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机器人的定义及未来的发展.doc

机器人的定义及未来的发展

Tracy瑞
2017-10-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《机器人的定义及未来的发展doc》,可适用于综合领域

机器人的定义及未来的发展学院:机电工程学院专业:机械设计制造及其自动化姓名:张浩学号:【关键字】机器人意识智能思维逻辑思维【写作目的】作为未来科技的发展的方向机器人产业的发展迅猛伴随着科技的带动智能机器人也越来越聪明他势必在未来有更广阔的应用空间对此我们必须了解和认识机器人也应该畅想一下未来机器人的发展。目录机器人的概述功能分类传感型机器人交互型机器人自主型机器人智能程度分类初级智能机器人高级智能机器人发展方向研究重点机器人的概述人们从广泛意义上理解所谓的智能机器人它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物”。其实这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外它还有效应器作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉或称自整步电动机它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来我们称这种机器人为自控机器人以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的结果控制论主张这样的事实:生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的机器人是一种系统的功能描述这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了。智能机器人能够理解人类语言用人类语言同操作者对话在它自身的“意识”中单独形成了一种使它得以“生存”的外界环境实际情况的详尽模式。它能分析出现的情况能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求能拟定所希望的动作并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。当然要它和我们人类思维一模一样这是不可能办到的。不过仍然有人试图建立计算机能够理解的某种“微观世界”。比如维诺格勒在麻省理工学院实验室里制作的机器人。这个机器试图完全学会玩积木:积木的排列、移动和几何图案结构达到一个小孩子的程度。这个机器人能独自行走和拿起一定的物品能“看到”东西并分析看到的东西能服从指令并用人类语言回答问题。更重要的是它具有“理解”能力。为此有人曾经在一次人工智能学术会议上说过不到十年我们把计算机的智力提高了倍如维诺格勒所指出的计算机具有明显的人工智能成分。功能分类可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具有智能只具有一般编程能力和操作功能的机器人。到目前为止在全世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素:一是感觉要素用来认识周围环境状态二是运动要素对外界做出反应性动作三是思考要素根据感觉要素所得到的信息思考出采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。这些要素实质上就是相当于人的眼、鼻、耳等五官它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传成器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。对运动要素来说智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、皮带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制这种控制不仅要包括有位置控制而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。智能机器人根据其智能程度的不同又可分为三种:传感型机器人又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构它具有利用传感信息(包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及光等)进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机在外部计算机上具有智能处理单元处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息然后发出控制指令指挥机器人的动作。交互型机器人机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人,机对话实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能但是还要受到外部的控制。自主型机器人在设计制作之后机器人无需人的干预能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动式机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性自主性是指它可以在一定的环境中不依赖任何外部控制完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体根据环境的变化调节自身的参数调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主是机器人的一个重要特点机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因此许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。智能机器人的研究从年代初开始经过几十年的发展目前基于感觉控制的智能机器人(又称第二代机器人)已达到实际应用阶段基于知识控制的智能机器人(又称自主机器人或下一代机器人)也取得较大进展已研制出多种样机。智能程度分类初级智能机器人智能机器人是在工业机器人基础上发展起来的,现在已开始用于生产和生活的许多领域,按其拥有智能的水平可以分为两类:一是初级智能机器人它和工业机器人不一样,具有象人那样的感受,识别,推理和判断能力可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行,修改程序,也就是它能适应外界条件变化对自己怎样作相应调整不过修改程序的原则由人预先给以规定这种初级智能机器人已拥有一定的智能,虽然还没有自动规划能力,但这种初级智能机器人也开始走向成熟,达到实用水平高级智能机器人二是高级智能机器人它和初级智能机器人一样,具有感觉,识别,推理和判断能力,同样可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序所不同的是,修改程序的原则不是由人规定的,而是机器人自己通过学习,总结经验来获得修改程序的原则所以它的智能高出初能智能机器人这种机器人已拥有一定的自动规划能力,能够自己安排自己的工作这种机器人可以不要人的照料,完全独立的工作,故称为高级自律机器人这种机器人也开始走向实用。发展方向不过尽管机器人人工智能取得了显著的成绩控制论专家们认为它可以具备的智能水平的极限并未达到。问题不光在于计算机的运算速度不够和感觉传感器种类少而且在于其他方面如缺乏编制机器人理智行为程序的设计思想。你想现在甚至连人在解决最普通的问题时的思维过程都没有破译人类的智能会如何呢这种认识过程进展十分缓慢又怎能掌握规律让计算机“思维”速度快点呢,因此没有认识人类自己这个问题成了机器人发展道路上的绊脚石。制造“生活”在具有不固定性环境中的智能机器人这一课题近年来使人们对发生在生物系统、动物和人类大脑中的认识和自我认识过程进行了深刻研究。结果就出现了等级自适应系统说这种学说正在有效地发展着。作为组织智能机器人进行符合目的的行为的理论基础我们的大脑是怎样控制我们的身体呢,纯粹从机械学观点来粗略估算我们的身体也具有两百多个自由度。当我们在进行写字、走路、跑步、游泳、弹钢琴这些复杂动作的时候大脑究竟是怎样对每一块肌肉发号施令的呢,大脑怎么能在最短的时间内处理完这么多的信息呢,我们的大脑根本没有参与这些活动。大脑我们的中心信息处理机“不屑于”去管这个。它根本不去监督我们身体的各个运动部位动作的详细设计是在比大脑皮层低得多的水平上进行的。这很像用高级语言进行程序设计一样只要指出“间隔为一的从,的一组数字”机器人自己会将这组指令输入详细规定的操作系统。最明显的就是“一接触到热的物体就把手缩回来”这类最明显的指令甚至在大脑还没有意识到的时候就已经发出了。把一个大任务在几个皮层之间进行分配这比控制器官给构成系统的每个要素规定必要动作的严格集中的分配合算、经济、有效。在解决重大问题的时候这样集中化的大脑就会显得过于复杂不仅脑颅甚至连人的整个身体都容纳不下。在完成这样或那样的一些复杂动作时我们通常将其分解成一系列的普遍的小动作(如起来、坐下、迈右脚、迈左脚)。教给小孩各种各样的动作可归结为在小孩的“存储器”中形成并巩固相应的小动作。同样的道理知觉过程也是如此组织起来的。感性形象这是听觉、视觉或触觉脉冲的固定序列或组合(马、人)或者是序列和组合二者兼而有之。学习能力是复杂生物系统中组织控制的另一个普遍原则是对先前并不知道、在相当广泛范围内发生变化的生活环境的适应能力。这种适应能力不仅是整个机体所固有的而且是机体的单个器官、甚至功能所固有的这种能力在同一个问题应该解决多次的情况下是不可替代的。可见适应能力这种现象在整个生物界的合乎目的的行为中起着极其重要的作用。控制机器人的问题在于模拟动物运动和人的适应能力。建立机器人控制的等级首先是在机器人的各个等级水平上和子系统之间实行知觉功能、信息处理功能和控制功能的分配。第三代机器人具有大规模处理能力在这种情况下信息的处理和控制的完全统一算法实际上是低效的甚至是不中用的。所以等级自适应结构的出现首先是为了提高机器人控制的质量也就是降低不定性水平增加动作的快速性。为了发挥各个等级和子系统的作用必须使信息量大大减少。因此算法的各司其职使人们可以在不定性大大减少的情况下来完成任务。总之智能的发达是第三代机器人的一个重要特征。人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别。有的人甚至依此将机器人分为以下几类:受控机器人“零代”机器人不具备任何智力性能是由人来掌握操纵的机械手可以训练的机器人第一代机器人拥有存储器由人操作动作的计划和程序由人指定它只是记住(接受训练的能力)和再现出来感觉机器人机器人记住人安排的计划后再依据外界这样或那样的数据(反馈)算出动作的具体程序智能机器人人指定目标后机器人独自编制操作计划依据实际情况确定动作程序然后把动作变为操作机构的运动。因此它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置(周围情况及自身机器人的意识和自我意识)研究重点怎样变聪明的人工智能专家指出:计算机不仅应该去做人类指定它做的事还应该独自以最佳方式去解决许多事情。比如说核算电费或从事银行业务的普通计算机的全部程序就是准确无误地完成指令表而某些科研中心的计算机却会“思考”问题。前者运转迅速但绝无智能后者储存了比较复杂的程序计算机里塞满了信息能模仿人类的许多能力(在某些情况下甚至超过我们人的能力)。为了研究这个问题许多科学家都曾耗尽了自己一生的心血。二战期间英国数学家图灵发明了一种机器这种机器成了机器人的鼻祖。这是一种破译敌方通讯的系统。后来图灵用整个一生去幻想制造出一种会学习、有智能的机器。而在年另一位著名的数字家冯奈曼却设计了一个被称为“人工大脑”的东西。他和自己的学生都是心理学和神经学的狂热迷恋者为了制造人类行为的数学模拟机他们遭受了多次失败最后失去了制造“人工智能”可能性的信心。早期的计算装置过于笨重部件尺寸太大使得冯奈曼无法解决如何用这些部件来代替极小极小的神经细胞这样一个难题因为当时人类的大脑被看作是某种相互联系的神经元编织成的东西所以就可以把它想象成某种计算装置其中循环的不是能量而是信息。科学家们想到如果接受这样的对比的话为什么不能发明出一种使信息通过以后产生智能的系统呢,于是他们提出了人工思维的各种理论。比如物理学家便提出了企图使机器人用二进位或二进位逻辑元件进行思维的方法。这个方法被大家认为是非常简便的方法。年科学家们召开了第一届大型研讨会许多专家学者主张采用“人工智能”这个术语作为研究对象的名称。两位不出名的研究者内维尔提出了不同凡响的设想。他研究了两个人借助于信号装置和按钮系统进行交际的方式。这个系统要把这两个人的行为分解为一系列简单动作和逻辑动作。因为在这两个研究者的工作地点装有两台大型计算机所以他们俩常把自己的试验从脚到头倒着进行消遣取乐:把简单的逻辑规则输入计算机使它养成进行复杂推理的能力。这真是一个天才的想法计算机程序不仅进行工作而且靠它帮助发现了一个新定理这个定理证明完全出乎意料之外而且比以前所有的证明还要优美得多。内维尔和西蒙发现了一个奠定性的原则即赋予机器人智能用不着非得弄懂人类大脑不可。需要研究的不是我们的大脑是怎样工作而是它做些什么需要分析人的行为研究人的行为获得知识的过程而不需要探究神经元网络的理论。简单地讲应着重的是心理学而不是生理学从此研究者便开始沿着上述方向前进了。不过他们还一直在争论这样的问题:用什么方式使计算机“思维”。有一派研究者以逻辑学为研究点试图把推理过程分为一系列的逻辑判断。计算机从一个判断进到另一个判断得出合乎逻辑的结论。谈到“人工智能”这个词的时候我们马上会把它跟一些非真实的东西联在一起。这个词的出现令许多人提心吊胆:机器人和人一样了那人类将何去何从~有的人在拼命捍卫着人类自身的最后一个堡垒使其免遭机器人的伤害、侵犯。问题之所以复杂还在于这个词至今还没有形成统一的定义。明斯基说:“这是一门科学它使机器人去做这样一种事情这种事情如果由人去做的话就会被认为是有智能的行为。”这类俏皮的定义用处不大有时简直会把研究者引到实用形式主义的陷阱中去。另一个叫图灵的研究者提出了人工智能的测试方法:如果人类猜不出计算机跟他谈话时将表述何种内容不知道它要说什么那么这台计算机已经达到了人的智能水平。他的这一番高论曾经引起了轰动给学术界添了不少忙乱。为了排除计算机言语问题这样的对话最好是利用电传机进行。对于许多控制专家来说为达到图灵所说的水平进行了大量的工作。数不清的各种各样的电子交谈者纷纷问世。年代末美国控制论专家、麻省理工学院教师韦林鲍姆编成了几个程序其主要目的是满足图灵的测试条件把吹毛求疵的技术专家搞糊涂。这种做法的基础是似是而非的对话。在进行这种对话时交谈者只是看起来像是在交谈。“交谈者”实际上不去考虑交谈对方所说的意思而是把听到的东西作些并不复杂的形式上的改变组成自己的答话。。科尔比编制了另一种计算机程序它的任务是帮助刚刚开始工作的精神病医生获得某些同重病患者交谈的经验。这个程序模拟的是患迫害狂的病人。程序中存储了一定的履历情况:佩里岁未婚在邮局工作他极其脆弱对涉及他的外貌、教育和信仰等所有问题都敏感他的爱好是看电影和赛马有一次他竟朝赛马场赌注登记员猛扑过去因为那个人没付给他赢得的彩金从此他便开始惧怕黑社会的报复。交谈中佩里的情绪经常变化。如果谈话主持人经常地触及到佩里的“痛处”佩里便开始激动出现妄想狂症状。下面是他们的对话:医生:“您怕黑社会吗,”佩里:“黑手党是最可怕的暴徒。”医生:“您跟黑手党有什么联系吗,”佩里:“您没看到吗他们知道我。”医生:“他们怎么会知道你,”佩里:“他们在监视我。”医生:“为什么,”佩里:“他们想罗织罪名把我打入监狱。”医生:“他们为什么要害您,”佩里:“他们想置我于死地。”医生:“为什么呢,”佩里:“我掌握着黑手党的罪证。”一群精神病医生被安排通过电传机跟一个真病人和佩里同时进行交谈虽然他们知道其中一个交谈者是计算机但猜不出究竟哪个是计算机。这样图灵测试法便开始发生作用了。后来发生了更加有趣的事先前魏森鲍姆制作了一个模拟精神病医生医治某些神经功能失调症的机器人后来产生了用这个机器人来治佩里的想法这是它们之间的对话:医生:“您好请说说您哪儿不舒服,”佩里:“我有时生别人的气。”医生:“我不太理解您说的意思。”佩里:“您应该注意听些。”医生:“请继续说吧。”佩里:“我曾经去过贝梅多乌斯赛马场。”医生:“您去干什么,”佩里:“我去赛马了。”医生:“您还想讨论什么,”佩里:“我对赛马感兴趣。”医生:“您为什么要说这些呢,”佩里:“那里赛马赌博时捣鬼。”医生:“我不太明白您的意思。”佩里:“您真是个令人讨厌的人~”医生:“您喜欢把我看作是个真正令人讨厌的人吗,”佩里:“我听腻了。”医生:“为什么,”佩里:“再见~”医生:“认识您十分高兴。您应交付美元美分。”这就是它们的对话交谈得不错尽管医生有些“瞎蒙”。程序员准备逐步完善“佩里”的程序以便年轻的医生们能在对话过程中“治愈”这个人造病人。到那时大学生们便可以通过跟计算机交谈来学习免去面对真正的精神病人时因医术不熟练造成的痛苦。教会机器人去抓住这样或那样的实质更为重要。跟计算机谈话有两种类型:有限的交谈和有限的理解。在有限的交谈中机器人“理解”它所交谈的全部内容不过只是涉及到确定话题的情形下比方说下棋或摆积木。在有限的理解时可以同它随意交谈但是它却远远不能全部理解你的话。魏森鲍姆编制的机器人“女士”这个程序正属于此类。“女士”只能表面上理解事件和现象。不过随着控制对话理论和实践的发展机器人的言语变得越来越能表达意思了。图灵测试法开始经常性地生效了。美国的一家电子计算机公司的副董事长阴差阳错接受了一次图灵标准测试。从此这个标准的地位开始下降了。因为控制专家们由此发现它也不是检验计算机智能极限的最佳标准。最佳标准是什么呢,怎样的智能水平才够称得上是真正的“智能”机器人呢,这又成了摆在智能科学家面前的一个新问题。机器人教给你计算机事业的发展是建立在许多科学研究者“异想天开”的主观设想和辛勤劳动的客观实践的基础之上的。前面已经说过一些学者在研制控制对话原理做出了不少贡献。此时另一些实践家和实用主义者则努力将机器人的这种新能力套在科技进步的大车上他们决心让机器人具备具体的领域中的某些知识。我们知道计算机所获得的全部信息因素被一个相互依赖的复杂系统联系在一起。计算机比起逻辑推理来更经常地采用类比和判断的方法它将这些要素进行归类、合并和综合渐渐地发展了自己的“思维”能力。现在我们来回顾一下机器人在这个发展过程中的一些历史性事件。最初一批这样的计算机诞生于年代末。它们证明了约个定理并且能解答象“建造儿童金字塔”一类的简单小问题。到年代人们已经能够同计算机谈论天气之类的话题了因为这些计算机了解气象学并具备正确造句所必需的句法知识。比如如果对它说:“我不喜欢夏天下雨。”它会彬彬有礼地回答:“是的不过夏天并不经常下雨。”此外还有一个叫“棒球”的程序能解答与本年度比赛有关的所有问题:比赛地点、比分、参赛队的人员情况。而“谈谈”程序它已经开始对交谈者的家庭关系感兴趣了尽管它确实对此一无所知。只是到了年机器人“先生”才开始更多地注意词义而不仅是单词在句中的排列顺序。计算机“学生”也是这种类型的像一个学习成绩优秀的学生能解答一次方程能用流利的英语叙述解方程的顺序。输入计算机中的知识专业化程度越高计算机掌握它们的可能性就越大。现在有些计算机已成了真正的“技术顾问”。比如它们已经在协助专家们去确定哪个地层矿产丰富协助专家们作出有关传染病的诊断。要制造出这样的“专家”来必须把人专家的知识传授给它们。然而不管令人多么难以置信主要困难仍在于怎样把这些知识从人的大脑中“全掏”出来。比如医生作出诊断时根据经验遵守一些规则。这些规则他几乎是在下意识地和机械地加以运用的。研究者们花费了好多时间去采访医生和其他专家以便弄清楚他们思维过程所固有的基本规律。只要能将他们思维的全部过程还原那么再把它复制于计算机程序中这相对来说就不复杂了。从年开始计算机中的第一个“专家”便由法伊根鲍姆在斯坦福制成了。它一出生就自告奋勇地帮助化学家确定物质的分子结构另一个技术顾问“探矿者”工作起来更是严谨。它详细地研究地质图和土壤样图以便确定存在的矿床。它居然在华盛顿州发现了一座蕴藏丰富的钼矿。而计算机“医生”它的程序编制于年代。它在得知诊断结果和主要症状后能对传染病作出诊断。最精彩的是如果应用人要求它解释作出这样诊断的理由的话那么它任何时候都能说明作出这种诊断的理由是这个而不是另一个。匹兹堡大学的一位计算机专家波乌普尔和内科专家迈尔斯还设计了计算机“科达”的程序这个计算机在其存储器中存储着比一个医生在任何情况下所记住的更多的病症。它可以把事实、评定和判断结合起来作高难的诊断。计算机竟然学会了诊断,对的不信请看下面的实例:有一天人们给这台计算机输入了一个中年人的详细病情。当时这个中年人脸色难看之极呼吸困难被救护车送到了医院。迈尔斯初诊为心脏病发作。而计算机注意到了该病人的病情胸廓不感到疼痛以前发作心脏病时血压正常病历中有关于糖尿病的记载计算机先考虑了十多种疾病的症状否定了这些假设的疾病。然后在荧光屏上显示出主要诊断结果几分钟后计算机得出确诊:病人是心脏病发作。而医生要作出同样的确诊则需要几天的时间。在某些复杂和异常情况下它作出的确诊比私人医生的确诊更为正确、更为细心。所以迈尔斯医生认为计算机几乎总是愿意同有足够时间的医学专家研究患者的每一种病症。例如进行过附加测试以后“科达”就可以成为医生们的普通参谋它甚至可以降低医疗费因为根据计算机提出的问题医生指定病人去化验的次数将会减少。现在这样的“专家”队伍已经扩大了。长此下去它们定将儿孙满堂。例如正在研制的电子计算机会翻译会辨别书面语和口语会指出错误会学习会改正错误。总之未来的“专家系统”所涉足的领域将越来越广泛从天上到地下从古代到现代真正做到“天上知三分地上全知道”(虽有点夸张但符合它发展的方向和人们的愿望)。引用:百度文库机器人发展史

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