機械工業(yè)出版社2020《人工智能導(dǎo)論》課程同步第9章 機器人技術(shù)

人工智能導(dǎo)論Introductiontoartificialintelligence機械工業(yè)出版社2020第四部分高級專題第9章機器人技術(shù)【導(dǎo)讀案例】RoboCop機器人世界杯足球錦標賽討論：1劃時代的計劃2機器感知3機器人的概念4機器人的技術(shù)問題5智能制造1劃時代的阿波羅計劃2機器人學中新的標準問題第1節(jié)9.1劃時代的計劃RoboCup機器人世界杯賽提出的最終目標是：到21世紀中葉，一支完全自治的人形機器人足球隊應(yīng)該能在遵循國際足聯(lián)正式規(guī)則的比賽中，戰(zhàn)勝當時的人類世界杯冠軍隊。提出的這個目標是人工智能與機器人學的一個重大挑戰(zhàn)。從現(xiàn)在的技術(shù)水平看來，這個目標可能是過于雄心勃勃了，但重要的是提出這樣的長期目標并為之而奮斗。類似這樣的挑戰(zhàn)目標還有很多。9.1.1劃時代的阿波羅計劃從萊特兄弟的第一架飛機到阿波羅計劃將人類送上月球并安全返回地球花了50年時間。同樣，從數(shù)字計算機的發(fā)明到深藍擊敗人類國際象棋世界冠軍也花了50年。人們意識到，建立人形機器人足球隊需要大致相當?shù)臅r間及很大范圍內(nèi)研究人員的極大努力，這個目標是不能在短期內(nèi)完成的（見表9-1）。9.1.1劃時代的阿波羅計劃表9-1人類提出的長期目標9.1.1劃時代的阿波羅計劃一個成功的劃時代計劃必須完成一個能引起廣泛關(guān)注的目標。1969年7月16日阿波羅登月，在阿波羅計劃中，美國制定了“送一個宇航員登陸月球并安全返回地球”的目標，目標的完成本身就是一個人類的歷史性事件。雖然送什么人登上月球帶來的直接經(jīng)濟收益很?。ü闹v，阿波羅計劃是希望獲得“國家聲望”，并展示對前蘇聯(lián)的技術(shù)優(yōu)勢。即便如此，幾個宇航員在月球登陸也沒有帶來直接的軍事優(yōu)勢）。為達到這個目標而發(fā)展的技術(shù)是如此重要，以至于成了美國工業(yè)強大的技術(shù)和人員基礎(chǔ)。9.1.1劃時代的阿波羅計劃劃時代計劃的重要問題是設(shè)定一個足夠高的目標，才能取得一系列為完成這個任務(wù)而必需的技術(shù)突破，同時這個目標也要有廣泛的吸引力和興奮點，完成目標所需的技術(shù)成為下一代工業(yè)的基礎(chǔ)。9.1.1劃時代的阿波羅計劃阿波羅計劃“是一個人的一小步，人類的一大步?！迸e國上下的努力使宇航員NeilArmstrong在登上月球表面，實現(xiàn)這個與人類歷史一樣久遠的夢想時能說出這句話。但是阿波羅計劃的目標已經(jīng)超過了讓美國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家利益的

技術(shù)；為美國在太空留下英名；開始對月

球的科學探索；提高人類在月球環(huán)境中的

能力。圖9-31969年7月16日阿波羅登月9.1.1劃時代的阿波羅計劃1997年5月，IBM的深藍計算機擊敗了國際象棋世界冠軍，人工智能歷時40年的挑戰(zhàn)終于取得了成功。在人工智能與機器人學的歷史上，這一年作為一個轉(zhuǎn)折點被記住了。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自治機器人系統(tǒng)Sojourner。

與此同時，RoboCup也朝開發(fā)能夠戰(zhàn)勝人類

世界杯冠軍隊的機器人足球隊走出了第一步。圖9-4第一個自治機器人系統(tǒng)Sojourner9.1.2機器人學中新的標準問題計算機國際象棋是一個典型的標準問題。各種搜索算法可以在這個領(lǐng)域中評價和發(fā)展。隨著深藍的成功，按照正式規(guī)則擊敗人類的頂尖高手，計算機國際象棋的挑戰(zhàn)到了尾聲。計算機國際象棋作為一個標準問題的成功，主要原因之一是清楚的定義了進展的評價。研究進展可以用系統(tǒng)的棋力來評價。一個挑戰(zhàn)必須能夠鼓勵一系列為下一代工業(yè)而發(fā)展的技術(shù)。人們認為RoboCup是一個標準問題，可以用來評價各種不同的理論、算法和體系結(jié)構(gòu)（見表9-2）。9.1.2機器人學中新的標準問題表9-2計算機國際象棋與RoboCup的領(lǐng)域特征的不同9.1.2機器人學中新的標準問題由于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)化到實際應(yīng)用中。例如：（1）搜索與救援。如在執(zhí)行任務(wù)時，一般是分成幾個小分隊，而每個小分隊往往只能得到部分信息，有時還是錯誤的信息；環(huán)境是動態(tài)改變的，往往很難做出準確的判斷；有時任務(wù)是在敵對環(huán)境中執(zhí)行，隨時都有可能會有敵人；幾個小分隊之間需要有很好的協(xié)作；在不同的情況下，有時需要改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，隨時調(diào)整策略；需要滿足一些約束條件，如將被救者拉出來，同時又不能傷害他們。這些特點與RoboCup有一定的相似，因此，在RoboCup中的研究成果就可以用于這個領(lǐng)域。事實上，有一個專門的RoboCup-Rescue專門負責這方面的問題。9.1.2機器人學中新的標準問題（2）太空探險。太空探險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。在探險過程中，可能會有一些運動的障礙物，必須要能夠主動躲避。另外，在遇到某些特定情形時，也會要求改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，調(diào)整策略以獲得最佳效果。9.1.2機器人學中新的標準問題（3）辦公室機器人系統(tǒng)。用于完成一些日常事務(wù)的機器人或機器人小組，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，或者是辦公室重新布置了，使這個環(huán)境也具有動態(tài)性。另外，由于每個機器人都只能有辦公室的部分信息，為了更好的完成任務(wù)，他們必須進行有效的協(xié)作。從這些可以看出，這又是一個類似RoboCup的技術(shù)領(lǐng)域。9.1.2機器人學中新的標準問題（4）其他多智能體系統(tǒng)。這是一個比較大的類別，RoboCup中的一個球隊可以認為就是一個多智能體系統(tǒng)，而且是一個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，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、虛擬企業(yè)等。從中我們可以看出RoboCup技術(shù)的普遍性。1機器智能與智能機器2機器思維與思維機器3機器行為與行為機器第2節(jié)9.2機器感知機器感知（MachinePerception或MachineCognition）是指能夠使用傳感器所輸入的資料（如照相機、麥克風、聲納以及其他的特殊傳感器）然后推斷世界的狀態(tài)。計算機視覺能夠分析影像輸入，另外還有語音識別、人臉辨識和物體辨識。

圖9-5機器感知9.2機器感知機器感知是一連串復(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，會得到一些非基本感官能得到的結(jié)果。機器感知或機器認知（MachineRecognition）研究如何用機器或計算機模擬、延伸和擴展人的感知或認知能力，包括：機器視覺、機器聽覺、機器觸覺……如：計算機視覺、模式（文字、圖像、聲音等）、識別、自然語言理解……都是人工智能領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，也是在機器感知或機器認知方面高智能水平的計算機應(yīng)用。9.2機器感知如果智能機器感知技術(shù)將來能夠得到正確運用，智能交通詳細數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)，科學系統(tǒng)的分析、改造現(xiàn)有的交通管理體系，對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等，以不同的觀測視角，為安全設(shè)施的位置部署，提早預(yù)防和對突發(fā)事件的及時處理等情況，為維系社會公共安全提供保障。9.2.1機器智能與智能機器機器智能（MachineIntelligence,MI），研究如何提高機器應(yīng)用的智能水平，把機器用得更聰明。這里，“機器”主要指計算機、自動化裝置、通信設(shè)備等。人工智能專家系統(tǒng)（ExpertSystem,ES），就是用計算機去模擬、延伸和擴展專家的智能，基于專家的知識和經(jīng)驗，可以求解專業(yè)性問題的、具有人工智能的計算機應(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。智能機器（IntelligentMachine,IM），研究如何設(shè)計和制造具有更高智能水平的機器。特別是，設(shè)計和制造更聰明的計算機？9.2.2機器思維與思維機器機器思維（MachineThinking），具體地說是計算機思維（ComputerThinking），如專家系統(tǒng)、機器學習、計算機下棋、計算機作曲、計算機繪畫、計算機輔助設(shè)計、計算機證明定理、計算機自動編程等。思維機器（ThinkingMachine），或者說是會思維的機器?，F(xiàn)在的計算機是一種不會思維的機器。但是，現(xiàn)有的計算機可以在人腦的指揮和控制下，輔助人腦進行思維活動和腦力勞動，如：醫(yī)療診斷、化學分析、知識推理、定理證明、產(chǎn)品設(shè)計……實現(xiàn)某些腦力勞動自動化或半自動化。從這種觀點也可以說，目前的計算機具有某些思維能力，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、思維能力更強的智能電腦或腦模型。9.2.2機器思維與思維機器感知機器（PerceptibleMachine）或認知機器（RecognizingMachine），研制具有人工感知或人工認知能力的機器。包括：視覺機器、聽覺機器、觸覺機器……如：文字識別機、感知機、認知機、工程感覺裝置、智能儀表等。9.2.3機器行為與行為機器機器行為（MachineBehavior）或計算機行為（ComputerBehavior）研究如何用機器去模擬、延伸、擴展人的智能行為，如：自然語言生成用計算機等模擬人說話的行為；機器人行動規(guī)劃模擬人的動作行為；倒立擺智能控制模擬雜技演員的平衡控制行為；機器人的協(xié)調(diào)控制模擬人的運動協(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；軋鋼機的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模擬操作工人對軋鋼機的控制行為……9.2.3機器行為與行為機器行為機器（BehavioralMachine）指具有人工智能行為的機器，或者說，能模擬、延伸與擴展人的智能行為的機器。例如：智能機械手、機器人、操作機；自然語言生成器；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)、自學習、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，通過學習改進性能，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)。1機器人的發(fā)展2機器人的定義與“三原則”3機器人的分類第3節(jié)9.3機器人的概念1921年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克在其名為《R.U.R.》的戲劇中，第一次引入了“機器人（robot）”這個詞，捷克語中“機器人”意指勞動或工作。如今，機器人已經(jīng)是“自動執(zhí)行工作的機器裝置”，它是高級

整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。

在工業(yè)、醫(yī)學、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。它的任務(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)或是危險的工作。9.3機器人的概念隨著工業(yè)自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，機器人開始進入大量生產(chǎn)和實際應(yīng)用階段。爾后由于自動裝備海洋開發(fā)空間探索等實際問題的需要，對機器人的智能水平提出了更高的要求。特別是危險環(huán)境，人們難以勝任的場合更迫切需要機器人，從而推動了智能機器人的研究。9.3.1機器人的發(fā)展機器人的發(fā)展歷史要比人們想象的更豐富、更悠久。也許第一個被人們接受的機械代表作是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，人們建造了許多成功的機器人系統(tǒng)。20世紀80年代，在工廠和工業(yè)環(huán)境中，機器人開始變得司空見慣。9.3.1機器人的發(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)中對通信和控制過程進行研究和比較。麻省理工學院的諾伯特·維納為定義這個領(lǐng)域做出了貢獻，并進行了開創(chuàng)性的研究。這個領(lǐng)域?qū)碜陨窠?jīng)科學和生物學與來自工程學的理論和原理結(jié)合起來，目的是在動物和機器中找到共同的屬性和原理。馬特里指出：“控制論的一個關(guān)鍵概念側(cè)重于機械或有機體與環(huán)境之間的耦合、結(jié)合和相互作用?！蔽覀儗吹竭@種相互作用相當復(fù)雜。她將機器人定義為：“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，實現(xiàn)一些目標”。9.3.1機器人的發(fā)展1949年，為了模仿自然生命，英國科學家格雷·沃爾特設(shè)計制作了一對名叫Elmer和Elise的機器人，因為他們的外形和移動速度都類似自然界的爬行龜，也稱為機器龜。這是公認最早的真正意義上的移動式機器人。沃爾特的機器人與之前的機器人不同，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?個輪子和一個硬塑料外殼組成。兩個輪子用于前進和后退，而第三個輪子用于轉(zhuǎn)向。它的“感官”非常簡單，僅由一個可以感受到光的光電池和作為觸摸傳感器的表面電觸點組成。光電池提供了電源，外殼提供了一定程度的保護，可防止物理損壞。9.3.1機器人的發(fā)展有了這些簡單的組件和其他幾個組件，沃爾特的“能夠思維的機器”能夠表現(xiàn)出如下的行為：找光；朝著光前進；遠離明亮的光；轉(zhuǎn)動和前進以避免障礙；給電池充電。9.3.2機器人的定義與“三原則”國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；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作的專門系統(tǒng)?！敝袊茖W家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機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、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。9.3.2機器人的定義與“三原則”在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。機器人學的研究推動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)于機器人動作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究，推動了規(guī)劃方法的發(fā)展。此外，由于機器人是一個綜合性的課題，除機械手和步行機構(gòu)外，還要研究機器視覺觸覺聽覺等信感技術(shù)以及機器人語言和智能控制軟件等?？梢钥闯鲞@是一個設(shè)計精密機械信息傳感技術(shù)人工智能方法智能控制以及生物工程等學科的綜合技術(shù)，這一研究有利于促進各學科的相互結(jié)合，并大大推動人工智能技術(shù)的發(fā)展。9.3.2機器人的定義與“三原則”為了防止機器人傷害人類，1942年，科幻小說家艾薩克·阿西莫夫（Isaac.Asimov）在小說《TheCavesofSteel（鋼洞）》中提出了“機器人三原則”：一、機器人不得傷害人類，不得看到人類受到傷害而袖手旁觀。二、機器人必須服從人類給予的命令，除非這種命令與第一定律相沖突。三、只要與第一或第二定律沒有沖突，機器人就必須保護自己的生存。這是給機器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。幾十年過去了，機器人學術(shù)界一直將這三條原則作為機器人開發(fā)的準則。9.3.3機器人的分類自機器人誕生之日起，人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機器人。隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富。從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，機器人專家將機器人分為兩大類，即制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人（特種機器人）。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人，而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等（見圖9-7）。9.3.3機器人的分類

排爆機器人機器狗圖9-7機器人9.3.3機器人的分類隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。1機器人的組成2機器人的運動3機器人大狗第4節(jié)9.4機器人的技術(shù)問題開發(fā)機器人涉及的技術(shù)問題極其紛雜，在某種程度上，這取決于人們實現(xiàn)精致復(fù)雜的機器人功能的雄心。從本質(zhì)上講，機器人方面的工作是問題求解的綜合形式。機器人的早期歷史著重于運動和視覺（稱為機器視覺）。計算幾何和規(guī)劃問題是與其緊密結(jié)合的學科。在過去幾十年中，隨著如語言學、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等領(lǐng)域成為機器人技術(shù)的研究與進步的一個不可分割的部分，機器人學習的可能性變得更加現(xiàn)實。9.4.1機器人的組成在1967年日本召開的第一屆機器人學術(shù)會議上，就提出了兩個有代表性的定義。一是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象。9.4.1機器人的組成另一個是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器稱為機器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器?？梢哉f機器人就是具有生物功能的實際空間運行工具，可以代替人類完成一些危險或難以進行的勞作、任務(wù)等。機器人能力的評價標準包括：智能，指感覺和感知，包括記憶、運算、比較、鑒別、判斷、決策、學習和邏輯推理等；機能，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。9.4.1機器人的組成機器人一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機械等組成。圖9-8機器人的結(jié)構(gòu)9.4.1機器人的組成（1）執(zhí)行機構(gòu)。即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構(gòu)，其中的運動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構(gòu)可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關(guān)節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關(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（對于移動機器人）等。9.4.1機器人的組成（2）驅(qū)動裝置。是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。9.4.1機器人的組成（3）檢測裝置。是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進行比較后，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，以保證機器人的動作符合預(yù)定的要求。作為檢測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，用于檢測機器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“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象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度。9.4.1機器人的組成（4）控制系統(tǒng)。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。9.4.1機器人的組成值得注意的是，機器人電力供應(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動和大腦功能提供能量。目前，機器人的大腦并不發(fā)達，因此需要動力（通常由電池提供）進行運動和操作。現(xiàn)在思考，當“電源”快沒電了（即當我們餓了或需要休息時）會發(fā)生什么。我們不能做出好的決定，犯錯誤，表現(xiàn)得很差或很奇怪。機器人也會發(fā)生同樣的事情。因此，它們的供電必須是獨立的，受保護和有效的，并且應(yīng)該可以平穩(wěn)降級。也就是說，機器人應(yīng)該能夠自主地補充自己的電源，而不會完全崩潰。9.4.1機器人的組成末端執(zhí)行器使機器人身上的任何設(shè)備可以對環(huán)境做出反應(yīng)。在機器人世界中，它們可能是手臂、腿或輪子，即可以對環(huán)境產(chǎn)生影響的任何機器人組件。驅(qū)動器是一種機械裝置，允許末端執(zhí)行器執(zhí)行其任務(wù)。驅(qū)動器可以包括電動機、液壓或氣動缸以及溫度敏感或化學敏感的材料。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力來操作，而其他可能是無源的使用物理運動規(guī)律來保存能量。最常見的執(zhí)行器是電動機，但也可以是使用流體壓力的液壓、使用空氣壓力的氣動、光反應(yīng)性材料（對光做出響應(yīng)）、化學反應(yīng)性材料、熱反應(yīng)性材料或壓電材料（通常為晶體，按下或彈起時產(chǎn)生電荷的材料。9.4.2機器人的運動運動學是關(guān)于機械系統(tǒng)如何運行的最基礎(chǔ)的研究。在移動機器人領(lǐng)域，這是一種自下而上的技術(shù)，需要涉及物理、力學、軟件和控制領(lǐng)域。像這樣的情況，這種機器人技術(shù)每時每刻都需要軟件來控制硬件，因此這種系統(tǒng)很快就變得相當復(fù)雜。無論你是想讓機器人踢足球，還是登上月球，或是在海面下工作，最根本的問題就是運動。機器人如何移動？它的功能是什么？9.4.2機器人的運動典型的執(zhí)行器是：輪子用于滾動。腿可以走路、爬行、跑步、爬坡和跳躍。手臂用于抓握、搖擺和攀爬。翅膀用于飛行。腳蹼用于游泳。9.4.2機器人的運動在機器人領(lǐng)域中，一個常見的概念是物體運動度，這是表達機器人可用的各種運動類型的方法。例如，考慮直升機的運動自由度（稱為平移自由度）。一般來說，有6個自由度（DOF）可以描述直升機可能的原地轉(zhuǎn)圈、俯仰和偏航運動。

圖9-9一架直升機及其自由度9.4.2機器人的運動原地轉(zhuǎn)圈意味著從一側(cè)轉(zhuǎn)到另一側(cè)，俯仰意味著向上或向下傾斜，偏航意味著左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。像汽車（或直升機在地面上）一樣的物體只有3個自由度（DOF）（沒有垂直運動），但是只有兩個自由度可控。也就是說，地面上的汽車通過車輪只能前后移動，并通過其方向盤向左或向右轉(zhuǎn)。如果一輛汽車可以直接向左或向右移動（比如說使其每個車輪轉(zhuǎn)動90°），那么這將增加另一個自由度。由于機器人運動更加復(fù)雜，例如手臂或腿試圖在不同方向上移動（如在人類的手臂中有肌腱套），因此自由度的數(shù)量是個重要問題。9.4.2機器人的運動一旦開始考慮運動，就必須考慮穩(wěn)定性。對于人和機器人，還有重心的概念，這是我們在走路的地面上方的一個點，它使我們在走路的地面上方能夠保持平衡。重心太低意味著我們在地面上拖行前進，重心太高則意味著不穩(wěn)定。與這個概念緊密聯(lián)系的是支持多邊形的概念。這是支持機器人加強穩(wěn)定性的平臺。人類也有這樣的支持平臺，只是我們通常沒有意識到，它就在我們軀干中的某個位置。對于機器人，當它有更多的腿時，也就是有3條、4條或6條腿時，問題通常不大。9.4.3機器人大狗三大機器人系統(tǒng)大狗（BigDog，見圖9-10）、亞美尼亞（Asimo）和Cog，每個項目都代表了20世紀晚期以來，科學家數(shù)十年來的重大努力。每個項目都解決了在機器人技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的復(fù)雜而細致的技術(shù)問題。大狗主要關(guān)注運動和重載運輸，特別用于軍事領(lǐng)域；亞美尼亞展現(xiàn)了運動的各個方面，強調(diào)了人類元素，即了解人類如何移動；Cog更多的是思考，這種思考區(qū)分了人類與其他生物，被視為人類所特有的。9.4.3機器人大狗圖9-10機器人大狗9.4.3機器人大狗1992年MarcRaibert與他人一起創(chuàng)辦了創(chuàng)立波士頓動力學工程公司，他首先開發(fā)了全球第一個能自我平衡的跳躍機器人，之后公司獲得了美國國防部的合作，國防部投資幾千萬元用于機器人的研究，雖然當時美國國防部還想不出這些機器人你能干什么，但是認為這個技術(shù)未來是有用的。這也印證了商業(yè)模式是做出來的道理。當時，很多機器人行走緩慢，平衡很差，Raibert模仿生物學運動原理，使機器保持動態(tài)穩(wěn)定。如同真的動物一樣，Raibert的機器人移動迅速且平穩(wěn)。9.4.3機器人大狗2005年，波士頓動力公司的專家創(chuàng)造了四腿機器人大狗。這個項目是由美國國防高級研究計劃局資助的，源自國防部為軍隊開發(fā)新技術(shù)的任務(wù)。2012年，大狗機器人升級，可跟隨主人行進20英里。2015年，美軍開始測試這種具有高機動能力的四足仿生機器人的試驗場，開始試驗這款機器人與士兵協(xié)同作戰(zhàn)的性能?！按蠊贰睓C器人的動力來自一部帶有液壓系統(tǒng)的汽油發(fā)動機，它的四條腿完全模仿動物的四肢設(shè)計，內(nèi)部安裝有特制的減震裝置。機器人的長度為1米，高70厘米，重量為75千克，從外形上看，它基本上相當于一條真正的大狗。9.4.3機器人大狗“大狗”機器人的內(nèi)部安裝有一臺計算機，可根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)整行進姿態(tài)。而大量的傳感器則能夠保障操作人員實時地跟蹤“大狗”的位置并監(jiān)測其系統(tǒng)狀況。這種機器人的行進速度可達到7千米/小時，能夠攀越35度的斜坡。它可攜帶重量超過150千克的武器和其他物資?！按蠊贰奔纯梢宰孕醒刂A(yù)先設(shè)定的簡單路線行進，也可以進行遠程控制。1什么是智能制造2綜合特征3智能技術(shù)4測控裝置第5節(jié)5運作過程9.5智能制造智能制造（IntelligentManufacturing）源于人工智能的研究。一般認為智能是知識和智力的總和，前者是智能的基礎(chǔ)，后者是指獲取和運用知識求解的能力。

圖9-11智能制造9.5.1什么是智能制造智能制造包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)（IMS）。智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，而且還具有自學習功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。9.5.1什么是智能制造智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)（見圖9-12），它突出了在制造諸環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性與集成方式，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，借助計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，同時，收集、存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家的制造智能。由于這種制造模式，突出了知識在制造活動中的價值地位，而知識經(jīng)濟又是繼工業(yè)經(jīng)濟后的主體經(jīng)濟形式，所以智能制造就成為影響未來經(jīng)濟發(fā)展過程的制造業(yè)的重要生產(chǎn)模式。智能制造系統(tǒng)是智能技術(shù)集成應(yīng)用的環(huán)境，也是智能制造模式展現(xiàn)的載體。

圖9-12智能知道系統(tǒng)的構(gòu)成9.5.1什么是智能制造

圖9-12智能知道系統(tǒng)的構(gòu)成9.5.1什么是智能制造一般而言，制造系統(tǒng)在概念上認為是一個復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的整體集成，從制造系統(tǒng)的功能角度，可將智能制造系統(tǒng)細分為設(shè)計、計劃、生產(chǎn)和系統(tǒng)活動四個子系統(tǒng)。在設(shè)計子系統(tǒng)中，智能制定突出了產(chǎn)品的概念設(shè)計過程中消費需求的影響；功能設(shè)計關(guān)注了產(chǎn)品可制造性、可裝配性和可維護及保障性。9.5.1什么是智能制造另外，模擬測試也廣泛應(yīng)用智能技術(shù)。在計劃子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫構(gòu)造將從簡單信息型發(fā)展到知識密集型。在排序和制造資源計劃管理中，模糊推理等多類的專家系統(tǒng)將集成應(yīng)用；智能制造的生產(chǎn)系統(tǒng)將是自治或半自治系統(tǒng)。在監(jiān)測生產(chǎn)過程、生產(chǎn)狀態(tài)獲取和故障診斷、檢驗裝配中，將廣泛應(yīng)用智能技術(shù)；從系統(tǒng)活動角度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)控制中已開始應(yīng)用，同時應(yīng)用分布技術(shù)和多元代理技術(shù)、全能技術(shù)，并采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)活動并行，解決系統(tǒng)集成。9.5.1什么是智能制造由此可見，IMS理念建立在自組織、分布自治和社會生態(tài)學機理上，目的是通過設(shè)備柔性和計算機人工智能控制，自動地完成設(shè)計、加工、控制管理過程，旨在解決適應(yīng)高度變化環(huán)境的制造的有效性。9.5.1什么是智能制造1.分布式數(shù)字控制DNC分布式數(shù)字控制（DistributedNumericalControl，DNC，見圖9-13）是網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控機床常用的制造術(shù)語。其本質(zhì)是計算機與具有數(shù)控裝置的機床群使用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成的分布在車間中的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)對用戶來說就像一個統(tǒng)一的整體，系統(tǒng)對多種通用的物理和邏輯資源整合，可以動態(tài)的分配數(shù)控加工任務(wù)給任一加工設(shè)備。是提高設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)成本的有力手段，是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢。9.5.1什么是智能制造圖9-13分布式數(shù)字控制DNC9.5.1什么是智能制造DNC早期只是作為解決數(shù)控設(shè)備通訊的網(wǎng)絡(luò)平臺，隨著客戶的不斷發(fā)展和成長，僅僅解決設(shè)備聯(lián)網(wǎng)已遠遠不能滿足現(xiàn)代制造企業(yè)的需求。早在90年代初，美國PredatorSoftwareINC就賦予DNC更廣闊的內(nèi)涵—生產(chǎn)設(shè)備和工位智能化聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，這也是全球范圍內(nèi)最早且使用最成熟的“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)——車間內(nèi)“物聯(lián)網(wǎng)”，這也使得DNC成為離散制造業(yè)MES系統(tǒng)必備的底層平臺。DNC必須能夠承載更多的信息。同時DNC系統(tǒng)必須能有效的結(jié)合先進的數(shù)字化的數(shù)據(jù)錄入或讀出技術(shù)，如條碼技術(shù)、射頻技術(shù)、觸屏技術(shù)等，幫助企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)工位數(shù)字化。9.5.1什么是智能制造從廣義概念上來理解，計算機/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS），敏捷制造等都可以看作是智能自動化的例子。除了制造過程本身可以實現(xiàn)智能化外，還可以逐步實現(xiàn)智能設(shè)計，智能管理等，再加上信息集成，全局優(yōu)化，逐步提高系統(tǒng)的智能化水平，最終建立智能制造系統(tǒng)。這可能是實現(xiàn)智能制造的一種可行途徑。9.5.1什么是智能制造2.多智能體系統(tǒng)多智能體系統(tǒng)（multi-agentsystem,MAS）是一種全新的分布式計算技術(shù)。自20世紀70年代出現(xiàn)以來得到迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為一種進行復(fù)雜系統(tǒng)分析與模擬的思想方法與工具。9.5.1什么是智能制造Agent原意為代理商，是指在商品經(jīng)濟活動中被授權(quán)代表委托人的一方。后來被借用到人工智能和計算機科學等領(lǐng)域，以描述計算機軟件的智能行為，稱為智能體。1992年曾經(jīng)有人預(yù)言：“基于Agent的計算將可能成為下一代軟件開發(fā)的重大突破?！彪S著人工智能和計算機技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent）技術(shù)對解決產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造乃至產(chǎn)品的整個生命周期中的多領(lǐng)域間的協(xié)調(diào)合作提供了一種智能化的方法，也為系統(tǒng)集成、并行設(shè)計，并實現(xiàn)智能制造提供了更有效的手段。9.5.1什么是智能制造3.整子系統(tǒng)整子系統(tǒng)（HolonicSystem）的基本構(gòu)件是整子（Holon）。Holon是從希臘語借過來的，人們用Holon表示系統(tǒng)的最小組成個體，整子系統(tǒng)就是由很多不同種類的整子構(gòu)成。整子的最本質(zhì)特征是：自治性，每個整子可以對其自身的操作行為作出規(guī)劃，可以對意外事件（如制造資源變化、制造任務(wù)貨物要求變化等）作出反應(yīng)，并且其行為可控；9.5.1什么是智能制造合作性，每個整子可以請求其他整子執(zhí)行某種操作行為，也可以對其他整子提出的操作申請?zhí)峁┓?wù)；智能性，整子具有推理、判斷等智力，這也是它具有自治性和合作性的內(nèi)在原因。整子的上述特點表明，它與智能體的概念相似。由于整子的全能性，有人把它也譯為全能系統(tǒng)。敏捷性，具有自組織能力，可快速、可靠地組建新系統(tǒng)。柔性，對于快速變化的市場、變化的制造要求有很強的適應(yīng)性。除此之外，還有生物制造、綠色制造、分形制造等模式。9.5.2綜合特征與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特征：（1）自律能力。搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。具有自律能力的設(shè)備稱為“智能機器”，“智能機器”在一定程度上表現(xiàn)出獨立性、自主性和個性，甚至相互間還能協(xié)調(diào)運作與競爭。強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎(chǔ)。9.5.2綜合特征（2）人機一體化。IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能?；谌斯ぶ悄艿闹悄軝C器只能進行機械式的推理、預(yù)測、判斷，它只能具有邏輯思維（專家系統(tǒng)），最多做到形象思維（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），完全做不到靈感（頓悟）思維，只有人類專家才真正同時具備以上三種思維能力。因此，想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的智能，獨立承擔起分析、判斷、決策等任務(wù)是不現(xiàn)實的。人機一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。9.5.2綜合特征因此，在智能制造系統(tǒng)中，高素質(zhì)、高智能的人將發(fā)揮更好的作用，機器智能和人的智能將真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。9.5.2綜合特征（3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)。這是實現(xiàn)虛擬制造的支持技術(shù)，也是實現(xiàn)高水平人機一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）是以計算機為基礎(chǔ)，融合信號處理、動畫技術(shù)、智能推理、預(yù)測、仿真和多媒體技術(shù)為一體；借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現(xiàn)實生活中的各種過程、物件等，因而也能擬實制造過程和未來的產(chǎn)品，從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的感受。但其特點是可以按照人們的意愿任意變化，這種人機結(jié)合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。9.5.2綜合特征（4）自組織超柔性。智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務(wù)的需要，自行組成一種最佳結(jié)構(gòu)，其柔性不僅突出在運行方式上，而且突出在結(jié)構(gòu)形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。（5）學習與維護。智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能。同時，在運行過程中自行故障診斷，并具備對故障自行排除、自行維護的能力。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠自我優(yōu)化并適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。9.5.3智能技術(shù)智能制造中的智能技術(shù)包括：（1）新型傳感技術(shù)：高傳感靈敏度、精度、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性的傳感技術(shù)，采用新原理、新材料、新工藝的傳感技術(shù)（如量子測量、納米聚合物傳感、光纖傳感等），微弱傳感信號提取與處理技術(shù)。（2）模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)：不同結(jié)構(gòu)的模塊化硬件設(shè)計技術(shù)，微內(nèi)核操作系統(tǒng)和開放式系統(tǒng)軟件技術(shù)、組態(tài)語言和人機界面技術(shù)，以及實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一編程環(huán)境的工程軟件平臺技術(shù)。9.5.3智能技術(shù)（3）先進控制與優(yōu)化技術(shù)：工業(yè)過程多層次性能評估技術(shù)、基于大量數(shù)據(jù)的建模技術(shù)、大規(guī)模高性能多目標優(yōu)化技術(shù)，大型復(fù)雜裝備系統(tǒng)仿真技術(shù)，高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)運動規(guī)劃、電子傳動等精密運動控制技術(shù)。（4）系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)：大型制造工程項目復(fù)雜自動化系統(tǒng)整體方案設(shè)計技術(shù)以及安裝調(diào)試技術(shù)，統(tǒng)一操作界面和工程工具設(shè)計技術(shù)，統(tǒng)一事件序列和報警處理技術(shù)，一體化資產(chǎn)管理技術(shù)。（5）故障診斷與健康維護技術(shù)：在線或遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、自愈合調(diào)控與損傷智能識別以及健康維護技術(shù)，重大裝備的壽命測試和剩余壽命預(yù)測技術(shù)，可靠性與壽命評估技術(shù)。9.5.3智能技術(shù)（6）高可靠實時通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，高可靠無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)和異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)間信息無縫交換技術(shù)。（7）功能安全技術(shù)：智能裝備硬件、軟件的功能安全分析、設(shè)計、驗證技術(shù)及方法，建立功能安全驗證的測試平臺，研究自動化控制系統(tǒng)整體功能安全評估技術(shù)。（8）特種工藝與精密制造技術(shù)：多維精密加工工藝，精密成型工藝，焊接、粘接、燒結(jié)等特殊