《人工智能導(dǎo)論》第2版 第11章 包容體系結(jié)構(gòu)與機(jī)器人

第2版周蘇教授QQ：81505050人工智能導(dǎo)論第11章周蘇教授QQ：81505050包容體系結(jié)構(gòu)與機(jī)器人導(dǎo)讀案例：RoboCup機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽1997年，首屆RoboCup即機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽比賽及會(huì)議在日本名古屋舉行，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人足球隊(duì)擊敗人類足球世界冠軍的夢(mèng)想邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。舉辦Robocup的主要目的是通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的易于評(píng)價(jià)的比賽平臺(tái)，促進(jìn)分布式人工智能與多代理系統(tǒng)的研究與發(fā)展。01什么是包容體系結(jié)構(gòu)02包容體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)03劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃04機(jī)器感知目錄/CONTENTS05機(jī)器人的概念06機(jī)器人的技術(shù)問題機(jī)器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機(jī)器，具有感知、決策、執(zhí)行等基本特征。機(jī)器人能夠通過編程和自動(dòng)控制來執(zhí)行諸如作業(yè)或移動(dòng)等任務(wù)，可以輔助甚至替代人類完成危險(xiǎn)、繁重、復(fù)雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量，服務(wù)人類生活，擴(kuò)大或延伸人的活動(dòng)及能力范圍。第11章機(jī)器人技術(shù)如今，機(jī)器人學(xué)早就超出了科學(xué)幻想的領(lǐng)域，并在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、太空探索等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。軟件機(jī)器人模擬器不但簡(jiǎn)化了機(jī)器人工程師的開發(fā)工作，還為研究人工智能算法和機(jī)器學(xué)習(xí)提供了工具。第11章機(jī)器人技術(shù)PART01什么是包容體系結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程中，程序員必須盡力考慮所有可能遇到的情況并一一規(guī)定應(yīng)對(duì)策略。無論創(chuàng)建何種規(guī)模的程序，一半以上的工作（軟件測(cè)試）都在于找到那些處理錯(cuò)誤的案例，并修改代碼來糾正它們。11.1什么是包容體系結(jié)構(gòu)幾十年來，人們發(fā)明了許多工具來使編程更加有效并降低錯(cuò)誤發(fā)生的概率。與11146年計(jì)算機(jī)剛問世時(shí)相比，編程無疑更加高效，但仍避免不了大量錯(cuò)誤的存在。不論使用何種工具，程序員在編寫程序時(shí)每百行間還是會(huì)產(chǎn)生數(shù)量大致相同的錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤不僅出現(xiàn)在程序本身及所使用的數(shù)據(jù)中，更存在于任務(wù)的具體規(guī)定中。倘若利用邏輯、規(guī)則和框架編寫通用的人工智能程序，那么程序必定十分龐大，并且漏洞百出。11.1什么是包容體系結(jié)構(gòu)1986年，約翰·希爾勒進(jìn)行了一項(xiàng)名為“中文房間”的思維實(shí)驗(yàn)，來證明能夠操控符號(hào)的計(jì)算機(jī)即使模擬得再真實(shí)，也根本無法理解它所處的這個(gè)現(xiàn)實(shí)世界。一位只懂英語(yǔ)的人在一個(gè)房間中，這個(gè)房間除了門上有一個(gè)小窗口之外，全部都是封閉的。他隨身帶著一本關(guān)于中文翻譯的書。房間里還有足夠的稿紙、鉛筆和櫥柜。11.1.1所謂“中文房間”寫著中文的紙片通過小窗口被送入房間中，房間中的人可以用他的書來翻譯這些文字并用中文回復(fù)，他的回答可以是完全正確的。這樣，房間里的人可以讓任何房間外的人以為他會(huì)說流利的中文……圖11-5中文房間11.1.1所謂“中文房間”被測(cè)試者代表計(jì)算機(jī)，他所經(jīng)歷的也正是計(jì)算機(jī)的工作內(nèi)容，即遵循規(guī)則，操控符號(hào)。所以說，就算計(jì)算機(jī)技術(shù)無比先進(jìn)，看上去已經(jīng)能用語(yǔ)言自然與人交流，但是它們?nèi)匀粺o法真正懂得語(yǔ)言本身。中文房間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的假設(shè)就是看起來完全智能的計(jì)算機(jī)程序其實(shí)根本不理解自身所處理的各種信息。這個(gè)實(shí)驗(yàn)否定了“圖靈測(cè)試”的可靠性，并且還說明了人工智能所能達(dá)到的極限，包括機(jī)器學(xué)習(xí)和潛在的人工智能的可能性。從本質(zhì)上說，計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)只是被限定在操作字符上，AI最多也只能做到不懂裝懂。11.1.1所謂“中文房間”機(jī)器人這個(gè)詞目前還沒有被普遍接受的定義。我們可以認(rèn)為一個(gè)機(jī)器人由三個(gè)部分組成：（1）一個(gè)傳感器集合；（2）一個(gè)定義機(jī)器人的行為的程序；（3）一個(gè)傳動(dòng)器和受動(dòng)器集合。11.1.2傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)在傳統(tǒng)的機(jī)器人學(xué)中，機(jī)器人擁有一個(gè)中央“大腦”，負(fù)責(zé)構(gòu)建并維護(hù)環(huán)境“地圖”，然后根據(jù)地圖制定計(jì)劃。首先，機(jī)器人的傳感器（例如接觸傳感器、光線傳感器和超聲波傳感器）從它的環(huán)境中獲得信息。機(jī)器人的大腦將傳感器收集的所有信息組合起來并更新它的環(huán)境地圖。然后，機(jī)器人決定運(yùn)動(dòng)的路線，它通過傳動(dòng)器和受動(dòng)器執(zhí)行動(dòng)作。傳動(dòng)器基本上是一些發(fā)動(dòng)機(jī)，它們連接到受動(dòng)器，受動(dòng)器包括輪子和機(jī)械臂等，它與機(jī)器人的環(huán)境交互。傳動(dòng)器這個(gè)詞也常常用來泛指?jìng)鲃?dòng)器或受動(dòng)器。11.1.2傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)簡(jiǎn)單地說，傳統(tǒng)的機(jī)器人接收來自傳感器（可能有多個(gè)傳感器）的輸入，組合傳感器信息，更新環(huán)境地圖，根據(jù)它當(dāng)前掌握的環(huán)境視圖制定計(jì)劃，最后執(zhí)行動(dòng)作。但是，這種方法是有問題的。問題之一是它需要進(jìn)行大量計(jì)算。另外，因?yàn)橥獠凯h(huán)境總是在變化，所以很難讓環(huán)境地圖符合最新情況。一些生物（比如昆蟲）不掌握外部世界的地圖，甚至沒有記憶，但是它們卻活得非常自在；模仿它們會(huì)不會(huì)更好呢？這些問題引出了一種新型的機(jī)器人學(xué)，稱為基于行為的機(jī)器人學(xué)（behavior-basedrobotics，BBR），它在當(dāng)今的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中占主要地位。11.1.2傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)可以使用包容體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)BBR。希爾勒認(rèn)為，“中文房間”實(shí)驗(yàn)證明了能夠操控符號(hào)的程序不具備自主意識(shí)。自該論斷發(fā)布以來，眾說紛紜，各方抨擊和辯護(hù)的聲音不斷。不過，它確實(shí)減緩了純粹基于邏輯的人工智能研究，轉(zhuǎn)而傾向于支持建立擺脫符號(hào)操控的系統(tǒng)。其中一個(gè)極端嘗試就是包容體系結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)完全避免符號(hào)的使用，不是用龐大的框架數(shù)據(jù)庫(kù)來模擬世界，而是關(guān)注直接感受世界。11.1.3建立包容體系結(jié)構(gòu)1986年麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)者羅德尼·布魯克斯在文章“大象不下棋”中提出了包容體系結(jié)構(gòu)：基于行為的機(jī)器人依賴于一組獨(dú)立的簡(jiǎn)單的行為。行為的定義包括觸發(fā)它們的條件（常常是一個(gè)傳感器讀數(shù)）和采取的動(dòng)作（常常涉及一個(gè)受動(dòng)器）。一個(gè)行為建立在其他行為之上。當(dāng)兩個(gè)行為發(fā)生沖突時(shí)，一個(gè)中央仲裁器決定哪個(gè)行為應(yīng)該優(yōu)先。機(jī)器人的總體行為是突然的，但BBR的效果好于其部分之和，較高層行為包容較低層行為。11.1.3建立包容體系結(jié)構(gòu)包容體系結(jié)構(gòu)不是一個(gè)只關(guān)注隱藏在數(shù)據(jù)中心中的文本的程序，而是實(shí)實(shí)在在的物理機(jī)器人，利用不同設(shè)備（傳感器）來感知世界，并通過其他設(shè)備（傳動(dòng)器）來操控行動(dòng)。羅德尼·布魯克斯曾說道：“這個(gè)世界就是描述它自己最好的模型，它總是最新的，它總是包括了需要研究的所有細(xì)節(jié)。訣竅在于正確地、足夠頻繁地感知它?！边@就是情境或具身人工智能，也被許多人看做至關(guān)重要的一項(xiàng)創(chuàng)造，因?yàn)樗軌蚪仐夶嫶髷?shù)據(jù)庫(kù)的智能系統(tǒng)，而事實(shí)已經(jīng)證明要建立龐大數(shù)據(jù)庫(kù)是非常困難的。11.1.3建立包容體系結(jié)構(gòu)包容體系結(jié)構(gòu)建立在多層獨(dú)立行為模塊的基礎(chǔ)上。每個(gè)行為模塊都是一個(gè)簡(jiǎn)單程序，從傳感器那里接收信息，再將指令傳遞給傳動(dòng)器。層級(jí)更高的行為可以阻止低層行為的運(yùn)作。情境或具身人工智能這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的概念稍有不同。情境人工智能是實(shí)實(shí)在在放置于真實(shí)環(huán)境中的，具身人工智能則擁有物理實(shí)體。前者暗示其本身必須與非理性環(huán)境進(jìn)行交互，后者則是利用非理想的傳感器和傳動(dòng)器完成交互。當(dāng)然在實(shí)際操作中，二者是不可分割的。11.1.3建立包容體系結(jié)構(gòu)PART02包容體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)包容體系結(jié)構(gòu)令人信服地解釋了低等動(dòng)物的行為，例如，蟑螂等昆蟲和蝸牛等無脊椎動(dòng)物。利用該結(jié)構(gòu)創(chuàng)建的機(jī)器人編程是固定的。如果想要完成其他任務(wù)則需要再建立一個(gè)新的機(jī)器人。這與人腦運(yùn)作的方式不同，隨著年齡的增長(zhǎng)和閱歷的增加，我們的大腦同樣也在成長(zhǎng)和改變，但并不是所有的動(dòng)物都有像人腦一樣復(fù)雜的大腦。11.2包容體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)對(duì)許多機(jī)器人來說，這種程度的智能剛好合適。比如，智能真空吸塵器只需要以最有效的方式覆蓋整個(gè)地板面積，而不會(huì)在運(yùn)行過程中被可能出現(xiàn)的障礙物干擾。在更加智能的機(jī)器人的最底層系統(tǒng)中，包容體系結(jié)構(gòu)同樣適用，即用來執(zhí)行反射。有物體接近眼睛時(shí)我們會(huì)眨眼，觸碰到扎手的東西時(shí)我們會(huì)快速把手收回來，這兩種行為發(fā)生得太快，根本無法涉及意識(shí)思考。11.2包容體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)事實(shí)上，條件反射不一定關(guān)乎大腦。醫(yī)生輕敲膝蓋，觀察小腿前踢反應(yīng)，這時(shí)信號(hào)僅從膝蓋上傳至脊柱再重新傳回肌肉，尤其對(duì)于機(jī)器人而言，如果運(yùn)行太多軟件，思考時(shí)間就會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)。編寫條件反射程序可以幫助我們創(chuàng)建兼顧環(huán)境和智能的機(jī)器人。

圖11-6五指靈巧手機(jī)器人11.2包容體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)這可能為今后繼續(xù)發(fā)展提供了一種新的途徑，因?yàn)榘蒹w系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功再現(xiàn)了昆蟲、條件反射等行為，但它還未曾展示出更高水平的邏輯推理能力，無法處理語(yǔ)言或高水平學(xué)習(xí)等問題。無疑，它是一塊重要的拼圖，但還不能解開所有的謎題。11.2包容體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)利用包容體系結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)建的第一個(gè)機(jī)器人名叫艾倫，它具備三層行為模塊。最底層模塊通過聲納探測(cè)物體位置并遠(yuǎn)離物體來避開障礙物。在孤身一人時(shí)，它將保持靜止，一旦有物體靠近就立刻跑開。物體靠得越近，閃避的推動(dòng)力越大。中間一層對(duì)行為做出了修改，機(jī)器人每十秒會(huì)朝一個(gè)隨機(jī)方向移動(dòng)。最高層利用聲吶找尋遠(yuǎn)離機(jī)器人所處位置的點(diǎn)，并調(diào)整路徑朝該點(diǎn)前進(jìn)。作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)，艾倫成功展示了包容結(jié)構(gòu)技術(shù)。但就機(jī)器人本身來說，從一個(gè)地方到另一個(gè)地方漫無目的的移動(dòng)確實(shí)沒有什么成就可言。11.2.1艾倫機(jī)器人赫伯特，這是利用包容體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)建的第三個(gè)機(jī)器人，它擁有24個(gè)八位微處理器，能夠運(yùn)行40個(gè)獨(dú)立行為。赫伯特在麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室中漫步，尋找空飲料罐，再將它們統(tǒng)一帶回，理論上供回收利用。實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生會(huì)將空罐子丟在地上，罐子的大小形狀全部統(tǒng)一，并且都是豎直放置，這些條件都讓目的易拉罐變得更容易被識(shí)別和收集。。11.2.2赫伯特機(jī)器人赫伯特沒有存儲(chǔ)器，無法設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中行走的路徑。除此之外，它的所有行為都不曾與任何人溝通，全靠從傳感器接收輸入信息再控制傳動(dòng)器作為輸出。例如，當(dāng)它的手臂伸展出去時(shí)，手指會(huì)置于易拉罐的兩側(cè)，隨即握緊。但這并不是軟件控制的結(jié)果，而是因?yàn)槭种钢g的紅外光束被切斷了。與之類似，由于已經(jīng)抓住了罐子，手臂就將收回。11.2.2赫伯特機(jī)器人與嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)則和計(jì)劃的機(jī)器人相比，赫伯特能夠更加靈活地采取應(yīng)對(duì)措施。例如，它正在過道上向下滾動(dòng)，有人遞給它一個(gè)空罐子，它也會(huì)立刻抓住罐子送往回收基地，但這一舉動(dòng)并不會(huì)打擾它的搜尋過程，它合上手掌是因?yàn)橐呀?jīng)抓住了罐子，它的下一步行動(dòng)就是直接回到基地雨不是繼續(xù)盲目搜索。11.2.2赫伯特機(jī)器人雖然不具備存儲(chǔ)器的機(jī)器人似乎無法進(jìn)行多項(xiàng)有用的任務(wù)，但研究人員正致力于開發(fā)解決這類局限的方法。托托機(jī)器人能夠在真實(shí)環(huán)境中漫步并制作地圖，其繪制的地圖不是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式而是一組地標(biāo)。11.2.3托托機(jī)器人地標(biāo)在被發(fā)現(xiàn)后就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)行為，托托可以通過激活與某地相關(guān)的行為回到該地。這一行為不斷重復(fù)，持續(xù)發(fā)送信息激活最接近的其他行為。隨著激活的持續(xù)進(jìn)行，與機(jī)器人當(dāng)前位置相關(guān)的行為遲早會(huì)被激活。最早開啟激活的信息將經(jīng)過次數(shù)最少的地標(biāo)行為到達(dá)目的地，由此選擇最優(yōu)路徑。機(jī)器人將朝著激活信號(hào)來源的地標(biāo)方向移動(dòng)。在到達(dá)目的地后又將接收到新的激活信號(hào)，再繼續(xù)朝著新信號(hào)指示方向前進(jìn)。最終，它將經(jīng)由地標(biāo)間的最短路徑到達(dá)指定位置。11.2.3托托機(jī)器人機(jī)器人判定地標(biāo)的方式與人類不同，人類可能會(huì)將某些辦公室房門、盆栽植物或是大型打印機(jī)認(rèn)做地標(biāo)，而計(jì)算機(jī)則是根據(jù)自身行為進(jìn)行判斷，是否緊鄰走廊、是否靠墻這些都會(huì)成為計(jì)算機(jī)的考慮因素。托托機(jī)器人只能探索一小塊區(qū)域并且根據(jù)指令回到特定位置，而更加復(fù)雜的機(jī)器人則能夠?qū)⒌貥?biāo)與活動(dòng)及事件聯(lián)系起來，并在某些情況下主動(dòng)回到特定位置。太陽(yáng)能機(jī)器人可以確定光線充足的區(qū)域，并在電量低時(shí)回到該區(qū)域。收集易拉罐的機(jī)器人則可以記住學(xué)生們最容易丟罐子的地方。11.2.3托托機(jī)器人PART04機(jī)器人的概念從萊特兄弟的第一架飛機(jī)到阿波羅計(jì)劃將人類送上月球并安全返回地球花了50年時(shí)間。同樣，從數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明到深藍(lán)擊敗人類國(guó)際象棋世界冠軍也花了50年。人們意識(shí)到，建立人形機(jī)器人足球隊(duì)需要大致相當(dāng)?shù)臅r(shí)間及很大范圍內(nèi)研究人員的極大努力，這個(gè)目標(biāo)是不能在短期內(nèi)完成的。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃RoboCup機(jī)器人世界杯賽提出的最終目標(biāo)是：到21世紀(jì)中葉，一支完全自治的人形機(jī)器人足球隊(duì)?wèi)?yīng)該能在遵循國(guó)際足聯(lián)正式規(guī)則的比賽中，戰(zhàn)勝當(dāng)時(shí)的人類世界杯冠軍隊(duì)。提出的這個(gè)目標(biāo)是人工智能與機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。從現(xiàn)在的技術(shù)水平看來，這個(gè)目標(biāo)可能是過于雄心勃勃了，但重要的是提出這樣的長(zhǎng)期目標(biāo)并為之而奮斗（見表11-1）。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃表11-1人類提出的長(zhǎng)期目標(biāo) 阿波羅計(jì)劃 計(jì)算機(jī)國(guó)際象棋 RoboCup目標(biāo) 送一個(gè)宇航員登陸月球并安全返回地球 開發(fā)出能戰(zhàn)勝人類國(guó)際象棋世界冠軍的計(jì)算機(jī) 開發(fā)出能像人類那樣踢球的足球機(jī)器人技術(shù) 系統(tǒng)工程、航空學(xué)、各種電子學(xué)等 搜索技術(shù)、并行算法和并行計(jì)算機(jī)等 實(shí)時(shí)系統(tǒng)、分布式協(xié)作、智能體等應(yīng)用 遍布各處 各種軟件系統(tǒng)、大規(guī)模并行計(jì)算機(jī) 下一代人工智能，現(xiàn)實(shí)世界中的機(jī)器人和人工智能系統(tǒng)11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃一個(gè)成功的劃時(shí)代計(jì)劃必須完成一個(gè)能引起廣泛關(guān)注的目標(biāo)。1969年7月16日阿波羅登月，在阿波羅計(jì)劃中，美國(guó)制定了“送一個(gè)宇航員登陸月球并安全返回地球”的目標(biāo)，目標(biāo)的完成本身就是一個(gè)人類的歷史性事件。雖然送什么人登上月球帶來的直接經(jīng)濟(jì)收益很?。ü闹v，阿波羅計(jì)劃是希望獲得“國(guó)家聲望”，并展示對(duì)前蘇聯(lián)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。即便如此，幾個(gè)宇航員在月球登陸也沒有帶來直接的軍事優(yōu)勢(shì)）。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)而發(fā)展的技術(shù)是如此重要，以至于成了美國(guó)工業(yè)強(qiáng)大的技術(shù)和人員基礎(chǔ)。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃劃時(shí)代計(jì)劃的重要問題是設(shè)定一個(gè)足夠高的目標(biāo)，取得一系列為完成這個(gè)任務(wù)而必需的技術(shù)突破，同時(shí)這個(gè)目標(biāo)也要有廣泛的吸引力，完成目標(biāo)所需的技術(shù)成為下一代工業(yè)的基礎(chǔ)。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃阿波羅計(jì)劃“是一個(gè)人的一小步，人類的一大步。”舉國(guó)上下的努力使宇航員尼爾·阿姆斯特朗在登上月球表面，實(shí)現(xiàn)這個(gè)與人類歷史一樣久遠(yuǎn)的夢(mèng)想時(shí)能說出這句話（見圖11-6）。但是阿波羅計(jì)劃的目標(biāo)已經(jīng)超過了讓美國(guó)人登陸月球并安全返回地球：創(chuàng)立了在太空中超越其他國(guó)家的技術(shù)；在太空留下英名；開始對(duì)月球的科學(xué)探索；提高人類在月球環(huán)境中的能力。

圖11-61969年7月16日阿波羅登月11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃圖11-7第一個(gè)自治機(jī)器人系統(tǒng)Sojourner1997年5月，IBM深藍(lán)計(jì)算機(jī)擊敗國(guó)際象棋世界冠軍，人工智能歷時(shí)40年的挑戰(zhàn)終于取得成功。在人工智能與機(jī)器人學(xué)歷史上，這一年作為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)被記住了。在1997年7月4日，NASA的“探路者”在火星登陸，在火星的表面釋放了第一個(gè)自治機(jī)器人系統(tǒng)Sojourner（見圖11-7）。與此同時(shí)，RoboCup也朝開發(fā)能夠戰(zhàn)勝人類世界杯冠軍隊(duì)的機(jī)器人足球隊(duì)走出了第一步。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃由于RoboCup中涉及到的許多研究領(lǐng)域都是目前研究與應(yīng)用中遇到的關(guān)鍵問題，因此可以很容易的將RoboCup的一些研究成果轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中。例如：（1）搜索與救援。如在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一般是分成幾個(gè)小分隊(duì)，而每個(gè)小分隊(duì)往往只能得到部分信息，有時(shí)還是錯(cuò)誤的信息；環(huán)境是動(dòng)態(tài)改變的，往往很難做出準(zhǔn)確的判斷；有時(shí)任務(wù)是在敵對(duì)環(huán)境中執(zhí)行，隨時(shí)都有可能會(huì)有敵人；幾個(gè)小分隊(duì)之間需要有很好的協(xié)作；在不同的情況下，有時(shí)需要改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，隨時(shí)調(diào)整策略；需要滿足一些約束條件，如將被救者拉出來，同時(shí)又不能傷害他們。這些特點(diǎn)與RoboCup有一定的相似，因此，在RoboCup中的研究成果就可以用于這個(gè)領(lǐng)域。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃由于RoboCup中涉及到的許多研究領(lǐng)域都是目前研究與應(yīng)用中遇到的關(guān)鍵問題，因此可以很容易的將RoboCup的一些研究成果轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中。例如：（1）搜索與救援。如在執(zhí)行任務(wù)時(shí)一般是分成幾個(gè)小分隊(duì)，而每個(gè)小分隊(duì)往往只能得到部分信息；環(huán)境是動(dòng)態(tài)改變的，往往很難做出準(zhǔn)確的判斷；有時(shí)任務(wù)中隨時(shí)都有可能會(huì)有敵人；小分隊(duì)之間需要有很好的協(xié)作；在不同的情況下，有時(shí)需要改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，隨時(shí)調(diào)整策略；需要滿足一些約束條件，如將被救者拉出來，同時(shí)又不能傷害他們。因此，在RoboCup中的研究成果就可以用于這個(gè)領(lǐng)域。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃（2）太空探險(xiǎn)。太空探險(xiǎn)一般都需要有自治系統(tǒng)，能夠根據(jù)環(huán)境的變化做出自己的判斷，而不需要研究人員直接控制。在探險(xiǎn)過程中，可能會(huì)有一些運(yùn)動(dòng)的障礙物，必須要能夠主動(dòng)躲避。另外，在遇到某些特定情形時(shí)，也會(huì)要求改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，調(diào)整策略以獲得最佳效果。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃（3）辦公室機(jī)器人系統(tǒng)。用于完成一些日常事務(wù)的機(jī)器人或機(jī)器人小組，這些日常事務(wù)一般包括收集廢棄物，清理辦公室，傳遞某些文件或小件物品等。由于辦公室的環(huán)境具有一定的復(fù)雜性，而且由于經(jīng)常有人員走動(dòng)，或者是辦公室重新布置了，使這個(gè)環(huán)境也具有動(dòng)態(tài)性。另外，由于每個(gè)機(jī)器人都只能有辦公室的部分信息，為了更好的完成任務(wù)，他們必須進(jìn)行有效的協(xié)作。從這些可以看出，這又是一個(gè)類似RoboCup的技術(shù)領(lǐng)域。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃（4）其他多智能體系統(tǒng)。這是一個(gè)比較大的類別，RoboCup中的一個(gè)球隊(duì)可以認(rèn)為就是一個(gè)多智能體系統(tǒng)，而且是一個(gè)比較典型的多智能體系統(tǒng)。它具備了多智能體系統(tǒng)的許多特點(diǎn)，因此，RoboCup的研究成果可以應(yīng)用到許多多智能體系統(tǒng)中，如空戰(zhàn)模擬、信息代理、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬企業(yè)等。從中我們可以看出RoboCup技術(shù)的普遍性。11.3劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃PART04機(jī)器感知機(jī)器感知是指能夠使用傳感器所輸入的資料（如照相機(jī)、麥克風(fēng)、聲納以及其他的特殊傳感器）然后推斷世界的狀態(tài)。計(jì)算機(jī)視覺能夠分析影像輸入，另外還有語(yǔ)音識(shí)別、人臉辨識(shí)和物體辨識(shí)。11.4機(jī)器感知機(jī)器感知是一連串復(fù)雜程序所組成的大規(guī)模信息處理系統(tǒng)，信息通常由很多常規(guī)傳感器采集，經(jīng)過這些程序的處理后，會(huì)得到一些非基本感官能得到的結(jié)果。機(jī)器感知研究如何用機(jī)器或計(jì)算機(jī)模擬、延伸和擴(kuò)展人的感知或認(rèn)知能力，包括：機(jī)器視覺、機(jī)器聽覺、機(jī)器觸覺……如：計(jì)算機(jī)視覺、模式（文字、圖像、聲音等）、識(shí)別、自然語(yǔ)言理解……都是人工智能領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，也是在機(jī)器感知或機(jī)器認(rèn)知方面高智能水平的計(jì)算機(jī)應(yīng)用。11.4機(jī)器感知如果機(jī)器感知技術(shù)將來能夠得到正確運(yùn)用，智能交通詳細(xì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)，科學(xué)系統(tǒng)的分析、改造現(xiàn)有的交通管理體系，對(duì)緩解城市交通難題有極大幫助。利用逼真的三維數(shù)字模型展示人口密集的商業(yè)區(qū)、重要文物古跡旅游點(diǎn)等，以不同的觀測(cè)視角，為安全設(shè)施的位置部署，提早預(yù)防和對(duì)突發(fā)事件的及時(shí)處理等情況，為維系社會(huì)公共安全提供保障。11.4機(jī)器感知機(jī)器智能研究如何提高機(jī)器應(yīng)用的智能水平，把機(jī)器用得更聰明。這里，“機(jī)器”主要指計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化裝置、通信設(shè)備等。人工智能專家系統(tǒng)，就是用計(jì)算機(jī)去模擬、延伸和擴(kuò)展專家的智能，基于專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，可以求解專業(yè)性問題的、具有人工智能的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。如：醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)，故障診斷專家系統(tǒng)等。智能機(jī)器則是研究如何設(shè)計(jì)和制造具有更高智能水平的機(jī)器。特別是，設(shè)計(jì)和制造更聰明的計(jì)算機(jī)？11.4.1機(jī)器智能與智能機(jī)器機(jī)器思維，具體地說是計(jì)算機(jī)思維，如專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)下棋、計(jì)算機(jī)作曲、計(jì)算機(jī)繪畫、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)證明定理、計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程等。思維機(jī)器，或者說是會(huì)思維的機(jī)器?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是一種不會(huì)思維的機(jī)器。但是，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)可以在人腦的指揮和控制下，輔助人腦進(jìn)行思維活動(dòng)和腦力勞動(dòng)，如：醫(yī)療診斷、化學(xué)分析、知識(shí)推理、定理證明、產(chǎn)品設(shè)計(jì)……實(shí)現(xiàn)某些腦力勞動(dòng)自動(dòng)化或半自動(dòng)化。從這種觀點(diǎn)也可以說，目前的計(jì)算機(jī)具有某些思維能力，只不過現(xiàn)有電腦的智能水平還不高。所以，需要研究更聰明的、思維能力更強(qiáng)的智能電腦或腦模型。11.4.2機(jī)器思維與思維機(jī)器感知機(jī)器或認(rèn)知機(jī)器，研制具有人工感知或人工認(rèn)知能力的機(jī)器。包括：視覺機(jī)器、聽覺機(jī)器、觸覺機(jī)器……如：文字識(shí)別機(jī)、感知機(jī)、認(rèn)知機(jī)、工程感覺裝置、智能儀表等。11.4.2機(jī)器思維與思維機(jī)器機(jī)器行為或計(jì)算機(jī)行為研究如何用機(jī)器去模擬、延伸、擴(kuò)展人的智能行為，如：自然語(yǔ)言生成用計(jì)算機(jī)等模擬人說話的行為；機(jī)器人行動(dòng)規(guī)劃模擬人的動(dòng)作行為；倒立擺智能控制模擬雜技演員的平衡控制行為；機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制模擬人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制行為；工業(yè)窯爐的智能模糊控制模擬窯爐工人的生產(chǎn)控制操作行為；軋鋼機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模擬操作工人對(duì)軋鋼機(jī)的控制行為……11.4.3機(jī)器行為與行為機(jī)器行為機(jī)器指具有人工智能行為的機(jī)器，或者說，能模擬、延伸與擴(kuò)展人的智能行為的機(jī)器。例如：智能機(jī)械手、機(jī)器人、操作機(jī)；自然語(yǔ)言生成器；智能控制器，如專家控制器、神經(jīng)控制器、模糊控制器……這些智能機(jī)器或智能控制器，具有類似于人的智能行為的某些特性，如自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織、自協(xié)調(diào)、自尋優(yōu)……因而，能夠適應(yīng)工作環(huán)境的條件的變化，通過學(xué)習(xí)改進(jìn)性能，根據(jù)需求改變結(jié)構(gòu)，相互配合、協(xié)同工作，自行尋找最優(yōu)工作狀態(tài)。11.4.3機(jī)器行為與行為機(jī)器PART05機(jī)器人的概念機(jī)器人是“自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置”，是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。機(jī)器人的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)或是危險(xiǎn)的工作。11.5機(jī)器人的概念隨著工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人開始進(jìn)入大量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用階段。爾后由于自動(dòng)裝備海洋開發(fā)空間探索等實(shí)際問題的需要，對(duì)機(jī)器人的智能水平提出了更高的要求。特別是危險(xiǎn)環(huán)境，人們難以勝任的場(chǎng)合更迫切需要機(jī)器人，從而推動(dòng)了智能機(jī)器人的研究。11.5機(jī)器人的概念機(jī)器人的發(fā)展歷史要比人們想象的更豐富、更悠久。歷史上最早的機(jī)器人例如隋煬帝命工匠按照柳抃形象所營(yíng)造的木偶機(jī)器人，施有機(jī)關(guān)，有坐、起、拜、伏等能力。也許第一個(gè)被人們接受的機(jī)械代表作是1574年制造的斯特拉斯堡鑄鐵公雞。每天中午它會(huì)張開喙，伸出舌頭，拍打翅膀，展開羽毛，抬起頭并啼鳴3次。這只公雞一直服務(wù)到1789年。在20世紀(jì)，人們建造了許多成功的機(jī)器人系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，在工廠和工業(yè)環(huán)境中，機(jī)器人開始變得司空見慣。11.5.1機(jī)器人的發(fā)展控制論領(lǐng)域被視為人工智能的早期先驅(qū)，是在生物和人造系統(tǒng)中對(duì)通信和控制過程進(jìn)行研究和比較。麻省理工學(xué)院的諾伯特·維納為定義這個(gè)領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)，并進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究。這個(gè)領(lǐng)域?qū)碜陨窠?jīng)科學(xué)和生物學(xué)與來自工程學(xué)的理論和原理結(jié)合起來，目的是在動(dòng)物和機(jī)器中找到共同的屬性和原理。馬特里指出：“控制論的一個(gè)關(guān)鍵概念側(cè)重于機(jī)械或有機(jī)體與環(huán)境之間的耦合、結(jié)合和相互作用?！边@種相互作用相當(dāng)復(fù)雜。她將機(jī)器人定義為：“存在于物質(zhì)世界中的自治系統(tǒng)，可以感知其環(huán)境，并可以采取行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一些目標(biāo)”。11.5.1機(jī)器人的發(fā)展1949年，為了模仿自然生命，英國(guó)科學(xué)家格雷·沃爾特設(shè)計(jì)制作了一對(duì)名叫埃爾默和埃莉斯的機(jī)器人，因?yàn)樗麄兊耐庑魏鸵苿?dòng)速度都類似于自然界的爬行龜，也稱為機(jī)器龜。這是公認(rèn)最早的真正意義上的移動(dòng)式機(jī)器人。11.5.1機(jī)器人的發(fā)展沃爾特機(jī)器人與之前的機(jī)器人不同，它們以不可預(yù)知的方式行事，能夠做出反應(yīng)，在其環(huán)境中能夠避免重復(fù)的行為?！盀觚敗庇?個(gè)輪子和一個(gè)硬塑料外殼組成。兩個(gè)輪子用于前進(jìn)和后退，而第三個(gè)輪子用于轉(zhuǎn)向。它的“感官”非常簡(jiǎn)單，僅由一個(gè)可以感受到光的光電池和作為觸摸傳感器的表面電觸點(diǎn)組成。光電池提供了電源，外殼提供了一定程度的保護(hù)，可防止物理?yè)p壞。有了這些簡(jiǎn)單的組件和其他幾個(gè)組件，沃爾特的“能夠思維的機(jī)器”能夠表現(xiàn)出如下的行為：找光；朝著光前進(jìn)；遠(yuǎn)離明亮的光；轉(zhuǎn)動(dòng)和前進(jìn)以避免障礙；給電池充電。11.5.1機(jī)器人的發(fā)展自機(jī)器人誕生之日起，人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機(jī)器人。隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富。從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，機(jī)器人專家將機(jī)器人分為兩大類，即制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人（特種機(jī)器人）。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人。11.5.1機(jī)器人的發(fā)展國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！?1.5.2機(jī)器人“三原則”中國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器?！痹谘芯亢烷_發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。11.5.2機(jī)器人“三原則”機(jī)器人學(xué)的研究推動(dòng)了許多人工智能思想的發(fā)展，有一些技術(shù)可在人工智能研究中用來建立世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過程。關(guān)于機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究，推動(dòng)了規(guī)劃方法的發(fā)展。此外，由于機(jī)器人是一個(gè)綜合性的課題，除機(jī)械手和步行機(jī)構(gòu)外，還要研究機(jī)器視覺、觸覺、聽覺等信感技術(shù)以及機(jī)器人語(yǔ)言和智能控制軟件等?？梢钥闯鲞@是一個(gè)設(shè)計(jì)精密機(jī)械信息傳感技術(shù)、人工智能方法、智能控制以及生物工程等學(xué)科的綜合技術(shù)，這一研究有利于促進(jìn)各學(xué)科的相互結(jié)合，并大大推動(dòng)人工智能技術(shù)的發(fā)展。11.5.2機(jī)器人“三原則”為了防止機(jī)器人傷害人類，1942年，科幻小說家艾薩克·阿西莫夫在小說《鋼洞》中提出了“機(jī)器人三原則”：（1）機(jī)器人不得傷害人類，不得看到人類受到傷害而袖手旁觀。（2）機(jī)器人必須服從人類給予的命令，除非這種命令與第一原則相沖突。（3）只要與第一或第二原則沒有沖突，機(jī)器人就必須保護(hù)自己的生存。這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。幾十年過去了，機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三條原則作為機(jī)器人開發(fā)的準(zhǔn)則。11.5.2機(jī)器人“三原則”PART06機(jī)器人的技術(shù)問題開發(fā)機(jī)器人涉及的技術(shù)問題極其紛雜，在某種程度上，這取決于人們實(shí)現(xiàn)精致復(fù)雜的機(jī)器人功能的雄心。從本質(zhì)上講，機(jī)器人方面的工作是問題求解的綜合形式。機(jī)器人的早期歷史著重于運(yùn)動(dòng)和視覺（稱為機(jī)器視覺）。計(jì)算幾何和規(guī)劃問題是與其緊密結(jié)合的學(xué)科。在過去幾十年中，隨著如語(yǔ)言學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等領(lǐng)域成為機(jī)器人技術(shù)的研究與進(jìn)步的一個(gè)不可分割的部分，機(jī)器人學(xué)習(xí)的可能性變得更加現(xiàn)實(shí)。11.6機(jī)器人的技術(shù)問題在1967年日本召開的第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議上，就提出了兩個(gè)有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的：“機(jī)器人是一種具有移動(dòng)性、個(gè)體性、智能性、通用性、半機(jī)械半人性、自動(dòng)性、奴隸性等7個(gè)特征的柔性機(jī)器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動(dòng)性、智能性、個(gè)體性、半機(jī)械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動(dòng)性等10個(gè)特性來表示機(jī)器人的形象。11.6.1機(jī)器人的組成另一個(gè)是加藤一郎提出的具有如下3個(gè)條件的機(jī)器稱為機(jī)器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個(gè)體；（2）具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠(yuǎn)方信息）和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器。11.6.1機(jī)器人的組成可以說機(jī)器人就是具有生物功能的實(shí)際空間運(yùn)行工具，可以代替人類完成一些危險(xiǎn)或難以進(jìn)行的勞作、任務(wù)等。機(jī)器人能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：智能，指感覺和感知，包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等；機(jī)能，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、可靠性、聯(lián)用性和壽命等。11.6.1機(jī)器人的組成機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)、復(fù)雜機(jī)械等組成。圖11-9機(jī)器人的結(jié)構(gòu)11.6.1機(jī)器人的組成（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人）等。11.6.1機(jī)器人的組成（2）驅(qū)動(dòng)裝置。是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。11.6.1機(jī)器人的組成（3）檢測(cè)裝置。是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測(cè)裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測(cè)得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。11.6.1機(jī)器人的組成一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。11.6.1機(jī)器人的組成（4）控制系統(tǒng)。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級(jí)）式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級(jí)從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。11.6.1機(jī)器人的組成值得注意的是，機(jī)器人電力供應(yīng)與人類之間存在一些重要的類比。人類需要食物和水來為身體運(yùn)動(dòng)和大腦功能提供能量。目前，機(jī)器人的大腦并不發(fā)達(dá)，因此需要?jiǎng)恿ΓㄍǔＳ呻姵靥峁┻M(jìn)行運(yùn)動(dòng)和操作。現(xiàn)在思考，當(dāng)“電源”快沒電了（即當(dāng)我們餓了或需要休息時(shí)）會(huì)發(fā)生什么。我們不能做出好的決定，犯錯(cuò)誤，表現(xiàn)得很差或很奇怪。機(jī)器人也會(huì)發(fā)生同樣的事情。因此，它們的供電必須是獨(dú)立的，受保護(hù)和有效的，并且應(yīng)該可以平穩(wěn)降級(jí)。也就是說，機(jī)器人應(yīng)該能夠自主地補(bǔ)充自己的電源，而不會(huì)完全崩潰。11.6.1機(jī)器人的組成末端執(zhí)行器使機(jī)器人身上的任何設(shè)備可以對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。在機(jī)器人世界中，它們可能是手臂、腿或輪子，即可以對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的任何機(jī)器人組件。驅(qū)動(dòng)器是一種機(jī)械裝置，允許末端執(zhí)行器執(zhí)行其任務(wù)。驅(qū)動(dòng)器可以包括電動(dòng)機(jī)、液壓或氣動(dòng)缸以及溫度敏感或化學(xué)敏感的材料。這樣的執(zhí)行器可以用于激活輪子、手臂、夾子、腿和其他效應(yīng)器。驅(qū)動(dòng)器可以是無源的，也可以是有源的。雖然所有執(zhí)行器都需要能量，但是有些可能是無源的需要直接的動(dòng)力來操作，而其他可能是無源的使用物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律來保存能量。11.6.1機(jī)器人的組成最常見的執(zhí)行器是電動(dòng)機(jī)，但也可以是使用流體壓力的液壓、使用空氣壓力的氣動(dòng)、光反應(yīng)性材料（對(duì)光做出響應(yīng)）、化學(xué)反應(yīng)性材料、熱反應(yīng)性材料或壓電材料（通常為晶體，按下或彈起時(shí)產(chǎn)生電荷的材料。11.6.1機(jī)器人的組成運(yùn)動(dòng)學(xué)是關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的最基礎(chǔ)研究。在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，這是一種自下而上的技術(shù)，涉及物理、力學(xué)、軟件和控制領(lǐng)域。像這樣的情況，這種機(jī)器人技術(shù)每時(shí)每刻都需要軟件來控制硬件，因此這種系統(tǒng)很快就變得相當(dāng)復(fù)雜。無論你是想讓機(jī)器人踢足球，還是登上月球，或是在海面下工作，最根本的問題都是運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人如何移動(dòng)？它的功能是什么？11.6.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)典型的執(zhí)行器是：·輪子用于滾動(dòng)。·腿可以走路、爬行、跑步、爬坡和跳躍?！な直塾糜谧ノ?、搖擺和攀爬?！こ岚蛴糜陲w行?！つ_蹼用于游泳。11.6.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)在機(jī)器人領(lǐng)域中，一個(gè)常見的概念是物體運(yùn)動(dòng)度，這是表達(dá)機(jī)器人可用的各種運(yùn)動(dòng)類型的方法。例如，考慮直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)自由度（稱為平移自由度）。一般來說，有6個(gè)自由度（DOF）可以描述直升機(jī)可能的原地轉(zhuǎn)圈、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)。