1、第八章第八章 智能機器人與智能控制智能機器人與智能控制 2004年年 科幻電影科幻電影我，機器人我，機器人。第一節第一節 概述概述 我們知道，視覺、觸覺、聽覺、味覺等對人我們知道，視覺、觸覺、聽覺、味覺等對人類是及其重要的，因為這些感覺器官對我們適應類是及其重要的，因為這些感覺器官對我們適應周圍的環境變化起著至關重要的作用。同樣的，周圍的環境變化起著至關重要的作用。同樣的，對于智能機器人來說，類似的傳感器也是十分重對于智能機器人來說，類似的傳感器也是十分重要的。近年來，各種傳感器的迅速發展以及人工要的。近年來，各種傳感器的迅速發展以及人工智能的發展推進了智能機器人的發展。智能機器智能的發展推進

2、了智能機器人的發展。智能機器人是工業機器人從無智能發展到有智能、從低智人是工業機器人從無智能發展到有智能、從低智能水平發展到高度智能化的產物。能水平發展到高度智能化的產物。 智能機器人應該具備四種機能：智能機器人應該具備四種機能： 運動機能運動機能施加于外部環境的相當于人的施加于外部環境的相當于人的手、腳的動作機能；手、腳的動作機能； 感知機能感知機能獲取外部環境信息以便進行自獲取外部環境信息以便進行自我行動監視的機能；我行動監視的機能； 思維機能思維機能求解問題的認識、推理、判斷求解問題的認識、推理、判斷機能；機能； 人機通訊機能人機通訊機能理解指示命令、輸出內理解指示命令、輸出內部狀態，與

3、人進行信息交換的機能。實際上智能部狀態，與人進行信息交換的機能。實際上智能機器人與人工智能息息相關，人工智能是智能機機器人與人工智能息息相關，人工智能是智能機器人的核心。器人的核心。 人形機器人人形機器人 日本日本2005世博會上機器人接待員世博會上機器人接待員日本衛視的新聞女主播藤井雅子和日本衛視的新聞女主播藤井雅子和她的復制品機器人她的復制品機器人 在智能機器人的研究中，許多是和人工智在智能機器人的研究中，許多是和人工智能（能（Artificial IntelligenceArtificial Intelligence）所研究的內容）所研究的內容一致的。但是它又不可避免地涉及許多其他問題，

4、一致的。但是它又不可避免地涉及許多其他問題，這些實際上與這些實際上與AIAI無關。例如一個具有智能的機器無關。例如一個具有智能的機器人它可以在車間內通過分析圖紙的辦法知道如何人它可以在車間內通過分析圖紙的辦法知道如何去裝配一個產品，它能發現與找到所需工件，按去裝配一個產品，它能發現與找到所需工件，按照正確的順序把工件裝配好。它應該具備人所具照正確的順序把工件裝配好。它應該具備人所具有的一些裝配知識，因此它就涉及到知識的表達有的一些裝配知識，因此它就涉及到知識的表達和獲取技術。它要為裝配做出規劃，無論機器人和獲取技術。它要為裝配做出規劃，無論機器人采用采用AIAI中的搜索技術或其他方法，都涉及到

5、中的搜索技術或其他方法，都涉及到AIAI中中的問題求解技術。的問題求解技術。 另一方面，它要發現和尋找工件，要利用另一方面，它要發現和尋找工件，要利用模式識別中的技術。裝配是一個復雜的工藝，它模式識別中的技術。裝配是一個復雜的工藝，它可能要采用力與位置的混合控制技術，同時，還可能要采用力與位置的混合控制技術，同時，還可能為機器人本體安裝柔性手腕，才能夠完成工可能為機器人本體安裝柔性手腕，才能夠完成工作任務，因此又涉及機構學問題。所以智能機器作任務，因此又涉及機構學問題。所以智能機器人設計的技術領域相當寬廣。人設計的技術領域相當寬廣。 1971 1971年，美籍華人付京孫正式提出智能控年，美籍華

6、人付京孫正式提出智能控制（制（Intelligent ControlIntelligent Control）這一概念。它推動）這一概念。它推動了人工智能和自動控制的結合，而智能機器人的了人工智能和自動控制的結合，而智能機器人的控制系統成了這種研究的最好應用領域。控制系統成了這種研究的最好應用領域。 長期以來，人工智能領域的研究一直把機器長期以來，人工智能領域的研究一直把機器人作為研究人工智能理論的載體，他們將智能機人作為研究人工智能理論的載體，他們將智能機器人看作是一個純軟件的系統，而事實上不應該器人看作是一個純軟件的系統，而事實上不應該把智能機器人看成是純軟件系統，它應該是軟件、把智能機器人

7、看成是純軟件系統，它應該是軟件、硬件和本體組成的一個統一體。硬件和本體組成的一個統一體。 到目前為止，學術界對智能機器人并沒有到目前為止，學術界對智能機器人并沒有確切的定義，問題的根源在于目前人們對確切的定義，問題的根源在于目前人們對“智能智能”并沒有確切的定義。因此雖然當今世界有不少科并沒有確切的定義。因此雖然當今世界有不少科學家研究人工智能和智能機器人，人們對人工智學家研究人工智能和智能機器人，人們對人工智能和智能機器人的要求是不斷提高的。能和智能機器人的要求是不斷提高的。 智能機器人應該是具有對本身狀態和環境智能機器人應該是具有對本身狀態和環境狀態的感知能力，具有根據外界環境變化而自主狀

8、態的感知能力，具有根據外界環境變化而自主作出決策的思維能力，并根據自身的思維決策作作出決策的思維能力，并根據自身的思維決策作出相應動作的機器人才能夠稱為智能機器人。出相應動作的機器人才能夠稱為智能機器人。 日本的智能機器人日本的智能機器人“ASIMO”能自主走路、跑步、上下樓能自主走路、跑步、上下樓梯、踢足球、跳舞、躲避障礙物等，而且還具備較強的梯、踢足球、跳舞、躲避障礙物等，而且還具備較強的“交交際際”和和“接待接待”能力能力 智能機器人并不是單純的軟件體，它具有可智能機器人并不是單純的軟件體，它具有可以完成作業的結構和驅動裝置，或者換句話說它以完成作業的結構和驅動裝置，或者換句話說它必須首

9、先符合機器人的基本定義。而作為智能機必須首先符合機器人的基本定義。而作為智能機器人，它必須具有思維和決策能力，它并不是簡器人，它必須具有思維和決策能力，它并不是簡單地由人以某種方式來命令它干什么就會干什么。單地由人以某種方式來命令它干什么就會干什么。它具有自身解決問題，學習問題，并根據具體情它具有自身解決問題，學習問題，并根據具體情況進行思維決策的能力。況進行思維決策的能力。 例如一臺水下機器人去深海打撈物品，它應例如一臺水下機器人去深海打撈物品，它應該自己尋找可行的路線，回避障礙，減少危險，該自己尋找可行的路線，回避障礙，減少危險，處理意外事故，發現目標后，采用其可能的辦法，處理意外事故，發

10、現目標后，采用其可能的辦法，把物品取回。把物品取回。 人類社會和生產對智能機器人有著強烈的需人類社會和生產對智能機器人有著強烈的需求，人類需要這種智能機器人去拓寬生產和活動求，人類需要這種智能機器人去拓寬生產和活動領域，要他們去深水、地下、強放射、太空等環領域，要他們去深水、地下、強放射、太空等環境，希望機器人能夠取代人們完成一些危險的工境，希望機器人能夠取代人們完成一些危險的工作。同時也期待智能機器人在工業中逐步把人解作。同時也期待智能機器人在工業中逐步把人解放出來，提高生產效率。智能機器人的廣泛應用，放出來，提高生產效率。智能機器人的廣泛應用，將會使人類從將會使人類從“人人機器人機器人自然

11、界自然界”的生產模的生產模式過渡到式過渡到“人機器人機器自然界人機器人機器自然界”的生產的生產模式。模式。第二節第二節 智能機器人的體系結構和智能機器人的體系結構和控制系統控制系統一、智能機器人的體系結構一、智能機器人的體系結構 事實上，任何一個機器人都有子集的體事實上，任何一個機器人都有子集的體系結構。目前，大多數工業機器人的控制系統為系結構。目前，大多數工業機器人的控制系統為兩層結構，上層負責運動學計算和人機交互，下兩層結構，上層負責運動學計算和人機交互，下層負責對各個關節進行伺服控制。現在世界上對層負責對各個關節進行伺服控制。現在世界上對一些智能機器人的實驗系統追求的是采用某種思一些智能

12、機器人的實驗系統追求的是采用某種思想或技術，從而實現某種功能或達到某種水平，想或技術，從而實現某種功能或達到某種水平，所以其體系結構很多都是就其的需要進行設計的。所以其體系結構很多都是就其的需要進行設計的。 智能機器人的體系結構最為廣泛遵循的智能機器人的體系結構最為廣泛遵循的原則是依據時間和功能來劃分體系結構種的層次原則是依據時間和功能來劃分體系結構種的層次和模塊。這樣的體系結構中，最有代表性的是美和模塊。這樣的體系結構中，最有代表性的是美國航空航天局國航空航天局(NASA)(NASA)和美國國家標準局和美國國家標準局(NBS)(NBS)提提出的，它的出發點是考慮一個航天機器人或一個出的，它的

13、出發點是考慮一個航天機器人或一個水下機器人，或者一個移動機器人上可能有作業水下機器人，或者一個移動機器人上可能有作業手、通訊、聲納等多個被控制的分系統，而這樣手、通訊、聲納等多個被控制的分系統，而這樣的機器人可能有多個組成為一組相互協調工作。的機器人可能有多個組成為一組相互協調工作。 機器人宇航員機器人宇航員r2國際空間站及組裝、維修機器人國際空間站及組裝、維修機器人 整個系統分成信息處理、環境建模和任整個系統分成信息處理、環境建模和任務分解三列，分為坐標變換與伺服控制、動力學務分解三列，分為坐標變換與伺服控制、動力學計算、基本運動、單體任務、成組任務和總任務計算、基本運動、單體任務、成組任務

14、和總任務六層，所有模塊共享一個全局存儲器（數據庫）。六層，所有模塊共享一個全局存儲器（數據庫）。 體系結構的六層是依照信息處理的順序排列的：體系結構的六層是依照信息處理的順序排列的： 第一層：坐標變換和伺服層。第一層：坐標變換和伺服層。 第二層：動力學計算層。第二層：動力學計算層。 第三層：基本運動層。第三層：基本運動層。 第四層：單個任務層。第四層：單個任務層。 第五層：成組任務層。第五層：成組任務層。 第六層：總任務層。第六層：總任務層。二、智能機器人的硬件結構二、智能機器人的硬件結構智能機器人的硬件結構智能機器人的硬件結構 第三節第三節 智能控制的基礎智能控制的基礎一、智能控制的發展和涉

15、及的問題一、智能控制的發展和涉及的問題 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術，即通過各種自動機器或智能機器和技術，即通過各種自動機器或智能機器來模仿、延伸和擴展人類的智能，實現某來模仿、延伸和擴展人類的智能，實現某些些“機器思維機器思維”或腦力勞動自動化。因此或腦力勞動自動化。因此可以說人工智能的研究對象是機器智能，可以說人工智能的研究對象是機器智能，或者說是智能機器。或者說是智能機器。在人工智能的研究中，主要探討以下三方在人工智能的研究中，主要探討以下三方面的問題：面的問題：（1 1）機器感知）機器感知知識的獲取知識的獲取（2 2）機器思維）機器思維知識的處理知識的處理（3 3）機器行為）機器行為知識的運用知識的運用二、智能控制的特點及應用二、智能控制的特點及應用智能控制具有以下特點：智能控制具有以下特點：（1 1）智能控制系統一般具有以知識表示的非數學）智能控制系統一般具有以知識表示的非數學廣義模型和以數學模型表示的混合控制過程。廣義模型和以