機器人學(蔡自興)

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1、機器人學——自動化的輝煌篇章代序宋健現(xiàn)代自動控制技術的進步，為科學研究和探測工作開辟了新的可能性，開拓了靠人力所不能勝任的新科學事業(yè)。９０年代實現(xiàn)了６０００米到１００００米深海探測。實現(xiàn)了對太陽系的金星、火星、木星及一些衛(wèi)星和彗星的探測。哈勃空間望遠鏡的軌道運行給天文學家研究宇宙提供了前所未有的工具和機會。１９９７年美國科學家們研制的探路者號（Pathfinder）小車勝利地完成了火星表面的實地探測，是本世紀自動化技術最高成就之一。機器人學的進步和應用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化。僅僅花了２０年，機器人

2、從爬行學會了兩腿走路，成為直立機器人，而人類從爬行到直立花了上百萬年。機器人已能用手使用工具，能看、聽、用多種語言說話。它安心可靠地干最臟最累的活。據(jù)估計,現(xiàn)在全世界已有近１００萬個機器人在生產(chǎn)線上工作。有近萬家工廠在生產(chǎn)機器人，銷售額每年增長２０％以上。機器上們正雄心勃勃，準備在２１世紀進入服務業(yè)，當出租車司機，到醫(yī)院里去當護士，到家庭去照顧老人，到銀行里去當出納。如果微電子學再進一步，就可以把IBM/6000SP擠進它的腦袋里，運行DeepBlue軟件，像1997年5月?lián)魯∈澜绻谲奊aryKasparov那樣，使世界象棋大師們望

3、而生畏。LsaacAsimov曾設想，“機器人有數(shù)學天才，能心算三重積分，做張量分析題目如同吃點心一樣”，已不難做到。60年代出現(xiàn)過的恐懼和反對自動化和機器人的社會心態(tài)已被證明是沒有根據(jù)的。今天，一些應用機器人最多的國家失業(yè)率并沒有明顯升高，即使有，也沒有人指責控制科學家和工程師，那是金融家和政治家的過錯。相反，智能技術的廣泛進入社會，有利于提高人民生活質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高全社會的文化素質(zhì)，創(chuàng)造更多的就業(yè)機會。站在進入21世紀的門檻，回顧人類文明進步的近代史，如果說19世紀實現(xiàn)了社會體力勞動機械化，延伸了人的體力，那么20世紀

4、的主要特征是實現(xiàn)了這是國際自動控制聯(lián)合會第十四屆世界大會主席、全國政協(xié)副主席、中國工程院長宋健院士在大會開幕式上所作學術報告的摘錄（１９９９年７月５日，北京）。1勞動生產(chǎn)自動化，極大地提高了社會勞動生產(chǎn)率，創(chuàng)造了比過去任何時期都多得多的社會財富，徹底改變了人類的生產(chǎn)和生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量，延長了人類的平均壽命。這完全是現(xiàn)代科學技術的功勞。我們可以感到驕傲的是，控制論科學家和工程師們?yōu)榇俗龀隽酥匾暙I。預計21世紀，自動化技術仍將是高技術前沿，繼續(xù)是推進新技術革命的核心力量。制造業(yè)和服務業(yè)仍然是它取得輝煌成就的主要領域。在生

5、命科學和人工智能的推動下，控制理論和自動化領域出現(xiàn)了提高控制系統(tǒng)智能的強大趨勢。1992年成立了一個新學術團體，智能自動化國際聯(lián)合會（IFIA,InternationalFederationonIntelligentAutomation），標志著智能控制研究已進入了科學前沿。對這門新學科今后的發(fā)展方向和道路已經(jīng)取得了一些共識?？梢粤信e以下諸點：第一，研究和模仿人類智能是智能控制的最高目標。所以，人們把能自動識別和記憶信號（圖像、語言、文字）、會學習、能推理、有自動決策能力的自動控制系統(tǒng)稱之為智能控制系統(tǒng)。第二，智能控制必須靠多學科聯(lián)

6、合才能取得新的突破。生命科學和腦科學關于人體和腦功能機制的更深入的知識是不可缺少的。揭開生物界的進化機制，生命系統(tǒng)中自組織能力，免疫能力和遺傳能力的精確結構對建造智能控制系統(tǒng)極為重要。這主要是生物化學家和遺傳學家的任務，但控制論科學家和工程師們能夠為此做出貢獻。第三，智能的提高，不能全靠子系統(tǒng)的堆積。要做到“整體大于組分之和”，只靠非線性效應是不夠的。智能越高系統(tǒng)將越復雜。復雜巨系統(tǒng)的行為和結構必定是分層次的。子系統(tǒng)和整體的利益和諧統(tǒng)一是有機體得以生存發(fā)展的基本原則。每一個層次都有自已的新特征和狀態(tài)描述。要建立每個層次能上下相容的結

7、構和與周邊友好的界面。統(tǒng)計力學中從分子熱運動到氣體宏觀狀態(tài)參數(shù)抽取是層次劃分的范例，這就是物理學家們稱之為“粗?；背槿?Coarse-grainingextraction)的最好說明。第四，世界一切生物進化都是逐步的，人類從新石器時代到機器化經(jīng)歷了１萬年。從機械自動化到電子自動化僅花了１００年。要做到智能自動化，把機器人的智商提高到智人水平，還需要數(shù)十年。這是科學技術進步不可逾越的過程。２０世紀后半葉，微電子學、生命科學、自動化技術突飛猛進，為下世紀實現(xiàn)智能控制和智能自動化創(chuàng)造了很好的起始條件。為達到此目標，不僅需要技術的進步，更

8、需要科學思想和理論的突破。很多科學家堅持認為，這需要發(fā)現(xiàn)新的原理，或者改造已知的物理學基本定理，才能徹底懂得和仿造人類的智能，才能設計和制造出具有高級智能的自動控制系統(tǒng)。無論如何，進程已經(jīng)2開始?？梢栽O想，再過５０年，第３１次IFAC