Transcript 14级新生IT前沿技术讲座—机器人大脑

机器人大脑
=互联网+大数据+云计算
华南理工大学
计算机学院
肖南峰
2014年10月17日
肖南峰老师简介
•
肖南峰博士，男，1962年11月生，华南理工大
学计算机科学与工程学院“智能计算机”科研团队
责任教授、博导。1982年7月毕业于华中工学院（现
更名为华中科技大学）自动控制与计算机工程系，
获工学学士学位；1989年1月毕业于东北工学院（现
更名为东北大学），获工学硕士学位；2001年6月毕
业于日本横浜国立大学，获工学博士学位。2001年9
月至2002年9月在澳大利亚Deakin大学从事智能机器
人研究。
•
他作为主持人先后承担和完成了3项国家自然科
学基金项目，2项广东省自然科学基金重点项目，以
及由教育部、交通运输部、广东省科技厅、广东省
教育厅、广州市科信局、华南理工大学、相关企业
等资助的研究课题共计40项。至今他已在国内外著
名的杂志和学术会议上发表学术论文近200篇，其中
被3大索引收录近100篇（次），主编和参编并出版
中文、英文专著或教材10部，申请或获得发明及实
用新型专利15项，软件版权25个。
讲座定位与目标
“智能计算机”讲座是面向一年级本科生新生，
主要包括智能机器人的传感与信息融合技术、智能控
制技术、导航和定位技术、路径规划技术、电源技术
等。主要侧重于智能机器人的体系结构、任务调度、
路径规划、控制技术、多传感器、信息处理、融合技
术，以及工业机器人、服务机器人、仿人机器人、空
间机器人等专题学习内容。学生通过“智能机器人技
术”课程的学习和训练，学生可以进一步地开扩视野
和增强知识，从而为今后研究和应用各类智能机器人
打下坚实的基础。
本课程的目标是培养我国和我省及珠江三角洲地
区大量急需的复合型专门技术人材，以应对我国加入
世界贸易组织后所面临的各种挑战，同时尽快使我校
加入到国内外机器人研究、开发和应用的先进行列中
去，为早日把我校建设成国内一流世界知名的高水平
大学做出重要贡献。
教材
①肖南峰编著，《仿人机器人》，北京：科学出版社，2008年03月；
②肖南峰编著，《智能机器人》，广州：华南理工大学出版社，2008年01月；
③肖南峰等编著，《工业机器人》，北京：机械工业出版社，2011年10月；
④肖南峰主编，《服务机器人》，北京：清华大学版社，2013年01月；
⑤《Cutting Edge Robotics》，ISBN：3-86611-038-3，2005年7月；
（该书的中文名为《尖端机器人学》，包括了近年来全球34位
移动机器人专家的最新研究成果）
⑥《Industrial Robotics-Theory，Modelling & Control》，2007年2月；
（该书的中文名为《工业机器人学—理论、模型与控制》，包括
了近年来全球34位工业机器人专家的最新研究成果）；
⑦《Robot Vision: Strategies，Algorithms and Motion Planning》，2009年7月；
（该书的中文名为《机器视觉：策略、算法与运动规划》，包括
了近年来全球12位机器视觉专家的最新研究成果）；
⑧肖南峰编著，《智能计算机——机器人大脑》，北京：科学出版社，
（2014年12月待出版）。
网站
（1）华南理工大学“智能机器人技术”重点课程网站：
http://202.38.193.235/znjqr/
（2）广东省教育厅“151”机器人专题学习网站：
http://222.16.42.162:8089/robot/before/before.htm
第一讲 智能机器人的基本构成
1.1 智能机器人的历史
1.2 智能机器人的定义
1.3 智能机器人的种类
1.4 超声与红外传感器
1.5 智能机器人的硬件
1.6 智能机器人的软件
1.7 智能机器人的设计
1.1 机器人的历史
机器人的成长经也历了四个阶段或四代。
第一个代机器人属于示教再现型，机器人只能根据
事先编好的程序工作，它好像只有干活儿的手，不懂
得如何处理外界的信息。
第二代机器人属于感觉型，机器人具有触觉、视觉、
听觉、力觉等功能，这使得它们可以根据外界的不同
信息做出相应的反馈。
第三代机器人属于智能型，机器人不仅具有多种技
能，能够感知外面的世界，而且它还能够不断地自我
学习，用自己的思维来决策该做什么和怎样去做。
第四代机器人属于进化或仿生机器人，它们具有高
级生命的形态和特征，可以在未知的非结构化环境下
灵巧地和高效地完成各种复杂的任务。
机器人的发展
• 机械是现代社会进行生产和服务的要素之一，任何
现代产业和工程领域都离不开机械。
• 15 ~ 16世纪前期，机械工程虽然发展缓慢，但是也
积累了很多的经验和知识。
• 到了18世纪后期，机械制造工业成形，并成为一个
重要的产业。
• 中国古代创造的先进机械：
•西周马车（复制品）
秦始皇陵铜马车
地动仪
机器人的发展
• 1920年，捷克剧作家卡雷尔卡佩克发表了科幻
剧本《罗萨姆的万能机器人》，首次提出了机
器人（Robot）这个词。
• 20世纪40年代后期，美国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。
• 20世纪50年代中期，乔治.C.德涡尔研制出了一
套被他称之为“编程的关节式传送装置”。
• 20世纪60年代早期，H.A.厄恩斯特于1962年介
绍了带有触觉传感器的计算机控制机械手的研
制情况。
机器人的发展
• 20世纪60年代后期，麦卡锡于1968年和他在斯
坦福人工智能实验室的同事报告了有手、眼和
耳的计算机开发情况。
• 20世纪70年代，大量的研究工作都把重点放在
使用外部传感器来改善机械手的操作。
• 人们对应用机器人产生了浓厚的兴趣。机器人
在更为柔性的生产环境中，能以较低的成本完
成各种制造工作。
• 机器人是一种带有外部传感器和可再编程的通
用操作机，可以完成各种生产作业，根据这一
定义，机器人必须具有智能，这种智能一般取
决于与控制和传感系统有关的计算机算法。
机器人的发展
我国从20世纪70年代后期开始进行机器人研究，当时主要是
进行理论探讨，真正地进行机器人研发是在国民经济第七、八、
九、十个五年计划时期。1986年我国开始实施“863计划”，先
后推出和实施了多个机器人技术研究和开发计划，并且投入了大
量的资金重点支持水下机器人、精密加工机器人、专用制造机器
人、特种机器人等，从而使我国的机器人研究和开发及应用得到
了非常迅速的发展。
目前，我国的机器人主要研究和开发单位有中国科学院沈阳
自动化研究所、北京机械工业自动化研究所、哈尔滨工业大学、
北京航空航天大学、北京理工大学、华南理工大学（SCUT）等
等。我国已经研发出的代表性成果有工业机器人、水下机器人、
仿人机器人、空间机器人、飞行机器人、家政机器人等，它们都
具有国际先进水平。我国机器人发展水平与发达国家相比，目前
还存在着很大的差距，主要表现在机器人拥有量上远远不能满足
社会的需求，产业化方面还没有固定和成熟的产品，长期依靠从
国外大量的引进。当前我国的机器人生产和应用都是应用户的要
求，“一个客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部
件通用化程度低、供货周期长、成本高，且质量和可靠性不稳定
等
机器人的发展
除工业机器人之外，全世界许多发达国家一直都
在研发具有感知功能和人类智慧的服务机器人（比如
，仿人机器人、军用机器人、水下机器人、空间机器
人等），并且已经有许多发展战略计划和重大工程项
目正在如火如荼地进行中。
例如，美国的“国家关键技术”、“商业部新兴
技术”、“国防部和能源部关键技术”等计划，欧共
体的“尤里卡计划”和“信息技术研究发展战略计划
”、日本的“极限作业机器人研究计划”、“微机器
研究计划”、“仿人机器人研究计划”等等，韩国、
新加坡、巴西等许多发展中国家也都提出了和正在实
施相应的机器人研发计划和工程项目。
机器人的发展
总体上说，目前各个发达国家的机器人发展战略和工程应用
的重点是工业机器人、微操作机器人、水下机器人、医疗机器人
、家政机器人、仿人机器人、网络机器人、军用机器人、农产品
加工机器人等。
这些发展战略和工程应用的主要内容集中在以下10个方面：
①机器人本体结构优化；②机器人控制技术；③多传感信息融合
系统；④灵巧手结构设计；⑤机器人遥控技术；⑥虚拟机器人技
术；⑦多智能体控制技术；⑧微型和小型机器人；⑨软机器人技
术；⑩仿人和仿生技术。目前，各国的机器人研发中还存在着许
多的关键技术问题，它们主要表现在：①新式判定机构建模和算
法及软件开发；②视觉和触觉等传感器研制；③采用精密机械元
件研制机械手和脚；④三维信息处理和图像识别方法；⑤机器人
动作系统研制。随着这些关键技术问题的解决、发展战略的实施
和应用工程的完成，机器人将会在制造、化工、能源、交通、海
洋、航天、生物、家政、医疗、教育、农业、军事、娱乐等各个
领域里得到极为广泛的推广和应用。
1.2 机器人的定义
1967年，在日本召开的第一届机器人学术会议上
，学者们提出了两个有代表性的机器人定义。
一个是森政弘等提出的定义：“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、柔软性、有限性、移动性等10个特性来表示机
器人的特征。
另一个是加藤一郎提出具有以下3个条件的机器定
义为机器人：①具有脑、手、脚等3个要素的个体；②
具有非接触传感器（视觉和听觉等传感器）和接触传
感器；③具有平衡觉和固有觉的传感器。
欧美国家认为机器人应该是由电脑控制，通过可
编程控制和具有可以变更的多功能自动机械。现在国
际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。
目前，人们都可以接受的说法是：机器人是靠自
身运动能力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
国际标准化组织ISO也采纳了美国机器人协会的
定义：机器人一种可编程和多功能，用来搬运材料、
零件、工具的操作机器；或是为了执行不同的任务，
其动作可以改变和可以编程的专门系统。
我国对机器人的定义是：机器人是一种具有高度
灵活性的自动化机器，它可以取代或协助人类工作。
机器人具备一些人类或生物的智能，如感知能力、规
划能力、动作能力和协同能力。机器人可以接受人类
指挥，执行预先编写的程序，还可以按人工智能技术
制定的规划进行作业。机器人是控制理论、机械工程
、电子信息、计算技术、材料科学和仿生科学等科学
和技术综合的产物。
机器人的能力评价指标包括：①智能（感觉和感
知），也即记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、
学习、推理等；②机能，是指变通性、通用性或空间
占有性等；③物理能，是指力、速度、寿命、可靠性
、通用性、连续运行能力等。
1.3 机器人的种类
关于机器人如何分类，国际上至今没有统一的标准。
以前的分类方法是按机器人负载重量、控制方式、自
由度数DOF、本体结构、应用领域等来划分的。
根据应用角度来分：（1）军用机器人（比如，地面
军用机器人、无人机、水下机器人、空间机器人）；
（2）民用机器人（包括工业机器人、服务机器人、
娱乐机器人、类人机器人、农业机器人）。
目前，国际上通常将机器人分为操作型机器人、程控
型机器人、数控型机器人、示教型机器人、感觉型机
器人、适应型机器人、学习型机器人、智能型机器人
等八大类，如表1.1所示。
机器人的分类
分类名称
简要解释
操作型机器人
机器人能自动控制、可重复编程、多功能、有多个DOF
、可安装在固定的位置或可移动，用于相关自动化系统
程控型机器人
机器人的动作可以按预先要求的顺序及条件，依次控制
数控型机器人
通过数值和程序等对机器人先进行示教，然后机器人再
根据示教后的信息进行作业
示教型机器人
通过人工引导机器人的方式，教会机器人动作后，再输
入工作程序，机器人便能自动地和重复地进行相关的作
业。
感觉型机器人
机器人利用各种传感器获取外部信息，控制自己的动作
适应型机器人
机器人能够自动地适应环境的变化，控制其自身的行动
学习型机器人
机器人具有一定的学习能力，它能“体会”自己的工作
经验，并能够将自己所“学”的经验用于自己的相关工
作中
智能型机器人
以人工智能策略和方法及算法来决定自己的行为和行动
1.4 智能机器人的实例一
工业机器人
仿人机器人
吸尘机器人Roomba
工业机器人和服务机器人的典型代表
服务机器人
机器人足球赛
智能机器人的实例二
焊接机器人
高楼清洗机器人
导盲机器人
昆虫机器人
爬树机器人
娱乐机器人
医疗手术机器人 火星探险机器人
极限作业机器人
家用机器人
智能机器人的实例三
捡网球机器人
机器狗
工业机器人
娱乐机器人
送饭机器人
机器昆虫
机器人拉小提琴
机器人走迷宫
机器人鲸鱼
仿真机器人
1.5 机器人三大原则
人们在研究和开发及应用机器人的同时，他们总是担心有一天
聪明起来的机器人会将人类打翻在地。为了规范机器人的行为和
活动，人们采用了阿西莫夫提出的“机器人三原则”，它们是：
①机器人不得伤害人，或者任人受到伤害而无所作为；
②机器人应服从人的一切命令，但是命令与第一原则相抵触时例
外；
③机器人必须保护自身的安全，但不得与第一条原则和第二条原
则相抵触。
阿西莫夫认为有了这三个原则的限制，人类就可以和机器人无
忧无虑的相处。但实际上这三个原则在被誉为“人工大脑之父”
的美国科学家雨果•德•加里斯教授看来已经不可能了。他认为在
人工智能还比较低级的情况下，人类可以为所欲为地发出各种指
令，可以强调这三原则。但是，当不断提高机器人的智能，使它
们的智能程度接近甚至超过人类时，它们根本就不会听任人类给
它们的各种命令。它们会有自己的意志，从而不愿接受人类的控
制。
加里斯教授因为研发成功了世界上第一台模仿人类大
脑的“人工大脑”而被列入了吉尼斯纪录。他的“人
工大脑”可以在几秒钟内进化成一个神经网络。目前
，他制造的“人工大脑”可以处理将近1亿个人工神经
元，计算能力接近一万台个人电脑，相当于一只猫的
大脑处理能力。他认为，“人工大脑”迟早会超过人
类的大脑。人脑的转换能力是1016次/s，而“人工大脑
”的运算速度高达1040次/s，这是人脑水平的1024倍。
加里斯说：“‘人工大脑’并不会立即控制人类，还
会有一段与人类和平相处的时期。这一时期它不断地
接近但尚未超越人类的智力水平。因此，聊天机器人
、家政机器人、伴侣机器人等等将使人类的生活充满
乐趣。但是，这样的美景并不会长久，‘人工大脑’
的持续发展将会使人类面临灾难”。
2013年1月19日，由中国科学院院士和中国工程
院院士投票评选的2012年世界十大科技进展新闻揭晓
，其中加拿大滑铁卢大学的科学家制成迄今为止世界
上最复杂和最大规模的人造大脑Spaun位居第二位。
它是迄今为止最接近真实大脑的机能大脑模型，它由
250万个模拟神经元组成，能执行8种不同类型的任务
。这些任务从描摹到计算，再到问题回答和流体推理
，可谓五花八门。在这种大脑的发展方面存在一些非
常诱人的暗示：从简单任务开始，然后把它们积聚起
来，组合到一起制成具有复杂功能性的模型。
Spaun大脑
超级计算机沃森将进行疾病诊断
2004年，美国影片“机械公敌”在全球上映，这
是一部探讨人类与机器人之间关系和未来的经典之作
，取材于阿西莫夫的科幻小说“机械公敌”。该电影
描述了芝加哥警探戴尔•史普纳对付学会了独立思考
和脱离了人类控制的机器人的故事。虽然人类最终战
胜了机器人，但是“机械公敌”作为一部科幻片，它
处处有凭有据和引人深思，让人们感到现实中这样的
危机似乎正在迫近。
机械公敌
星球大战
机器侠
图1.2 影视剧和科幻作品中的各类机器人
机器人士兵
1.6 机器人与情感
世界上许多国家目前正在致力于研制高仿真型
机器人，它们能够模仿人类的相貌和声音，还能拥有
与人类相近的智商甚至情感。制作精良的高仿真型机
器人正在逐渐地走向家庭，进入人类的日常生活，充
当起工具、伙伴乃至恋人的角色。在与人类的共同生
活中，它们更多的是做各种各样的服务工作。
“女性”机器人HRP-4C和“机器人先生”模仿青年爱因斯坦的表情
未来
机器人“男友”
机器人“女友” 图1.4
1.7 机器人与社会
随着现代社会的发展和进步，社会分工越来越细，尤其是在
现代化的大生产中，有的工人每天就只管装配同一个零部件或一
个螺母，有的工人整天就是连接一个线头，人们感到自己在不断
地被异化，由此开始产生各种的职业病，人们强烈地希望用某种
机器人来代替自己工作。于是，人们研制出了各种机器人去代替
工人们完成那些枯燥、单调、危险的工作。由于机器人的问世，
使得一部分工人失去了原来的工作，因此有人对机器人产生了敌
意。“机器人上岗，人就下岗”在我国和一些发达国家也有相当
一部分人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器
设备都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，
当然也就必然会提供更多的就业机会。
任何新事物的出现都有利有弊，只要是利大于弊的事很快就
会得到人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺去了一部分人力
车夫和挑夫的生意，而且还常常出车祸，给人们的生命财产带来
极大的威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但汽车还是成
了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名政治家针
对这一问题说过这样一段话：“日本的机器人数量居世界首位，
但失业人口最少，英国的机器人数量在发达国家中最少，而失业
人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭
碗的。
1.8 机器人与战争
尽管上个世纪40年代，阿西莫夫就提出了避免机器人伤害
人类的“机器人三原则”，但是如今携带枪炮和炸弹的机器人
士兵已经走上了战场，它们是去杀戮那些被视为敌人的人。阿
西莫夫的幻想早已经被打破。例如，2004年11月在伊拉克战场
上，美国一架飞行机器人（无人机）在遥控指挥下，成功地消
灭了阻碍美军夺取伊拉克费卢杰的一个迫击炮连。让人们担心
的问题是，机器人的下一个敌人会不会是整个人类？。
英国谢菲尔德大学机器人专家诺伊尔•沙基曾撰文指出，随
着机器人士兵投入战场，人类正在进入一个由机器人决定在哪
里、什么时间、杀死谁的世界。尽管美国国家学术委员会对于
全自主式机器人士兵的要求是让机器人对付机器人，人对付人。
但是机器人士兵在面对手持攻击武器的人时，很难判断对方究
竟是机器人还是人。而且机器人士兵可能会把一个手持木棍的
人看作是威胁，它也无法判断一辆满载乘客的汽车里是恐怖分
子还是小学生。沙基也同时提醒，用机器人士兵进行恐怖攻击
代替自杀式炸弹将只是一个时间问题。
1.9 机器人的未来
30多年前，比尔•盖茨弃学创立了微软，成为个人电脑普及
革命的领军人物；30年后他预言，机器人将重复个人电脑崛起
的道路。机器人的普及必将与个人电脑一样，彻底地改变这个
时代的人类生活方式，如图1.5所示。家政机器人很快将席卷全
球，未来家家都有机器人。今天在汽车装配线上忙碌的机器人
正是当年大型电脑的翻版。而机器人行业的产品也同样种类繁
多，比如协助医生进行外科手术的机械臂和多指灵巧手，在战
场上负责排除路边炸弹的军用机器人，以及负责清扫地板的家
政机器人，还有不少参照人、狗、恐龙的样子制造出的娱乐机
器人等等。
比尔•盖茨预言机器人
美国总统奥巴马与机器人
未来机器人可以驾驶车辆
目前，服务机器人正值成长初期阶段，世界上各个机器人大
国都对其市场规模进行了如下的预测：
①韩国资讯通信部的调查研究报告显示，2012年全球智能化
服务机器人的市场需求将达2500亿美元，到2013年韩国每个家庭
都能拥有一台机器人；
②国际机器人协会与联合国欧洲经济委员会所作的调查显示
，2004年全球个人机器人约有200万台，到2008年有近700万台机
器人投入了运行；
③日本机器人协会的机器人需求统计，服务机器人市场需求
在2005至2010年间由110亿美元成长至249亿美元；到2025年全球
机器人产业的“蛋糕”将达到每年500亿美元的规模；
④英国半导体产业研究机构调查显示，至2010年全球智能化
服务机器人（包括家政机器人及休闲娱乐机器人等）市场产值达
到了593亿美元，而智能化服务机器人所需的各种零部件相关市场
商机也达数十亿美元以上；
⑤国际著名的格瑞特市场研究及分析机构预测，与智能化机
器人相关的机、光、电及控制和软件市场产值将会以年平均9.25%
的速率递增。
1.10 机器人的大脑
人的大脑组成原理
“机器人大脑”组成原理