机器人与群体系统
星期天, 四月 25th, 2010
提到机器人，很多人马上联想到了“终结者”、“机器人Wall E”等好莱坞大片营造的机器明星，然而真实的机器人是什么样子的？目前的机器人技术发展到什么程度了？这次，集智俱乐部请来了北大工学院智能控制实验室的谢广明老师给我们介绍机器人技术的历史现状以及未来。
谢广明老师及其所在的智能控制实验室长期从事机器人研究，尤其是在多个体协作机器鱼方面更是独具特色。谢广明老师指导的机器人竞赛代表队——北京大学功夫队多次获得国内国际机器人大赛冠军。
有关谢广明老师的介绍，请参考：
http://www.coe.pku.e<WBR>du.cn/subpaget.asp?i<WBR>d=58
本次讲座内容：
首先简述机器人的发展简史、研究现状和发展方向，介绍北京大学在机器人方面取得的成果，包括在水下仿生机器人和多机器人协作等。然后介绍群体系统及其控制理论的产生背景和研究内容，需要解决的关键问题，强调和其他学科的交叉与结合，包括机器人技术和生命科学等。
注：每人15元饮料费<A onclick=folder() href=”javascript:void(0)” jQuery1272170682109=”30″>(收起)
讲稿下载：http://www.swarmagen<WBR>ts.com/clustering/ro<WBR>bot.pdf
机器人视频下载：http://www.swarmagen<WBR>ts.com/clustering/ro<WBR>bot.rar
会议纪录：
机器人与群体系统
主持人：对谢老师的状态和态度很感兴趣。所以请谢老师来讲一下，他在工作当中的体会。
首先问一下，大家为什么会对今天的话题感兴趣，来到这里有什么期望？
随机请一位男士，一位女士回答这个问题。
男士：我是建筑师，在建筑领域，涉及到很多互动的装置，群体系统也成为在建筑中的一个基础，想听听在机器人领域中对群体系统的看法。
谢老师：
机器人领域中的群体系统主要是从控制方面讲的。不知道不同的领域对群体系统理解是不是不同，也很好奇建筑领域对群体系统是怎样看的，希望可以多交流。
女士：想了解一下及现在的应用。（没听清楚）
答：前景很好，但是现在没找到突破口。
演讲从什么是机器人开始，
什么是机器人？
没有标准答案，内容不断随着人类世界的发展得到更新充实。
谢老师的解释是能自动完成某种功能的人造装置。有三点比较重要：自动，某种功能，装置。比如向左移动10米，或作我的女朋友。
可简化的理解为 机器人=电脑+工具 当然也不是很正确。
机器人发展简史
粗略的分三个阶段 古代机器人，现代机器人，当代机器人
机器人这个词出现的不到100年，事物是出现在公元前2世纪，亚历山大时代
当代机器人的特点是：
可移动，可感知，可决策
可思考，可学习，可创新
可生殖，可混合
智能机器人：自主感觉，思考，决策
仿生机器人： 各种各样的仿生。
技术特点，典型的拿来主义，依靠各个学科的发展。
而且那个专业都可以做，力学，控制，数学等等。
机器人这个词的来源1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔•恰佩克根据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。
三定律
1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”:
1机器人不可伤害人，或眼看人将遇害而袖手旁观。
2机器人必须服从人的命令。但是，其命令违反第一条规定时可不服从。3机器人必须在不违反第一、二条规定的情况下来保护自己。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。
控制方面必须要提的一个人，维纳，控制论
1948年诺伯特•维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。
一些例子：
1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空。
机器狗定义为家庭宠物，虽被抢购一空，在和小孩子互动时产生了很多问题不够结实，速度太慢，当背景出现噪音时，同样的语言很容易分辨不清楚，导致互动比较差。终于在2007年停产。
产生盈利的第一款是吸尘器，2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。目前售价是几万块。国内有仿制产品，4，5千块，噪音很大，也做不到记录自己的清理路线。
2007年，比尔•盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。机器人领域会复制计算机领域前20年的轨迹。
工业机器人，包括军事机器人
服务机器人是最大的领域。
举了一系列的例子，请参见ppt。
机器动物，最初通过在老鼠大脑中埋入电子装置，通过遥控来控制老鼠的行为，山东大学有类似的方式控制鸽子行为的项目。
人造装置和生物联系在一起，感觉比较恐怖，在国外还有动物伦理方面的要求。
实验室的一些工作的趣事：
造机器鱼时，左右摆尾还是比较好处理的，等到做上下摆尾的海豚时，情况却有了意象不到的新变化，会带来重心上下移动的问题，这是之前没有想到的。
机器人水球比赛，作为新面孔的北大争取排名的趣事。
多机器人协作
•机器人技术的重要方向
•智能机器人发展的前沿技术
•引领人类未来生活新模式
•培育机器人新产业革命的一种核心技术
多机器人系统
•若干个机器人通过合作与协调而完成某一任务的系统
•核心技术是协作
•不是单个机器人的简单代数相加
•作用效果不是单个机器人作用的线性求和
•包括一个“线性和”之外的基于个体之间相互作用的增量
•相互作用包含两个因素：“协调”与“合作”
优点
•单个机器人无法完成
•任务可以分解并行
•更容易设计机器人
•鲁棒性强
•灵活性强
•可靠性高
从机器人个体演变为群体都面临什么样子的困难呢？
•单个体转变为多个体
•单任务转变为多任务
•单目标转变为多目标
•集中式控制转变为分布式控制
•简单系统转变为复杂系统
怎样解决这些困难呢？
来自自然界的启发，鱼群鸟群的群集行为(Swarm Behavior)：
1+1+…+1 >> n
•低智能个体高智能群体
•局部无序整体有序
•自组织系统与涌现行为
–局部控制产生整体行为
师法自然！
•对自然界的群集行为进行建模和分析，得到一般性理论
•将一般性理论应用于人工群体系统的设计，比如多机器人系统
•方法：建模分析设计
群体系统
•一般指在一定环境下由大量具有动态演化特征的个体构成的集体，个体之间发生相互影响和相互作用。
群体系统的系统行为
•基于个体之间的相互参照和影响以及对局部环境的响应而涌现出的群体层面的协调有序的行为。
局部的控制产生整体的行为。
群体系统的行为解释
群体系统的系统行为
•基于个体之间的相互参照和影响以及对局部环境的响应而涌现出的群体层面的协调有序的行为。
–自组织行为
–异步进行
–自我维持
–涌现
群体系统控制理论
•对象由没有智能的“无生命”个体变为有一定思考能力的“有生命”个体
•对象数量由单一变为多个甚至数量巨大
•控制机制由集中式同步控制变为分布式局部异步控制
•控制目标由个体性能变为系统整体性能
•针对群体系统（新型受控对象），引入可操控个体（新型控制机制），通过对有限个体的行为的控制，实现对群体的系统行为的控制（新型控制指标）。
举个蟑螂的例子，蟑螂本身是喜欢阴暗环境，不喜欢处于光亮的环境当中，但是制造一个人造蟑螂，从蟑螂群体中转到光亮处活动，也会有其他的真正的蟑螂跟随。
问: 鱼之间怎样协调？实现复杂的运动轨迹
答：鱼之间的相互作用仅仅通过简单的规则，采用动力系统的方式完成复杂运动
问：现在机器人的发展面临了瓶颈，这个瓶颈的本质是什么？是什么导致了这个瓶颈？
答：以他做的机器鱼为例，现在的所造出的仿生的机器人，离现有的实际物体的物理性能差别很大，比如鱼的躯体做了三个关节，而实际上真正的鱼的躯干不只有三个关节，现有的技术条件限制，使所造出来的机器人达不到所模仿的实际物体的实际情况。
问：会不会创造一种新型的阿米巴虫，创造出另类的机器人，而不是从仿生的角度考量？
答：官方有要求一定要有成果，为了尽快的产生成果，所以仿生的多一些。
问：盖茨的预言讲机器人未来会发生很大的变化，那究竟什么样子的改进会引起质的变化？
答：他的很多预言是错的，但是是个不错的推广口号。问题，是成本下不来。实验室技术到普及实用又很多工作要做。
而且以后的机器人的概念20年之后现在的概念跟现在很不同。比如先进的手机在那时也可以称作机器人。
问：私人服务机器人是很大的应用领域，那私人服务机器人和集群之间会有什么的关系？
答：机器人将来不一定会和人类分的那么清楚，将来机器人和人会是一个整体，整合在一起。
问：对机器人生殖怎么看？机器人自己产生机器人。
答：感觉实质性不是很大。
冯纽曼早在1940年代就提出了自我复制的元胞自动机的概念。软件还是很容易实现的。硬件方面还不是成熟。自从有了自复制概念，几年之后计算机就病毒实现了。
问：有没有研究像变形金刚一类的自动会变形的机器人？有没有这个方向？
答：这被称作可重构的机器人，可重构的话，现在有很多人在做，简单的，做不到像变形金刚那样酷。
造机器人有两方面的思路，一是来自现实的需要，另一个是仿造现实物体的样子。
问：日本和美国机器人的比较，一个是尽量的完善，另一个是让进化。国内是那个方向？
答：日本硬件比较强，软件比较弱，美国相反。中国基本是following他们，日本回来的学者就硬件强。美国回来的就软件强。
北大是学术方面在走。中国在引领发展还很不够。自豪的是中国有自己的机器人比赛，希望以后的影响会越来越大。
问：专业人士怎样看关于机器人的电影？
答：很不靠谱，在追求新闻效果，跟实际差很大，很无奈，容易让人感觉在实际工作中拿了很多钱但是好像没产生什么效果，跟电影中差很远，这对这个专业了来说是负面影响。
问：群体控制理论，有没有什么理论可以解释由个体的变化导致了整体的改变？
答：理论上有结果，但是离实际应用很远。
比如， 2条有协作的鱼与四条没有协作鱼进行比赛时，有协作的鱼会获胜。为什么会获胜？没办法推导出原因？
实际和理论差很大。
问：在机器狗协同踢球时，有没有狗突然疯了，中病毒，变成疯狗。
答：这种情况到还没有出现，不过有面临空门，也没有其他的狗阻挡，出现球没有被踢进球门，却被踢出底线的情况。不知为什么。
问：在这种情况下，有没有实际记录程序运行过程。答：建议不错，以后可尝试。
问，机器狗的软件，多少输入，多少输出。
目前只能从颜色标识，
自身的感觉，
无线网络同办的信息，
三方面输入。
输出，把自己的位置告知同伴。
给电机，处理动作。
两方面的输出。
问：处理输入的值是串行，还是并行处理。
答：采用有限状态集的方式处理。
问，从进化的角度来讲，人相对于处在进化的高端，那是不是从比较低等的开始模拟会比较容易一些。
答：有个科学家说如果按照这个思路等我到死可能研究不到人类。而且研究类人机器人，现在有很多工作可以做的。
问：有没考考虑把这个鱼卖掉，从而产生更多的价值？
答：类似的想法很多，但是得脚踏实地的走，比如得当上正教授等等很多现实的考量。
问：从您的理解来看，为什么会存在，2足，4足的差别？为什么有的机器人要造成两足的而又的要造成四足的？
答：可能与单峰函数，多峰函数有关
问：四足的最优点在那里？
答：能量的经济性来讲，会好一点，相同的效果最节省能量。
问：如果是这样的话，那为什么为人服务的机器人是不是也可以造成四足的？
可以但是如果那样的话，价值何在？也得考虑美观的问题。
问：工业机器人的发展的好，是因为需求明确。服务类型的机器人要求计算机通用性好，
感觉是，通用性很程度上的会存在边界不清楚的问题。有没有自主学习？
答：一开始每个个体都一样，在共同任务下会自动分配角色，而且每个个体会根据互动会自动生成自己的实时任务。让计算机具备学习能力在实际过程中难度很大。举个例子，
孩子和机器人一起学习走路，孩子很快就学会了，但是及却很久都没学会，这提示给我们的可能是学习也有很重要，但是不是最关键的问题。
