發展型機器人：由人類嬰兒啟發的機器人. 2.1 什麼是機器人

<b>2.1  什麼是機器人</b>

對于一部關于發展型機器人的書來說，機器人的定義和其核心特征無疑是最顯而易見的出發點。

從曆史的角度來看，“robot”源自斯拉夫語中的“robota”，它的原意是指奴隸或被強迫的勞動力。“robot”這個單詞的首次出現是在捷克作家karel apek的劇本《羅素姆的萬能機器人》（rossums universal robots，1920）中。這個詞源标志着，創造機器人的目的和主要用途是在日常生活工作中服務人類、在一些工作場所中完全或部分代替人類（如工業機器人）。

那麼，究竟什麼是機器人呢？牛津英語詞典是這樣定義的：機器人（robot）是能夠自動執行一系列複雜動作的機器，尤其是可以通過計算機來程式設計控制的機器。這個定義中有四個關鍵概念對發展型機器人學的研究具有重要意義：①機器，②複雜的動作，③自動，④能夠通過計算機程式設計實作。第一個概念機器非常重要，因為這一點包含了目前被認為是機器人的各種各樣的裝置平台。當然，我們也可以直接認為機器人就是類似于人的機器（包括類人和人形，這兩種機器人的定義和差別将在接下來提及），正如我們曾經在著名電影《a.i.》（artificial intelligence，人工智能）中看到的那樣。實際上，目前世界範圍内使用的

19絕大多數機器人是在工廠中進行重複性工作的工業生産和裝配機器人，它們都是沒有類似于人的樣貌的機器。這些工業機器人有着多關節的機械手臂，主要用來完成工業生産中的精密工作，如在汽車工廠中進行金屬子產品的焊接、在食品包裝廠中進行物體的移動和升降。其他常見的機器人形态還有各種輪式移動機器人，它們的主要用途是在工廠裡搬運箱子和部件，也有越來越多的圓盤式機器人在人們日常生活中扮演真空吸塵器的角色。

在牛津英語詞典中，機器人定義的第二個概念是機器人能夠完成一系列複雜的動作。這個概念在某種程度上是正确的，例如，很多生産型工業機器人能夠很好地完成一些高精度的操作任務，然而現在使用的大多數機器人能夠做到的僅僅是一些簡單的、重複性的工作。總的來說，目前絕大多數機器人工作的主要目的是節省時間和提高安全性。

第三個概念自動是機器人的核心本質特征。正确區分機器人和機器裝置的關鍵是，機器能否在沒有人類直接、連續控制的時候自動運作。尤其是當機器人能夠感覺環境狀态（包括機器人自己的内部環境）并且能夠對環境進行操作時，自動性（automaticity）（自主權——有待商榷）指的是機器人能夠根據感覺到的資訊來選擇正确動作、完成特定目标的能力。這一點更好地反應在matari＇c對機器人的定義中：“存在于自然界中的一種自主的系統，能夠感覺環境并基于環境資訊來完成目标”（matari＇c 2007，2）。

有一個與“自動性”相似的術語經常在認知型和發展型機器人中使用，并且也在matari＇c的定義中提到，那就是“自主”（autonomous）型機器人。這個術語目前依然指的是擁有基于綜合的、高層次的決策能力的自主性能力，能夠自主地完成各種任務的機器人。這裡要強調的是，機器人能夠根據傳感器的回報資訊和自身的内部認知系統，自動地選取适當的動作來完成任務。然而，還應當注意的是遠端遙控機器人也屬于機器人的範疇，但是它依然需要人類操作者的遠端遙控，并沒有展現自主性。就像醫學上的外科手術機器人一樣，它在手術中并不是完全自主性地工作，而是在手術過程中為外科專家提供服務支援（提供一種安全、微創的方式），這種機器人僅僅能夠半自主性地完成部分外科手術任務。

最後，機器人定義中的第四個關鍵的概念是能夠通過計算機程式設計實作，這意味着該機器可以通過人類專家編寫的計算機軟體來控制。但是，這已經遠遠超出了純粹程式設計的觀點，編寫具有認知功能的程式與發展型機器人學是緊密相關的。如何通過計算機程式設計、人工智能算法和行為控制的認知理論，設計和實作具有意識的機器人控制器（控制架構），無疑是

20這一領域最具挑戰性的工作。

通過對機器人（robot）定義和核心特征的分析和解釋，可以看出“機器人”這個術語并不具有單一、明确的含義。這些分析暗含了機器人的概念是在兩個不同極端之間的連續區間範圍。從外表特征和機械角度的觀點來看，這些連續性存在于外表類似于人的機器人和工業機器人（家用真空吸塵器）之間，類人外表的機器人是一個極端表現，沒有類人外表的機器人是另一個極端表現。從控制的角度來看，機器人的範疇包括從完全自主要制的系統到半自主性控制（或者叫作遠端遙控）的系統。對機器人行為能力範圍的界定則是從操縱簡單、重複性的動作到完成複雜任務。對于機器人的各方面的研究，例如，機器人外表特點、控制方法、行為特征以及多種多樣的應用領域，感興趣的讀者可以參考siciliano和khatib編寫的綜合性書籍《springer handbook of robotics》（2008）。

類人機器人

考慮到類人和類嬰兒機器人平台在發展型機器人學中的廣泛應用，我們在這一小節中将主要論述類人機器人的定義，并讨論類人機器人和人形機器人之間的差別。首先，類人機器人有着拟人化的身體設計（例如，擁有一個頭、軀幹、兩條胳膊和兩條腿）和類人的感覺器官（例如，擷取視覺資訊的錄影機，感覺聽覺資訊的麥克風，感覺觸覺的觸覺傳感器等）（de pina filho 2007；behnke 2008）。這類機器人的外觀各有不同，有如圖2-1a所示的可以看到内部器件連線的複雜電子機器人，也有如圖2-1b所示的擁有塑膠外殼且好似穿着航天服的機器人或玩具。

類人機器人中有一種特别的類型，那就是人形機器人。這種類型的機器人除了有拟人的身體外形，還有仿人的“皮膚”外表（圖2-1c）。人形機器人的典型例子是hiroshi ishiguro及其團隊在日本大阪大學以及atr智能機器人和通信實驗室研發的geminoid成人形機器人（nishio、ishiguro和hagita 2007；sakamoto等人2007）。當然，發展型機器人的研究中也存在一些嬰兒、兒童類型的人形機器人，如有着四歲女孩外形的repliee r1型機器人（minato等人2004，詳見2.3節）。

  圖2-1  a）帶有視覺電子裝置的cog類人機器人，由brian

scassellatti提供；b）擁有塑膠外殼的icub類人機器人，由意大利理工學院giorgio metta提供；c）geminoid h1-4人形機器人與他的制造者hiroshi ishiguro，由大阪大學hiroshi ishiguro提供（geminoid是國際先進通信研究院（atr）的注冊商标）

人形機器人的設計目标一直是緻力于消除人和機器人在外形和行為上的差別（macdorman和ishiguro 2006a）。由于在人－機器人互動過程中使用人形機器人會出現“恐怖谷”（uncanny valley）現象，是以，了解人形機器人的設計内涵便顯得極其重要。随着具有人類外表的機器人的迅速發展，mori（1970/2012）最早提出了“恐怖谷”理論，他假設了一種轉變關系來表現人類對具有人類外表的人形機器人的認同或反感。厭惡和恐懼的感覺——也就是“恐怖谷”——是由于人形機器人在行為和外表上沒有取得完全類人的品質而引起的。21圖2-2展示了mori的“恐怖谷理論”表示曲線，對應的是機器人的仿人外觀和人類認同度之間的關系，其中“恐怖谷”是出現在曲線中的一段下降陡坡。從工業機器人到玩具機器人的轉變來看，機器人在外表方面隻是局部與人類相似，并期望能提高人類對它們的認同度。雖然機器人假肢與人類手臂幾乎沒有差別，但是，其外表和動作上細微的缺陷就會引起人類的恐懼感，進而導緻認同感曲線的下降（恐怖谷理論由此産生）。就其本質而言，恐怖谷是機器人和人－機器人互動研究中的關鍵問題。受到mori的恐怖谷假設和仿人機器人（包括計算機圖形仿真、虛拟智能體）的人－機器人互動現象的影響，很多研究者已經開始研究所學生物學和社會學上的因素（macdorman和ishiguro 2006b）。

圖2-2  恐怖谷現象。改編自mori

2012

發展型機器人學主要是以類人機器人為基礎。但是很多的研究者（尤其是在日本）已經在研究類人－人形嬰兒機器人平台的用途（guizzo 2010）。在2.3節中，我們将對在發展型機器人研究中使用的嬰兒機器人進行詳細綜述，這其中包括類人機器人和人形機器人。當然，22我們也會提及一些移動機器人研究，如sony aibo型機器狗。但是在那之前，我們需要對建構機器人平台的執行器和傳感器的基本概念和技術進行快速學習和了解。