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I中 国 智 能 机 器 人 白 皮 书中 国 人 工 智 能 学 会二 一 五 年 十 一 月II 中 国 人 工 智 能 系 列 白 皮 书 编 委 会主 任 ： 李 德 毅执 行 主 任 ： 王 国 胤副 主 任 ： 杨 放 春 谭 铁 牛 黄 河 燕 焦 李 成 马 少 平 刘 宏蒋 昌 俊 任 福 继 杨 强委 员 ： 陈 杰 董 振 江 杜 军 平 桂 卫 华 韩 力 群 何 清黄 心 汉 贾 英 民 李 斌 刘 民 刘 成 林 刘 增 良鲁 华 祥 马 华 东 马 世 龙 苗 夺 谦 朴 松 昊 乔 俊 飞任 友 群 孙 富 春 孙 长 银 王 轩 王 飞 跃 王 捍 贫王 万 森 王 卫 宁 王 小 捷 王 亚 杰 王 志 良 吴 朝 晖吴 晓 蓓 夏 桂 华 严 新 平 杨 春 燕 余 凯 余 有 成张 学 工 赵 春 江 周 志 华 祝 烈 煌 庄 越 挺 中 国 智 能 机 器 人 白 皮 书 编 写 组刘 宏 吴 平 平 孙 倩 茹 胡 靓 张 学 武 李 哲 媛 孙 淼 岳 梦 荻萧 伟 赵 文 勇 刘 梦 源 王 灿 康 日 升 唐 浩 陶 树 宁 张 加 佳王 芷 庞 程 陈 玲 孙 小 虎 钟 铖 铖 陈 月 朝III第 1 章 机 器 人 的 前 世 今 生 .11.1 古 今 中 外 的 机 器 人 传 说 与 幻 想 .11.2 十 分 钟 读 懂 机 器 人 .71.3 “ 狼 ” 真 的 来 了 ！ .11第 2 章 机 器 人 的 孕 育 萌 芽 .152.1 最 近 一 万 年 技 术 史 上 发 生 了 些 什 么 ？ .152.2 工 具 革 命 的 基 本 特 点 .222.3 三 元 工 具 呼 之 欲 出 .26第 3章 机 器 人 的 成 长 之 路 .303.1 机 器 人 初 生 襁 褓 .303.2 机 器 人 锐 意 进 取 .363.3 机 器 人 崭 露 头 角 .42第 4 章 机 器 人 的 生 存 之 道 .484.1感 知 智 能 ： 机 器 人 与 环 境 的 和 谐 问 题 .484.2 运 动 智 能 ： 机 器 人 与 运 动 的 和 谐 问 题 .514.3 交 互 智 能 ： 机 器 人 与 人 类 的 和 谐 问 题 .54第 5 章 机 器 人 的 发 展 未 来 .585.1 未 来 社 会 基 本 特 征 .585.2 脑 力 劳 动 与 体 力 劳 动 的 彻 底 解 放 .615.3 关 于 机 器 人 发 展 的 10大 困 惑 .645.4 机 器 人 对 人 类 社 会 的 十 大 影 响 .73第 6 章 引 领 机 器 人 创 新 的 中 坚 力 量 中 国 人 工 智 能 学 会 .826.1 CAAI推 动 智 能 机 器 人 发 展 .826.2全 国 智 能 机 器 人 创 新 联 盟 ： 强 强 联 合 的 机 器 人 创 新 载 体 .866.3智 能 体 验 、 智 慧 生 活 ： 机 器 人 为 主 角 的 万 “ 人 ” 智 博 会 .941第 1 章 机 器 人 的 前 世 今 生1.1 古 今 中 外 的 机 器 人 传 说 与 幻 想机 器 人 形 象 和 机 器 人 一 词 ， 最 早 出 现 在 科 幻 和 文 学 作 品 中 。 1920年 ， 一 名 捷 克 作 家 发 表 了 一 部 名 为 罗 萨 姆 的 万 能 机 器 人 的 剧 本 ，剧 中 叙 述 了 一 个 叫 罗 萨 姆 的 公 司 把 机 器 人 作 为 人 类 生 产 的 工 业 品 推向 市 场 ， 让 它 充 当 劳 动 力 代 替 人 类 劳 动 的 故 事 。 作 者 根 据 小 说 中Robota（ 捷 克 文 ， 原 意 为 “ 劳 役 、 苦 工 ” ） 和 Robotnik(波 兰 文 ， 原意 为 “ 工 人 ” ） ， 创 造 出 “ 机 器 人 ” 这 个 词 。机 器 人 问 世 已 有 几 十 年 ， 但 对 机 器 人 的 定 义 仍 然 仁 者 见 仁 ， 智 者见 智 ， 没 有 一 个 统 一 的 意 见 。 原 因 之 一 是 机 器 人 还 在 发 展 ， 新 的 机 型 ，新 的 功 能 不 断 涌 现 。 根 本 原 因 主 要 是 因 为 机 器 人 涉 及 到 了 人 的 概 念 ，成 为 一 个 难 以 回 答 的 哲 学 问 题 。 就 像 机 器 人 一 词 最 早 诞 生 于 科 幻 小 说之 中 一 样 ， 人 们 对 机 器 人 充 满 了 幻 想 。 也 许 正 是 由 于 机 器 人 定 义 的 模糊 ， 才 给 了 人 们 充 分 的 想 像 和 创 造 空 间 。在 1967 年 日 本 召 开 的 第 一 届 机 器 人 学 术 会 议 上 ， 人 们 提 出 了 两个 有 代 表 性 的 定 义 。 一 是 森 政 弘 与 合 田 周 平 提 出 的 ： “ 机 器 人 是 一 种具 有 移 动 性 、 个 体 性 、 智 能 性 、 通 用 性 、 半 机 械 半 人 性 、 自 动 性 、 奴隶 性 等 7 个 特 征 的 柔 性 机 器 ” 。 从 这 一 定 义 出 发 ， 森 政 弘 又 提 出 了 用自 动 性 、 智 能 性 、 个 体 性 、 半 机 械 半 人 性 、 作 业 性 、 通 用 性 、 信 息 性 、柔 性 、 有 限 性 、 移 动 性 等 10个 特 性 来 表 示 机 器 人 的 形 象 ； 另 一 个 是加 藤 一 郎 提 出 的 具 有 如 下 3 个 条 件 的 机 器 称 为 机 器 人 ：1 具 有 脑 、 手 、 脚 等 三 要 素 的 个 体 ；2 具 有 非 接 触 传 感 器 （ 用 眼 、 耳 接 受 远 方 信 息 ） 和 接 触 传 感 器 ；3 具 有 平 衡 觉 和 固 有 觉 的 传 感 器 。 该 定 义 强 调 了 机 器 人 应 当 仿人 的 含 义 ， 即 它 靠 手 进 行 作 业 ， 靠 脚 实 现 移 动 ， 由 脑 来 完 成 统 一 指 挥2的 作 用 。 非 接 触 传 感 器 和 接 触 传 感 器 相 当 于 人 的 五 官 ， 使 机 器 人 能 够识 别 外 界 环 境 ， 而 平 衡 觉 和 固 有 觉 则 是 机 器 人 感 知 本 身 状 态 所 不 可 缺少 的 传 感 器 。 这 里 描 述 的 不 是 工 业 机 器 人 而 是 自 主 机 器 人 。1988 年 法 国 的 埃 斯 皮 奥 将 机 器 人 定 义 为 ： “ 机 器 人 学 是 指 设 计 能根 据 传 感 器 信 息 实 现 预 先 规 划 好 的 作 业 系 统 ， 并 以 此 系 统 的 使 用 方 法作 为 研 究 对 象 ”1987 年 国 际 标 准 化 组 织 对 工 业 机 器 人 进 行 了 定 义 ： “ 工 业 机 器 人是 一 种 具 有 自 动 控 制 的 操 作 和 移 动 功 能 ， 能 完 成 各 种 作 业 的 可 编 程 操作 机 。 ”目 前 关 于 对 机 器 人 行 为 的 描 述 中 ， 以 科 幻 小 说 家 以 撒 艾 西 莫 夫在 小 说 我 ， 机 器 人 中 所 订 立 的 “ 机 器 人 三 定 律 ” 最 为 著 名 。 艾西 莫 夫 为 机 器 人 提 出 的 三 条 “ 定 律 ” （ law） ， 程 序 上 规 定 所 有 机 器 人必 须 遵 守 ：1. 机 器 人 不 得 伤 害 人 类 ， 且 确 保 人 类 不 受 伤 害 ；2. 在 不 违 背 第 一 法 则 的 前 提 下 ， 机 器 人 必 须 服 从 人 类 的 命 令 ；3. 在 不 违 背 第 一 及 第 二 法 则 的 前 提 下 ， 机 器 人 必 须 保 护 自 己 。“ 机 器 人 三 定 律 ” 的 目 的 是 为 了 保 护 人 类 不 受 伤 害 ， 但 艾 西 莫 夫在 小 说 中 也 探 讨 了 在 不 违 反 三 定 律 的 前 提 下 伤 害 人 类 的 可 能 性 ， 甚 至在 小 说 中 不 断 地 挑 战 这 三 定 律 ， 在 看 起 来 完 美 的 定 律 中 找 到 许 多 漏洞 。 在 现 实 中 ， “ 三 定 律 ” 成 为 机 械 伦 理 学 的 基 础 ， 目 前 的 机 械 制 造业 都 遵 循 这 三 条 定 律 。现 在 ， 让 我 们 来 具 体 看 看 机 器 人 的 发 展 历 史 。 工 业 机 器 人 的 最 早研 究 可 追 溯 到 第 二 次 大 战 后 不 久 。 在 40 年 代 后 期 ， 橡 树 岭 和 阿 尔 贡国 家 实 验 室 就 已 开 始 实 施 计 划 ， 研 制 遥 控 式 机 械 手 ， 用 于 搬 运 放 射 性材 料 。 这 些 系 统 是 “ 主 从 ” 型 的 ， 用 语 准 确 地 “ 模 仿 ” 操 作 员 手 和 臂的 动 作 。 主 机 械 手 由 使 用 者 进 行 导 引 做 一 连 串 动 作 ， 而 从 机 械 手 尽 可3能 准 确 地 模 仿 主 机 械 手 的 动 作 ， 后 来 用 机 械 耦 合 主 从 机 械 手 的 动 作 加入 力 的 反 馈 ， 使 操 作 员 能 够 感 觉 到 从 机 械 手 及 其 环 境 之 间 产 生 的 力 。50 年 代 中 期 ， 机 械 手 中 的 机 械 耦 合 被 液 压 装 置 所 取 代 ， 如 通 用 电 气公 司 的 “ 巧 手 人 ” 机 器 人 和 通 用 制 造 厂 的 “ 怪 物 ” I型 机 器 人 。 1954年 G.C.Devol 提 出 了 “ 通 用 重 复 操 作 机 器 人 ” 的 方 案 ， 并 在 1961 年获 得 了 专 利 。1958 年 ， 被 誉 为 “ 工 业 机 器 人 之 父 ” 的 Joseph F.Engel Berger创 建 了 世 界 上 第 一 个 机 器 人 公 司 Unimation （ UniveralAutomation） 公 司 ， 并 参 与 设 计 了 第 一 台 Unimate 机 器 人 。 这 是 一 台用 于 压 铸 的 五 轴 液 压 驱 动 机 器 人 ， 手 臂 的 控 制 由 一 台 计 算 机 完 成 。 它采 用 了 分 离 式 固 体 数 控 元 件 ， 并 装 有 存 储 信 息 的 磁 鼓 ， 能 够 记 忆 完 成180 个 工 作 步 骤 。 与 此 同 时 ， 另 一 家 美 国 公 司 AMF 公 司 也 开 始 研制 工 业 机 器 人 ， 即 Versatran（ Versatile Transfer） 机 器 人 。 它 主要 用 于 机 器 之 间 的 物 料 运 输 、 采 用 液 压 驱 动 。 该 机 器 人 的 手 臂 可 以 绕底 座 回 转 ， 沿 垂 直 方 向 升 降 ， 也 可 以 沿 半 径 方 向 伸 缩 。 一 般 认 为Unimate和 Versatran机 器 人 是 世 界 上 最 早 的 工 业 机 器 人 。 可 以 说 ，60年 代 和 70年 代 是 机 器 人 发 展 最 快 、 最 好 的 时 期 ， 这 期 间 的 各 项 研究 发 明 有 效 地 推 动 了 机 器 人 技 术 的 发 展 和 推 广 。 主 要 成 就 如 下 表 。1979 年 Unimation公 司 推 出 了 PUMA 系 列 工 业 机 器 人 ， 他 是 全 电动 驱 动 、 关 节 式 结 构 、 多 CPU二 级 微 机 控 制 、 采 用 VAL专 用 语 言 ， 可配 置 视 觉 、 触 觉 的 力 觉 感 受 器 的 ， 技 术 较 为 先 进 的 机 器 人 。 同 年 日 本山 梨 大 学 的 牧 野 洋 研 制 成 具 有 平 面 关 节 的 SCARA 型 机 器 人 。 整 个 70年 代 ， 出 现 了 更 多 的 机 器 人 商 品 ， 并 在 工 业 生 产 中 逐 步 推 广 应 用 。 随着 计 算 机 科 学 技 术 、 控 制 技 术 和 人 工 智 能 的 发 展 ， 机 器 人 的 研 究 开 发 ，无 论 就 水 平 和 规 模 而 言 都 得 到 迅 速 发 展 。 据 国 外 统 计 ， 到 1980 年 全世 界 约 有 2万 余 台 机 器 人 在 工 业 中 应 用 。4我 国 在 机 器 人 研 究 方 面 相 对 西 方 国 家 和 日 本 来 说 起 步 较 晚 。 但 我们 所 取 得 的 成 就 仍 是 不 容 轻 视 的 。 我 国 是 从 20世 纪 80年 代 开 始 涉 足机 器 人 领 域 的 研 究 和 应 用 的 。 1986 年 ， 我 国 开 展 了 “ 七 五 ” 机 器 人攻 关 计 划 ， 1987 年 ， 我 国 的 “ 863” 高 技 术 计 划 将 机 器 人 方 面 的 研 究开 发 列 入 其 中 。 目 前 我 国 从 事 机 器 人 研 究 和 应 用 开 发 的 主 要 是 高 校 及有 关 科 研 院 所 等 。 最 初 我 国 在 机 器 人 技 术 方 面 研 究 的 主 要 目 的 是 跟 踪国 际 先 进 的 机 器 人 技 术 。 随 后 ， 我 国 在 机 器 人 技 术 及 应 用 方 面 取 得 了很 大 的 成 就 ， 主 要 研 究 成 果 有 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学 研 制 的 两 足 步 行 机 器人 ， 北 京 自 动 化 研 究 所 1993年 研 制 的 喷 涂 机 器 人 ， 1995年 完 成 的 高压 水 切 割 机 器 人 ， 沈 阳 自 动 化 研 究 所 研 制 完 成 的 有 缆 深 潜 300m 机 器人 、 无 缆 深 潜 机 器 人 、 遥 控 移 动 作 业 机 器 人 。我 国 在 仿 人 形 机 器 人 方 面 ， 也 取 得 很 大 的 进 展 。 例 如 ， 中 国 国 防科 学 技 术 大 学 经 过 10年 的 努 力 ， 于 2000 年 成 功 地 研 制 出 我 国 第 一 个仿 人 形 机 器 人 “ 先 行 者 ” ， 其 身 高 140 厘 米 ， 重 20 公 斤 。 它 有与 人 类 似 的 躯 体 、 头 部 、 眼 睛 、 双 臂 和 双 足 ， 可 以 步 行 ， 也 有 一 定 的语 言 功 能 。 它 每 秒 走 一 步 到 两 步 ， 但 步 行 质 量 较 高 ： 既 可 在 平 地 上 稳步 向 前 ， 还 可 自 如 地 转 弯 、 上 坡 ； 既 可 以 在 已 知 的 环 境 中 步 行 ， 还 可以 在 小 偏 差 、 不 确 定 的 环 境 中 行 走 。可 以 说 机 器 人 技 术 的 发 展 速 度 还 是 比 较 快 的 。 原 来 只 能 在 科 幻 小说 和 电 影 中 看 到 的 机 器 人 现 在 可 以 说 已 经 离 我 们 越 来 越 近 了 。 那 么 在未 来 ， 机 器 人 的 发 展 趋 势 到 底 会 是 怎 样 的 呢 ？智 能 化 可 以 说 是 机 器 人 未 来 的 发 展 方 向 ， 智 能 机 器 人 是 具 有 感知 、 思 维 和 行 动 功 能 的 机 器 ， 是 机 构 学 、 自 动 控 制 、 计 算 机 、 人 工 智能 、 微 电 子 学 、 光 学 、 通 讯 技 术 、 传 感 技 术 、 仿 生 学 等 多 种 学 科 和 技术 的 综 合 成 果 。 智 能 机 器 人 可 获 取 、 处 理 和 识 别 多 种 信 息 ， 自 主 地 完成 较 为 复 杂 的 操 作 任 务 ， 比 一 般 的 工 业 机 器 人 具 有 更 大 的 灵 活 性 、 机5动 性 和 更 广 泛 的 应 用 领 域 。对 于 未 来 意 识 化 智 能 机 器 人 很 可 能 的 几 大 发 展 趋 势 ， 这 里 概 括 性地 分 析 如 下 ：1. 语 言 交 流 功 能 越 来 越 完 美 ： 智 能 机 器 人 ， 既 然 已 经 被 赋 予“ 人 ” 的 特 殊 称 义 ， 那 当 然 需 要 有 比 较 完 美 的 语 言 功 能 ， 这 样 就 能 与人 类 进 行 一 定 的 ， 甚 至 完 美 的 语 言 交 流 ， 所 以 机 器 人 语 言 功 能 的 完 善是 一 个 非 常 重 要 的 环 节 。 对 于 未 来 智 能 机 器 人 的 语 言 交 流 功 能 会 越 来越 完 美 化 ， 是 一 个 必 然 性 趋 势 ， 在 人 类 的 完 美 设 计 程 序 下 ， 它 们 能 轻松 地 掌 握 多 个 国 家 的 语 言 ， 远 高 于 人 类 的 学 习 能 力 。 另 外 ， 机 器 人 还能 进 行 自 我 的 语 言 词 汇 重 组 能 力 ， 就 是 当 人 类 与 之 交 流 时 ， 若 遇 到 语言 包 程 序 中 没 有 的 语 句 或 词 汇 时 ， 可 以 自 动 地 用 相 关 的 或 相 近 意 思 词组 ， 按 句 子 的 结 构 重 组 成 一 句 新 句 子 来 回 答 ， 这 也 相 当 于 类 似 人 类 的学 习 能 力 和 逻 辑 能 力 ， 是 一 种 意 识 化 的 表 现 。2. 各 种 动 作 的 完 美 化 ： 机 器 人 的 动 作 是 相 对 于 模 仿 人 类 动 作 来说 的 ， 我 们 知 道 人 类 能 做 的 动 作 是 极 至 多 样 化 的 ， 招 手 、 握 手 、 走 、跑 、 跳 、 等 各 种 手 势 ， 都 是 人 类 的 惯 用 动 作 。 不 过 现 代 智 能 机 器 人 虽也 能 模 仿 人 的 部 分 动 作 ， 不 过 相 对 是 有 点 僵 化 的 感 觉 ， 或 者 动 作 是 比较 缓 慢 的 。 未 来 机 器 人 将 以 更 灵 活 的 类 似 人 类 的 关 节 和 仿 真 人 造 肌肉 ， 使 其 动 作 更 像 人 类 ， 模 仿 人 的 所 有 动 作 ， 甚 至 做 得 更 有 形 将 成 为可 能 。 还 有 可 能 做 出 一 些 普 通 人 很 难 做 出 的 动 作 ， 如 平 地 翻 跟 斗 ， 倒立 等 。3. 外 形 越 来 越 酷 似 人 类 ： 科 学 家 们 研 制 越 来 越 高 级 的 智 能 机 器人 ， 是 主 要 以 人 类 自 身 形 体 为 参 照 对 象 的 。 自 然 先 需 有 一 个 很 仿 真 的人 型 外 表 是 首 要 前 提 ， 在 这 一 方 面 日 本 应 该 是 相 对 领 先 的 ， 国 内 也 是非 常 优 秀 的 。 当 几 近 完 美 的 人 造 皮 肤 ， 人 造 头 发 ， 人 造 五 管 等 恰 到 好处 地 遮 盖 于 金 属 内 在 的 机 器 人 身 上 时 ， 站 在 那 里 还 配 以 人 类 的 完 美 化6正 统 手 势 。 这 样 从 远 处 乍 一 看 ， 你 还 真 的 会 误 以 为 是 一 个 大 活 人 。 当走 近 时 ， 细 看 才 发 现 原 来 只 是 个 机 器 人 ， 对 于 未 来 机 器 人 ， 仿 真 程 度很 有 可 能 达 到 即 使 你 近 在 咫 尺 细 看 它 的 外 在 ， 你 也 只 会 把 它 当 成 人类 ， 很 难 分 辩 是 机 器 人 ， 这 种 状 况 就 如 美 国 科 幻 大 片 终 结 者 中 的机 器 人 物 造 型 具 有 极 至 完 美 的 人 类 外 表 。4. 逻 辑 分 析 能 力 越 来 越 强 ： 对 于 智 能 机 器 人 为 了 完 美 化 模 仿 人类 ， 未 来 科 学 家 会 不 断 地 赋 予 它 许 多 逻 辑 分 析 程 序 功 能 ， 这 也 相 当 于是 智 能 的 表 现 。 如 自 行 重 组 相 应 词 汇 成 新 的 句 子 是 逻 辑 能 力 的 完 美 表现 形 式 ， 还 有 若 自 身 能 量 不 足 ， 可 以 自 行 充 电 ， 而 不 需 要 主 人 帮 助 ，那 是 一 种 意 识 表 现 。 总 之 逻 辑 分 析 有 助 人 机 器 人 自 身 完 成 许 多 工 作 ，在 不 需 要 人 类 帮 助 的 同 时 ， 还 可 以 尽 量 地 帮 助 人 类 完 成 一 些 任 务 ， 甚至 是 比 较 复 杂 化 的 任 务 。 在 一 定 层 面 上 讲 ， 机 器 人 有 较 强 的 逻 辑 分 析能 力 ， 是 利 大 于 弊 的 。5. 具 备 越 来 越 多 样 化 功 能 ： 人 类 制 造 机 器 人 的 目 的 是 为 人 类 所服 务 的 ， 所 以 就 会 尽 可 能 地 把 它 变 成 多 功 能 化 ， 比 如 在 家 庭 中 ， 可 以成 为 机 器 人 保 姆 。 会 你 扫 地 、 吸 尘 、 还 可 以 做 你 的 谈 天 朋 友 ， 还 可 以为 你 看 护 小 孩 。 到 外 面 时 ， 机 器 人 可 以 帮 你 搬 一 些 重 物 ， 或 提 一 些 东西 ， 甚 至 还 能 当 你 的 私 人 保 嫖 。 另 外 ， 未 来 高 级 智 能 机 器 人 还 会 具 备多 样 化 的 变 形 功 能 ， 比 方 从 人 形 状 态 ， 变 成 一 辆 豪 华 的 汽 车 也 是 有 可能 的 ， 这 似 乎 是 真 正 意 义 上 的 变 形 金 刚 了 ， 它 载 着 你 到 处 驶 驰 于 你 想去 的 任 何 地 方 ， 这 种 比 较 理 想 的 设 想 ， 在 未 来 都 是 有 可 能 实 现 的 。机 器 人 的 产 生 是 社 会 科 学 技 术 发 展 的 必 然 阶 段 ， 是 社 会 经 济 发 展到 一 定 程 度 的 产 物 ， 在 经 历 了 从 初 级 到 现 在 的 成 长 过 程 后 ， 随 着 科 学技 术 的 进 一 步 发 展 及 各 种 技 术 进 一 步 的 相 互 融 合 ， 我 们 相 信 机 器 人 技术 的 前 景 将 更 加 光 明 。71.2 十 分 钟 读 懂 机 器 人近 年 来 ， 机 器 人 题 材 的 电 影 愈 发 火 爆 ， 钢 铁 侠 ， 变 形 金 刚 和 我 的 机 器 人 女 友 等 等 非 常 受 欢 迎 。 那 么 问 题 摆 在 眼 前 ， 钢 筋 铁骨 的 钢 铁 侠 是 如 何 奔 跑 和 飞 翔 的 ， 铁 骨 铮 铮 的 机 器 人 女 汉 子 是 如 何 露出 那 天 使 般 的 笑 容 的 ， 机 器 人 可 以 实 现 运 动 和 思 考 的 机 理 是 什 么 ， 机器 人 是 如 何 听 、 说 、 读 、 写 的 。要 真 正 读 懂 机 器 人 ， 首 先 需 要 了 解 机 器 人 学 的 学 科 分 类 。 机 器 人学 科 内 主 要 包 括 机 械 工 程 、 自 动 控 制 和 人 工 智 能 三 个 领 域 。 其 中 机 械工 程 是 机 器 人 学 的 基 础 。 根 据 机 器 人 的 作 用 和 目 标 ， 设 计 并 制 造 出 合理 的 机 械 结 构 ， 构 造 出 机 器 人 的 “ 骨 骼 和 肌 肉 ” 。机 械 和 控 制 两 个 领 域 主 要 通 过 设 计 机 器 人 的 机 械 结 构 和 机 构 中各 个 关 节 的 控 制 方 法 ， 解 决 机 器 人 本 体 运 动 的 问 题 。 机 器 人 的 本 体 部件 主 要 包 括 ： 机 械 臂 、 末 端 执 行 器 、 驱 动 器 、 传 感 器 、 控 制 器 。机 械 臂 是 机 器 人 的 主 体 部 分 ， 由 连 杆 、 活 动 关 节 和 其 他 结 构 部 件组 成 。 如 果 没 有 其 他 部 件 ， 仅 机 械 臂 本 身 并 不 能 被 称 作 机 器 人 。 常 见的 仿 人 机 器 人 一 般 是 由 头 部 、 躯 干 、 两 手 、 双 足 等 构 成 的 多 连 杆 机 构 ，它 的 运 动 学 和 力 学 的 数 学 处 理 方 法 与 工 业 机 械 手 有 许 多 共 同 之 处 ， 包括 正 运 动 学 、 逆 运 动 学 、 动 力 学 等 问 题 。 但 是 ， 机 器 人 还 有 一 些 更 复杂 的 要 求 ， 如 仿 人 机 器 人 在 执 行 推 桌 子 、 跳 舞 、 爬 楼 梯 等 任 务 时 ， 非常 注 重 身 体 的 平 衡 。末 端 执 行 器 就 是 连 接 在 机 械 手 最 后 一 个 关 节 上 的 部 件 ， 它 相 当 于机 器 人 的 “ 手 指 ” ， 一 般 用 来 抓 取 物 体 ， 与 其 他 机 构 连 接 并 执 行 需 要的 任 务 。 一 般 来 说 ， 机 器 人 手 部 都 备 有 能 连 接 专 用 末 端 执 行 器 的 接 口 ，这 些 末 端 执 行 器 是 为 某 种 用 途 专 门 设 计 的 。 通 常 来 说 ， 末 端 执 行 器 的动 作 是 由 机 器 人 控 制 器 直 接 控 制 ， 或 者 将 机 器 人 控 制 器 的 信 号 传 至 末端 执 行 器 自 身 的 控 制 装 置 。8驱 动 器 就 是 机 械 手 的 “ 肌 肉 ” ， 如 果 把 连 杆 以 及 关 节 想 象 为 机 器人 的 骨 骼 ， 那 么 驱 动 器 就 起 肌 肉 的 作 用 ， 它 通 过 移 动 或 者 转 动 连 杆 来改 变 机 器 人 的 构 型 。 驱 动 器 必 须 有 足 够 的 功 率 对 连 杆 进 行 加 减 速 并 带动 负 载 ， 同 时 ， 驱 动 器 自 身 必 须 轻 便 、 经 济 、 准 确 、 可 靠 。 机 器 人 的驱 动 通 常 有 电 动 、 液 压 和 气 动 三 种 方 式 。 由 于 电 动 方 式 具 有 控 制 方 便 、精 度 高 、 结 构 紧 凑 等 优 点 ， 目 前 大 多 数 中 小 型 机 器 人 采 用 的 都 是 电 动方 式 ， 包 括 交 流 伺 服 电 机 、 步 进 电 机 、 舵 机 等 ； 液 压 方 式 具 有 出 力 大的 优 点 ， 通 常 大 型 工 业 机 器 人 多 采 用 液 压 方 式 驱 动 ； 部 分 末 端 执 行 器和 气 动 肌 肉 等 采 用 气 动 形 式 。传 感 器 是 用 来 收 集 机 器 人 内 部 状 态 的 信 息 或 用 来 与 外 部 环 境 进行 通 信 的 部 件 ， 类 似 于 人 的 各 个 感 知 器 官 。 像 人 一 样 ， 机 器 人 控 制 器需 要 知 道 每 个 连 杆 的 位 置 才 能 知 道 机 器 人 的 总 体 构 型 。 人 即 使 在 完 全黑 暗 中 也 会 知 道 胳 膊 和 腿 在 哪 里 ， 这 是 因 为 肌 腱 内 的 中 枢 神 经 系 统 中的 神 经 传 感 器 将 信 息 反 馈 给 了 人 的 大 脑 。 大 脑 利 用 这 些 信 息 来 测 定 肌肉 伸 缩 程 度 ， 进 而 确 定 胳 膊 和 腿 的 当 前 状 态 。 机 器 人 同 样 也 如 此 。 机器 人 常 常 配 有 许 多 外 部 传 感 器 ， 例 如 视 觉 系 统 、 触 觉 传 感 器 、 语 言 合成 器 等 ， 使 机 器 人 与 外 界 进 行 通 信 。机 器 人 的 控 制 器 就 相 当 于 人 的 神 经 系 统 ， 传 感 器 将 获 取 到 的 数 据传 送 至 控 制 器 ， 控 制 器 经 过 计 算 后 输 出 控 制 指 令 控 制 驱 动 器 的 运 动 。假 如 机 器 人 要 从 箱 柜 中 取 出 一 个 零 件 ， 要 求 它 的 第 一 关 节 为 35 ，如 果 第 一 关 节 尚 未 达 到 这 一 角 度 ， 控 制 器 就 会 发 出 一 个 信 号 到 驱 动 器（ 输 送 电 流 到 电 动 机 、 输 送 气 体 到 气 缸 ， 或 者 发 送 信 号 到 液 压 缸 的 伺服 阀 ） ， 促 使 执 行 机 构 运 动 ， 然 后 通 过 关 节 上 的 反 馈 传 感 器 测 量 关 节角 度 的 变 化 ， 当 关 节 达 到 预 定 角 度 时 ， 停 止 发 送 控 制 信 号 。 对 于 更 复杂 的 机 器 人 ， 机 器 人 的 运 动 速 度 和 力 也 由 控 制 器 控 制 。机 器 人 有 了 筋 骨 之 后 ， 还 需 要 一 个 神 经 系 统 来 指 挥 机 器 人 身 体 来9完 成 例 如 走 路 抬 手 这 类 底 层 动 作 。 也 就 是 说 机 器 人 有 了 可 以 执 行 运 动的 身 体 之 后 ， 还 需 要 一 个 灵 魂 。 塑 造 灵 魂 就 是 人 工 智 能 科 学 的 目 标 。作 为 机 器 人 的 大 脑 和 灵 魂 人 工 智 能 学 ， 并 不 局 限 于 机 器 人 局部 机 构 的 运 动 ， 如 抓 取 、 驾 驶 等 ， 而 是 着 眼 于 高 级 智 能 目 标 ， 如 识 别人 体 动 作 、 语 音 合 成 、 自 动 导 航 和 建 立 地 图 、 躲 避 障 碍 物 和 自 动 驾 驶 、双 足 机 器 人 步 态 下 的 平 衡 等 。 它 包 括 算 法 设 计 和 传 感 器 感 知 等 研 究 方向 ， 主 要 解 决 机 器 人 怎 么 思 考 的 问 题 。一 个 智 能 机 器 人 系 统 的 工 作 原 理 ， 简 单 说 来 ， 首 先 是 机 器 人 通 过感 知 系 统 （ 传 感 器 系 统 ， 包 括 彩 色 相 机 ， 深 度 相 机 ， 麦 克 风 阵 列 ， 压力 传 感 器 ， 加 速 度 传 感 器 等 等 ） 感 知 到 环 境 信 息 （ 如 障 碍 物 和 目 标 位置 ） ， 机 器 人 的 计 算 机 系 统 上 的 人 工 智 能 算 法 通 过 对 这 一 系 列 环 境 信息 的 处 理 ， 给 出 高 级 目 标 指 令 （ 如 向 目 标 位 置 运 动 ， 抓 取 目 标 物 体 ，避 开 障 碍 物 等 ） ， 控 制 系 统 将 此 类 高 级 目 标 指 令 逐 级 解 析 给 出 每 一 个机 械 关 节 上 的 控 制 量 （ 如 关 节 的 运 动 速 度 和 转 角 ， 加 速 度 等 ） ， 关 节的 驱 动 器 （ 如 电 动 机 ， 液 压 驱 动 器 等 ） 收 到 这 些 控 制 量 后 ， 在 全 身 规划 系 统 的 控 制 下 ， 每 个 关 节 分 别 完 成 各 自 的 运 动 目 标 位 置 ， 智 能 机 器人 就 可 以 动 起 来 了 。 以 机 器 人 步 态 规 划 为 例 子 ， 机 器 人 站 在 一 个 台 阶前 ， 台 阶 和 地 板 的 位 置 信 息 通 过 深 度 相 机 等 设 备 传 入 机 器 人 的 计 算 机中 ， 通 过 人 工 智 能 算 法 解 算 出 台 阶 和 地 板 表 面 法 向 量 和 安 全 边 界 区 等参 数 ， 通 过 和 加 速 度 传 感 器 （ 陀 螺 仪 等 ） 提 供 的 重 力 方 向 比 较 ， 计 算出 可 以 踩 踏 的 区 域 。 智 能 算 法 再 根 据 机 器 人 当 前 位 置 和 目 标 位 置 ， 计算 出 一 条 最 优 化 的 脚 步 路 线 ， 算 出 脚 步 路 线 后 就 可 以 把 脚 步 路 径 输 出给 控 制 器 了 ， 控 制 器 会 根 据 每 一 个 脚 步 点 的 位 置 和 关 节 参 数 ， 应 用 逆运 动 学 计 算 出 机 器 人 每 一 个 关 节 的 控 制 曲 线 ， 最 终 将 控 制 量 输 出 到 各个 关 节 ， 机 器 人 就 开 始