智能科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論 第09講行為展現(xiàn)

1、 智能科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論第09講行為展現(xiàn)主講:周昌樂教授福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廈門大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)系周昌樂教授教學(xué)課件dozero導(dǎo)語在智能科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域,普遍忽視有關(guān)智能行為展現(xiàn)方面的研究,不過評(píng)判機(jī)器有無智能能力,因?yàn)樗闹獑栴}的困境,主要還是要通過行為表現(xiàn)來進(jìn)行,因此智能行為展現(xiàn)是機(jī)器智能不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。實(shí)際上,智能機(jī)器人的研究開發(fā),與一般智能系統(tǒng)的不同之處,主要也就在于其獨(dú)特的智能行為表現(xiàn)之上了。因此,本講我們將主要介紹有關(guān)智能行為展現(xiàn)方面的研究問題。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2行為表征主要是通過人體運(yùn)動(dòng)及其組合來實(shí)現(xiàn)的,可以這么說,有目的意圖的運(yùn)動(dòng),就是行為。所以說運(yùn)動(dòng)

2、是行為的基礎(chǔ),而就人體而言,各種運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)現(xiàn)主要是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉收縮來完成的。一般將與運(yùn)動(dòng)控制關(guān)系最為密切的神經(jīng)系統(tǒng)部分稱為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)然,當(dāng)涉及到行為,這樣的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)活動(dòng)還與動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)、記憶等腦的高級(jí)功能相關(guān)聯(lián)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3人體的運(yùn)動(dòng)可以分為三類,即反射運(yùn)動(dòng)、節(jié)律運(yùn)動(dòng)和隨意運(yùn)動(dòng)。反射運(yùn)動(dòng)不受意念控制,只要有特異刺激出現(xiàn),就會(huì)自發(fā)出現(xiàn)。這種反射運(yùn)動(dòng)一般在很短時(shí)間就可以完成,涉及到的神經(jīng)區(qū)域也較小,比如打噴嚏之類。節(jié)律運(yùn)動(dòng)是指那種有規(guī)律的自覺運(yùn)動(dòng),如呼吸、咀嚼、行走等,可以隨意開始或終止,但一旦開始就會(huì)自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行,而不再需要意識(shí)參與。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4

3、最后,最復(fù)雜的是隨意運(yùn)動(dòng)。這是一種具有行為目的、可以按照意愿隨時(shí)改變、反映主觀意愿的運(yùn)動(dòng)。隨意運(yùn)動(dòng)涉及的腦區(qū)比較廣泛,需要的時(shí)間也較為長(zhǎng)久。熟練的隨意運(yùn)動(dòng)需要一段時(shí)間的學(xué)習(xí)訓(xùn)練,但一旦熟練掌握了某種技能運(yùn)動(dòng),往往就形成固定的程式,成為記憶“運(yùn)動(dòng)程序”,隨時(shí)可以調(diào)用。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室5所有的運(yùn)動(dòng)都是靠嚴(yán)密組織的肌肉系統(tǒng)來實(shí)施的。具體地說就是肌肉的收縮或舒張就產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)。而肌肉的收縮或舒張是受神經(jīng)信號(hào)控制的,包括控制運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度、力度等多種參數(shù)的信號(hào)。當(dāng)然,為了通過運(yùn)動(dòng)可以精確持續(xù)地完成控制復(fù)雜行為,感覺信息的不斷反饋也是非常重要的,包括(1視覺、聽覺、皮膚觸覺的定位信息;

4、(2肌肉、關(guān)節(jié)和前庭器官本體的長(zhǎng)度、張力、位置等感覺信息。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6在行為運(yùn)動(dòng)控制中,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用,大致來說,控制運(yùn)動(dòng)的主要神經(jīng)系統(tǒng)如圖所示。就人體而言,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)是由三個(gè)水平的神經(jīng)結(jié)構(gòu)分級(jí)構(gòu)成的,從低到高分別是脊髓、腦干的下行系統(tǒng)、以及大腦皮層的人腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)區(qū)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室7脊髓是位于最低水平的運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu),其中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配骨骼肌,控制肌肉收縮來實(shí)現(xiàn)反射運(yùn)動(dòng)或隨意運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制第二個(gè)水平的神經(jīng)結(jié)構(gòu)是腦干下行系統(tǒng),包括內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩個(gè)部分。內(nèi)側(cè)下行系統(tǒng)主要支配軀干中線的肌肉和肢體近側(cè)肌肉,對(duì)整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,保持機(jī)體平衡、維持直立姿勢(shì)

5、、整合軀體和肢體運(yùn)動(dòng)(如朝向運(yùn)動(dòng)、控制單個(gè)肢體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)等。外側(cè)下行系統(tǒng)則與肢體遠(yuǎn)端肌肉的控制有關(guān),涉及諸如手及手指的精細(xì)運(yùn)動(dòng)的控制。通常,腦干下行系統(tǒng)接受感覺運(yùn)動(dòng)皮層的指令,因此在整個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)中,大腦皮層可以通過腦干下行系統(tǒng)來對(duì)脊髓進(jìn)行間接控制。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室8大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)是運(yùn)動(dòng)控制的最高水平中樞,大致構(gòu)成包括有初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、外側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層或前運(yùn)動(dòng)區(qū)、以及輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)三個(gè)部分組成。后兩個(gè)部分均有神經(jīng)纖維投射到初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層。而三個(gè)部分則均直接投射至脊髓或經(jīng)腦干下行系統(tǒng)影響脊髓。值得注意的是,運(yùn)動(dòng)皮層中神經(jīng)組織對(duì)應(yīng)所控制軀體部分具有拓?fù)湎噜弻?duì)應(yīng)性(軀體部分對(duì)應(yīng)皮層劃分情況參見侏

6、儒圖,比如控制手運(yùn)動(dòng)的大腦皮層初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)的手區(qū)與輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的手區(qū)及腦干控制手運(yùn)動(dòng)部分相關(guān)聯(lián)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室9運(yùn)動(dòng)神經(jīng)中樞涉及的腦區(qū)運(yùn)動(dòng)軀體感覺侏儒圖福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室10輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)又可分為三個(gè)部分,即與高層次運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)的前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)任務(wù)有關(guān)的新輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和輔助眼區(qū)。有關(guān)反映血流變化的實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)被試不做任何動(dòng)作,只是默想手指運(yùn)動(dòng)的次序時(shí),只有輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的血流是增加的,可見輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)對(duì)于開展腦機(jī)接口控制運(yùn)動(dòng)的重要性。除了上述運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)外,與運(yùn)動(dòng)控制調(diào)節(jié)相關(guān)的其他神經(jīng)結(jié)構(gòu)還包括小腦和神經(jīng)基底節(jié)。小腦主要提高運(yùn)動(dòng)精度,而神經(jīng)基底節(jié)則建立運(yùn)動(dòng)皮層與其他腦區(qū)的聯(lián)系

7、,比如額葉皮層。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室11歸納起來,人類運(yùn)動(dòng)程序產(chǎn)生的過程大致如此:(1根據(jù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)機(jī)愿望、獲得的感覺信息以及人體自身狀況,大腦聯(lián)絡(luò)皮層產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的粗略規(guī)劃;(2大腦皮層對(duì)粗略規(guī)劃進(jìn)行分析、處理與解釋,形成更為詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)系列;(3對(duì)運(yùn)動(dòng)系列的時(shí)空?qǐng)D式進(jìn)行內(nèi)部模擬;(4最后,驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系列的實(shí)施。聯(lián)絡(luò)皮層運(yùn)動(dòng)規(guī)劃輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)部模擬運(yùn)動(dòng)前區(qū)運(yùn)動(dòng)程序初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)運(yùn)動(dòng)指令小腦福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室12其中第一步運(yùn)動(dòng)規(guī)劃涉及到具身性認(rèn)知機(jī)制。所謂具身性認(rèn)知機(jī)制,主要是指近年來認(rèn)知科學(xué)、心智哲學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、語言科學(xué)以及人工智能等不同領(lǐng)域共同認(rèn)識(shí)到的人類認(rèn)知活動(dòng)的一種根本規(guī)律:認(rèn)知是

8、依賴于我們有機(jī)體的身體,依賴于我們不同的經(jīng)驗(yàn)種類的,依賴于認(rèn)知主體的語言、意向性行為和文化情境的。這樣一來,要構(gòu)建一種有效的行為表征方法,就必須考慮到這種具身認(rèn)知,并結(jié)合運(yùn)動(dòng)神經(jīng)機(jī)制的發(fā)生規(guī)律,來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行為展現(xiàn)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室132004年,美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)者羅森博格(Gregg Rosenberg和安德森(Michael L.Anderson提出了“表征的指南理論”The guidance theory of representation (GTR,將表征解釋為行動(dòng)的指南?！癛epresentation can be accounted for in terms of the

9、 way they provide guidance for action.”就是這樣的一種嘗試,值得推薦。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室14依照這一理論,表征內(nèi)容是從表征媒介的作用中產(chǎn)生的,這種作用是指表征媒介在一個(gè)主體與其他事物相關(guān)的行動(dòng)中所起的指導(dǎo)作用。嚴(yán)格講,一個(gè)經(jīng)驗(yàn)因素只有當(dāng)它能夠?yàn)橐粋€(gè)主體采取與某些對(duì)象(entities相關(guān)的行動(dòng)提供指導(dǎo)作用,才有資格充當(dāng)表征。這里的行動(dòng)既包括運(yùn)動(dòng)神經(jīng)過程,也包括推理等認(rèn)知過程(motor processes and cognitive processes。這種基于行動(dòng)的意向性來理解表征最重要的一點(diǎn)是,對(duì)于正確理解為什么會(huì)采取一個(gè)針對(duì)某對(duì)象的行動(dòng),不

10、需要回溯到心理意向性的說明。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室15一個(gè)主體(subject 是任何使用表征的認(rèn)知引擎(representation-consuming cognitive engine。成為一個(gè)表征使用者(representation consumer,必須能夠以合乎理性的、目標(biāo)導(dǎo)向的方式與世界交互作用,這至少意味著它從認(rèn)知系統(tǒng)的范例那兒接受行動(dòng)指導(dǎo)。按照安德森,一個(gè)認(rèn)知主體稱其為主體是由于有適合環(huán)境、由環(huán)境選擇,在個(gè)體的進(jìn)化中有與環(huán)境的交互作用。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室16表征一定是在特殊情境中的表征:一個(gè)情境circumstance 是主體(subject自身的境況。由主體的

11、內(nèi)部狀態(tài),包括主體的身體變化、歷史記錄、表征、期望、優(yōu)先性、價(jià)值、行動(dòng)的選擇、與群體和諧的自我評(píng)價(jià)、如何行動(dòng)的程序性知識(shí)、運(yùn)動(dòng)模式和主體當(dāng)下所處的環(huán)境等因素構(gòu)成。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室17當(dāng)然,目前的機(jī)器人行為表征還不可能完全實(shí)現(xiàn)這樣的理論構(gòu)想,我們目前首先面臨的是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制(比如機(jī)器人跳江南style就是如此,行為只有給予運(yùn)動(dòng)及其組合之上,才能夠得以表征。因此,接下來我們介紹機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室18在智能科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,行為控制主要是指智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題,大約包括智能機(jī)器人導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、智能行為規(guī)劃與執(zhí)行等內(nèi)容。當(dāng)然運(yùn)動(dòng)與視覺協(xié)調(diào)密切相關(guān),因此

12、運(yùn)動(dòng)控制常常與主動(dòng)視覺與目標(biāo)跟蹤相互配合,需要考慮選擇性注意計(jì)算模型的有機(jī)融合問題,這也是行為控制的一個(gè)難點(diǎn)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室19人類眼球運(yùn)動(dòng)可以通過斷續(xù)性掃視、平穩(wěn)性跟蹤以及輻射運(yùn)動(dòng)等形式來保持對(duì)視覺目標(biāo)的主動(dòng)跟蹤。對(duì)于機(jī)器人而言,這里需要解決二個(gè)問題,一是注意選擇問題,即如何選擇跟蹤的目標(biāo),二是保持目標(biāo)的跟蹤問題。這些都是主動(dòng)視覺研究的問題,在根據(jù)外界環(huán)境變化來不斷調(diào)整自己行為的控制,起著重要作用。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室20具備一定的視覺能力,機(jī)器自動(dòng)導(dǎo)航需要解決的問題分解開來有這樣三點(diǎn):(1現(xiàn)在何處?(2要往何處去?(3如何去?相當(dāng)于說給定出發(fā)點(diǎn)、目的地以及路徑,因此機(jī)

13、器人自動(dòng)導(dǎo)航問題主要是一個(gè)路徑規(guī)劃問我們的機(jī)器自動(dòng)導(dǎo)航題。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室21目前解決這樣一個(gè)問題的主要環(huán)節(jié)大致有:地圖構(gòu)建、定位、路徑規(guī)劃,以及躲避障礙等方面。(1地圖構(gòu)建:明確機(jī)器人活動(dòng)范圍的整體路線及其各種坐標(biāo)參考標(biāo)志物;(2定位:通過一定的檢測(cè)手段來獲取機(jī)器人在空間中的位置、方向以及環(huán)境信息,并通過據(jù)此建立動(dòng)態(tài)環(huán)境模型;(3路徑規(guī)劃:尋找最優(yōu)或極優(yōu)無障路徑,引導(dǎo)機(jī)器人安全移動(dòng)到達(dá)目的地;(4躲避障礙:給出靈活躲避障礙的策略,特別是非固定障礙的躲避策略。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室22機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航是機(jī)器行為控制中的核心技術(shù)之一,也是移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)。盡管已有大量研究工作

14、,卻依然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究課題,特別是對(duì)于開放環(huán)境,更是如此?？梢杂糜跈C(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航的傳感器主要包括磁場(chǎng)導(dǎo)航儀、慣性檢測(cè)儀、激光測(cè)距儀、視覺攝象機(jī)、磁場(chǎng)羅盤儀、光電編碼器、超聲測(cè)距儀、紅外測(cè)距儀、里程計(jì)等等。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室23目前主要采用的方法包括:(1基于預(yù)先保存的地圖進(jìn)行導(dǎo)航,主要采用路徑跟蹤與避障技術(shù)來完成導(dǎo)航任務(wù);(2通過動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的地圖進(jìn)行導(dǎo)航,需要利用各種傳感器來獲取環(huán)境與距離信息,動(dòng)態(tài)建立即時(shí)環(huán)境的幾何模型或拓?fù)涞貓D,然后引導(dǎo)機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)的完成;(3無地圖試探性導(dǎo)航,利用對(duì)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)來獲取各種對(duì)周遍環(huán)境物體的識(shí)別,并作為自動(dòng)導(dǎo)航的路標(biāo)依據(jù)。福建省仿腦

15、智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室24視覺導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過視覺傳感器(又包括雙目立體視覺、單目普通視覺、紅外成像視覺等對(duì)障礙和路標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別與分析,來進(jìn)行路徑選擇,完成導(dǎo)航任務(wù),因此其中的路標(biāo)檢測(cè)、障礙規(guī)避以及路徑跟蹤就成為主要的組成部分。而非視覺導(dǎo)航系統(tǒng)則是通過其他探測(cè)手段來進(jìn)行導(dǎo)航,比如激光、超聲、磁場(chǎng)等。目前更多的導(dǎo)航系統(tǒng)是兩種技術(shù)的混合,兼顧視覺與非視覺各自的優(yōu)點(diǎn)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室25地圖外界環(huán)境障礙識(shí)別激光測(cè)距視頻獲取避障定位紅外測(cè)距智能機(jī)器人控制模塊路徑規(guī)劃導(dǎo)航地圖環(huán)境建模智能機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室26除了按照使用的技術(shù)加以區(qū)分外

16、,也可以按照適應(yīng)的范圍來劃分智能機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng),分為封閉導(dǎo)航(在已知封閉的環(huán)境中,比較容易實(shí)現(xiàn)與開放導(dǎo)航(在未知開放的環(huán)境中,存在諸多挑戰(zhàn)。但不管采用哪種策略,智能機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)均采用如上圖所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架,從中可見機(jī)器導(dǎo)航系統(tǒng)的一般組成原理。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室27除了基礎(chǔ)性的機(jī)器人導(dǎo)航之外,更一般的機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制包括更多的內(nèi)容,主要原則就是要在了解智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)律(屬于智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的內(nèi)容的基礎(chǔ)上,利用行為規(guī)劃算法與行為執(zhí)行程序,來實(shí)施具體的我們的抓取機(jī)器手行為動(dòng)作,比如行走、抓取、坐臥等。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室28開啟酒瓶倒飲料福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2

17、9各種抓握機(jī)器手福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室30控制機(jī)器手書寫福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室31另外,我們也采用NAO機(jī)器人通過行為生成器來生成各種需要的行為。行為生成器由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)群控制,同時(shí)利用其他方面軟件的補(bǔ)充功能。例如,NAO機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)類型有幾百種(直走、轉(zhuǎn)彎、舉手、點(diǎn)頭,等等,利用NAO機(jī)器人廠家(法國(guó)Aldebaran編寫的特殊軟件Choregraphe控制。另一方面,復(fù)雜運(yùn)動(dòng)(如抓通過進(jìn)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行,因?yàn)轭A(yù)編程的過程無法處理這些動(dòng)作。對(duì)象識(shí)別完全由進(jìn)化模塊分解為一系列簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)指令。事件識(shí)別也是如此(例如識(shí)別一個(gè)人什么時(shí)候抬腿邁步、舉手投足、拋球,等等。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)

18、實(shí)驗(yàn)室32行為生成器和感知處理器主要由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)化器組件控制,同時(shí)利用其他方面的補(bǔ)充功能。NAO機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)的類型有幾百種(直走、轉(zhuǎn)彎、舉手、點(diǎn)頭,等等,利用NAO機(jī)器人廠家編寫的特殊軟件控制。而復(fù)雜運(yùn)動(dòng)(如抓通過進(jìn)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行,因?yàn)轭A(yù)編程的過程無法處理這些動(dòng)作。當(dāng)智能引擎作出一個(gè)復(fù)雜動(dòng)作的指令后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化器將指令分解一系統(tǒng)連接的簡(jiǎn)單指令,送機(jī)器人執(zhí)行。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室33作為更加復(fù)雜的社會(huì)行為,假設(shè)小狗要向一個(gè)陌生人討球,然后把球給老師。這個(gè)問題的難點(diǎn)在于小狗討球時(shí)不同的人可能有不同的反應(yīng)。學(xué)習(xí)物理行為時(shí)使用的內(nèi)部模擬方法這里變得更加復(fù)雜,因

19、為學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要模擬人的行為,非常復(fù)雜,具有不確定性,因此除了模擬還要有推理。這方面已經(jīng)進(jìn)行一些原型試驗(yàn),我們已經(jīng)采用或然推理在虛擬世界中教授虛擬agent進(jìn)行學(xué)習(xí)。但在物理機(jī)器人方面,仍然需要大量研究和試驗(yàn)。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室34許多證據(jù)表明,人類通過模擬和推理模仿別人,一些研究工作通常采用這個(gè)辦法。這方面已經(jīng)進(jìn)行一些原型試驗(yàn),我們可以采用或然推理在虛擬世界中教授虛擬agent進(jìn)行學(xué)習(xí)。但在物理機(jī)器人方面,仍然需要大量研究和試驗(yàn)。此時(shí),樣本在模仿中至關(guān)重要,利用人的反饋?zhàn)鳛檫m應(yīng)性函數(shù),即使學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的行為也需要大量強(qiáng)化試驗(yàn)。其中關(guān)鍵在于適應(yīng)性估計(jì),不加試驗(yàn)而猜測(cè)一個(gè)過程來完成老師定義的

20、某個(gè)行為的適應(yīng)性。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室35因此為了產(chǎn)生更加合理的行為模仿,機(jī)器人系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)一種內(nèi)部模擬世界的功能,涉及人類內(nèi)省反思能力。內(nèi)部模擬世界中執(zhí)行一個(gè)過程時(shí),產(chǎn)生一個(gè)行為描述( “behavior description”, BD,可以用某種知識(shí)表示格式表示。將過程產(chǎn)生的BD與老師讓學(xué)生模仿的樣本行為相比較,然后通過計(jì)算相似性來不斷改進(jìn)行為,直至產(chǎn)生與樣本行為足夠相似的行為為止。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室36當(dāng)然,理想情況下應(yīng)該讓機(jī)器人學(xué)習(xí)一些基本社會(huì)行為,利用模仿與強(qiáng)化,組合感覺運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組件和進(jìn)化與推理學(xué)習(xí)的符號(hào)組件。此時(shí)傳授學(xué)習(xí)就顯得非常重要,推理出有意義的結(jié)

21、果需要知識(shí)庫。系統(tǒng)通過觀察人的反應(yīng)產(chǎn)生人的反應(yīng)知識(shí),包括上述學(xué)習(xí)行為和在行為學(xué)習(xí)情境之外自發(fā)觀察的人類行為。下面的列表給出了一些機(jī)器人應(yīng)該學(xué)會(huì)的最基本社會(huì)行為,這樣可以增加機(jī)器人的社交能力。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室37表機(jī)器人應(yīng)該學(xué)會(huì)的基本社會(huì)行為行為行為描述身份認(rèn)知機(jī)器人從中學(xué)會(huì)在當(dāng)事與非當(dāng)事人的身份轉(zhuǎn)換。討回物品當(dāng)A把物體扔給B時(shí),機(jī)器人會(huì)走向B并將物體要回。凍結(jié)身份在身份轉(zhuǎn)換時(shí),機(jī)器人必須靜止不動(dòng)(“凍結(jié)”直到身份確定。引導(dǎo)他人機(jī)器人引導(dǎo)他人開展活動(dòng)。尋找物品尋找被他人占有的物品,嘗試去向他們索要該物品。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室38總之,不管是自動(dòng)導(dǎo)航,還是其他行為控制,都是智能

22、機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的基本課題。如果按照人類行為的標(biāo)準(zhǔn),目前的研究還非常初步,這是一項(xiàng)任重道遠(yuǎn)的研究工作。目前的主要研究趨勢(shì)主要關(guān)注仿人機(jī)器人的行為表現(xiàn),因此下一小節(jié),我們結(jié)合仿人機(jī)器人的介紹,專門介紹在機(jī)器歌舞方面的研究狀況。我們實(shí)驗(yàn)室的老師開發(fā)的智能機(jī)器人玩具,有比較豐富的行為表現(xiàn)福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室39第9.3節(jié)機(jī)器歌舞結(jié)合音樂節(jié)奏和表情生成,將智能機(jī)器人行為控制方法運(yùn)用到機(jī)器人歌舞之中,就可以開展有關(guān)機(jī)器歌舞的研究工作。能夠進(jìn)行歌舞的智能機(jī)器人主要屬于仿人機(jī)器人,由于仿人機(jī)器人更加適應(yīng)人類活動(dòng)的場(chǎng)所環(huán)境、行為方式也符合人類的習(xí)慣并能夠給人以親近感,因此自上個(gè)世紀(jì)七十年代以來,就不斷有

23、產(chǎn)品面世。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室40最早開發(fā)的仿人機(jī)器人是日本早稻田大學(xué)加藤一郎研究室開發(fā)的WABOT-1型機(jī)器人(1973年,后來該研究室又開發(fā)了能夠演奏鋼琴的WABOT-2型仿人機(jī)器人(1984WABOT-2型仿人機(jī)器人年。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室41仿人機(jī)器人研究的新突破則是1996年由日本本田技研公司經(jīng)10年精心打造的P2仿人機(jī)器人(身高180cm、體重210kg,也是世界上首臺(tái)能用雙足穩(wěn)步行進(jìn)的仿人機(jī)器人,并在1997年進(jìn)一步研制除了改進(jìn)版P3(身高160cm,重130kg。P2仿人機(jī)器人福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室42到了2000年,日本本田公司又開發(fā)的ASIMO仿人機(jī)器人(身高120cm,重43kg,可遙控、雙足、能運(yùn)動(dòng)。右圖給出的就是這新型的仿人機(jī)器人。仿人機(jī)器人的自由行走,甚至跑步,是一個(gè)難題,在這方面有所突破是有重要意義的。福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室43仿人機(jī)器人首先涉及到是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué),給出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)描述理論與方法,包括三維