人工智能技术与机器人

1、.PAGE ：.；PAGE 17第十章 人工智能技术与机器人本 章 导 读人工智能技术是电子信息技术的重要组成部分。是20世纪对人类影响最为深远的三大前沿科学技术之一。机器人的研讨与制造是人工智能技术的重要运用领域和前沿领域。本章将引见人工智能技术的概念、人工智能技术的运用及开展前景、机器人技术的开展、智能机器人的运用及开展趋势。 第一节 人工智能技术 人工智能产生于20世纪50年代末期，从学科位置和开展程度来看，人工智能是当代科学技术的前沿学科，也是一门新思想、新实际、新技术、新成就不断涌现的新兴学科。人们把人工智能技术同宇航空间技术、原子能技术一同誉为20世纪对人类影响最为深远的三大前沿科

2、学技术成就。一、什么是人工智能？ 1、人工智能概念及其学科特性人工智能，英译名为Artificial Intelligence，简称AI。人工智能，顾名思义，即用人工制造的方法，实现智能机器或在机器上实现智能。是一门研讨构造智能机器或实现机器智能的学科，是研讨模拟、延伸和扩展人类智能的科学。人工智能的研讨，是在计算机科学、控制论、信息论、心思学、生理学、数学、物理学、化学、生物学、医学、哲学、言语学、社会学、数理逻辑、工程技术等众多学科的根底上开展起来的，因此，它又是一门综合性极强的边缘学科。 2、人工智能的研讨目的人工智能的研讨目的分为远期目的和近期目的。远期目的：从长久的角度，人工智能的研

3、讨就是要设计并制造一种智能机器系统。使该系统可以替代人去完成诸如感知、学习、联想、推理等活动；可以替代人去了解并处理各种复杂困难的问题；可以替代人去完成各种具有思想劳动的义务。也就是说，人工智能的远期目的是要制造出完全具有人脑智慧的人工智能系统。当然，这还是非常遥远的事情。近期目的：从当前的角度，人工智能的研讨就是要最大限制地发扬计算机的功能，使计算机可以模拟人脑，在机器上实现各种智能。例如：让计算机可以看、听、读、说、写；使计算机可以想、学、模拟、执行命令甚至出谋献策等。因此，计算机是当前实现人工智能的重要手段，由于计算机在一切机器和人工系统中“智商最高，所以，人工智能的研讨都要经过计算机来

4、实现。计算机处理问题需依托人工事先编制的软件，它所做的每一件事情都是程序员事先在程序代码中规定好的。也就是说，目前人工智能的研讨任务主要是集中在以计算机的硬件系统为根底，经过计算机软件实现模拟人类的智能活动的效果。现实上，人工智能研讨的远期目的与近期目的是相辅相成的。远期目的是近期目的的方向，近期目的的研讨为远期目的的实现预备着实际和技术的根本条件。随着人工智能的不断开展与提高，近期目的将不断调整，最终完全实现远期目的。二、人工智能研讨的三大学派和四大技术1、在人工智能科学的研讨与开展中，构成了众多学派，其中主要的三大学派是：功能派。这是最早开展起来的传统主流学派，又称为逻辑学派或宏观功能派，

5、采用功能模拟的观念，运用的是“黑箱研讨方法。功能派涉及逻辑学、心思学、数学、物理学、工具学、言语学、计算机、数理逻辑等众多学科。构造派。也是最早开展起来的传统学派之一，又称为生物学派或微观构造派，与功能派不同，它采用的是构造模拟的观念，运用的是“白箱的研讨方法。构造派涉及生物学、微构造学、医学、仿生学、神经生理学等学科。行为派。又被称作适用技术派。与传统学派完全不同，它采用适用行为模拟的观念，运用“能工巧匠式的制造方法，是一种按照“鼓励呼应的任务方式来建立适用工程安装的研讨方法。行为派涉及行为学、工程学、机械学、电子学等学科。各个学派学术观念有所不同，研讨思绪各有偏重，对人工智能的了解定义也不

6、完全一致。因此，各有所获，各有千秋，共同构成了人工智能领域百家争鸣、百花齐放、生动活泼的研讨气氛。2、人工智能的四大根本技术是：机器学习和知识获取技术。包括信息变换技术、知识信息的了解技术、知识的条理化、规那么化技术、机器的感知与生长技术等。知识表示与处置技术。包括知识模型的建立与描画技术、表示技术及各种知识模型处置技术方法等。知识推理和搜索技术。包括演绎推理计算和智能搜索技术。AI系统构成技术。包括AI言语、硬件系统及智能运用系统等方面的构成技术等。人工智能的三大学派和四大技术构成了AI体系的根底与框架。三、人工智能研讨的根本内容根据人工智能的远期目的和根本技术，目前研讨的根本内容包括：1、

7、机器感知。就是使机器计算机具有类似于人的感知才干，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、知觉、力感等。其中以机器视觉和机器听觉为主。机器视觉是指让机器可以识别并了解文字、图像、景物等；机器听觉是指让机器可以识别并了解人类言语表达及语声、音响等。从而构成了人工智能的两个专门的研讨领域：方式识别和自然言语了解技术。2、机器思想。就是使机器对感知获得的外部信息和机器内部的任务信息进展有目的的处置。机器智能主要是经过机器思想实现的。因此，机器思想是人工智能研讨中最重要也是最关键的部分。3、机器学习。就是使机器具有获取新知识、学习新技巧，并在实际中不断完善、改良的才干。使它可以经过向书本、与人说话、对环境察

8、看等方式自动地获取知识。4、机器行为。就是使机器具有说、写、画等表达才干和行走、取物、操作等四肢功能。5、人工智能系统构成。为了实现人工智能的目的，需求建立智能系统及智能机器。因此，还需求开发对模型、系统分析与构造技术、建造工具及言语等的研讨。第二节 人工智能技术的运用与开展人类智能是涉及信息描画和信息处置的复杂过程，因此实现人工智能是一项艰巨的义务。但是，随着计算机科学和技术的飞速开展，人工智能曾经获得了一系列的研讨成果。一、人工智能的运用下面引见人工智能的几个主要运用领域。1、专家系统。专家系统是早期人工智能研讨中最活泼也是最有效果的领域。自1968年第一个专家系统问世以来，已获得迅速开展

9、。专家系统是一种基于知识的系统，它从人类专家那里获得知识并用来处理只需专家才干处理的困难问题，其程度可以到达甚至超越人类个体专家的程度。目前，专家系统已广泛运用于医疗诊断、地质勘探、石油化工、教育、军事等各个领域，并产生了宏大的社会效益和经济效益。例如：地质勘探专家系统PROSPECTOR拥有15种矿藏知识，能根据岩石标本及地质勘探数据对矿藏资源进展估计和预测，并制定合理的开采方案，胜利地找到了超亿美圆的铜矿；专家系统MYCIN能识别51种病菌，正确运用23种抗菌素，可协助医生诊断、治疗细菌感染性血液病，为患者提供最正确处方，胜利地处置了数百病例；内科诊断专家系统CADUCEUS正确地诊断出了

10、许多疑问病症；美国DEC公司的专家系统XCOD能根据用户需求确定计算机的配置，专家完成这项任务普通需求3个小时，而该系统只需求半分钟等等。2、自然言语处置与了解自然言语是人类的交互言语，自然言语处置与了解研讨的是如何让计算机了解人类自然言语和所表达的思想。普通来说，自然言语处置系统至少需求到达以下的三个目的之一：1能正确了解人们用自然言语输入的信息，并能正确回答输入信息中的有关问题。2能对输入信息进展概括综合，能产生相应的摘要，能用不同词语复述输入信息的内容。3能把某种自然言语表示的信息自动地翻译为另一种自然言语，即机器翻译系统。可以想象，这种拟人的同步翻译系一致旦完全研制胜利，全世界拥有不同

11、母语的人们就可以自在交流，言语就不再成为人们思想交流的妨碍了。3、机器自动定理证明机器定理证明是人工智能中最早进展探求并得到胜利运用的一个经典领域。要让计算机可以进展定理的证明，就要弄清人进展逻辑推理的内部机制或提供一种适宜于计算机运用的推理方式。因此对机器定理证明的研讨，对最终制造出具有人的智能程度的机器或系统具有非常艰苦的意义。目前，人工智能在机器定理证明方面曾经获得了不少成就。1959年，美籍华人数学家王浩用计算机证明了罗素等人所著的中的几百条定理，时间仅用了不到10分钟；1976年，科学家用计算机证明了困扰人类一个多世纪的著名的四色猜测；我国著名数学家吴文俊院士从70年代末开场努力于数

12、学定理的计算机证明，提出了以构造性为中心的算法，证明了几何中一类高难度的定理。并且在用吴院士的算法对的定理进展证明时，计算机还发现了一个定理的不独一性。4、方式识别方式识别是研讨如何使机器计算机具有类似于人的感知才干，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、知觉、力感等。方式识别以机器视觉识别和机器言语辨以为主。它是计算机和微电子技术领域中最先进、最复杂技术的综合，具有非常广泛的运用前景。方式识别曾经运用到文字识别、自然言语的识别和了解、图像分析、遥感、人的面孔和指纹的区分、生物和医学信号的识别、医疗诊断等领域，甚至在社会经济学、考古学等领域中也有运用。目前，文字识别中的手写体识别技术和印刷体识别技

13、术、语音识别技术、言语识别技术都已进入适用阶段。如：手写输入的计算机、印刷体输入到计算机、IBM公司的汉语语音识别系统、能将一种言语翻译成其它言语的机器辅助翻译系统等。5、人工神经网络人工神经网络是一个用大量简单处置单元经广泛衔接组成的、可用来模拟人类大脑神经系统的构造和功能的人工网络。其特点是：具有自学功能、联想式存储功能和高速寻觅最优解的才干。近年来，由于计算机并行处置技术的进展，使人工神经网络的研讨进入了新的开展时期，获得了许多研讨成果。并行处置技术突破了传统计算机对信息只能串行处置的局限，可实现传统的人工智能程序无法实现的功能。例如：美国麻省理工学院采用神经网络和并行程序，曾经可以做到

14、对面孔的识别。人工智能的运用领域还有许多，例如：机器人、智能软件工程、智能决策支持系统、博弈、现代智能通讯等，随着科学技术的快速开展，人工智能的运用领域将更加广大。二、21世纪人工智能的展望目前人工智能的研讨有三个热点：智能接口、数据发掘、主体和主体系统，并能够向模糊处置、并行化、神经网络和机器情感等方向开展。 当前，人工智能的推理功能已获突破，学习及联想功能正在研讨之中，下一步就是模拟人类右脑的模糊处置以及整个大脑的并行化处置的功能。未来智能计算机的能够构成方式之一，是以冯诺依曼机作为主机与以人工神经网络作为智能外围的结合。一个重要的研讨方向是：要赋予计算机的情感才干。最新的研讨阐明：情感是

15、智能的一部分。现实上，无论对于计算机及其人工生命的开展研讨，还是对于人与机器的未来交往的研讨，情感才干都是至关重要的目的。因此，人工智能领域的下一个突破能够就在于赋予计算机的情感才干。总之，人工智能是一个充溢挑战和机遇的领域。人工智能研讨的进展，将在很大程度上影响着人类社会与开展。目前，曾经有很多人工智能的成果进入了我们的日常生活。未来，人工智能技术的开展将会更加造福于人类社会，为人类的各个方面带来宏大的变化。 第三节 智能机器人技术机器人是人工智能技术的重要组成部分，对智能机器人的研讨和制造是当前人工智能最前沿的领域，在很大程度上代表着一个国家的高科技开展程度。在这里我们将引见机器人的开展、

16、智能机器人的概念及其开展趋势，以及智能机器人在各个领域的运用。一、机器人的开展与智能机器人机器人是一种自动机器，除了有目的的拟人化外，绝大多数情况下它的外形与人毫无共同之处。机器人与普通的自动机器又有很大的差别，其一，机器人利用计算机进展控制，只需改动程序，便可以做不同的任务；其二，机器人可以进展乖巧的运动，能像人一样做普通机器无法完成的任务。自从20世纪50年代末，世界上第一个机器人诞生以来，机器人技术的开展速度惊人，从技术角度来看，机器人的开展阅历了三个阶段： 1、第一代机器人工业机器人第一代机器人是工业机器人，这种机器人只能按照预先设计好的程序完成规定的反复动作。程序一经装入，它就只能死

17、板地照此任务，不论外界条件有什么变化，它都不能做相应的调整。要改动机器人的任务，只需由人去改动机器人的程序。通常一个机器人可以存放上百种作业的动作和编写程序。这种机器人最重要的特点是：具有记忆功能，经过一次示教，便可以无限地反复这个动作，准确、可靠、不走样。目前世界上广泛运用于工业消费的大部分机器人，都是这一类的机器人。2、第二代机器人初级智能机器人第二代机器人是基于传感器信息的离散编程工业机器人，又称为初级智能机器人。传感器是人工制造的可以感知外界信息的安装，因此，这种机器人可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修正程序，但修正程序的原那么是由人事先规定好的。由于这类机器人可经过传感器感知

18、外部的信息，因此添加了对任务环境的顺应才干。但它传感的信息还很少，不能满足各种需求。在工业消费中的许多组装机器人便是这一类机器人。3、第三代机器人智能机器人第三代机器人是智能机器人。智能机器人是指可模拟人类智能行为的机器。智能机器人普通装有多种传感器，能识别作用环境，能自主决策，具有人类大脑的部分功能，且动作更加灵敏准确。是接纳指令后能自行编程的自主式机器人。这类机器人有觉得、有判别或认识功能，能决议本身的行为。它可以不需求人的照料，完全独立地任务。目前，这种机器人还在不断开发中，要到达真正适用，还需求一段时间。人工智能的一切技术在智能机器人的开发中几乎都有运用，因此，智能机器人的研制被当作人

19、工智能实际、方法、技术的实验场地；反过来，对智能机器人的研制又可大力推进人工智能研讨的开展。二、智能机器人的运用目前，机器人在世界上许多国家都得到了广泛的运用。随着机器人技术的不断开展和提高，如今已有150万机器人遍及在世界各地，从事清洁、勘探甚至星球探测的任务。在汽车工业中，日本每万名工人占有机器人909台，意大利为400台，美国370台，德国340台，瑞典为300台，法国为220台，英国为150台。此外还有：太空机器人、警卫和保洁机器人、家庭效力机器人、消防机器人等。1、类人型机器人研制具有人类外观特征、可以模拟人类行走和根本操作功能的类人型机器人，不断是人类机器人研讨的梦想之一。类人型机

20、器人的研讨，涉及的领域广大综合性很强，是机器人研讨的尖端。世界上第一个可以进展自我控制、依托两腿行走的类人型机器人出如今1996年12月。它身高1.820米，体重210公斤。采用无线电技术，该机器人的躯干内安装有计算机、电机驱动器、电池、无线接受器等安装在不需求导线控制的情况下，该机器人可以独立行走、上下台阶、推车等，实现了独立地操作。第一个完全独立，依托两条腿行走的类人型机器人诞生于1997年9月。 身高：1.600米， 体重：130公斤 。经过改换部件资料，以及将控制系统分分布置，降低了身高，减轻了体重。较小的尺寸更适宜在人们的生活环境中运用。2000年，日本本田公司研制开发的类人型机器人

21、“阿斯莫ASIMO诞生见彩图3和彩图4。从2000年到如今，“ASIMO不断更新换代配备新技术，使机器人越来越灵敏，越来越聪明。2000年的第一个“阿斯莫只能根据事先设计的程序行事，走起路来步履蹒跚，有时需求操作员扶持。 图10-1 机器人ASIMO与人共舞2002年12月经过改良的“阿斯莫配备了智能软件，使它变得聪明起来，可以辨貌喊人，人伸出手时，它会上前和他握手，并能与人流利地对话。2004年本田公司推出了新一代“ASIMO，可以与人共舞，这种机器人重52公斤，高1.2米，能与人对话，会爬楼梯，还会向观众讨掌声。2005年12月，本田公司又推出了最新一代“ASIMO机器人，它身高1.3米、

22、体重54公斤，行走速度为每小时6公里，行动灵敏，可以从任务人员手中接过茶杯，端茶送水，目前，这种机器人共有40个。本田公司方案经过租赁的方式，让“ASIMO到一些公共事业或企业去“打工，估计每年可为公司带来2000万日元的收益。2000年11月，日本开发胜利模拟一岁婴儿行走的机器人“皮诺。它全身有26个关节，脚心装有一个传感器，可丈量重心，眼睛可分辩颜色，可自测间隔 ，并能跚跚行走。2005年6月，在日本“2005世界博览会上，日本大阪大学科学家石黑浩教授展现了他发明的一种完全具有人类女性外貌的“女机器人“雷普莉Q1号见彩图5。这个机器人不仅拥有柔软的硅树脂仿真肌肤，体内还装有大量传感器和电动

23、机，可以使她像人类一样运动，如转身、做手势、向观赏者说话，甚至会眨眼睛和“呼吸。“她还不是很完美，目前只能坐着，无法直立行走，有时会无预兆地“痉挛。但许多机器人专家以为，在制造机器人时应尽量防止机器人的外表太过人格化，以免冒犯机器人研讨的忌讳“恐惧谷实际。2、微型机器人在医学上的运用微型机器人在医学上的运用正愈来愈遭到科学家们的注重。在2000年德国汉诺威世界博览会上，展出了一种潜艇式微型机器人，它小得几乎看不见：长不到4毫米，宽小于0.5毫米，螺旋桨曲轴直径只需百分之一毫米，也就是一根头发丝的非常之一。它可以很轻松地穿过普通注射器的针头而注入生物体内。科学家们想象利用微型或极微机器人将特效药

24、物迅速送到人体的关键部位；或在病灶处进展手术操作，去除癌细胞、去除血栓；或携带仪器、设备和传感器，对人体进展各种检查并将数据传送出来等等。3、太空机器人的研制太空机器人，在探测星球方面具有独特的优越性，正发扬越来越重要的作用。它不需求吃喝、不需求受训，不会生病，不受恶劣环境的影响，并且任务效率高。美国“探测者登月舱堪称是世界上第一个真正的太空机器人，它有一个可伸缩的机械臂，既能在太空作业，也能在月球外表采集标本。最近，美国研制了一种称为“蛇的机器人，这种“蛇可以在行星外表高低不平的地带进展探测活动。它的身体由16段组成，每段长6.4厘米，可以像昆虫一样向前爬行。它不怕翻倒，遇到妨碍物时，会不断

25、尝试翻越。据估计再过10年左右，它就可用于执行行星探测义务。目前，美国正预备投入300万美圆研制一种太空机器人，取名为“机器宇航员。它不仅能熟练地运用宇航员经常运用的各种工具，还拥有一个树形中枢神经，是由传感器组成的网络，它可以替代宇航员在星球上搜集各种资料。三、我国智能机器人的研讨我国较早进展机器人研讨的国防科技大学，在国家863方案和国家自然科学基金的支持下，不断从事两足步行机器人、类人型机器人的研讨开发，1990年胜利研制出我国第一台两足步行机器人。在此根底上，经过十年攻关，又于2000年11月研制胜利我国第一台类人型机器人“先行者。这台类人型机器人可以前进、后退、左、右侧行，左、右转弯、前后摆动手臂，并可快速行走，实现了机器