Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В РОБОТОТЕХНИКЕ

.pdf
Скачиваний:
196
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
4.75 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Л. А. Станкевич Е. И. Юревич

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ

ИИСКУССТВЕННЫЙ РАЗУМ

ВРОБОТОТЕХНИКЕ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета

2012

ББК 32.816я73 С76

СтанкевичЛ.А. Искусственныйинтеллекти искусственныйразумв ро-

бототехнике : учеб. пособие / Л. А. Станкевич, Е. И. Юревич. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 167 с.

Рассмотренапроблемасозданияискусственногоинтеллектаиискус- ственногоразумавробототехнике. Проанализированыфизиологические

ипсихологическиеособенностимышлениячеловека, еговербальнаяиоб- разнаясоставляющиеосновысоответственноинтеллектаитворческих способностей (креативности).

Изложено современное состояние теории и методов искусственного интеллекта.

Приведены примеры интеллектуальных систем в робототехнике, включая экстремальную робототехнику и гуманоидные роботы.

Подробно рассмотрены методы и системы обработки образной ин- формациикакосновытехническойреализациитворческихспособностей

исоздания искусственного разума.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургскогогосударственногополитехническогоуниверситета.

 

© Станкевич Л. А., Юревич Е. И., 2012

 

© Санкт-Петербургский государственный

ISBN 978-5-7422-3523-1

политехнический университет

СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие.........................................................................................

4

Введение................................................................................................

5

Глава 1. Мышление и разум человека .................................................

11

1.1. Понятия мышления, интеллекта, креативности ....................

11

1.2. Нейрофизиология мышления.................................................

11

1.3. Психология мышления............................................................

29

1.4. Моделирование мышления.....................................................

37

Глава 2. Искусственный интеллект ......................................................

39

2.1. Понятие искусственного интеллекта......................................

39

2.2. Знания и их представление .....................................................

40

2.3. Получение знаний...................................................................

44

2.4. Формализованные методы искусственного интеллекта........

46

2.5. Биоподобные методы искусственного интеллекта ................

68

2.6. Когнитивный искусственный интеллект................................

75

Глава 3. Интеллектуальные системы в робототехнике........................

83

3.1. Интеллектуальные робототехнические системы....................

83

3.2. Интеллектуальные системы обработки сенсорной

 

информации...................................................................................

84

3.3. Интеллектуальные системы оценки внешней ситуации

 

и принятия решений......................................................................

98

3.4. Системы интеллектуального управления движением............

99

3.5. Гуманоидные роботы.............................................................

114

3.6. Футбол роботов......................................................................

120

Глава 4. Искусственный разум и робототехника будущего ...............

129

4.1. Понятие искусственного разума ...........................................

129

4.2. Представление и преобразование образов...........................

132

4.3. Нейросетевые и нейроморфные методы и средства работы

 

с образной информацией.............................................................

135

4.4. Распознавание визуальных образов......................................

140

4.5. Распознавание акустических образов...................................

148

4.6. Искусственные креативные системы ...................................

152

4.7. Перспективы создания разумных роботов...........................

154

Заключение.......................................................................................

162

Литература........................................................................................

165

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Этакнигаучебноепособиепреждевсегодляробототехников. Однакоонаполезнаидляосваивающихмногиедругиетехнические специальности, т.к. посвящена общей для техники в целом про- блеме создания «умных» машин.

Используемый в книге термин «искусственный разум» соот- ветствует общепринятому в англоязычной литературе понятию Artificial Intelligence. В русскоязычнойтехнической литературе его неправомернопереводяткак«искусственныйинтеллект», хотяван- глийскомязыкепоследнемутерминусоответствуетболееузкоепо- нятиеArtificial Intellect, охватывающеетольковербальныезнания.

Введение, заключение, главы первая и третья написаны Е.И. Юревичем, глававтораяипарараграф3.6– Л.А. Станкевичем, глава четвертая совместно.

4

ВВЕДЕНИЕ

Современная робототехника началась с промышленных ро- ботов в середине прошлого столетия. Первые роботы имели про- стое числовое программное управление, заимствованное вместе

сприводами у станкостроения. Для промышленного применения это было возможно благодаря предельной детерминированности условий промышленного производства. Однако уже вскоре, когда робототехника стала распространяться на другие области с боль- шей неопределенностью и изменчивостью внешних условий, от программного управления пришлось перейти к управлению от человека-оператора, дополнивпрограммноеуправлениесуперви- зорнымуправлением. Дальнейшееразвитиеспособовуправления роботов показано на рис. В.1.

Как здесь показано, следующим этапом стало очувствление роботовиразвитиенаэтойосновесистемадаптивногоуправления

сприменением в дальнейшем методов искусственного интеллек-

Рис. В.1. Развитие систем автоматического управления роботами

5

та. Последние помимо управления получили применение и для выполнения других функций роботов от обработки сенсорной информации и формирования моделей внешней среды до интер- фейса с оператором.

Под искусственным интеллектом понимаются методы рабо- ты с информацией, основанные на оперативном использовании знаний. Дальнейшая перспектива это техническое освоение неформализуемых творческих способностей человека креатив- ности и дополнение ими методов искусственного интеллекта, т.е. создание «искусственного разума». Это означает полноценное воспроизведениевконкретныхприкладныхобластяхумственных способностей человека, реализуемых двумя полушариями голов- ного мозга левым, где сосредоточено логическое мышление, и правым, ответственным за творческие способности человека.

Системыинтеллектуальногоуправления, конечно, существенно расширяютвозможностироботоввотношенииосвоениявсеболее сложных операций. Однако и интеллектуальный робот все равно требуетпостоянногонадзорасосторонычеловекаособенновсвязи свозможностьювозникновениянештатныхиаварийныхситуаций. Оннеможетдостаточнодлительноевремяфункционироватьавто- номновнестационарнойсреде, посколькувсеегодействиястрого формализованы, авэтихусловияхобязательнотребуетсяинтуиция, творческий подход.

Таким образом, переход от искусственного интеллекта к ис- кусственному разуму означает качественно новый этап в робото- технике, созданиеновогопоколенияроботовроботовразумных, в которых интеллект сочетается с креативностью.

На рис. В.2 приведена функциональная схема такого робота, обладающего искусственным разумом. Главным и обязательным егокомпонентомявляетсяналичиеразвитойпамятиосновыос- мысленныхдействийроботаиуровняегоразумности. Блокпамяти двусторонне связан с другими системами, перерабатывающими информацию, и включает базу знаний о внешней среде в виде ее моделиибазуданныхобэтойсреде, самомроботеиобоперациях, которые он может выполнять. Кроме того, специализированные

6

Рис. В.2. Функциональная схема робота разумного

оперативные базы знаний и данных, связанные с центральной памятью, могут находиться и в отдельных системах робота.

База знаний о внешней среде содержит априорную инфор- мацию, вводимую до начала работы, и оперативную сенсорную информацию, которая приобретается в процессе восприятия окружающейсредыпривыполнениироботомразличныхдействий, атакжевпроцессеегоспециальныхпознавательныхдействийдля изучения этой среды. Сама информация включает описание гео- метрических и других физических характеристик объектов среды

и их взаимосвязей. Это описание имеет иерархическую структуру

ввидеуровнейпоследовательногообобщенияисходнойинформа- ции. Например, описание рабочей зоны манипулятора включает наборплановэтойзоныиеечастей, различающихсякакмасштабом

7

исоответственноточностью, такистепеньюобобщенияпервичной сенсорнойинформации(выделениеконтуров, поверхностей, объ- ектов, группобъектов, определениеразличныхсвойствифизико- химических параметров этих объектов и т.д.).

Введение в эти планы времени как параметра дает картину внешней среды в динамике с учетом взаимодействия ее объектов друг с другом и с роботом. База знаний о внешней среде содержит такжеправила, позволяющиемоделироватьвозможныеизменения этой среды.

Все другие блоки схемы также имеют иерархическую структу- ру, уровни которой соединены друг с другом по вертикали снизу вверх в направлении обобщения информациии. В свою очередь, показанныенасхемесоединенияблоковвобщемслучаеосущест- вляютсямногоканальноввидесоединениймеждуодноименными уровнями по горизонтали.

Блок обработки сенсорной информации получает из блока памяти экстраполяцию изменений состояний внешней среды, апередаетвнегокоррекциюэтогосостояниянауровненепосред- ственной сенсорной картины среды.

Блок оценки ситуации и блок планирования поведения полу- чаютизблокапамятитекущуюмодельвнешнейсреды, апередают внегосоответственноееоценкупоопределеннымкритериямисин- тезированныйплануправлениядвижениемроботавсоответствии со стоящими перед роботом задачами.

В задачу блока оценки ситуации входит также оперативная корректировка целей управления и их приоритетов. Это верхний уровень в иерархии управления роботом.

Блокинтерфейсавобщемслучаеможетбытьдвустороннесвя- зансовсемиперечисленнымифункциональнымиблоками. Кроме человека-оператора он обеспечивает связь с другим совместно работающим оборудованием, включая и другие роботы.

По мере совершенствования систем управления роботами непрерывно расширяется и перечень операций, осваиваемых роботами. Однако даже в промышленности, по-прежнему, сохра- няется значительное число технологических операций, которые

8

не поддаются полной автоматизации. Тем более это относится

ктакимнепромышленнымобластямпримененияроботовкакэкс- тремальнаяробототехника. Болеетого, прогрессирующееусложне- ниетехническихсистемивыполняемыхимифункцийнепрерывно усугубляет эту ситуацию, так что человек останется необходимым компонентом робототехнических систем в качестве прежде всего верхнегоуровняуправления. Егозадачаосуществлятьуправление операциями, которыенеудаетсяавтоматизировать, иосуществлять приэтомобучениероботовтакимоперациямспостепеннымпере- водом их в автоматический режим.

Однакопосколькучеловекостаетсявконтуреуправлениясохра- няетсяипресловутаяпроблема«человеческогофактора». Конечно, в ослаблении этой проблемы важнейшее значение должно иметь созданиеиразвитие«искусственногоразума». Такимобразом, эта проблемаявляетсякореннойвдальнейшемразвитиисовременной робототехники, втомчислепомимоперечисленныхаспектовидля освоения операций, пока принципиально недоступных роботам.

Вцелом проблема создания «искусственного разума» выходит зарамкиробототехникикакглобальнаяпроблема, можносказать, развития человеческой цивилизации. То, что она наиболее остро всталаименнопередробототехникой, объясняетсясамойисторией

исущностью робототехники, для которой с самого зарождения эталоном был человек. Именно поэтому уже в первые годы раз- вития современной робототехники наряду с породившими ее прикладными задачами роботизации промышленности возникло

иначало параллельно развиваться фундаментальное направление робототехники, цельюкоторогосталосоздание«роботаразумного» по образцу «гомо-сапиенс» как средства экспериментального ис- следования феномена мышления человека. Объясняется это тем, что робот является уникальным типом машин, не вмещающимся всложившуюсяихклассификациюикакбынаходящимсянадней. Роботобладаетдвусторонниминформационнымиэнергетическим взаимодействием с внешней средой. И в этом отношении он по- добен живым существам и соответственно может быть способен

ксамообучению и самосовершенствованию. Следовательно,

9

вроботможнозаложитьспособностькэволюционномуразвитию от простого к сложному и пределом такого развития не будет даже человек. Такоесаморазвитиеявляетсяреальнымзаимствованным у живой природы путем создания «искусственного разума». Но помимо того это еще и, как отмечено, средство решения фунда- ментальной проблемы познания самого человека.

Необходимо однако иметь в виду, что при создании «искус- ственного разума» речь не идет не о воспроизведении феномена мышления человека и его личности, а о техническом воспроиз- ведении только профессиональных знаний и интуиции человека

врамкахвыполняемыхимсвоихузкопрофессиональныхфункций. Человеческий разум, его личность неизмеримо многограннее и имеет совершенно другую мотивацию, соответствующую жи- вому существу. Это предмет физиологии, психологии и других гуманитарных наук.

Искусственный разум как и естественный существует в двух измерениях отдельного робота или какой-либо другой техниче- ской системы и как коллективный разум группы таких объектов. Впоследнемслучаеэтопроблемасозданияколлективногораспре- деленного искусственного разума, решающего задачи поведения всего коллектива. В настоящее время по крайней мере в области микроробототехники уже создаются коллективы из сотен и тысяч простыхроботов, совместнорешающихдостаточносложныеобщие задачи. Этоотдельнаяпроблема, котораяпокатолькообозначена. По-видимому, иприеерешениитрадиционнодляробототехники аналогом, покрайнеймере, наначальномэтапестанутколлективы

вживоммиреотпчелимуравьевдокрупныхмлекопитающих. Сих изучения и начнется решение этой проблемы.

10