人“皮诺”。它全身身有26个个关节，脚脚心装有一一个传感器器，可测量量重心，眼眼睛可分辩辩颜色，可可自测距离离，并能跚跚跚行走。2005年年6月，在在日本“20055世界博览览会”上，日本本大阪大学学科学家石石黑浩教授授展示了他他发明的一一种完全具具有人类女女性外貌的的“女机器人人”“雷普莉QQ1号”（见彩图图5）。这这个机器人人不仅拥有有柔软的硅硅树脂仿真真肌肤，体体内还装有有大量传感感器和电动动机，可以以使她像人人类一样运运动，如转转身、

28、做手手势、向参参观者说话话，甚至会会眨眼睛和和“呼吸”。“她”还不是很很完美，目目前只能坐坐着，无法法直立行走走，有时会会无预兆地地“痉挛”。但许多多机器人专专家认为，在在制造机器器人时应尽尽量避免机机器人的外外表太过人人格化，以以免触犯机机器人研究究的禁忌“恐怖怖谷理论”。2、微型机机器人在医医学上的应应用微型机器人人在医学上上的应用正正愈来愈受受到科学家家们的重视视。在20000年德德国汉诺威威世界博览览会上，展展出了一种种潜艇式微微型机器人人，它小得得几乎看不不见：长不不到4毫米米，宽小于于0.5毫毫米，螺旋旋桨曲轴直直径只有百百分之一毫毫米，也就就是一根头头发丝的十十分之一。它可以很很

29、轻松地穿穿过普通注注射器的针针头而注入入生物体内内。科学家家们设想利利用微型或或极微机器器人将特效效药物迅速速送到人体体的关键部部位；或在在病灶处进进行手术操操作，清除除癌细胞、清除血栓栓；或携带带仪器、设设备和传感感器，对人人体进行各各种检查并并将数据传传递出来等等等。3、太空机机器人的研研制太空机器人人，在探测测星球方面面具有独特特的优越性性，正发挥挥越来越重重要的作用用。它不需需要吃喝、不需要受受训，不会会生病，不不受恶劣环环境的影响响，并且工工作效率高高。美国“探测测者”登月舱堪堪称是世界界上第一个个真正的太太空机器人人，它有一一个可伸缩缩的机械臂臂，既能在在太空作业业，也能在在月球表

30、面面采集标本本。最近，美国国研制了一一种称为“蛇”的机器人人，这种“蛇”可以在行行星表面高高低不平的的地带进行行探测活动动。它的身身体由166段组成，每每段长6.4厘米，可可以像昆虫虫一样向前前爬行。它它不怕翻倒倒，遇到障障碍物时，会会不断尝试试翻越。据据估计再过过10年左左右，它就就可用于执执行行星探探测任务。目前，美国国正准备投投入3000万美元研研制一种太太空机器人人，取名为为“机器宇航航员”。它不仅仅能熟练地地使用宇航航员经常使使用的各种种工具，还还拥有一个个树形中枢枢神经，是是由传感器器组成的网网络，它可可以代替宇宇航员在星星球上收集集各种资料料。三、我国智智能机器人人的研究我国较早进进行机器人人研究的国国防科技大大学，在国国家8633计划和国国家自然科科学基金的的支持下，一一直从事两两足步行机机器人、类类人型机器器人的研究究开发，11990年年成功研制制出我国第第一台两足足步行机器器人。在此此基础上，经经过十年攻攻关，又于于20000年11月月研制成功功我国第一一台类人型型机器人“先行行者”。这台类类人型机器器人可以前前进、后退退、左、右右侧行，左左、右转弯弯、前后摆摆动手臂，并并可快速行行走，实现现了机