人工智能的外在形象机器人25P

第二章 人工智能的外在形象机器人机器人的英语单词是“robot”，这个词最早出现于捷克作家卡雷尔卡佩克（Karel Capek）1920年所写的一个名为罗萨姆的万能机器人的科幻剧本当中。“robot”来源于捷克语“robota”，这个捷克语词的意思是指重复乏味的工作。顾名思义，机器人的出现就是用来代替人类劳动者，执行那些需要高度精确性，同时又具有重复性的工作任务。它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。知识窗口 “机器人”名词的来由进入20世纪之后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安地期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷尔卡佩克在他的幻想情节剧罗萨姆的万能机器人第一次提出了“机器人”这个名词。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，如英语robot，日语，俄语，德语robot等，只有中国译为“机器人”。第一节 从工业机器人到智能机器人尽管直到三十多年前，“机器人”才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却已存在三千多年了。早在我国西周时代（公元前1066年前771年），就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人（艺伎）的故事。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年到359年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯造了一个守围宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和队列表演。我国东汉时期（公元25220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。人类历史进入了近代之后，出现了第一次工业和科学革命，随着各种自动机器、动力机和动力系统的问世，机器人开始由幻想时期转入自动机械时期，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应运而生。公元17681774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，设计制造出三个像真人一样大小的机器人写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。同时，还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙戈雷姆”，日本物理学家细川半藏设计的各自动机械图形，法国杰夸特设计的机械式可编程序织造机等。1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力的。1954年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。1962年，美国万能自动化公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为人类生活中的现实。此后，人类继续以自己的智慧和劳动，谱写机器人历史的新篇章。知识窗口 阿西莫夫“机器人三守则”1950年，美国著名科学幻想小说家可西莫夫在他的小说我是机器人中，提出了有名的“机器人三守则”：（1）机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观；（2）机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；（3）机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它作出牺牲。这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户提供了十分有意义的指导方针。对机器人很难下一个确切的定义，简单地说，机器人是一种能模拟人的行为的机械电子装置，它们基本上分为两种：工业机器人和智能机器人。工业机器人是一种能够执行与人的上肢（手和臂）类似动作的多功能机器；智能机器人是一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。对机器人的研究经历了三代的发展过程：第一代（程序控制）机器人：这种机器人一般是按以下二种方式“学会”工作的；一种是由设计师预先按工作流程编写好程序存贮在机器人的内部存储器，在程序控制下工作。另一种是被称为“示教再现”方式，这种方式是在机器人第一次执行任务之前，由技术人员引导机器人操作，机器人将整个操作过程一步一步地记录下来，每一步操作都表示为指令。示教结束后，机器人按指令顺序完成工作（即再现）。如任务或环境有了改变，要重新进行程序设计。这种机器人能尽心尽责的在机床、熔炉、焊机、生产线上工作。目前商品化、实用化的机器人大都属于这一类。这种机器人最大的缺点是它只能刻板地按程序完成工作，环境稍有变化（如加工物品略有倾斜）就会出问题，甚至发生危险，这是由于它没有感觉功能，在日本曾发生过机器人把现场的一个工人抓起来塞到刀具下面的情况。第二代（自适应）机器人：这种机器人配备有相应的感觉传感器（如视觉、听觉、触觉传感器等），能取得作业环境、操作对象等简单的信息，并由机器人体内的计算机进行分析、处理，控制机器人的动作。虽然第二代机器人具有一些初级的智能，但还需要技术人员协调工作。目前已经有了一些商品化的产品。第三代（智能）机器人：智能机器人具有类似于人的智能，它装备了高灵敏度的传感器，因而具有超过一般人的视觉、听觉、嗅觉、触觉的能力，能对感知的信息进行分析，控制自己的行为，处理环境发生的变化，完成交给的各种复杂、困难的任务。而且有自我学习、归纳、总结、提高已掌握知识的能力。目前研制的智能机器人大都只具有部分的智能，和真正的意义上的智能机器人，还差得很远。由此可见，机器人与人工智能有着十分密切的关系。实际上，就目前来说，机器人就是由计算机控制的机器。人工智能是制造智能机器人的理论基础和前提条件，而机器人则是人工智能的外部形象。人工智能的近期目标在于研究智能计算机及其系统，以模仿和执行人类的某些智力功能，如判断、推理、理解、识别、规划、学习和其他问题求解。而机器人（主要是智能机器人）的研究是一门综合技术，它不仅用到所有的人工智能技术，而且也离不开其他学科的技术，如精密机械、电子、光学、自动控制等。下面分别是智能机器人的硬件和软件系统示意图，从图中就可以看出人工智能与机器人的关系。图2-1 一种智能机器人系统典型方框图从上图可以看出，智能机器人的控制系统主要由两部分组成，即以知识为基础的知识决策系统和信号识别与处理系统。前者涉及知识数据库与推理机，后者可为各种信号的感测与处理器。这些信号可为取自话筒的语音信号、来自压力传感器的触感信号、由电视摄象机拍下的景物图像，或环境中的其他信号，如光线、颜色、物体位置和运动速度等信息。智能机器人的工作环境往往是复杂的、不完全确定的和可变的。例如，对于机械制造来说，在加工过程中会出现一些不可避免的尺寸和位置误差。这时，智能机器人就应当能够感觉到被加工物体的实际位置和尺寸，并当出现严重偏差时，能够消除这些偏差。又如，由于无线电信号在地球和其他星球之间传送需要几秒甚至十几分钟，在其他星球上漫游的机器人需要高度的自动化，需要在没有人类指导的情况下自动对变化的环境作出反应。因此，智能机器人是当今高科技最先进的产品，它要用到的技术不仅仅有智能技术和电脑技术，而且也离不开其他学科的技术，如精密机械、电子、光学、自动控制等技术。智能机器人是一个综合性技术的结晶。第二节 机器人的基本技术图2-2 智能机器人硬件系统上图为智能机器人的硬件系统。从图中可以看出，智能机器人有运动机能（手、脚）、感知机能（耳、眼）、思维机能（理解、判断、规划、推理）和人机通讯机能（智能接口）。这些功能都是通过多级计算机来实现的，因此计算机技术是关键。机器人的手脚装置主要由多个关节组成，是很精密的机械传动系统，精密机械技术是不可缺少的。还有许多光学、机电式传感器，要用到传感技术。机器人是一个运动物体，全靠自动控制技术实现高准确度的控制。由上一节中的内容可知，智能机器人的软件系统则综合了多种主要的智能技术。因此，智能机器人的基本技术主要包括以下几个方面：1感知技术智能机器人区别于工业机器人的主要之处就是它具有感知机能，通过各种传感器获取工作环境信息，这样才能捕捉不断变化的实际情况，进行任务规划自主控制等，最终实现目标要求。机器人所用的传感器按功能可细分为外部传感器和内部传感器两类。内部传感器用于检测控制系统中涉及的变量，而外部传感器则涉及到多种感知技术：视觉感知技术，要使用视觉的设备及视觉信息处理技术；距离传感技术，所用的距离传感器是引导机器人避开运动路径上的障碍物；接近传感技术，主要是当机器人要抓取物体或避障时处于近距离状态下使用；触觉传感技术是当触觉传感器获取机械手与工作接触时的有关信息，用来识别是什么工作及所处位置，以及控制机械手施加在物体上力的大小；如果机械手在做装配工作，则还要用力和力矩的传感技术。这些感知技术中，大量采用智能接口技术。智能接口技术是研究如何使人们能够方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标，要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间的翻译，而这些功能的实现又依赖于知识表示方法的研究。因此，智能接口技术的研究既有巨大的应用价值，又有基础的理论意义。目前，智能接口技术已经取得了显著成果，文字识别、语音识别、语音合成、图像识别、机器翻译以及自然语言理解等技术已经开始实用化。2规划技术在日常生活中，规划意味着在行动之前决定行动的进程，或者说，规划这一词指的是在执行一个问题求解程序中的任何一步之前，计算该程序几步的过程。一个规划是一个行动过程的描述。它可以像百货清单一样的没有次序的目标表列；但是一般来说，规划具有某个规划目标的蕴含排序。例如，对于大多数人来说，吃早饭之前要先洗脸和刷牙或漱口。又如，一个机器人要搬动某工件，必须先移动到该工件附近，再抓住该工件，然后带着工件移动。许多规划所包含的步骤是含糊的，而且需要进一步说明。譬如，一个工作日规划中有吃午饭这个目标，但是有关细节，如在哪里吃，吃什么，什么时间去吃等等，都没有说明。与吃午饭有关的详细规划是全日规划的一个子规划。大多数规划具有很大的子规划结构，规划中的每个目标可以由达到此目标的比较详细的子规划所代替。规划往往具有分层结构。以下是一个工作日规划的分层结构：图2-3 规划的分层结构缺乏规划可能导致不是最佳的问题求解。例如有人由于缺乏规划，为了借一本书和还一本书而跑了两次图书馆。此外，如果目标不是独立的，那么动作前缺乏规划，就可能在实际上排除了该问题的某个解答。例如，建筑一个变电所的规划包括砌墙、安装变压器和铺设电缆线等子规划，这些子规划不是相互独立的，首先必须铺设电缆，然后砌墙，最后进行变压器安装。如果缺乏规划，颠倒了次序，就建不成变电所。因此，规划是智能机器人问题求解的一种重要技术。在机器人世界中，要让机器人去完成一个任务，那么机器人要从它所处的某一个起始状态出发，确定出一个动作序列（即一系列顺序的操作步骤），如果按这个序列执行就能完成所提出的任务目标，也就是达到任务规定的目标状态，这就是所谓的机器人任务规划。任务规划和以前介绍的问题求解意思一样。在问题求解时，主要是通过搜索技术和演绎推理，但由于机器人问题比较复杂，有时要分解成子问题分别求解，而子问题之间往往有相互作用的关系，并不都是孤立的，这样如果先对第一个子问题求解并找到了动作序列，好像问题已经解决，但当求第二个子问题时，可能会破坏掉第一个子问题所实现的目标而导致前功尽弃。这就是子问题相互作用或相互影响的问题，所以要在求解过程中动态考虑、实时修正，所以要求就更高。此外，一旦机器人自动生成行动规划之后，还要把这一动作序列转换为一个无碰撞的机械手运动路径，再进一步把路径变成机械手各关节的空间坐标，形成运动轨迹等等。有了这些细化的规划，执行后才能真正完成机器人的既定目标。目前机器人问题求解已经总结出若规划方法，对较复杂的问题还有分层规划方法等。规划可用来监控问题求解过程，并能够在造成较大危害之前发现差错。如果该问题求解系统不是问题求解环境中唯一的行动者，以及如果此环境可能按照无法预计的方法变化，那么这种监控就显得特别重要。例如，考虑某个在遥远星球上运行的飞行器，它必须能够规划一条航线，然后，当发现环境状态与预期不合时，就进行重新规划。有关环境状态的反馈与预期的规划状态进行比较，当两者存在差异时，就对此规划进行修正。规划的好处可归纳为简化搜索、解决目标矛盾以及为差错补偿提供基础。3机器人编程机器人的程序编制是机器人运动和控制的结合点，是实现人与机器人通讯的主要方法，也是研究机器人系统的最困难和最关键的问题之一。编程系统的核心是操作运动控制问题。一台机器人能够编程到什么程度，决定了此机器人的适应性。例如，机器人能否执行复杂顺序的任务，能否快速地从一种操作方式转换到另一种操作方式，能否在特定环境中作出决策？所有这些问题，在很大程度上都是程序设计所考虑的问题，而且与机器人的控制问题密切相关。机器人系统的编程能力极大地决定了具体的机器人实用功能的灵活和智能程度。新一代机器人的进展至少部分地是由于开发了新的软件和发挥控制潜力的结果。机器人的工作能力基本上由其软件系统决定的。智能机器人的研究与开发，就是机器人硬件、软件和人工智能有机结合的结果。下面举一个最简单的工业机器人的例子来说明机器人控制器的工作顺序。图2-4 机器人自动工作站上图为一个设想制造过程中用于进行装配的自动工作站，它由传送带、摄像机、工业机器人、送料器、压床和装货盘等组成。传送带的运动由计算机控制，用于传送工件。摄像机连接至视觉系统，用于确定传送带上工件的位置。工业机器人具有力感手腕，用于抓取和装卸工件、零件和装配件。送料器装在工作台面上，能为机械手提供下一个装配用零件。压床也是由计算机控制的，它的装卸操作可由机器人进行。装货盘则用于存放装配好的部件。整个装配过程由机械手控制器以下列顺序进行控制：（1）发出传送带启动信号，当视觉系统获悉已检测到传送带上的托架工件时，让传送带停止运动。（2）视觉系统检测传送带上托架的位置和方向，并检查托架的缺陷，如所钻孔数是否无误。（3）根据视觉系统的输出，机械手以规定的力抓取托架。对夹手指尖间的距离进行检验，以确保托架被正确抓取。如果抓得不当，那么机械手将从托架移开，并重新执行视觉系统的识别任务。（4）把托架装到工作台上的安装夹具内。这时，可命令传送带再次启动，以便传送下一个托架。也就是说，步骤1和2可与下列各步骤并行进行。（5）机械手从送料器捡起一个销钉，并把它部分地插入托架的一个锥形孔内。需要采用力控制来执行插入任务，并检查是否已经插好。如果销钉送料器空了，那么操作人员就会得到信号，而且机械手将等待直至操作人员撤消该信号为止。（6）机械手抓起托架销钉装配件，并放到压床上。（7）命令压床启动，把销钉外露部分压入托架孔。当压床发出完成压入任务的信号后，机械手把托架装配件送回安装夹具上，以便作最后检验。（8）用力感装置来检查装配件，看看销钉是否已正确插入托架孔。当机械手压着销钉残露部分的侧面时，它能感受到反作用力，并能检查与确定销钉伸出托架多长。（9）如果判定装配件是好的，那么机械手就把它送到下一个适当的安装夹具上，以便进行下一道装配工序。如果下一个安装夹具已装有工件，那么操作人员得到相应信号，要是装配件不好，那么就把它丢进废料箱内。（10）等待第2 步的完成，然后转第3步。这是一个现有的工业机器人可能能执行的作业任务。显然，用一般的程序设计很难完成这样的任务，这类应用需要一种能处理上述过程描述的机器人编程语言。机器人的机构和运动与一般机械不同，因而其程序设计也具有特色，进而对机器人程序设计提出特别要求。（1）能够建立世界模型在进行机器人编程时，需要一种描述物体在三维空间内运动的方法。存在具体的几何型式是机器人编程语言最普通的组成部分。物体的所有运动都以相对于基坐标系的工具坐标来描述。机器人语言应当具有对世界（环境）的建模功能。如果给出一个提供几何型式的机器人编程环境，那么机器人和其他机器、零件以及夹具等均能由规定各相关几何体的名义变量来建模。下图表示出上面实例中一部分。图中标出与任务位置有关的坐标系。每一坐标系都要用机器人程序内的一个“框架”变量来表示。图2-5 用一组附于相关物体的坐标系来建模对于许多机器人编程语言，定义各种几何型式的名义变量并在程序中涉及它们的能力，构成世界模型的基础。物体形状、表面、体积、质量或其他一些特性，并不是这种世界模型的组成部分。世界内的哪些物体需要被建模是设计机器人编程系统的基本决策之一。（2）能够描述机器人的作业机器人作业的描述与其环境模型密切相关，描述水平决定了编程语言水平。其中以自然语言输入为最高水平。现有的机器人语言需要给出作业顺序，由语法和词法定义输入语言，并由它描述整个作业。例如，装配作业可描述为世界模型的一系列状态，这些状态可用工作空间内所有物体的形态给定。这些形态可利用物体间的空间关系来说明。对于图2-6所示的积木世界，若定义空间关系AGAINST表示两表面彼此接触，则可以用表2-1所示语句描述图2-6所示的两种情况。若假定状态A是初始状态，状态B是目标状态，那么就可以用它们表示抓起第三块积木并把它放在第二块积木顶上的作业。如果状态A是目标状态，而状态B是初始状态，那么它们表示的作业是从叠在一起的积木块上挪走第三块积木并把它放在桌子上。这类方法容易理解，且易于说明和修改，但没有提供操作所需的全部信息。图2-6 积木世界状态A状态BBlock1-face1 AGAINST TableBlock1-face1 AGAINST TableBlock1-face3 AGAINST Block2-face1Block1-face3 AGAINST Block2-face1Block3-face1 AGAINST TableBlock2-face3 AGAINST Block3-face1表2-1 积木世界的状态描述（3）能够描述机器人的运动描述机器人需要进行的运动是机器人编程语言的基本功能之一。用户能够运用语言中的运动语句，与路径规划器和发生器连接，允许用户规定路径上的点及目标点，决定是否采用点插补运动或笛卡尔直线运动。用户还可以控制运动速度或运动持续时间。下面是一个机械手运动的例子：1）移至位置“goal1”；2）再以直线移至位置“goal2”；3）然后，不停顿地移动经过“vial”，到达停止位置“goal3”。可用不同语言写出这程序如下：VAL-II语言：move goal1move goal2move vialmove goal3AL语言：move garm to goal1;move garm to goal2;move garm to goal3 via vial.ROBOT-BASIC:10 move goal120 move straight goal230 cpon40 move vial50 move goal360 cpoff（4）允许用户规定执行流程同一般的计算机编程语言一样，机器人编程系统允许用户规定执行流程，包括试验和转移、循环、调用子程序以至中断等。对于许多计算机应用，并行处理对于自动工作站是十分重要的。首先，一个工作站常常运行两台或多台机器人同时工作以缩短过程周期。即使对于如图2-4所示的单台机器人的情况，工作站的其他设备也需要机器人控制器以并行方式控制。因此，在机器人编程语言中常常含有信号和等待等基本语句或指令，而且往往提供比较复杂的并行执行结构。通常需要用某种传感器来监控不同的过程。然后，通过中断或登记通讯，机器人系统能够反应由传感器检测到的一些事件。有些机器人语言提供规定这种事件的监控器。（5）要有良好的编程环境如同任何计算机一样，一个好的编程环境有助于提高程序员的工作效率。机械手的程序编制是困难的，其编程趋向于试探对话式。如果用户忙于应付连续重复的编译语言的编辑-编译-执行循环，那么其工作效率必然是低的。因此，现在大多数机器人编程语言含有中断功能，以便能够在程序开发和调试过程中每次只执行一条单独语句。典型的编程支撑和文件系统也是需要的。根据机器人编程特点，其支撑软件应具有以下几个功能：1）在线修改和立即重新启动。机器人作业需要复杂的动作和较长的执行时间，在失败后从头开始运行程序不总是可行的。因此支撑软件必须有在线修改程序和随时重新启动的能力。2）传感器的输出和程序追踪。机器人和环境之间的实时相互作用常常不能重复，因此支撑软件应能随着程序追踪记录传感器输出之值。3）仿真。即在没有设置机器人和工作环境的情况下测试程序，因此可有效地进行不同程序的模拟调试。（6）需要人机接口和综合传感信号在编程和作业过程中，应便于人与机器人之间进行信息交换，以便在运动出现故障时能及时处理，确保安全。而且，随着作业环境和作业内容复杂程度的增加，需要有功能强大的人机接口。机器人语言的一个极其重要的部分是与传感器的相互作用。语言系统应能提供一般的决策结构，如“if.then.else”，“case.”，“do.until.”和“while.do.”等，以便根据传感器的信息来控制程序的流程。在机器人编程中，传感器的类型一般分为三类：1）位置检测 用来测量机器人的当前位置，一般由编码器来实现。2）力觉和触觉 用检测工作空间中物体的存在。力觉是为力控制提供反馈信息，触觉用于检测抓取物体时的滑移。3）视觉 用于识别物体，确定它们的方位。如何对传器的信息进行综合，各种机器人语言都有它自己的句法。一般传感器信息主要用途是启动或结束一个动作。例如，在传送带上到达的零件可以切断光电传感器，启动机器人拾取这个零件，如果出现异常情况，就结束动作。目前大多数语言不能直接支持视觉，用户必须有处理视觉信息的模块。以上所举的例子大多是简单的机器人，对于智能机器人来说，情况就要复杂得多了。对于机器人来说，除了以上的基本技术外，还要用到自然语言处理技术、模式识别技术、自动控制技术等。只有很好地综合应用以上所列举的这些技术，才能开发出高水平的智能机器人。阅读资料：一、生物识别技术生物识别是为了认出某个人而采用自动技术测量他身体的特征或是个人的行为特点，并将这些特征或特点与一个数据库的数据进行比较，完成认证。很多生物识别技术已经得到了广泛的应用，指纹识别技术目前应用最为广泛，像虹膜识别、面像识别、视网膜识别、掌型识别等都是有待进一步推广的生物识别技术。但是，由于每种生物识别技术都存在某种缺陷，生物识别技术的大范围应用必然是几种生物识别技术的综合应用。下面就简要介绍一下虹膜识别、面像识别、视网膜识别、掌型识别、语音识别、签名识别等几种生物识别技术。目前的主流技术有：本征面孔扫描技术（是由麻省理工学院开发出来的面孔扫描技术，已经成为其它面部图像扫描技术的基础）、特征分析面孔扫描技术（是应用最为广泛的面孔扫描技术，例如Visionic公司的LFA面部扫描技术）、神经网络定位面孔扫描技术（是Miros公司所采用的技术，这种技术使得面孔扫描技术在许多困难的情况下能够完成识别工作，它能够完成1对1和1对多的检索）、自动面孔处理扫描技术（是面部扫描技术中最不成熟的一个）。1面像识别面像识别技术的核心技术在于“局部特征分析”和“图形识别算法”，该算法利用了面部各器官及特征部位的方位关系，形成识别参数与数据库中的原有原始参数比较、判断、确认，在低于1秒的时间内迅速给出判断结果。面孔扫描技术主要针对面部不易产生变化的部分进行图像处理，其中包括眼眶轮廓、颧骨的周围区域以及嘴的边缘区域等。图2-7 生物特征识别2虹膜识别虹膜即为人们所称的黑眼珠部分。通过红外光对虹膜上的纹络进行识别，发现60左右的纹络人与人是相同的，40的纹络人各不同。经计算两个人同一只眼虹膜特征相同的概率是十万分之一，两眼相同的概率是一千亿分之一。眼睛虹膜纹络识别技术是计算机技术与成像技术的结晶，采用的是红外成像技术，将人眼中的虹膜纹络特征图信息输入计算机，成为特殊的可供自动识别的人体身份证。 图2-8 虹膜识别器3视网膜识别虽然视网膜扫描的技术含量较高，但视网膜扫描技术可能是最古老的生物识别技术，在20世纪30年代，通过研究就得出了人类眼球后部血管分布唯一性的理论。视网膜是一些位于眼球后部十分细小的神经（一英寸的1/50），它是人眼感受光线并将信息通过视神经传给大脑的重要器官，它同胶片的功能有些类似，用于生物识别的血管分布在神经视网膜周围，即视网膜四层细胞的最远处。图2-9 EyeDentify公司的视网膜识别器在采集视网膜的数据时，扫描器发出一束光射入使用者的眼睛，并反射回扫描器，系统会迅速描绘出眼睛的血管图案并录入一个数据库中。眼睛对光的自然反射和吸收被用来描绘一部分特殊的视网膜血管结构。这个描绘的过程是由装有旋转式扫描镜头装置的设备来完成的，镜头的转速为6转/秒，每转可收集视网膜上700个特征点。数据一旦被收集，就被数字化并存储为一个96字节的模板。4掌型识别掌型识别技术也是一种很早就使用的生物特征识别技术。利用掌型识别系统，将根据一个专有的特殊方程式，对每个手指和手指的指关节的尺寸和形状及整只手的尺寸进行三维测量。录入时，使用者只需将他的手掌放在录入头表面，并将五个手指按录入头表面的槽位来摆放，使用者拇指、中指和食指的位置就被确定下来了，录入设备在录入时必需有三个手指的位置，录入模板能够十分精确地反映出三个手指的位置，结果被转换成10个字节左右的数据存入计算机。比对时，当某人把手贴在扫描仪上时，其掌型的图像就与存在数据库中被认可的手型图像相比较。图2-10 Biomet Partners公司的DIGI2掌型识别器在手扫描技术上占据领先地位的公司是Recognition System Inc，在手指几何学方面处于领先地位的公司是Biomet Partners。RSI公司采集识别样本的方法最直接，其产品使用一个32000像素的光电耦合数码相机，系统从获得的手掌及手指的轮廓图中推断出长、宽、厚度以及表面等数据，并转化为一个9字节的数据存入计算机。Biomet Partners公司的技术与前者大体相似，只不过提取的是食指和中指的数据，而存入计算机的数据为20字节长。现在已有超过8000个场所使用了掌型识别技术，包括美国奥兰多的迪斯尼乐园。5签名识别签名识别，也被称为签名力学辨识（Danamic Signature Verification，DSV），它分析的是笔的移动，例如加速度、压力、方向以及笔划的长度，而非签名的图像本身。签名力学的关键在于区分出不同的签名部分，有些是习惯性的，而另一些在每次签名时都不同。签名识别和声音识别一样，是一种行为测定学。图2-11 签名识别笔迹比对图人类在很久以前就开始使用签名来鉴别身份，因此签名识别对于使用者来说有着良好的心理基础，容易被使用者接受。6语音识别不同的语音识别系统，虽然具体实现细节有所不同，但所采用的基本技术相似，一个典型语音识别系统的实现过程如下图所示。 图2-12 语音识别流程语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。此外，还涉及到语音识别单元的选取。可以预见，在不久的将来，生物识别技术必将越来越广泛地应用于生活和工作的各个领域。从过去十年的市场情况来看，指纹识别和掌型识别的应用最为广泛，指纹识别占据了更大的优势，看起来用手作为身份识别的手段更易为大众所接受。国内市场上主要的生物识别产品基本上都是基于指纹识别的，指纹识别的产品也已应用到了许多方面；视网膜识别技术由于其高度的准确性和防伪性，目前主要用于需要非常高安全性的环境，尚未普及；另外几种被看好的技术是语音、虹膜和面像。目前虹膜和面像识别系统已经进行了许多测试，但还没有更大规模的应用。语音和面像极易为人们所接受，而且下一代的智能人机接口也将融合这两项技术；而虹膜技术具有不可伪造性和非常高的准确性，因此最能满足人们对于安全的需要，而其它几项技术由于本身的缺点有被淘汰的趋势。生物特征识别产品发展的另一趋势就是将几种生物识别技术结合在一起形成产品，因为每一种生物识别技术都有其优点和缺点，都不可能达到百分之百的完美程度。二、协作多机器人系统80年代末，随着机器人学、DAI和分布式系统的研究与发展，机器人已朝向分布式、系统化和智能化的方向发展尤其是基于MAS的多机器人协作问题正受到越来越多的关注目前智能体(Agent)还没有统一的定义，一般被认为是一个能作用于自身和环境，并能对环境做出反应的物理的或抽象的实体，是一个具有自主性、主动性、社会交互性及反应性的对象模型MAS则是Agent的集合每个Agent都是一个具有相同的问题求解方法的自治系统，能利用局部信息进行自主规划，并能通过规划推理解决局部冲突实现协作，从而完成与自身相关的局部目标依据MAS的特性来组织和控制多个机器人，使之能够协作完成单个机器人无法完成的复杂任务是机器人学研究领域的新课题，具有重要的理论和现实意义国外一些著名研究有：ACTRESS、CEBOT、SWARM等系统要实现的系统是以多个移动机器人为控制对象，以开阔区域为试验环境，要完成多个随机散布的机器人排成指定队形的任务，每个机器人要有不同层次的合作能力。将机器人封装为Agent和车体模型两部分，其中Agent是广义的机器人控制器，车体模型是机器人的物理实体。这样，多机器人的合作就体现为多Agent的合作，各机器人依据其子目标，动态地规划各自的运动序列，在自主状态下采用自主行为，在冲突状态下采用合作行为，从而协作完成系统任务。三、机器人编程语言的类型随着首台机器人的出现，对机器人语言的研究也同时进行。1973所美国斯坦福（Stanford）人工智能实验室研究和开发了第一种机器人语言WAVE语言。WAVE语言具有动作描述，能配合视觉传感器进行手眼协调控制等功能。1974年，该实验室在WAVE语言的基础上开发了AL语言，这是一种编译形式的语言，具有ALGOL语言的结构，可以控制多台机器人协调动作。AL语言对后来机器人语言的发展有很大的影响。1979年，美国Unimation公司开发了VAL语言，并配置在PUMA系列机器人上，成为实用的机器人语言。VAL语言类似于BASIC语言，语句结构比较简单，易于编程。1984年该公司推出了VAL-II语言，与VAL相比，VAL-II增加了利用传感器信息进行运动控制、通信和数据处理等功能。美国IBM公司在1975年研制了ML语言，并用于机器人装配作业。接着该公司又推出了AUTOPASS语言，这是一种比较高级的机器人语言，它可以对几何模型类任务进行半自动编程。后来IBM公司又推出了AML语言，AML语言已作为商品化产品用于IBM机器人的控制。其他的机器人语言有：MIT的LAMA语言，这是一种用于自动装配的机器人语言，美国Automatix公司的RAIL语言，它具有与PASCAL语言相似的形式。机器人语言尽管有许多分类方法，但根据作业描述水平的高低，通常可以分为三级：动作级、对象级和任务级。（1）动作级编程语言动作级语言是以机器人的运动作为描述中心，能常由使动作对象从一个位置到另一个位置的一系列命令组成。动作级语言的每一个命令（指令）对应于一个动作。动作级语言的代表是VAL语言，它的语句比较简单，易于编程。动作级语言的缺点是不能进行复杂的数学运算，不能接受复杂的传感器信息，仅能接受传感器的开关信号，并且和其他计算机的通信能力很差。（2）对象级编程语言对象级语言解决了动作级语言的不足，它是描述操作物体间关系使机器人动作的语言，即是以描述操作物体之间的关系为中心的语言，这类语言有AML，AUTOPASS等，它具有以下特点：1）运动控制 具有与动作级语言类似的功能。2）处理传感器信息 可以接受比开关信号复杂的传感器信号，并可利用传感器信号进行控制、监督以及修改和更新环境模型。3）通信和数字运算 能方便地和计算机数据文件进行通信，数字计算功能强，可以进行浮点运算。4）具有很好的扩展性 用户可以根据实际需要，扩展语言的功能，如增加指令等。（3）任务级编程语言任务级编程语言是经较高级的机器人语言，这类语言允许使用者对工作任务所要求达到的目标直接下命令，不需要规定机器人所做的每一个动作的细节。只要按某种原则给出最初的环境模型和最终工作状态，机器人可自动进行推理、计算，最后自动生成机器人的动作。任务级语言的概念类似于人工智能中程序自动生成的概念。任务级机器人编程系统能够自动执行许多规划任务。美国普渡大学开发的机器人控制C程序库RCCL就是一种任务级编程语言，它使用C语言和一组C函数来控制机械手的运动，把工作任务与程序直接联系起来。第三节 机器人的应用机器人已获得日益广泛的应用，现在应用最多的是工业机器人，其次是服务机器人。据统计，至2000年底，全世界有100万台左右的工业机器人在运行，由于为数众多而且越来越多的工业机器人被用来代替工人从事各种体力劳动和部分脑力劳动，国际劳工组织（ILO）甚至把它与“蓝领工人”和“白领工人”并列，称工业机器人为“钢领工人”。这支新的产业大军，已成为人类的得力助手和朋友，对各国的经济和人类生活的各个领域产生越来越大的影响。由于智能机器人能够根据环境的变化，独立地进行推理、判断，并采取相应的行动，完成特殊场合人类很难胜任的工作，因而更具有广泛的应用前景。特别是在危险的工作环境或高科技的研究领域中，智能机器人是不可缺少的角色。例如要对核反应堆进行紧急故障处理的任务，只能靠检修机器人自主地去完成任务；要到6000米深海去探测沉船或海底探矿，在这种超高压的环境下只有鱼雷智能机器人可以胜任；探测活火山口活动情况的研究，在超高温和烟雾弥漫的环境下，也只有火山探测机器人敢于闯关；在外星球探险研究时只能派一名智能机器人做开路先锋；在未来的人类生活中也期待着智能保姆机器人来无微不至地服侍主人，进一步提高人类的生活质量。1工业机器人工业机器人（通用及专用）一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码头等作业的机器人。制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。机器人无论是否与其他机器一起运用，与传统的机器相比，它具有两个主要优点：（1）生产过程的几乎完全自动化。它带来了较高质量的成品和更好的质量控制，并提高对不断变化的用户需求的适应能力，从而提高产品在市场上的竞争能力。（2）生产设备的高度适应能力。它允许生产线从一种产品快速转换为另一种产品。当某个故障使生产设备上的一个零件不能运动时，该设备也具有适应故障的能力。我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。图2-13 点焊机器人进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。图2-14 一汽轿车机器人焊接线从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。2探索机器人机器人除了在工农业上广泛应用之外，还用于进行探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性、有毒或高温等环境中进行作业。在这种环境下，可以使用自主机器人、半自主机器人或遥控机器人。知识窗口 自主机器人和遥控机器人自主机器人 自主机器人能在恶劣环境中执行编程任务。例如，可用自主机器人收集火星表面上的石头标本、观察核反应堆、开采海底矿藏和海空灾难救援等。不过，现有的自主机器人只用于执行简单的任务，还不能解释它们所处的环境。由于这个原因，实际上大多应用遥控机器人进行恶劣环境中的探索工作。遥控机器人 遥控机器人是把机器人（称为从动装置）放置在某个危险、有害恶劣环境中，而由操作人员在远处控制主动装置，使从动装置跟随主动装置的操作动作，实现遥控。由于是由操作人员控制从动装置运动的，所以必须把从动装置所处环境信息传送给操作者。最直接的方法是应用摄像机来发送一幅视觉图像；不过，仍然需要监视从动装置的作用。这种系统叫做传感反馈系统。（1）水下机器人人类今天正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发展，人们开始向海洋进军。海洋占地球表面积的71，它拥有14亿立方公里的体积。在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及6000亿亿吨的矿产资源。海底锰的藏量是陆地的68倍，铜的藏量为22倍，镍为274倍，制造核弹的铀的储藏量高达40亿吨，是陆地上的2000倍。海洋还是一个无比巨大的能源库，全世界海洋中储存着2800亿吨石油，近140亿立方米的天然气。因此，洋底的探测和太空探测类似，同样具有极强的吸引力、挑战性。众所周知，海底世界不仅压力非常大，而且伸手不见五指，环境非常恶劣。不论是沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还是资源勘探和开采，一般的设备很难完成。于是人们将目光集中到了机器人身上，希望通过机器人来解开大海之迷，为人类开拓更广阔的生存空间。世界上第一台无人潜水器Poodle诞生于1953年，迄今已有45年的历史。最初的20多年发展缓慢。70年代，随着海上石油开采的兴起，水下机器人的发展掀起了高潮。这一时期开发出一批能在不同深度、可进行多种作业的机器人。它们可用于石油开采、海底矿藏调查、打捞作业、管道铺设及检查、电缆铺设及检查、海上养殖以及江河水库大坝的检查等方面。估计目前世界上已研制成的遥控水下机器人（ROV）在1000台以上。水下机器人目前已在全世界范围内广泛应用，应用领域包括水下工程、打捞救生和海洋科学考察等方面。图2-15 “探索者号”入海1997年6月，在烟波浩渺的太平洋，中国的“大洋1号”考察船停泊在夏威夷以东1000海里的海面上，5000吨的考察船就像一片树叶似地，时而被海浪推上波峰，时而又抛到波谷。考察船上的人们忍受着摄氏40度的高温，站在摇晃的甲板上俯视着海面，正在焦急地等待着、寻找着什么。“看！上来了”，有人喊道。顺着手指的方向人们看到了一个貌似鱼雷的家伙浮出了水面，这正是人们急切盼望的“CR01” 6000米水下机器人。图2-16 水下6000米无缆自治机器人1986年之前，我国研制的都是有缆遥控水下机器人，工作深度仅为300米。经过6年的艰苦努力研制出两台先进的无缆水下机器人。1994年“探索者”号研制成功，它工作深度达到1000米，甩掉了与母船间联系的电缆，实现了从有缆向无缆的飞跃。从1992年6月起，与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，以我方为主，开始研制6000米无缆自治水下机器人。1995年8月， CR-01 6000米无缆自治水下机器人研制成功，使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一。阅读资料：水下机器人的各种应用海上打捞1963年，在西班牙东海岸地中海的海滩上，风景秀丽，气候宜人，游人漫步在明媚的春光中。突然，天空中轰的一声，一颗巨大的火球从天而降。原来这一天驻欧美军举行空军训练，一架KC-125空中加油机在给B52轰炸机空中加油时，因摩擦生电引燃了机上的燃料，两架飞机同时起火，飞行员紧急跳伞，飞机坠毁在海边附近 。令人震惊的是，B52轰炸机带有5颗氢弹，它们的威力相当于100万吨TNT炸药！这一消息激怒了西班牙的老百姓：“氢弹爆炸整个西班牙都要完蛋啦！” “叫他们马上把氢弹弄走！”五角大楼连夜召开紧急会议，然后指示驻欧海军部队立即出动，千方百计找回丢失的氢弹。海军派出部队和各种舰艇及蛙人进行搜索，费了九牛二虎之力，在一个村子附近的海边找到了3颗，在一片海滩中找到了第四颗，但就是找不到第5颗。于是，人们议论纷纷：“苏联间谍穿了潜水服把它捞走啦！”“国际恐怖组织派蛙人偷走了！”“氢弹正在嗒嗒响，随时都可能爆炸！”在万般无奈下，海军只好求助于刚刚制成的阿尔文号载人潜水器。阿尔文号看上去像一艘微型潜水艇，但它前面装有一个长长的机械臂，并装备有各种传感器。图2-17 阿尔文号载人潜水器阿尔文号慢慢地沉入漆黑的海底，它头部的探照灯照亮了前方几十米处的海水，由于潜水器和探照灯都靠电池供电，它的工作时间受到限制，需要经常升出水面更换电池。经过十几天紧张地搜索，终于在850米深的海底找到了最后一颗氢弹。可是氢弹降落伞的伞绳与海底的水草紧紧缠绕在一起，无法把它解开，如果硬拉又怕引起爆炸。阿尔文号只好把氢弹周围的情况拍摄下来，带回去研究对策。打捞指挥中心接到报告后，调来了名叫“科夫”的有缆遥控水下抢修车，这是一台遥控水下机器人，它长5米，重1400公斤，身上装有4个浮筒，它还装备有摄像机和探照灯，以及打捞和修理沉船用的巨大的机械手。科夫根据阿尔文号的情报找到了失落的氢弹，然后在水面母舰的遥控下准确地测出了氢弹的位置，再用它的机械手牢牢地抓住它，稳稳地托着它离开了海底，缓缓地升到了海面。氢弹终于被找回来了！科夫机器人立下了汗马功劳。以后，“科夫”被作了进一步的改进，制成多种用途的系列产品，用来回收鱼雷，打捞失事舰艇，安装水声传感器等，直到80年代末它才退役。参观“泰坦尼克”号 1912年4月15号，一场震惊世界的大惨案发生了，号称“不沉之船”的当时世界上最大的豪华邮轮“泰坦尼克”号，在其处女航中与冰山相撞，在距纽芬兰368海里的地方沉入3797米深的海底，1523名游客及海员遇难，705人得救。70多年后的1985年9月1日，美国伍兹霍尔海洋研究所的罗伯特巴拉德博士和他的两位同事来到了出事地点，希望能揭开“泰坦尼克号”沉没之迷。他们乘坐的“阿尔文”号潜水器重13801公斤，最大潜水深度为4511米，最大下潜速度为1830米/分钟。“阿尔文”号带有一台长约0.71米的有缆遥控机器人，名叫“小杰森”。“小杰森”装有一台高分辨率的摄像机和强大的照明系统，他可以探测从前无法达到的大洋的最深处。这一天，“阿尔文”号花了两个多小时下潜到海底，他们三人的眼睛都盯在监视器的荧光屏上。突然，就像黑暗中的幽灵似的，“泰坦尼克”号的一只巨大的锅炉出现在他们的眼前，这真是激动人心的发现！1986年7月，巴拉德博士的小组又回到了这个地方。7月13日，“阿尔文”号用它的7盏明亮的灯光照射着北大西洋黑暗的洋底，三位科学家在前进中搜索着，希望能找到可能就在附近的巨大邮轮的蛛丝马迹，水母和鲨鱼不断从“阿尔文”号的窗口旁游过。猛然间就像做梦似的，泰坦尼克号的巨大船头隐隐呈现在黑暗之中。他们真幸运！七十四年以来他们是首次见到这艘不幸沉船的人。巴拉德首先发现了覆盖着全船的尘迹，他们把它叫做“锈粒”。在过去人们散步的船上走廊中，鼠尾鱼、海星及海蜇在漫游。“小杰森”从楼梯间折断的天窗里钻进沉船中。泰坦尼克号上的许多东西如吊灯及玻璃镶板仍然呆在原来的位置上。“小杰森”搜索了船头、船身、了望塔及驾驶台，它看到了由4个烟囱及玻璃拱顶留下的大洞。当三位科学家看见船体的主要部分都覆盖着淤泥时，他们感到非常失望，因为泰坦尼克号到底是怎样沉没的这个秘密仍然是个谜。以后的12天中，他们又下潜到沉船残骸处11次，并在距船头约1英里处发现了船尾的残骸。1994年夏天，法国海洋开发研究所的“鹦鹉螺”号潜水器也到沉船地点考察，该潜水器的潜深为6000米，有3名乘员，并带有一台名叫“罗宾”的小型机器人。9月份，“罗宾”进入沉船搜索，它进到乘务员室，通过摄像机发现那里的保险柜不见了。它还找到了当时“泰坦尼克”号所属公司董事长伊斯梅勋爵的特等舱套房。“罗宾”还检查了装有3800袋邮件及30个大木箱的邮件舱，结果找到了一只水晶花瓶，一些乐器，一只大铜盆及盆内放着的盘子及很多餐具，还在一个小保险箱内找到了珠宝、金块和钞票。机器人共找到3600件物品。“罗宾”还发现了一个秘密，邮轮的右舷并没有裂缝，裂缝是在船底，轮机舱也没有发生爆炸，这与过去调查人员得出的结论完全不同。1994年10月，“罗宾”找到的物品连同以前在“泰坦尼克”号中找到的东西，都在伦敦海事博物馆内展出。1998年好莱坞大片泰坦尼克号在全世界引起轰动，致使各旅游公司特别看好开发水下旅游资源。在拍摄该片时，俄罗斯海洋研究所租给美国两艘深海潜水器“和平1号”及“和平2号”，用于水下实地摄制。“泰”片的火爆，增加了人们对海洋深处和“泰坦尼克号”沉船的好奇。据说，至今到海底见过“泰坦尼克”号残骸的不过三四十人。因此，俄罗斯海洋研究所正计划与一家英国公司签订一份获利丰厚的合同，吸引游客参观沉没的“泰坦尼克”号。进军查林杰海渊马里亚纳海沟是世界上海洋中最深的海沟，马里亚纳海沟的最深处叫查林杰海渊，它的名字是为了纪念发现它的英国“查林杰8号”船而得名的。那么查林杰海渊究竟有多深呢？1951年“查林杰8号”探测出的深度为10836米；1957年前苏联的“Vityaz”号船利用声波反射装置测量的深度为11034米；1960年美国的载人潜水器“的里亚斯特”号成功地到达查林杰海渊的海底，利用铅锤测量得到的深度为10912米；1984年日本的“卓阳（Takuyo）”号船测出的深度为10924米；1995年3月日本的“海沟”号潜水器测得的深度为10911.4米。图2-18 “海沟号”无人潜水器1986年，日本海洋科技中心开始计划研制“海沟”号无人潜水器，1990年完成设计开始制造，经过6年的努力，研制出海沟无人潜水器。“海沟号”长3米，