仿生机器人的现状及展望

仿生机器人的现状及展望第一页，共二十页，2022年，8月28日仿生机器人是通过研究动物的生理结构、传感系统、计算结构等特点来构造一个机器人，使其能够模仿生物或者从事生物特点工作的机器人。什么是研究仿生机器人第二页，共二十页，2022年，8月28日

自然界的生物经过长期与自然环境的磨合，形成了复杂的、适应各种外界环境的高性能结构特征或者体表形态，这些结构特征或者体表形态为仿生设计提供了包括宏观和微观的结构原型。为什么要研究仿生机器人第三页，共二十页，2022年，8月28日ExampleSmart-Bird BYFESTO第四页，共二十页，2022年，8月28日怎样研发仿生机器人第五页，共二十页，2022年，8月28日仿生机器人的发展

机器人正在由第三代智能机器人向第四代仿生机器人发展和迈进。非结构化的、未知的工作环境，复杂的、精巧的、高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求是仿生机器人产生和发展的客观动力。当前仿生机器人的研究主要集中在运动方式、执行方式、感知方式、控制方式、信息加工处理方式、组织方式等几方面，并且已经取得了初步的成绩。第六页，共二十页，2022年，8月28日(1)生命的四类行为本身没有明确的范围，而是具有模糊的界限(如图1所示)。

①本能式行为控制，是指生命生来就有的由大脑皮层以下的神经中枢参与即可完成的一种比较低级的神经活动，这种能力在生物学上称为先夭性本能。②反射式行为控制，是指生物出生以后在条件反射的基础上，在大脑皮层的参与下经过一定的过程积累对直接的物理信号所形成的一种高级的神经活动。③慎思式行为控制，是指具有语言中枢的高级生命体对由具体信号抽象而来的语言、文字所产生的反应，这种反应多发生在具有社会属性的高级生命体和智能体之间。④社会式行为控制方式，是指具有语言中枢的高级生命体对抽象的语言、文字信号所产生的反应，这种反应多发生在具有社会属性的高级生命体之间，这种控制方式以抽象的语言文字为信息载体和传递介质，以多生命体或智能体间的社会机制为协调、制约和竞争的控制策略。

(2)生命的四类行为之间没有固定的区别，而是处于动态的变化。(3)本能式行为不是该种生命产生时便己具有，而是由反射式行为经多代的自然选择进化(或退化)而来。(4)反射式行为以本能式行为为基础，由生物个体经多次慎思式行为的积累才逐渐建立和形成，也可以取消和去除。(5)社会式行为的产生和执行虽然以生物的本能行为和反射行为为基础，但是却可以在某种程度上超越本能行为和反射行为而具有最高的控制级别。第七页，共二十页，2022年，8月28日机器人体系结构，就是指为完成指定目标的一个或几个机器人在信息处理和控制逻辑方面的结构方式1.基于功能分解的体系结构2.基于行为分解的体系结构3.基于智能分布的体系结构4.仿生式控制体系结构第八页，共二十页，2022年，8月28日基于功能分解的体系结构

基于功能分解的体系结构在人工智能上属于传统的慎思式智能，在结构上体现为串行分布，在执行方式上属于异步执行，即按照“感知—规划—行动”的模式进行信息处理和控制实现。以美国国家航天局和美国国家标准局所提出的NASR人MtI〕为典型代表。这种体系结构的优点是系统的功能明了、层次清晰、实现简单。但是串行的处理方式大大延长了系统对外部事件的响应时间，环境的改变导致必须重新规划，从而降低了执行效率。

因此只适合在已知的结构化环境下完成比较复杂的工作。第九页，共二十页，2022年，8月28日基于行为分解的体系结构基于行为分解的体系结构在人工智能上属于现代的反应式智能，在结构上体现为并行(包容)分布，在执行方式上属于同步执行，即按照“感知一行动”的模式并行进行信息处理和控制。以麻省理工的所提出的行为分层的包容式体系结构(SubsumptionArchitecture)和Arkin提出的基于MotorSchema的结构为典型代表。其主要优点就是执行时间短、效率高、机动能力强。但是由于缺乏整体的管理，很难适应于各种情况。因此只适用于在未知环境下执行比较简单的任务。第十页，共二十页，2022年，8月28日基于智能分布的体系结构

基于智能分布的体系结构在人工智能上属于最新的分布式智能，在结构上体现为分散分布，在执行上属于协同执行，既可以单独完成各自的局部问题求解，又能通过协作求解单个或多个全局问题。以基于多智能体的体系结构为典型代表。

这种体系结构的优点是既具有“智能分布”的特点，又有统一的协调机制。但是如何在各个智能体之间合理的划分和协调仍然需要大量的研究和实践。该体系结构在许多大型的智能信息处理系统上有着广泛的应用。除以上三类主要的体系结构之外，还有一些改进的混合式体系结构，如带反馈环节的行为分解模式、基于分布式智能的分层体系结构、基于功能分解的多智能体结构等等。但是从整体上来看，它们或是在功能模块的灵活性和扩展性上不足，或是没能很好的协调慎思式智能与反应式智能，或是各层次间的交流机制不够完善。第十一页，共二十页，2022年，8月28日仿生式控制体系结构从本质上来讲，慎思式智能、反应式智能以及分布式智能，都是对生物控制逻辑和推理方式的一种借鉴和仿生，但由于客观条件的限制和需求目的的局限，它们都只是从某一个角度和方向对生物智能的一种片面的、局部的模仿。仿生式体系结构就是以前述的生物控制逻辑和行为推理为基础，充分借鉴基于慎思式智能、反应式智能和分布式智能等三种体系结构思想的优点与不足之处，针对目前机器人特别是未知环境下工作的移动机器人在控制体系结构方面所存在的缺点和问题，提出一种具有适应行为与进化能力的新的控制思想与理念。第十二页，共二十页，2022年，8月28日仿生式控制体系结构仿生式体系结构的组成行为控制层社会式行为控制层慎思式行为控制层反射式行为控制层无意识行为控制层感知层决策层执行层数据库(1)各行为控制层具体执行的优先级别：社会式行为控制层>本能式行为控制层>反射式行为控制层>慎思式行为控制层(2)各行为控制层响应时间的长短顺序：社会式行为控制层>慎思式行为控制层>反射式行为控制层>本能式行为控制层借鉴分布式智能的思想，在控制体系结构中引人社会式行为控制层；借鉴生物的自适应性思想，在控制体系结构中实现本代内的由慎思式行为层到反射式行为层的学习；借鉴生物的自进化性思想，在控制体系结构中实现多代间的由反射式行为层向本能式行为层的进化(或退化)。所以，仿生式体系结构共有四个行为控制层组成，即本能式行为控制层、反射式行为控制层、慎思式行为控制层和社会式行为控制层，它们并行接收来自感知层的外部和内部信息，各自作出逻辑判断和反应，发出控制信息到末端执行层，通过竞争和协调来调节自身并适应外部环境，从而按照目标完成工作任务。第十三页，共二十页，2022年，8月28日仿生式控制体系结构各行为控制层的具体实现（1）本能式行为控制层的设计实现本能式行为控制对机器人而言就是指参照生命的本能反应的在逻辑上无需判断推理，在硬件上直接触发实现的行为控制方式。本能式行为控制层所包含的行为一般为基于安全的最基本、最低级的行为，如电源启动、自身基本状态检测、避碰等等。第十四页，共二十页，2022年，8月28日仿生式控制体系结构各行为控制层的具体实现（2）反射式行为层控制的设计实现反射式行为控制对机器人而言就是指参照生命的第一条件反射的在逻辑上采用模糊推理和条件触发的行为控制方式。反射式行为控制层所包含的行为一般为机器人在具体的环境条件下长期积累形成的一些比较低级的基本的控制行为，如响铃避碰，遇光报警等。第十五页，共二十页，2022年，8月28日仿生式控制体系结构各行为控制层的具体实现（3）慎思式行为控制层的设计实现

慎思式行为控制指的就是全面的考虑多方面的因素与信息，由模糊逻辑和神经网络进行推理和计算得出决策的一种高级的行为控制方式。（4）社会式行为控制层的设计实现社会式行为控制是指机器人与其他协同完成同一工作任务的机器人或人等类似智能体间的协同控制和共同处理的工作方式。其前提为共同的工作任务，统一的信息格式。第十六页，共二十页，2022年，8月28日生机电一体化生机电一体化是近年来快速发展的前沿科学技术，它通过生物体运动执行系统、感知系统、控制系统等与机电装置（机构、传感器、控制器等）的功能集成，使生物体或机电装备的功能得到延伸。该技术的发展可促进生机电系统功能交互、神经信息学与神经工程、人机信息通道重建等新原理的发掘，带动康复工程领域的学术创新和康复医疗装备的技术进步。相关的理论和技术可辐射应用到智能机器人、特种环境作业装备、国防装备等有关国计民生的重大领域，具有重要的科学和战略意义。第十七页，共二十页，2022年，8月28日我的异想天开机器人生物化，社会化已知：生物从幼年到成年生理结构会发生成长和改变，智力、思维方式都会完善和加强。问题：机器人能不能模仿成长式的部件更新和进化，能不能自认试，自学习，自思维，自完善？

已知：生物有所依赖的社会群体环境，能过从环境中学习知识和技能，进行交互。问题：机器人能不能在自我完善的同时将信息交流给同代、同类型或者隔代的机器人，实现自主交流？第十八页，共二十页，2022年，8月28日我的异想天开已知：蚂蚁能把举起大自己好多倍的东西，蚂蚱的弹跳力让人震惊，人手的

灵活