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

人工智能導(dǎo)論Introductiontoartificialintelligence機(jī)械工業(yè)出版社2020第四部分高級(jí)專(zhuān)題第9章機(jī)器人技術(shù)【導(dǎo)讀案例】RoboCop機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽討論：1劃時(shí)代的計(jì)劃2機(jī)器感知3機(jī)器人的概念4機(jī)器人的技術(shù)問(wèn)題5智能制造1劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題第1節(jié)9.1劃時(shí)代的計(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(lèi)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(lái)，這個(gè)目標(biāo)可能是過(guò)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。類(lèi)似這樣的挑戰(zhàn)目標(biāo)還有很多。9.1.1劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃從萊特兄弟的第一架飛機(jī)到阿波羅計(jì)劃將人類(lèi)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(lèi)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（見(jiàn)表9-1）。9.1.1劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃表9-1人類(lèi)提出的長(zhǎng)期目標(biāo)9.1.1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(lèi)的歷史性事件。雖然送什么人登上月球帶來(lái)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(méi)有帶來(lái)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)。9.1.1劃時(shí)代的阿波羅計(jì)劃劃時(shí)代計(jì)劃的重要問(wèn)題是設(shè)定一個(gè)足夠高的目標(biāo)，才能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和興奮點(diǎn)，完成目標(biāo)所需的技術(shù)成為下一代工業(yè)的基礎(chǔ)。9.1.1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(lèi)的一大步?！迸e國(guó)上下的努力使宇航員NeilArmstrong在登上月球表面，實(shí)現(xiàn)這個(gè)與人類(lèi)歷史一樣久遠(yuǎn)的夢(mèng)想時(shí)能說(shuō)出這句話。但是阿波羅計(jì)劃的目標(biāo)已經(jīng)超過(guò)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)家利益的

技術(shù)；為美國(guó)在太空留下英名；開(kāi)始對(duì)月

球的科學(xué)探索；提高人類(lèi)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(shí)代的阿波羅計(jì)劃1997年5月，IBM的深藍(lán)計(jì)算機(jī)擊敗了國(guó)際象棋世界冠軍，人工智能歷時(shí)40年的挑戰(zhàn)終于取得了成功。在人工智能與機(jī)器人學(xué)的歷史上，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。

與此同時(shí)，RoboCup也朝開(kāi)發(fā)能夠戰(zhàn)勝人類(lèi)

世界杯冠軍隊(duì)的機(jī)器人足球隊(duì)走出了第一步。圖9-4第一個(gè)自治機(jī)器人系統(tǒng)Sojourner9.1.2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題計(jì)算機(jī)國(guó)際象棋是一個(gè)典型的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。各種搜索算法可以在這個(gè)領(lǐng)域中評(píng)價(jià)和發(fā)展。隨著深藍(lán)的成功，按照正式規(guī)則擊敗人類(lèi)的頂尖高手，計(jì)算機(jī)國(guó)際象棋的挑戰(zhàn)到了尾聲。計(jì)算機(jī)國(guó)際象棋作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的成功，主要原因之一是清楚的定義了進(jìn)展的評(píng)價(jià)。研究進(jìn)展可以用系統(tǒng)的棋力來(lái)評(píng)價(jià)。一個(gè)挑戰(zhàn)必須能夠鼓勵(lì)一系列為下一代工業(yè)而發(fā)展的技術(shù)。人們認(rèn)為RoboCup是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，可以用來(lái)評(píng)價(jià)各種不同的理論、算法和體系結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表9-2）。9.1.2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題表9-2計(jì)算機(jī)國(guó)際象棋與RoboCup的領(lǐng)域特征的不同9.1.2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)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(wèn)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(lái)，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。事實(shí)上，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的RoboCup-Rescue專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)這方面的問(wèn)題。9.1.2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題（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(guò)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。9.1.2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題（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(lèi)似RoboCup的技術(shù)領(lǐng)域。9.1.2機(jī)器人學(xué)中新的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題（4）其他多智能體系統(tǒng)。這是一個(gè)比較大的類(lèi)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。1機(jī)器智能與智能機(jī)器2機(jī)器思維與思維機(jī)器3機(jī)器行為與行為機(jī)器第2節(jié)9.2機(jī)器感知機(jī)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(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(jué)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)。

圖9-5機(jī)器感知9.2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(guò)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)器感知或機(jī)器認(rèn)知（MachineRecognition）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(jué)、機(jī)器聽(tīng)覺(jué)、機(jī)器觸覺(jué)……如：計(jì)算機(jī)視覺(jué)、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。9.2機(jī)器感知如果智能機(jī)器感知技術(shù)將來(lái)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。9.2.1機(jī)器智能與智能機(jī)器機(jī)器智能（MachineIntelligence,MI），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(zhuān)家系統(tǒng)（ExpertSystem,ES），就是用計(jì)算機(jī)去模擬、延伸和擴(kuò)展專(zhuān)家的智能，基于專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，可以求解專(zhuān)業(yè)性問(wèn)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(zhuān)家系統(tǒng)，故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)等。智能機(jī)器（IntelligentMachine,IM），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)？9.2.2機(jī)器思維與思維機(jī)器機(jī)器思維（MachineThinking），具體地說(shuō)是計(jì)算機(jī)思維（ComputerThinking），如專(zhuān)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(huà)、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（ThinkingMachine），或者說(shuō)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(shuō)，目前的計(jì)算機(jī)具有某些思維能力，只不過(guò)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。9.2.2機(jī)器思維與思維機(jī)器感知機(jī)器（PerceptibleMachine）或認(rèn)知機(jī)器（RecognizingMachine），研制具有人工感知或人工認(rèn)知能力的機(jī)器。包括：視覺(jué)機(jī)器、聽(tīng)覺(jué)機(jī)器、觸覺(jué)機(jī)器……如：文字識(shí)別機(jī)、感知機(jī)、認(rèn)知機(jī)、工程感覺(jué)裝置、智能儀表等。9.2.3機(jī)器行為與行為機(jī)器機(jī)器行為（MachineBehavior）或計(jì)算機(jī)行為（ComputerBehavior）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(shuō)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……9.2.3機(jī)器行為與行為機(jī)器行為機(jī)器（BehavioralMachine）指具有人工智能行為的機(jī)器，或者說(shuō)，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(zhuān)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(lèi)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(guò)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)。1機(jī)器人的發(fā)展2機(jī)器人的定義與“三原則”3機(jī)器人的分類(lèi)第3節(jié)9.3機(jī)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(jī)器人（robot）”這個(gè)詞，捷克語(yǔ)中“機(jī)器人”意指勞動(dòng)或工作。如今，機(jī)器人已經(jīng)是“自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置”，它是高級(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(lèi)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)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類(lèi)工作的工作，例如生產(chǎn)

業(yè)、建筑業(yè)或是危險(xiǎn)的工作。9.3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(kāi)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(kāi)發(fā)空間探索等實(shí)際問(wèn)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。9.3.1機(jī)器人的發(fā)展機(jī)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(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(kāi)喙，伸出舌頭，拍打翅膀，展開(kāi)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(kāi)始變得司空見(jiàn)慣。9.3.1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(guò)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(kāi)創(chuàng)性的研究。這個(gè)領(lǐng)域?qū)?lái)自神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)與來(lái)自工程學(xué)的理論和原理結(jié)合起來(lái)，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。”我們將會(huì)看到這種相互作用相當(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)”。9.3.1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Elmer和Elise的機(jī)器人，因?yàn)樗麄兊耐庑魏鸵苿?dòng)速度都類(lèi)似自然界的爬行龜，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。沃爾特的機(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。9.3.1機(jī)器人的發(fā)展有了這些簡(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。9.3.2機(jī)器人的定義與“三原則”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(lái)說(shuō)，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)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(zhuān)門(mén)系統(tǒng)?！敝袊?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”。9.3.2機(jī)器人的定義與“三原則”在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)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。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(lái)建立世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過(guò)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(wèn)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(jué)觸覺(jué)聽(tīng)覺(jué)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。9.3.2機(jī)器人的定義與“三原則”為了防止機(jī)器人傷害人類(lèi)，1942年，科幻小說(shuō)家艾薩克·阿西莫夫（Isaac.Asimov）在小說(shuō)《TheCavesofSteel（鋼洞）》中提出了“機(jī)器人三原則”：一、機(jī)器人不得傷害人類(lèi)，不得看到人類(lèi)受到傷害而袖手旁觀。二、機(jī)器人必須服從人類(lèi)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(méi)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(guò)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(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則。9.3.3機(jī)器人的分類(lèi)自機(jī)器人誕生之日起，人們就不斷地嘗試著說(shuō)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(lái)越豐富。從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，機(jī)器人專(zhuān)家將機(jī)器人分為兩大類(lèi)，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(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等（見(jiàn)圖9-7）。9.3.3機(jī)器人的分類(lèi)

排爆機(jī)器人機(jī)器狗圖9-7機(jī)器人9.3.3機(jī)器人的分類(lèi)隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)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(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。1機(jī)器人的組成2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)3機(jī)器人大狗第4節(jié)9.4機(jī)器人的技術(shù)問(wèn)題開(kāi)發(fā)機(jī)器人涉及的技術(shù)問(wèn)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(wèn)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(jué)（稱為機(jī)器視覺(jué)）。計(jì)算幾何和規(guī)劃問(wèn)題是與其緊密結(jié)合的學(xué)科。在過(guò)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)。9.4.1機(jī)器人的組成在1967年日本召開(kāi)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(lái)表示機(jī)器人的形象。9.4.1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(jué)和固有覺(jué)的傳感器?？梢哉f(shuō)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(lèi)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(jué)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。9.4.1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)和復(fù)雜機(jī)械等組成。圖9-8機(jī)器人的結(jié)構(gòu)9.4.1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(kāi)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(lèi)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。9.4.1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。9.4.1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(lèi)：一類(lèi)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。一類(lèi)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(jué)”，向智能化發(fā)展，例如視覺(jué)、聲覺(jué)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。9.4.1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(lái)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。9.4.1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(lèi)之間存在一些重要的類(lèi)比。人類(lèi)需要食物和水來(lái)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(méi)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(shuō)，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。9.4.1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(wú)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(wú)源的需要直接的動(dòng)力來(lái)操作，而其他可能是無(wú)源的使用物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)保存能量。最常見(jiàn)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。9.4.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)是關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)如何運(yùn)行的最基礎(chǔ)的研究。在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，這是一種自下而上的技術(shù)，需要涉及物理、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(lái)控制硬件，因此這種系統(tǒng)很快就變得相當(dāng)復(fù)雜。無(wú)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(wèn)題就是運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人如何移動(dòng)？它的功能是什么？9.4.2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。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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)在機(jī)器人領(lǐng)域中，一個(gè)常見(jiàn)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(lèi)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(lái)說(shuō)，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)。

圖9-9一架直升機(jī)及其自由度9.4.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(chē)（或直升機(jī)在地面上）一樣的物體只有3個(gè)自由度（DOF）（沒(méi)有垂直運(yùn)動(dòng)），但是只有兩個(gè)自由度可控。也就是說(shuō)，地面上的汽車(chē)通過(guò)車(chē)輪只能前后移動(dòng)，并通過(guò)其方向盤(pán)向左或向右轉(zhuǎn)。如果一輛汽車(chē)可以直接向左或向右移動(dòng)（比如說(shuō)使其每個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°），那么這將增加另一個(gè)自由度。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，例如手臂或腿試圖在不同方向上移動(dòng)（如在人類(lèi)的手臂中有肌腱套），因此自由度的數(shù)量是個(gè)重要問(wèn)題。9.4.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)一旦開(kāi)始考慮運(yùn)動(dòng)，就必須考慮穩(wěn)定性。對(duì)于人和機(jī)器人，還有重心的概念，這是我們?cè)谧呗返牡孛嫔戏降囊粋€(gè)點(diǎn)，它使我們?cè)谧呗返牡孛嫔戏侥軌虮３制胶狻Ｖ匦奶鸵馕吨覀冊(cè)诘孛嫔贤闲星斑M(jìn)，重心太高則意味著不穩(wěn)定。與這個(gè)概念緊密聯(lián)系的是支持多邊形的概念。這是支持機(jī)器人加強(qiáng)穩(wěn)定性的平臺(tái)。人類(lèi)也有這樣的支持平臺(tái)，只是我們通常沒(méi)有意識(shí)到，它就在我們軀干中的某個(gè)位置。對(duì)于機(jī)器人，當(dāng)它有更多的腿時(shí)，也就是有3條、4條或6條腿時(shí)，問(wèn)題通常不大。9.4.3機(jī)器人大狗三大機(jī)器人系統(tǒng)大狗（BigDog，見(jiàn)圖9-10）、亞美尼亞（Asimo）和Cog，每個(gè)項(xiàng)目都代表了20世紀(jì)晚期以來(lái)，科學(xué)家數(shù)十年來(lái)的重大努力。每個(gè)項(xiàng)目都解決了在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的復(fù)雜而細(xì)致的技術(shù)問(wèn)題。大狗主要關(guān)注運(yùn)動(dòng)和重載運(yùn)輸，特別用于軍事領(lǐng)域；亞美尼亞展現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的各個(gè)方面，強(qiáng)調(diào)了人類(lèi)元素，即了解人類(lèi)如何移動(dòng)；Cog更多的是思考，這種思考區(qū)分了人類(lèi)與其他生物，被視為人類(lèi)所特有的。9.4.3機(jī)器人大狗圖9-10機(jī)器人大狗9.4.3機(jī)器人大狗1992年MarcRaibert與他人一起創(chuàng)辦了創(chuàng)立波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司，他首先開(kāi)發(fā)了全球第一個(gè)能自我平衡的跳躍機(jī)器人，之后公司獲得了美國(guó)國(guó)防部的合作，國(guó)防部投資幾千萬(wàn)元用于機(jī)器人的研究，雖然當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)防部還想不出這些機(jī)器人你能干什么，但是認(rèn)為這個(gè)技術(shù)未來(lái)是有用的。這也印證了商業(yè)模式是做出來(lái)的道理。當(dāng)時(shí)，很多機(jī)器人行走緩慢，平衡很差，Raibert模仿生物學(xué)運(yùn)動(dòng)原理，使機(jī)器保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。如同真的動(dòng)物一樣，Raibert的機(jī)器人移動(dòng)迅速且平穩(wěn)。9.4.3機(jī)器人大狗2005年，波士頓動(dòng)力公司的專(zhuān)家創(chuàng)造了四腿機(jī)器人大狗。這個(gè)項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助的，源自國(guó)防部為軍隊(duì)開(kāi)發(fā)新技術(shù)的任務(wù)。2012年，大狗機(jī)器人升級(jí)，可跟隨主人行進(jìn)20英里。2015年，美軍開(kāi)始測(cè)試這種具有高機(jī)動(dòng)能力的四足仿生機(jī)器人的試驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)始試驗(yàn)這款機(jī)器人與士兵協(xié)同作戰(zhàn)的性能?！按蠊贰睓C(jī)器人的動(dòng)力來(lái)自一部帶有液壓系統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，它的四條腿完全模仿動(dòng)物的四肢設(shè)計(jì)，內(nèi)部安裝有特制的減震裝置。機(jī)器人的長(zhǎng)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(dāng)于一條真正的大狗。9.4.3機(jī)器人大狗“大狗”機(jī)器人的內(nèi)部安裝有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)整行進(jìn)姿態(tài)。而大量的傳感器則能夠保障操作人員實(shí)時(shí)地跟蹤“大狗”的位置并監(jiān)測(cè)其系統(tǒng)狀況。這種機(jī)器人的行進(jìn)速度可達(dá)到7千米/小時(shí)，能夠攀越35度的斜坡。它可攜帶重量超過(guò)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(jiǎn)單路線行進(jìn)，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。1什么是智能制造2綜合特征3智能技術(shù)4測(cè)控裝置第5節(jié)5運(yùn)作過(guò)程9.5智能制造智能制造（IntelligentManufacturing）源于人工智能的研究。一般認(rèn)為智能是知識(shí)和智力的總和，前者是智能的基礎(chǔ)，后者是指獲取和運(yùn)用知識(shí)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(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫(kù)，而且還具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)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(jī)器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)（見(jiàn)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(jì)算機(jī)模擬人類(lèi)專(zhuān)家的智能活動(dòng)，進(jìn)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(dòng)，同時(shí)，收集、存儲(chǔ)、完善、共享、繼承和發(fā)展人類(lèi)專(zhuān)家的制造智能。由于這種制造模式，突出了知識(shí)在制造活動(dòng)中的價(jià)值地位，而知識(shí)經(jīng)濟(jì)又是繼工業(yè)經(jīng)濟(jì)后的主體經(jīng)濟(jì)形式，所以智能制造就成為影響未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)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(rèn)為是一個(gè)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(xì)分為設(shè)計(jì)、計(jì)劃、生產(chǎn)和系統(tǒng)活動(dòng)四個(gè)子系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)子系統(tǒng)中，智能制定突出了產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)過(guò)程中消費(fèi)需求的影響；功能設(shè)計(jì)關(guān)注了產(chǎn)品可制造性、可裝配性和可維護(hù)及保障性。9.5.1什么是智能制造另外，模擬測(cè)試也廣泛應(yīng)用智能技術(shù)。在計(jì)劃子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)造將從簡(jiǎn)單信息型發(fā)展到知識(shí)密集型。在排序和制造資源計(jì)劃管理中，模糊推理等多類(lèi)的專(zhuān)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(cè)生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)狀態(tài)獲取和故障診斷、檢驗(yàn)裝配中，將廣泛應(yīng)用智能技術(shù)；從系統(tǒng)活動(dòng)角度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)控制中已開(kāi)始應(yīng)用，同時(shí)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(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)活動(dòng)并行，解決系統(tǒng)集成。9.5.1什么是智能制造由此可見(jiàn)，IMS理念建立在自組織、分布自治和社會(huì)生態(tài)學(xué)機(jī)理上，目的是通過(guò)設(shè)備柔性和計(jì)算機(jī)人工智能控制，自動(dòng)地完成設(shè)計(jì)、加工、控制管理過(guò)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(jiàn)圖9-13）是網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控機(jī)床常用的制造術(shù)語(yǔ)。其本質(zhì)是計(jì)算機(jī)與具有數(shù)控裝置的機(jī)床群使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成的分布在車(chē)間中的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)就像一個(gè)統(tǒng)一的整體，系統(tǒng)對(duì)多種通用的物理和邏輯資源整合，可以動(dòng)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(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。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(tái)，隨著客戶的不斷發(fā)展和成長(zhǎng)，僅僅解決設(shè)備聯(lián)網(wǎng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代制造企業(yè)的需求。早在90年代初，美國(guó)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(chē)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(tái)。DNC必須能夠承載更多的信息。同時(shí)DNC系統(tǒng)必須能有效的結(jié)合先進(jìn)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(shí)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(lái)理解，計(jì)算機(jī)/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(dòng)化的例子。除了制造過(guò)程本身可以實(shí)現(xiàn)智能化外，還可以逐步實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)，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(shí)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(jì)算技術(shù)。自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)得到迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為一種進(jìn)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(jì)活動(dòng)中被授權(quán)代表委托人的一方。后來(lái)被借用到人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域，以描述計(jì)算機(jī)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(jì)算將可能成為下一代軟件開(kāi)發(fā)的重大突破。”隨著人工智能和計(jì)算機(jī)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(duì)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造乃至產(chǎn)品的整個(gè)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(jì)，并實(shí)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(yǔ)借過(guò)來(lái)的，人們用Holon表示系統(tǒng)的最小組成個(gè)體，整子系統(tǒng)就是由很多不同種類(lèi)的整子構(gòu)成。整子的最本質(zhì)特征是：自治性，每個(gè)整子可以對(duì)其自身的操作行為作出規(guī)劃，可以對(duì)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(gè)整子可以請(qǐng)求其他整子執(zhí)行某種操作行為，也可以對(duì)其他整子提出的操作申請(qǐng)?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(diǎn)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(duì)于快速變化的市場(chǎng)、變化的制造要求有很強(qiáng)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(jìn)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(jī)器”，“智能機(jī)器”在一定程度上表現(xiàn)出獨(dú)立性、自主性和個(gè)性，甚至相互間還能協(xié)調(diào)運(yùn)作與競(jìng)爭(zhēng)。強(qiáng)有力的知識(shí)庫(kù)和基于知識(shí)的模型是自律能力的基礎(chǔ)。9.5.2綜合特征（2）人機(jī)一體化。IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。基于人工智能的智能機(jī)器只能進(jìn)行機(jī)械式的推理、預(yù)測(cè)、判斷，它只能具有邏輯思維（專(zhuān)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(lèi)專(zhuān)家才真正同時(shí)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(guò)程中人類(lèi)專(zhuān)家的智能，獨(dú)立承擔(dān)起分析、判斷、決策等任務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的。人機(jī)一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時(shí)在智能機(jī)器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機(jī)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(jī)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(shí)技術(shù)。這是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的支持技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)高水平人機(jī)一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality）是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，融合信號(hào)處理、動(dòng)畫(huà)技術(shù)、智能推理、預(yù)測(cè)、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(shí)生活中的各種過(guò)程、物件等，因而也能擬實(shí)制造過(guò)程和未來(lái)的產(chǎn)品，從感官和視覺(jué)上使人獲得完全如同真實(shí)的感受。但其特點(diǎn)是可以按照人們的意愿任意變化，這種人機(jī)結(jié)合的新一代智能界面，是智能制造的一個(gè)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(yùn)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(lèi)專(zhuān)家組成的群體，具有生物特征。（5）學(xué)習(xí)與維護(hù)。智能制造系統(tǒng)能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫(kù)，具有自學(xué)習(xí)功能。同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中自行故障診斷，并具備對(duì)故障自行排除、自行維護(hù)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(cè)量、納米聚合物傳感、光纖傳感等），微弱傳感信號(hào)提取與處理技術(shù)。（2）模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)：不同結(jié)構(gòu)的模塊化硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，微內(nèi)核操作系統(tǒng)和開(kāi)放式系統(tǒng)軟件技術(shù)、組態(tài)語(yǔ)言和人機(jī)界面技術(shù)，以及實(shí)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(tái)技術(shù)。9.5.3智能技術(shù)（3）先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)：工業(yè)過(guò)程多層次性能評(píng)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(biāo)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃、電子傳動(dòng)等精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。（4）系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)：大型制造工程項(xiàng)目復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)，統(tǒng)一事件序列和報(bào)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(hù)技術(shù)：在線或遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、自愈合調(diào)控與損傷智能識(shí)別以及健康維護(hù)技術(shù)，重大裝備的壽命測(cè)試和剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，可靠性與壽命評(píng)估技術(shù)。9.5.3智能技術(shù)（6）高可靠實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，高可靠無(wú)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(wú)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(jì)、驗(yàn)證技術(shù)及方法，建立功能安全驗(yàn)證的測(cè)試平臺(tái)，研究自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體功能安全評(píng)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