人工智能在智能機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

常周林+袁婷

摘 要：隨著機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域深入大眾生活，人們對(duì)機(jī)器人的期望越來(lái)越高，希望更高智能化的機(jī)器代替人類完成更復(fù)雜的工作。但在實(shí)踐應(yīng)用中，智能機(jī)器人所處的環(huán)境往往是難以預(yù)知的，對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作行為進(jìn)行人工分析設(shè)計(jì)也變得越來(lái)越困難。該文通過(guò)分析研究智能機(jī)器人相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，探討了智能機(jī)器人當(dāng)前存在的問(wèn)題，最后基于人工智能理論和技術(shù)，提出了適合于智能機(jī)器人的新型系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人 人工智能 系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（b）-0010-02

1 智能機(jī)器人簡(jiǎn)述

隨著電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)被使用于軍事、醫(yī)療、娛樂(lè)、服務(wù)等眾多領(lǐng)域。目前，在機(jī)器人技術(shù)與人工智能科學(xué)相結(jié)合后，機(jī)器人演變?yōu)榭筛兄饨缧畔⒆兓ⅹ?dú)立思維和自主行動(dòng)功能的高度智能化機(jī)器，和以往熟知的工業(yè)機(jī)器人相比，表現(xiàn)更為自主化加人性化，能協(xié)助人類完成更復(fù)雜的任務(wù)。

2 智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外智能機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展很快，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)涉及到環(huán)境感知、自主定位和運(yùn)動(dòng)控制這3個(gè)重要的問(wèn)題。

如果在室內(nèi)環(huán)境中，智能機(jī)器人必須依賴機(jī)器視覺(jué)，同時(shí)借助于其他環(huán)境感知傳感器進(jìn)行場(chǎng)景識(shí)別和行動(dòng)導(dǎo)航；而在室外環(huán)境的應(yīng)用中，復(fù)雜多變及光照明暗變化的影響，使得環(huán)境感知的實(shí)現(xiàn)要求很高，實(shí)時(shí)性處理要求也更高，因此，多傳感器信息融合及對(duì)環(huán)境建模是智能機(jī)器人感知系統(tǒng)需要克服的技術(shù)難題。

作為智能機(jī)器人，自主定位問(wèn)題也是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。目前，最常用的自主定位技術(shù)是基于慣性單元的航跡推算技術(shù)，需要對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行遞歸推導(dǎo)，由于誤差積累等因素，使得航跡推算法僅適合于短時(shí)、短距離運(yùn)動(dòng)的位置姿態(tài)估計(jì)；對(duì)于大范圍的動(dòng)作定位，常常需要圖像傳感器進(jìn)行環(huán)境觀測(cè)，然后再與環(huán)境地圖進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確定位。

機(jī)器人一般是將終端軌跡規(guī)劃與穩(wěn)定控制相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作，必須預(yù)先規(guī)劃好運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)獲取各動(dòng)作關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)連貫動(dòng)作。由于在實(shí)際環(huán)境中，存在很多擾動(dòng)因素，需要不斷對(duì)角度反饋校正，才能保證穩(wěn)定性。

3 智能機(jī)器人系統(tǒng)存在問(wèn)題

隨著人們對(duì)智能化機(jī)器的要求越來(lái)越高，機(jī)器人的自主意識(shí)和模擬類人行為逐漸成為研究的熱點(diǎn)。而傳統(tǒng)機(jī)器人主要存在問(wèn)題如下。

3.1 環(huán)境穩(wěn)定性低

在多變的環(huán)境中或異常情況下，機(jī)器人經(jīng)常會(huì)工作不正常或罷工。

3.2 獨(dú)立自主性差

遭遇陌生環(huán)境時(shí)，難以自主調(diào)整，自主規(guī)劃，需要太多的人工干預(yù)。

3.3 大腦不夠發(fā)達(dá)

存儲(chǔ)信息量不足，只能完成短期或程序化的記憶，無(wú)法形成經(jīng)驗(yàn)積累，出錯(cuò)幾率很高。

3.4 服務(wù)意識(shí)低下

缺乏人類的思想行為常識(shí)和基本邏輯推理能力，難以適應(yīng)場(chǎng)景變化。

3.5 人機(jī)交互不夠友好

機(jī)器系統(tǒng)仍然很難使用公共的表達(dá)與人順暢交流溝通。

4 智能機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

人工智能（Artificial Intelligence）簡(jiǎn)稱AI，是開(kāi)始于20世紀(jì)的一門(mén)新興技術(shù)科學(xué)，是研究開(kāi)發(fā)模擬人腦和擴(kuò)展人的行為的智能化理論方法和技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)。人工智能算法是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人所必需的重要技術(shù)手段，也是機(jī)器高級(jí)智能的本質(zhì)，其中最有效的算法就是深度學(xué)習(xí)。借助于此算法，人類終于找到了處理“抽象概念”這個(gè)難題的方法，同時(shí)為機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)類人一樣的高度智能化提供了有效的途徑。

通過(guò)對(duì)目前人工智能的現(xiàn)狀和機(jī)器人實(shí)現(xiàn)技術(shù)的深入研究與探討，筆者提出了一種具有深度學(xué)習(xí)和認(rèn)知推理能力的智能機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)主要包含下面幾個(gè)模塊。

4.1 記憶存儲(chǔ)模塊

該模塊的主要功能是通過(guò)存儲(chǔ)和關(guān)聯(lián)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人記憶中的知識(shí)。每個(gè)記憶單元可以提供不同類型的知識(shí)，而不同的單元之間相互關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)能夠反映機(jī)器人存在的真實(shí)世界的動(dòng)態(tài)變化。

4.2 推理與規(guī)劃模塊

該模塊是在層次任務(wù)格式下建立機(jī)器人預(yù)先行為規(guī)劃描述，并把預(yù)定規(guī)則嵌入到控制邏輯本體，為機(jī)器人控制提供行為規(guī)劃器。機(jī)器人根據(jù)執(zhí)行結(jié)果，做出可獲取的邏輯推理，不斷修正規(guī)劃描述和再規(guī)劃，借助失敗分析和恢復(fù)的方法，將經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入規(guī)劃器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)作推理和行為規(guī)劃功能。

4.3 深度學(xué)習(xí)模塊

該模塊由監(jiān)督學(xué)習(xí)模塊和非監(jiān)督學(xué)習(xí)模塊構(gòu)成。為了適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景和功能任務(wù)，機(jī)器人需要對(duì)物體進(jìn)行分類，同時(shí)獲取相關(guān)的特征值，而監(jiān)督學(xué)習(xí)就是通過(guò)人類已有的數(shù)據(jù)詞匯指導(dǎo)機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)。非監(jiān)督學(xué)習(xí)模塊的任務(wù)是在很少或沒(méi)有監(jiān)督的情況下，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)樣本觀察和探索，來(lái)獲取人類常識(shí)。通過(guò)構(gòu)建具有多級(jí)隱層的非監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，以及借助海量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，機(jī)器人能夠自主學(xué)習(xí)更有價(jià)值的特征值，從而不斷提升系統(tǒng)行為準(zhǔn)確性。

4.4 主控制模塊

該模塊主要功能是從系統(tǒng)整體層次上，協(xié)調(diào)和執(zhí)行規(guī)劃執(zhí)行器的輸入輸出行為動(dòng)作，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況和負(fù)責(zé)異常處理控制機(jī)制。

機(jī)器人只有植入人工智能算法及技術(shù)，才能向更高智能進(jìn)化，通過(guò)不斷學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，形成常識(shí)性的見(jiàn)解，能夠理解人類語(yǔ)言，用人類語(yǔ)言同操作者對(duì)話，具有了人類記憶和學(xué)習(xí)特性的本領(lǐng)，這樣的機(jī)器人或許才是人類希望擁有的理想智能機(jī)器人。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管人工智能與機(jī)器人取得了顯著的成效，但機(jī)器人還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到其應(yīng)具備的智能水平。問(wèn)題所在，不只是電腦運(yùn)算處理速度不夠和感知傳感器性能及種類不足，而是在其他方面，如編制機(jī)器人理智行為程序的設(shè)計(jì)思想還不夠完善。

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