机器人概论概述.pptx

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1、01 什么是机器人?02 Robot 与控制论03 Robot 与机器人学04 Robot 与人工智能05 Robot 的进化史06 机器人名人堂07 机器人能做什么？第一章第一章 概述概述(Introduction)(Introduction)第1页/共73页01 什么是机器人?1.1 机器人与机器人与 Robot机器人是 Robot 的译名。然而，大多数 Robot 都不像人。Robot 不仅包括机器人，还包括：机器狗，机器猫，机器龟，机器蛇，机器昆虫，机器蜘蛛，以及一切具有生命特征的机电系统。在英文新造的词汇中，有一个词组：Artificial Life，一般译作：人工生命，意即人造的生

2、命。Robot 就是一种人工生命，是物理的人工生命，我们不妨将其称为机器生命（Mechanical Life）。第2页/共73页01 什么是机器人?1.2 Robot 一词的由来一词的由来1920 年，捷克作家 Capek 编写了一部幻想剧，名叫Rossum 的 Robota 万能公司，剧中，Rossum 发明制造了一大批无思想，无情感，能劳动的个体 Robota。一个 Robota 能干三个人的活，Rossum的公司因此生意兴隆。第3页/共73页01 什么是机器人?1.2 Robot 一词的由来一词的由来捷克语中，Robota 意即“奴隶”。剧中的 Robota 能存活 20 年，刚制造出来

3、时，由人教给它们知识，之后，受人驱使，埋头干活，其存在的价值仅在于为人类服务。第4页/共73页01 什么是机器人?1.2 Robot 一词的由来一词的由来然而，有一天，一次偶发的事故使 Robota 开始有了知觉。Robota 们不堪忍受人类的奴役，发起了对人类的攻击，最终消灭了人类。第5页/共73页01 什么是机器人?1.2 Robot 一词的由来一词的由来Capek 的幻想剧Rossum 的 Robota 万能公司十分成功，在欧美广为流传，英文中的 Robot 一词由此而来，意即仿人的机器。渐渐地，仿人机器和仿生机器的研究形成了一门学科，Robot 衍生出 Robotics，意即“机器人学

4、”。机器人学是仿生机器或机器生命的机体和行为设计学。Capek 的幻想代表了人类对先进生产工具的渴望，这种渴望激发了人类丰富的想象力，促动人类研究仿人机器，这种机器有胳膊有腿，甚至能感知，有智能。第6页/共73页01 什么是机器人?1.3 Webster 定义的定义的 RobotAn automatic apparatus or device that performs functions ordinarily ascribed to humans or operates with what appears to be almost human intelligence.机器人是一种自动的仪器

5、或设备，它履行通常归属人类的职责，运行起来像是具有人类的智能。1.4 Wikipedia 定义的定义的 RobotA robot is a mechanical intelligent agent which can perform tasks on its own,or with guidance.In practice a robot is usually an electro-mechanical machine which is guided by computer and electronic programming。机器人是一种机械的智能体，能自行执行任务，自主导航。通常，它是一种

6、机电系统，由计算机和电子程序操纵。第7页/共73页01 什么是机器人?1.5 Robot 作为机器生命的特征作为机器生命的特征本课程所讲述的机器人（Robot），主要指自治移动式机器人（Autonomous Mobile Robot），或称机器生命。Robot，作为仿生机器或机器生命，应该具备三个特征：特征一：Robot 是一种机器，是由机电元件构成的机器。与自然生命不同，机器生命不是有机物构成的，而是机电元件构 成 的。因 此，Robot 首先应该是机器。第8页/共73页01 什么是机器人?1.5 Robot 作为机器生命的特征作为机器生命的特征Robot，作为机器生命，应该具备三个特征：特

7、征二：Robot 能自主地迁移，或于陆地上行走或爬行，或于大海里遨游，或于天空中飞翔。Robot 是可迁移或可移动的机器（Mobile Machine），或会爬行，或会行走，或会游泳和潜水，或会飞行。并且，Robot 的迁移是自主的或自治的（Autonomous）。第9页/共73页01 什么是机器人?1.5 Robot 作为机器生命的特征作为机器生命的特征Robot，作为机器生命，应该具备三个特征：特征三：Robot 具有感知能力和认知能力。Robot 像自然生命一样，或听，或看，或嗅，或尝，或触摸，其最高形式是：象自然生命一样，是智能的，有脑，会思考，会判断，会决策，并且，能认知，会学习。类

8、比一般自动控制系统。第10页/共73页01 什么是机器人?1.6 Robot 的亚当和夏娃的亚当和夏娃如果说人类的创造者是上帝，那么，自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）的上帝就是人类。如果说亚当和夏娃是人类的祖先，那么，自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）的祖先又是谁呢？这将会是一个争论不休的问题。公元 126 年，中国东汉时期的大科学家张衡设计了一种机器鸟，称为“独飞木雕”。“独飞木雕”是一种木制的飞行装置，有类似鸟翅膀的扑翼，利用弹性物体积蓄的能量飞行，能量耗尽后，凭借上升气流的作用滑翔。第11页/共73页01 什么是机器人?1.6 Robot 的亚当和夏娃的亚当和夏娃张

9、衡的“独飞木雕”具备自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）的特征一和特征二，却不具备特征三。“独飞木雕”没有感觉器官，无感知能力，因而，还不能算作真正意义上的 Robot，或者说，还不能算作真正意义上的仿生机器或机器生命。二十世纪 40 年代，为了模拟自然生命，英国科学家 Walter 设计制作了一只机器龟，名叫 Elmer，这便是最早的具有生命特征的机器，一个真正意义上的自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）。Walter 对 Elmer 和 Timothy 的行为进行了有趣的类比。第12页/共73页01 什么是机器人?1.6 Robot 的亚当和夏娃的亚当和夏娃Timothy

10、是 Walter 的儿子。Walter及其家人与ElmerElmer 及其复制品第13页/共73页01 什么是机器人?1.6 Robot 的亚当和夏娃的亚当和夏娃Timothy 饥饿的时候会搜寻食物，食物进入体内后，能量以脂肪的形式存储，而 Elmer 能量不足的时候会寻求光照，并将光转变为蓄电池中的化学能；Timothy 吃饱后会小睡一会儿，而 Elmer 充足电之后会找一个光线柔和的地方休息休息。与张衡的“独飞木雕”不同，Walter 的机器龟不仅具有生命的第一和第二特征，还具有生命的第三特征。Walter 的机器龟有感觉器官，因而，具备了感知能力。Elmer 有类似动物的饥饿感，有初级的

11、视觉。同时，Elmer具有依据感知信息自主地或自治地制定行动规划的能力：饥饿时寻求光，而温饱时回避光。第14页/共73页01 什么是机器人?1.6 Robot 的亚当和夏娃的亚当和夏娃Walter 的机器龟 Elmer 和 Walter 的另一只机器龟 Elsie 被视为自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）的亚当和夏娃，而 Walter 则被视为自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）之父。Elmer 和 Elsie 诞生后，自治移动式 Robot（仿生机器或机器生命）逐渐成为科学技术的一个热点，形形色色的机器生命相继出现，如：足球机器人、机器牧羊犬、电子狗、机器猫、人工鱼、机器蜻

12、蜓、机器水母、机器龟、机器昆虫、电子三叶虫、机器蛇、电子蜗牛、机器蜘蛛、机器工兵、机器战士、外星爬行机械（月球车和火星车）、水下自治探测器等。第15页/共73页01 什么是机器人?1.6 Robot 的亚当和夏娃的亚当和夏娃如今，自治移动式Robot（仿人机器或机器生命）已经成为一个多学科融合的科学研究领域，其中：控制论（Cybernatics）机器人学（Robotics）人工智能（Artificial Intelligence）扮演着重要角色。第16页/共73页02 Robot 与控制论2.1 Wiener 与控制论与控制论1948 年，美国天才科学家 Wiener 将机器与生命类比，将计算

13、机与人脑类比，从而创立了控制论。Wiener 是一个天才，8 岁上中学，11 岁上大学，14 岁大学毕业，18 岁获得博士学位，其后，师从英国数学家和哲学家 Rosu。Wiener，虽然主修数学和哲学，却始终思索着动物和机器的辨证关系。Wiener 的控制论就是关于动物和机器共性的科学，是关于动物和机器统一性或同一性的科学。Wiener 兴趣广泛，在理论物理学、生物学、神经生理学和心理学、哲学、文学等领域都有建树。正是 Wiener 广博的知识，使控制论成为科学融合的艺术。第17页/共73页02 Robot 与控制论Wiener 说：“就其控制行为而言，所有的技术系统都是生物系统的仿制品。”W

14、iener 所 说 的“技 术 系 统”（Technological System），就是人工系统（Artificial System）或人造系统（Man-Made System），就是机器。自然地，Robot（仿人机器或机器生命）就是一种技术系统，是最典型的生物系统的仿制品。2.1 Wiener 与控制论与控制论第18页/共73页02 Robot 与控制论2.2 机器和生命系统中的运动模式机器和生命系统中的运动模式在控制论中，Wiener 指出：“我们正研究这样一种自动机器，它不仅通过能量流动和新陈代谢，而且通过信息流动和传递信号，引起动作流动，并和外界有效地联系起来。自动机器接收信息的装置

15、相当于人和动物的感觉器官；相当于动作器官的可以是电动机或其它不同性质的工具。自动机器接收到的信息不一定立即使用，可以储存起来以备未来之需，这与记忆相似。自动机器运转时，其操作规则会依历史数据产生变化，这就象是学习的过程。”。第19页/共73页02 Robot 与控制论依据 Wiener 的控制论，机器和动物具有两种共同的基本的运动模式：模式一：能量流动动物的能量流动过程是能量变换的过程，是能量由摄入器官到动作器官的过程，是维持机体活性的过程。动物的能量流动依赖血液、肌肉和骨骼。机器具有与动物类似的能量流动。机器的能量流动过程也是能量变换的过程，是能量由能量的输入和储存装置到运动机构的过程，是维

16、持机器运转的过程。机器的能量流动依赖电荷、马达和齿轮。2.2 机器和生命系统中的运动模式机器和生命系统中的运动模式第20页/共73页02 Robot 与控制论依据 Wiener 的控制论，机器和动物具有两种共同的基本的运动模式：模式一：能量流动机器和动物的能量流动2.2 机器和生命系统中的运动模式机器和生命系统中的运动模式第21页/共73页02 Robot 与控制论依据 Wiener 的控制论，机器和动物具有两种共同的基本的运动模式：模式二：信息流动动物的信息流动过程是信息变换的过程，是由刺激到反应的过程，是信息由感觉器官、传入神经，到神经中枢，再由传出神经至动作器官的过程。动物的信息流动2.

17、2 机器和生命系统中的运动模式机器和生命系统中的运动模式第22页/共73页02 Robot 与控制论依据 Wiener 的控制论，机器和动物具有两种共同的基本的运动模式：模式二：信息流动机器具有与动物类似的信息流动。机器的信息流动过程也是信息变换的过程，是信息由传感器、输入线路，到计算机或电脑，再由输出线路至电机的过程。机器的信息流动2.2 机器和生命系统中的运动模式机器和生命系统中的运动模式第23页/共73页02 Robot 与控制论依据 Wiener 的控制论，机器和动物具有两种共同的基本的运动模式：模式二：信息流动机器中，相对于动物感觉器官的是传感器，如红外探测仪、摄像仪、声纳，以及各种

18、触觉、温度、湿度、压力、流量传感器。机器中，相对于动物神经线路的是电子线路。机器中，相对于动物神经中枢或脑的是计算机。机器中，相对于动物动作器官的是齿轮和马达。2.2 机器和生命系统中的运动模式机器和生命系统中的运动模式第24页/共73页02 Robot 与控制论2.3 Wiener 的机器蠕虫的机器蠕虫Wiener 在控制论中虚拟了一个 Robot，一个机器蠕虫，模拟蠕虫的负趋光行为，以阐明动物和机器的共性。Wiener 的机器蠕虫具有：感觉器官：一对带放大器的光电管神经中枢：一个用于平衡两个光电管输出的电桥动作器官：两个推动双螺旋机构的电动机第25页/共73页02 Robot 与控制论Wi

19、ener 的机器蠕虫能象自然界中的蠕虫一样回避光：光电管受光的刺激，并通过电子线路将感受的光信号送达电桥；电桥对来自不同光电管的信号进行鉴别和比较，给出关于运动方向的指令信号；指令信号送达运动机构，驱动马达，机器蠕虫就避开光，向光线较弱的方向运动。Wiener虫的机电式反射弧2.3 Wiener 的机器蠕虫的机器蠕虫第26页/共73页02 Robot 与控制论2.4 控制论对于机器人学的意义控制论对于机器人学的意义Wiener 的机器蠕虫是一个典型的机器生命体，它甚至早于 Walter 的 Elmer 和 Elsie。然而，Wiener 的机器蠕虫只是控制论中的一个思想实验，是虚拟的，而 Wa

20、lter 的 Elmer 和 Elsie 是物理的，是现实的。Wiener 的控制论对于机器人学有两个重要的涵义：涵义一：机器具有生命的特性涵义二：生命的特型（包括学习和记忆）是可以移植给机器的Wiener 的控制论是理念，是哲学，是世界观，是方法论。Wiener 的控制论是机器人学（Robotics）的思想基础。第27页/共73页03 Robot 与机器人学3.1 Robotics 是关于是关于 Robot 的科学的科学 Robotics，意即“机器人学”，是关于机器人的科学，设计机器人，分析机器人的动力学特性，规划机器人的运动轨迹，研究机器人的行为及其控制问题。机器人学是技术规范和技术准则

21、，是设计仿生机器或机器生命的机体和行为的技术规范和技术准则。第28页/共73页03 Robot 与机器人学3.2 Asimov 关于关于 Robot 的三定律的三定律1942年，著名科幻作家Asimov出版了一部关于机器人的书，名为Runaround，提出了如今已成为共识的机器人学三定律：定律一：机器人不能伤害人类；定律二：机器人必须服从人的命令，除非这些命令与定律一相违背；定律三：机器人必须维护自身的存在，除非这与定律一和定律二相违背。机器人学（Robotics）是技术规范和技术准则，是设计机器生命的机体和行为的技术规范和技术准则。在机器人学（Robotics）中，机器生命属于自治移动式机器

22、人（Autonomous Mobile Robot）一类。第29页/共73页04 Robot 与人工智能4.1 人工智能的诞生人工智能的诞生关于 Dartmouth 夏季会议：发起人：MeCarthy,Minsky,Lochester 和Shannon参加人：More,Samuel,Newell,Simon等地点：美国Dartmouth大学性质：科学讨论会内容：关于机器模拟智能的问题会期：两个月Dartmouth 夏季会议是一次不寻常的科学讨论会，世界上许多著名的科学家为参加这次会议而聚集到美国的Dartmouth，研讨机器智能的问题。1956 年的美国 Dartmouth 夏季会议宣告了人工

23、智能（Artificial Intelligence）科学的诞生。第30页/共73页04 Robot 与人工智能4.2 人工智能的目标人工智能的目标美国科学家Nilsson认为，人工智能包含两类目标：科学的目标：理解智能（Why？）工程的目标：实现智能（How？）生命的最高形式是智慧生命，或者说，智能的生命。同样地，机器的最高形式，是具有智慧或智能的机器人，即智能型的 Autonomous Mobile Robot（AMR）。从某种意义上说，人工智能的最高目标就是使机器或人工系统具有智能，包括记忆、判断、推理、思维、认知或学习，其中，最典型的人工系统是 AMR。所谓的实现智能，就是使机器或人工

24、系统具有智能。第31页/共73页04 Robot 与人工智能4.3 人工智能与智能机器人学人工智能与智能机器人学人工智能与机器人学交叉，形成了智能机器人学（Intelligent Robotics）。上世纪 60 年代末 70 年代初，美国 Stanford 研究所 研制出具有逻辑推理能力和行为规划能力的移动式机器人 Shakey，被认为是第一个具有智能的机器人，同时，也被视为是智能机器人学诞生的标志。从某钟意义上说，缺乏认知和学习能力的机器人不是真正意义上的智能机器人。1997年，美国 MIT 人工智能实验室的 Brooks 教授提出了认知机器人学（Cognitive Robotics）的概

25、念，旨在赋予机器人认知和学习的能力。第32页/共73页04 Robot 与人工智能4.4 Darwin 机的认知和学习机的认知和学习美国科学家 Edelman 将 Darwin 的生物进化论和自然选择理论引入神经生理学，提出了神经元选择理论，以刻划智能的发育和进化特征。神经元选择理论是一种神经计算理论，基于这一理论的神经计算模型类似动物的神经系统，其基本元素是人工神经元，即神经细胞的模型，是人工神经元相互联接便形成人工神经网络。Edelmand的工作既是人工智能科学的一部分，又是智能机器人学的一部份。基于神经元选择理论，Edelman等人设计出所谓的Darwin机(Darwin Machine

26、)。第33页/共73页04 Robot 与人工智能4.4 Darwin 机的认知和学习机的认知和学习Darwin 机的物理实现就是一种自治的移动式机器人（Autonomous Mobile Robot，AMR）。Darwin 机学习识别道路交叉口及其相互关系。Darwin 机是智能的 Robot，具有认知和学习的能力，能自主地学习识别道路交叉口及其相互关系。第34页/共73页04 Robot 与人工智能4.4 Darwin 机的认知和学习机的认知和学习Darwin 机具有类似动物的脑或神经系统，是智能型的机器人（Robot 或 AMR），有感知和认知能力：通过视觉和触觉传感器感知客观世界；在与

27、环境的交互过程中，其神经机能得以不断地发展；最终，学会识别环境中不同的物体，懂得接近目标，或规避障碍。正如美国科学家Winston所说的：“人工智能的中心目标是建立那些使智能的实现成为可能的原理。”这些原理就是智能机器人实现智能的基础。第35页/共73页05 Robot 的进化史5.1 通向智能机器人之路通向智能机器人之路如果把机器人的研究和发展进程与人类的进化类比，可以发现，机器人的进化与人类的进化一样，涉及两个方面：肌体的进化：机电系统组织结构复杂性的增长智力的进化：机器智能行为复杂性的增长与人类的进化一样，机器人（Robot）进化过程中具有典型意义的是机器人（Robot）脑系统的发展。机

28、器人（Robot）的脑系统是电脑。电脑是机器人（Robot）表现人工智能或机器智能的物质条件。第36页/共73页人类制造机器人或自动机器的思想由来已久，甚至可以追溯到公元前 1400 年，那时，巴比伦人设计制做了能自动运行的水钟（Water Clock）。05 Robot 的进化史5.1 通向智能机器人之路通向智能机器人之路就自治移动式机器人（AMR）而言，人类有关机器人（Robot）的研究可以追溯到十九世纪 40 年代末 50 年代初，那时，英国伯顿神经科学研究所的 Walter 制做了名为埃尔墨（Elmer）和埃尔希（Elsie）的两只机器龟，他们是自治移动式机器人（AMR）的亚当和夏娃。

29、随着科学技术的进步，在 Walter 龟之后，机器人学和机器人技术得到了越来越迅速的发展，特别是近十年，各种自治移动式机器人层出不穷。第37页/共73页05 Robot 的进化史5.2 1950s：电子管一代电子管一代代表性机器人（Robot）：Elmer 和 Elsie大脑：真空电子管作为神经元构成简单的神经系统。行为：玩：游荡，照镜子；吃：电量不足时寻求光照为电池充电；睡：充电后找个光线柔和的地方休息。感官：2 只光电二极管产生视觉1 个灵敏开关产生触觉光蓄电池高阻抗旁路产生饥饿感第38页/共73页05 Robot 的进化史5.3 1960s：晶体管一代晶体管一代代表性机器人（Robot）

30、：Hopkins 野兽 大脑：晶体管作为神经元构成的简单的人工神经线路行为：在走廊上巡游，依靠声纳避障，电量不足时依靠红外传感器寻找墙上黑色的电源插座自行充电。感官：红外传感器和声纳Moravec 认为，Hopkins 野兽的行为复杂性赶得上草履虫一类单核细胞生物。第39页/共73页05 Robot 的进化史5.4 1970s：数字计算机一代数字计算机一代代表性机器人（Robot）：Standford Cart大脑：一台（与肌体分离的）电子数字计算机行为：电子数字计算机处理视觉图像，辨别 2 维环境，搜索地表上预先绘制的白色线条，并沿着白色线条巡游。感官：电视摄像机（TV Camera）作为电

31、子眼第40页/共73页05 Robot 的进化史5.4 1970s：数字计算机一代数字计算机一代代表性机器人（Robot）：Standford Cart行为：到 70 年代末期，其感知认知能力提高，能学习，有了预测和适应能力，能辨别 3 维环境，能在复杂环境中自由地游荡。大脑：一台（与肌体分离的）电子数字计算机感官：电视摄像机（TV Camera）作为电子眼第41页/共73页05 Robot 的进化史5.5 1980s：微型计算机一代微型计算机一代代表性机器人（Robot）：CoreSampler大脑：一台（机载的）单板机行为：追踪放射线，采集核反应堆芯体样本，1983 年进入三里岛核电站安放

32、核反应堆的地下室勘测核泄漏状况，1984 年再次进入并成功地取回核反应堆芯体样本。感官：数字摄像机和放射线探测器第42页/共73页05 Robot 的进化史5.6 1990s：多多 CPU 一代一代代表性机器人（Robot）：机器蜘蛛 Dantin感官：7 个数字摄像机组成电子复眼；每一条腿各安装有 1 个力传感器和 1 个位置传感器，足底有 1 个探测温度的热电偶；1 个探测地形的球形激光扫描仪；1 个检测二氧化硫含量的传感器和 1 个检测硫化氢含量的传感器。大脑：8 个单片微型数字计算机形成的计算网络。第43页/共73页05 Robot 的进化史5.6 1990s：多多 CPU 一代一代代

33、表性机器人（Robot）：机器蜘蛛 Dantin行为：探测火山喷发气体中的二氧化硫和硫化氢的含量。1994 年 Dante 成 功 地 对 Alaska 火山进行了勘探，在连续五天的勘探中，Dante 独自呆在火山坑，自治与遥控相结合，开展火山勘探活动。第44页/共73页05 Robot 的进化史5.7 2000s：人形化一代人形化一代代表性机器人（Robot）：ASIMO大脑：复杂的多 CPU 分布并行计算网络，各 CPU 并行地和协调地执行各种任务机。感官：感知身体姿态的陀螺仪和倾角仪；感知足关节和腿关节运动的力传感器，感知臂关节运动的力传感器；感知声音的麦克；获取视觉信号的数字摄像仪探测

34、器。第45页/共73页05 Robot 的进化史行为：像人一样，轻松优雅地前进，后退，拐弯，上下楼梯；拥有各种仿生技能，包括：人脸识别，自然语言理解，手势和姿态识别，环境数字映射，以及互联网络联结操作。5.7 2000s：人形化一代人形化一代代表性机器人（Robot）：ASIMO第46页/共73页05 Robot 的进化史5.8 Moravec 的预言的预言依据 Moravec 的观点，自治移动式机器人（Robot 或 AMR）与生物一样，正在经历一个进化的过程：195060s 单细胞生物的水平1970s 多细胞生物的水平1980s 低等鱼类的水平1990s 一般昆虫的水平2000s 小型蜥蜴

35、的水平第47页/共73页05 Robot 的进化史5.8 Moravec 的预言的预言美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人技术学院移动式机器人实验室主任 Hans Peter Moravec 博士被人为是当今世界上处于领导地位的“硬”人工智能（Hard AI）专家，他在 2000 年世纪交替之时对机器人的未来做了极为乐观的预测和展望：“它它们们现现在在才才刚刚刚刚达达到到脊脊椎椎动动物物复复杂杂性性的的低低级级水水平平，然然而而，它它们们将将在在半半个个世世纪纪内内赶上我们人类。赶上我们人类。”Hans P.Moravec 第48页/共73页05 R

36、obot 的进化史5.8 Moravec 的预言的预言2010：非常自治的小型机器人出现，能执行具体的任务，如：在家庭中承担清洁任务，自行勘测房间并规划行动路线，自行制定工作时间表，自行检测房间清洁程度并有针对性地进行清洁工作，自行充电和自我管理，无需人的照料，具有低等哺乳动物的智力水平。2020：第一代万能机器人出现，其微电脑的运算速度达到每秒百亿次，具有较为复杂的运算和运筹能力，智力达到中小型哺乳动物的水平，能执行若干不同的任务，如：在家庭中，处理各种家务杂事。2030：第二代万能机器人出现，智力达到中等哺乳动物的水平，具有认知能力和条件反射的学习机制，能依据过去的经验面对选择，能逐渐地适

37、应其特殊的和变化的生存环境。2040：第三代万能机器人出现，智力达到灵长类动物的水平，具有生理的、心理的和文化的特征。2050：第四代万能机器人出现，智力达到人类的水平。第49页/共73页05 Robot 的进化史5.8 Moravec 的预言的预言Moravec的预言太乐观了。然而，Moravec 的预言代表了科学家甚至科学界的追求和愿望。更重要的是，Moravec 的预言为机器人学和机器人技术领域描绘了机器人发展的方向和目标：方向：朝向智能机器人的方向，朝向提高机器人智能的方向。目标：赶上和超过人类。第50页/共73页06 机器人名人堂6.1 关于机器人名人堂关于机器人名人堂2003 年

38、4 月 30 日，美国 Carnegie Mellon 大学为机器人建立了一个名人堂，即“机器人名人堂”（The Robot Hall of Fame,RHF）。机器人名人堂祭典那些对于人类具有里程碑意义的机器人。这些机器人分为两类：(1)真实机器人(2)虚幻机器人真实的机器人，如 Walter 龟，人形机器人 ASIMO，火星探测车 Sojourner，它们具有特定的功能或技能，能服务于人类。而虚幻机器人，如科学幻想小说中的机器人，电影或电视剧中的机器人，它们能激发我们的想象力，使我们创造出更精巧的真实机器人。第51页/共73页06 机器人名人堂6.2 首届首届 RHF 入住仪式入住仪式20

39、03 年 11 月 10 日，首届机器人名人堂入堂仪式在美国 Carnegie Mellon 大学所在地 Pittsburgh 的 Carnegie 科学中心举行，4 种机器人首批入住机器人名人堂，其中，2 种是真实机器人，另 2 种是虚幻机器人：美国 NASA 研制的 1997 年登陆火星的火星探测车“旅居者（Sojourner）”1961 年美国 G.Devol 发明的用于 组 装 汽 车 的 通 用 机 械 臂（Unimate Robotic Arm）美国科幻系列影片星球大战（Star Wars）中的机器人 R2-D2美国科幻影片宇宙奥 德 赛（2001:A Space Odyssey）

40、中的机器人 HAL-9000第52页/共73页06 机器人名人堂6.3 第二届第二届 RHF 入住仪式入住仪式2004 年 10 月 11 日，第二届机器人名人堂入堂仪式在 Carnegie 科学中心举行，又有 5 种机器人入住机器人名人堂，其中，2 种是真实机器人，另 3 种是虚幻机器人：2000 年日本 Honda 制造的人性化机器人 ASIMO。1969 年美国 Standford 研究所人工智能中心发明的 Shakey(最早的由计算机控制且有模式识别智能行为的移动式机器人)日本科幻动画片宇宙男孩(Astroboy)中的机器人“铁臂阿童木(Atom Boy)”美国系列科幻影片星球大战(S

41、tar Wars)中的机器人 C-3PO(R2-D2 的同僚)美国科幻影片禁锢的星球(Forbidden Planet)中的机器人 Robby (最早的机器人银幕形象)第53页/共73页06 机器人名人堂随“探路者（Pathfinder）”到达火星的“旅居者（Sojourner）”是第一个入住机器人名人堂的自治移动 移 动 式 机 器 人（Robot 或 AMR）。6.4 探索火星的探索火星的“旅居者旅居者”：Sojourner第54页/共73页6.4 探索火星的探索火星的“旅居者旅居者”：Sojourner06 机器人名人堂Sojourner（旅居者）是 美 国 航 空 航 天 局NASA研

42、制的用于探测火星的自治机器人，有较高的智能，安装有精密的激光电子眼，面对预料之外的火星环境，能自治地规划行动方案。“旅居者”（Sojourner）于1996 年 12 月 4 日随“探路者”（Pathfinder）起飞，1997 年 7 月 4 日抵达火星。科研人员在“旅居者”(Sojourner)出发前对其进行组装和测试第55页/共73页06 机器人名人堂6.4 探索火星的探索火星的“旅居者旅居者”：Sojourner“旅居者”对火星表面大约 250 平方米的范围进行了勘探，进行了 16 次岩石和土壤的化学分析和力学实验，向地球发回了 2.310+9 比特的数据，包括17,050 张照片、1

43、6 组岩石和土壤化学实验结果，以及 8.510+6组有关火星大气压力、温度和风的测试数据。美国在“旅居者”即将登陆火星时发行的宣传画美国在“旅居者”(Sojourner)出发前发行的纪念邮票第56页/共73页06 机器人名人堂6.5 第一个智能机器人：第一个智能机器人：ShakeyShakey 是世界上第一具有规划其行动的逻辑推理能力的移动式机器人(Mobile Robot)，因其行动颠簸摇摆而得名。2004 年 10 月 11 日作为第二批成员进驻机器人名人堂。第57页/共73页06 机器人名人堂6.5 第一个智能机器人：第一个智能机器人：ShakeyShakey 的研发始于 1966 年，

44、由 Stanford Research Institute（现为 SRI International）创作。经过多年的研究，Shakey，移动式机器人族中的丑小鸦(Ungainly“bot”)，已经成为机器人技术和人工智能技术应用的一个里程碑。Shakey 是一个智能机器人：装备了 TV Camera，触碰传感器，并通过无线设备与 DEC PDP-10 和 PDP-15 计算机联系在一起；能通过“看”和“推理”而“行动”；甚至，具有简单的言语能力，能接收英语键入的命令，用英语输出响应；其最大的成就在于，能理解一般的而非“step-by-step”的指令，进而自主地进行行动规划以完成任务。第58

45、页/共73页06 机器人名人堂6.6 人形机器人：人形机器人：ASIMOASIMO 诞生于 2000 年 10 月 31日，之前，它已经在日本 Honda Motor Co.腹中孕育了 15 年。ASIMO 是一个首字母组合词，意即 Advanced Step in Innovative Mobility。2004 年 10 月 11 日作为第二批成员进驻机器人名人堂，是美国之外的第一个 Robot 名人。ASIMO 上台接受名人堂证书第59页/共73页06 机器人名人堂6.6 人形机器人：人形机器人：ASIMOHonda 的工程师们还在继续地改进 ASIMO 以提高其智力水平和运动技能。目前

46、，ASIMO 的仿生技能包括：语言和人脸识别，环境数字映射，手势和姿态识别，以及互联网络联结操作。ASIMO 是世界上第一个能能像人一样轻松优雅地行走的机器人。第60页/共73页06 机器人名人堂6.7 科幻机器人：科幻机器人：ASTRO BOY机 器 人 名 人 堂 中 的 机 器 人，不 仅 仅 来 自 于 科 学（Science），也来自于科学幻想（Science Fiction）。ASTRO BOY，又叫阿童木（Atom），是日本漫画家手冢治虫（Osamu Tezuka）1951 年创作的卡通机器人，以其为主人翁的连环画流行于全世界，共计 5000 页之多。在手冢治虫的作品中，一个杰出

47、的科学家心爱的儿子死于一场车祸，对爱子的怀念驱使他创作了少年机器人(Child-Robot)Atom，并赋予它超人的力量：眼睛象探照灯，耳朵能听千里，手指能放射激光，腿是喷火的火箭，因而有飞行的本领。不仅如此，Atom 还有灵魂，有善心，有人类的情感。介乎人类和机器人之间，Atom 经历了各种艰难困苦，终究克服了自己面对的一切困难而成长起来。第61页/共73页06 机器人名人堂6.7 科幻机器人：科幻机器人：ASTRO BOY1963 年，阿童木被搬上黑白电视屏幕，并在 50 多个国家播放；1980 年，阿童木彩色版问世；2003 年，阿童木动漫问世。Atom 激发了无数日本儿童的想象力，其中

48、一些人后来成为了机器人学和机器人技术以及政治经济文化科学等其他领域的领袖。这正是 Atom 被选入机器人名人堂的重要因素。第62页/共73页06 机器人名人堂6.7 科幻机器人：科幻机器人：ASTRO BOY科幻机器人的意义或许远远地超过我们所能想象的。2004 年 10 月 11 日作为第二批成员进驻机器人名人堂，是美国之外的第一个科幻 Robot 名人。第63页/共73页07 机器人能做什么？7.1 Simon 1957 年的预言年的预言机器人（Robot 或 AMR）是科学技术的产物，是人类的杰作。那么，机器人能为人类做什么呢？人类对智能机器充满期望。1957年，人工智能的先驱 Simo

49、n 预测，10年之内，计算机将能：谱写具有美学价值的音乐用计算机程序表达大多数的心理学理论证明重大的数学猜想战胜人类国际象棋冠军第64页/共73页07 机器人能做什么？7.2 Winston 1957 年的预言年的预言1977年，Winston在其所著的人工智能一书中充满幻想地写到：不难想象计算机在未来世界中的应用，以今天的标准来看，很象科学幻想。这里给出一些例子：在农业中，计算机将控制病虫害，进行剪枝，并能有选择地收割套种的庄稼。在采矿业中，计算机将在对人类来说过于危险的条件下工作，它将在海底发掘锰。在制造业中，计算机将进行装配以及检查各种工作。在办公室中，计算机将编制有关人员和团体的各种表

50、格，把问题提交给适当的人，做新闻摘要，推敲文件草案，改正拼写和文法错误。第65页/共73页07 机器人能做什么？7.2 Winston 1957 年的预言年的预言1977年，Winston在其所著的人工智能一书中充满幻想地写到：不难想象计算机在未来世界中的应用，以今天的标准来看，很象科学幻想。这里给出一些例子：在学校里，计算机把学生们的问题视为要找的错误，给学生提供计算机化的书籍，显示行星运行的轨迹，演奏乐章。在医院里，计算机将帮助诊断、监护病人，处理治疗和管理床位。在家庭里，计算机将考虑烹调和采购，清理地板和草地，担负洗衣和处理生活费用等。Winston所说的计算机大多应该是装备了电脑的 A