仿生機(jī)器人的現(xiàn)狀及展望

1、仿生機(jī)器人的現(xiàn)狀及展望第1頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日 仿生機(jī)器人是通過研究動物的生理結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、計算結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)來構(gòu)造一個機(jī)器人，使其能夠模仿生物或者從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。什么是研究仿生機(jī)器人第2頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日 自然界的生物經(jīng)過長期與自然環(huán)境的磨合，形成了復(fù)雜的、適應(yīng)各種外界環(huán)境的高性能結(jié)構(gòu)特征或者體表形態(tài)，這些結(jié)構(gòu)特征或者體表形態(tài)為仿生設(shè)計提供了包括宏觀和微觀的結(jié)構(gòu)原型。為什么要研究仿生機(jī)器人第3頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日ExampleSmart-BirdBY FESTO第4頁，共20

2、頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日怎樣研發(fā)仿生機(jī)器人第5頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日仿生機(jī)器人的發(fā)展 機(jī)器人正在由第三代智能機(jī)器人向第四代仿生機(jī)器人發(fā)展和邁進(jìn)。非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境，復(fù)雜的、精巧的、高難度的工作任務(wù)和對于高精確度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能性的目標(biāo)需求是仿生機(jī)器人產(chǎn)生和發(fā)展的客觀動力。當(dāng)前仿生機(jī)器人的研究主要集中在運(yùn)動方式、執(zhí)行方式、感知方式、控制方式、信息加工處理方式、組織方式等幾方面，并且已經(jīng)取得了初步的成績。第6頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日(1) 生命的四類行為本身沒有明確的范圍，而是具有

3、模糊的界限(如圖1所示)。 本能式行為控制，是指生命生來就有的由大腦皮層以下的神經(jīng)中樞參與即可完成的一種比較低級的神經(jīng)活動，這種能力在生物學(xué)上稱為先夭性本能。反射式行為控制，是指生物出生以后在條件反射的基礎(chǔ)上，在大腦皮層的參與下經(jīng)過一定的過程積累對直接的物理信號所形成的一種高級的神經(jīng)活動。慎思式行為控制，是指具有語言中樞的高級生命體對由具體信號抽象而來的語言、文字所產(chǎn)生的反應(yīng)，這種反應(yīng)多發(fā)生在具有社會屬性的高級生命體和智能體之間。社會式行為控制方式，是指具有語言中樞的高級生命體對抽象的語言、文字信號所產(chǎn)生的反應(yīng)，這種反應(yīng)多發(fā)生在具有社會屬性的高級生命體之間，這種控制方式以抽象 的語言文字為信息

4、載體和傳遞介質(zhì)，以多生命體或智能體間的社會機(jī)制為協(xié)調(diào)、制約和競爭的控制策略。 (2) 生命的四類行為之間沒有固定的區(qū)別，而是處于動態(tài)的變化。(3) 本能式行為不是該種生命產(chǎn)生時便己具有，而是由反射式行為經(jīng)多代的自然選擇進(jìn)化(或退化)而來。(4) 反射式行為以本能式行為為基礎(chǔ)，由生物個體經(jīng)多次慎思式行為的積累才逐漸建立和形成，也可以取消和去除。(5) 社會式行為的產(chǎn)生和執(zhí)行雖然以生物的本能行為和反射行為為基礎(chǔ)，但是卻可以在某種程度上超越本能行為和反射行為而具有最高的控制級別。 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，就是指為完成指定目標(biāo)的一個或幾個機(jī)器人在信息

5、處理和控制邏輯方面的結(jié)構(gòu)方式1.基于功能分解的體系結(jié)構(gòu) 2.基于行為分解的體系結(jié)構(gòu) 3.基于智能分布的體系結(jié)構(gòu) 4.仿生式控制體系結(jié)構(gòu)第8頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日基于功能分解的體系結(jié)構(gòu) 基于功能分解的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于傳統(tǒng)的慎思式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為串行分布，在執(zhí)行方式上屬于異步執(zhí)行，即按照“感知規(guī)劃行動”的模式進(jìn)行信息處理和控制實(shí)現(xiàn)。以美國國家航天局和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局所提出的NASR人MtI為典型代表。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的功能明了、層次清晰、實(shí)現(xiàn)簡單。但是串行的處理方式大大延長了系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)時間，環(huán)境的改變導(dǎo)致必須重新規(guī)劃，從而降低了執(zhí)行效率

6、。 因此只適合在已知的結(jié)構(gòu)化環(huán)境下完成比較復(fù)雜的工作。第9頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日基于行為分解的體系結(jié)構(gòu) 基于行為分解的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于現(xiàn)代的反應(yīng)式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為并行(包容)分布，在執(zhí)行方式上屬于同步執(zhí)行，即按照“感知一行動”的模式并行進(jìn)行信息處理和控制。以麻省理工的所提出的行為分層的包容式體系結(jié)構(gòu)(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的基于MotorSc hema的結(jié)構(gòu)為典型代表。其主要優(yōu)點(diǎn)就是執(zhí)行時間短、效率高、機(jī)動能力強(qiáng)。但是由于缺乏整體的管理，很難適應(yīng)于各種情況。因此只適用于在未知環(huán)境下執(zhí)行比較簡單的任務(wù)。第1

7、0頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日基于智能分布的體系結(jié)構(gòu) 基于智能分布的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于最新的分布式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為分散分布，在執(zhí)行上屬于協(xié)同執(zhí)行，既可以單獨(dú)完成各自的局部問題求解，又能通過協(xié)作求解單個或多個全局問題。以基于多智能體的體系結(jié)構(gòu)為典型代表。 這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既具有“智能分布”的特點(diǎn)，又有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制。但是如何在各個智能體之間合理的劃分和協(xié)調(diào)仍然需要大量的研究和實(shí)踐。該體系結(jié)構(gòu)在許多大型的智能信息處理系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用。除以上三類主要的體系結(jié)構(gòu)之外，還有一些改進(jìn)的混合式體系結(jié)構(gòu)，如帶反饋環(huán)節(jié)的行為分解模式、基于分布式智能的分層體系結(jié)構(gòu)、基

8、于功能分解的多智能體結(jié)構(gòu)等等。但是從整體上來看，它們或是在功能模塊的靈活性和擴(kuò)展性上不足，或是沒能很好的協(xié)調(diào)慎思式智能與反應(yīng)式智能，或是各層次間的交流機(jī)制不夠完善。第11頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日仿生式控制體系結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上來講，慎思式智能、反應(yīng)式智能以及分布式智能，都是對生物控制邏輯和推理方式的一種借鑒和仿生，但由于客觀條件的限制和需求目的的局限，它們都只是從某一個角度和方向?qū)ι镏悄艿囊环N片面的、局部的模仿。仿生式體系結(jié)構(gòu)就是以前述的生物控制邏輯和行為推理為基礎(chǔ)，充分借鑒基于慎思式智能、反應(yīng)式智能和分布式智能等三種體系結(jié)構(gòu)思想的優(yōu)點(diǎn)與不足之處，針對目前機(jī)器人特別

9、是未知環(huán)境下工作的移動機(jī)器人在控制體系結(jié)構(gòu)方面所存在的缺點(diǎn)和問題，提出一種具有適應(yīng)行為與進(jìn)化能力的新的控制思想與理念。 第12頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日仿生式控制體系結(jié)構(gòu)仿生式體系結(jié)構(gòu)的組成行為控制層社會式行為控制層慎思式行為控制層反射式行為控制層無意識行為控制層感知層決策層執(zhí)行層數(shù)據(jù)庫(1) 各行為控制層具體執(zhí)行的優(yōu)先級別：社會式行為控制層本能式行為控制層反射式行為控制層慎思式行為控制層 (2) 各行為控制層響應(yīng)時間的長短順序：社會式行為控制層慎思式行為控制層反射式行為控制層本能式行為控制層 借鑒分布式智能的思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中引人社會式行為控制層； 借鑒生物

10、的自適應(yīng)性思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)本代內(nèi)的由慎思式行為層到反射式行為層的學(xué)習(xí)； 借鑒生物的自進(jìn)化性思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多代間的由反射式行為層向本能式行為層的進(jìn)化(或退化)。 所以，仿生式體系結(jié)構(gòu)共有四個行為控制層組成，即本能式行為控制層、反射式行為控制層、慎思式行為控制層和社會式行為控制層，它們并行接收來自感知層的外部和內(nèi)部信息，各自作出邏輯判斷和反應(yīng)，發(fā)出控制信息到末端執(zhí)行層，通過競爭和協(xié)調(diào)來調(diào)節(jié)自身并適應(yīng)外部環(huán)境，從而按照目標(biāo)完成工作任務(wù)。第13頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日仿生式控制體系結(jié)構(gòu) 各行為控制層的具體實(shí)現(xiàn) （1）本能式行為控制層的設(shè)計實(shí)現(xiàn) 本能

11、式行為控制對機(jī)器人而言就是指參照生命的本能反應(yīng)的在邏輯上無需判斷推理，在硬件上直接觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的行為控制方式。 本能式行為控制層所包含的行為一般為基于安全的最基本、最低級的行為，如電源啟動、自身基本狀態(tài)檢測、避碰等等。 第14頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日仿生式控制體系結(jié)構(gòu) 各行為控制層的具體實(shí)現(xiàn) （2）反射式行為層控制的設(shè)計實(shí)現(xiàn) 反射式行為控制對機(jī)器人而言就是指參照生命的第一條件反射的在邏輯上采用模糊推理和條件觸發(fā)的行為控制方式。 反射式行為控制層所包含的行為一般為機(jī)器人在具體的環(huán)境條件下長期積累形成的一些比較低級的基本的控制行為，如響鈴避碰，遇光報警等。 第15頁，共

12、20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日仿生式控制體系結(jié)構(gòu) 各行為控制層的具體實(shí)現(xiàn) （3）慎思式行為控制層的設(shè)計實(shí)現(xiàn) 慎思式行為控制指的就是全面的考慮多方面的因素與信息，由模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理和計算得出決策的一種高級的行為控制方式。 （4）社會式行為控制層的設(shè)計實(shí)現(xiàn) 社會式行為控制是指機(jī)器人與其他協(xié)同完成同一工作任務(wù)的機(jī)器人或人等類似智能體間的協(xié)同控制和共同處理的工作方式。其前提為共同的工作任務(wù)，統(tǒng)一的信息格式。 第16頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日生機(jī)電一體化生機(jī)電一體化是近年來快速發(fā)展的前沿科學(xué)技術(shù)，它通過生物體運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等與

13、機(jī)電裝置（機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器等）的功能集成，使生物體或機(jī)電裝備的功能得到延伸。該技術(shù)的發(fā)展可促進(jìn)生機(jī)電系統(tǒng)功能交互、神經(jīng)信息學(xué)與神經(jīng)工程、人機(jī)信息通道重建等新原理的發(fā)掘，帶動康復(fù)工程領(lǐng)域的學(xué)術(shù)創(chuàng)新和康復(fù)醫(yī)療裝備的技術(shù)進(jìn)步。相關(guān)的理論和技術(shù)可輻射應(yīng)用到智能機(jī)器人、特種環(huán)境作業(yè)裝備、國防裝備等有關(guān)國計民生的重大領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)和戰(zhàn)略意義。第17頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日我的異想天開機(jī)器人生物化，社會化已知：生物從幼年到成年生理結(jié)構(gòu)會發(fā)生成長和改變，智力、思維方式都會完善和加強(qiáng)。問題：機(jī)器人能不能模仿成長式的部件更新和進(jìn)化，能不能自認(rèn)試，自學(xué)習(xí)，自思維，自完善？ 已知：生物有所依賴的社會群體環(huán)境，能過從環(huán)境中學(xué)習(xí)知識和技能，進(jìn)行交互。問題：機(jī)器人能不能在自我完善的同時將信息交流給同代、同類型或者隔代的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自主交流？第18頁，共20頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2分，星期日我的異想天開已知：螞蟻能把舉起大自己好多倍的東西，螞蚱的彈跳力讓人震驚，人