人工智能機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論第二版中文版.pdf
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2020年11月13日
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人工智能機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論第二版首先介紹人工智能機(jī)器人的定義、歷史和體系結(jié)構(gòu)，然后全面系統(tǒng)地闡述人工智能機(jī)器人在傳感、感知、運(yùn)動(dòng)、規(guī)劃、導(dǎo)航、學(xué)習(xí)、交互等方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)
編輯推薦
適讀人群 ：本書可作為機(jī)器人工程、人工智能、電子、自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)等專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教材或參考書，也可供從事智能機(jī)器人方面研究的教師和研究人員，以及參加各類機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽的指導(dǎo)教師和學(xué)生學(xué)習(xí)參考。
為便于讀者學(xué)習(xí)，本書請(qǐng)專家寫了導(dǎo)讀。本書適合作為機(jī)器人工程、人工智能、自動(dòng)化等專業(yè)高年級(jí)本科生教材，以及人工智能和機(jī)器人相關(guān)方向碩士研究生教材。作者將知識(shí)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)的組織，分五部分討論框架、反應(yīng)層、慎思層、交互層，以及設(shè)計(jì)與倫理。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書首先介紹人工智能機(jī)器人的定義、歷史和體系結(jié)構(gòu)，然后全面系統(tǒng)地闡述人工智能機(jī)器人在傳感、感知、運(yùn)動(dòng)、規(guī)劃、導(dǎo)航、學(xué)習(xí)、交互等方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。全書共分為五部分。第一部分共5章，定義了什么是智能機(jī)器人，介紹了人工智能機(jī)器人簡(jiǎn)史，并討論了自動(dòng)化與自治、軟件體系結(jié)構(gòu)和遙操作；第二部分共6章，針對(duì)機(jī)器人的反應(yīng)(行為)層智能展開討論，分別對(duì)應(yīng)機(jī)器人行為、感知與行為、行為協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳感器與感知，以及距離感知等方面的內(nèi)容；第三部分共5章，詳細(xì)討論機(jī)器人的慎思層智能，包括慎思層的內(nèi)涵、導(dǎo)航、路徑和動(dòng)作規(guī)劃、定位、建圖與探索，以及機(jī)器學(xué)習(xí)等內(nèi)容；第四部分共2章，討論機(jī)器人的交互層智能，包括多機(jī)器人系統(tǒng)和人-機(jī)器人交互；第五部分共2章，分別介紹自治系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，以及與機(jī)器人相關(guān)的倫理問(wèn)題。
章節(jié)詳解
第一部分人工智能和機(jī)器人的思考框架
第1章討論了人工智能機(jī)器人的定義，為了厘清這個(gè)定義，從什么是機(jī)器人和什么是人工智能講起，之后探討了人工智能機(jī)器人的組成、分類、應(yīng)用，以及人工智能的7個(gè)研究領(lǐng)域。
第2章回顧了人工智能機(jī)器人的發(fā)展歷史，重點(diǎn)梳理了從將機(jī)器人視為工具到將機(jī)器人視為智能體的轉(zhuǎn)變過(guò)程及其影響。
第3章討論自動(dòng)化和自治，首先介紹了自動(dòng)化和自治的區(qū)別，之后闡述如何根據(jù)規(guī)劃能力、動(dòng)作的確定性、世界模型的開放性、知識(shí)表示的層級(jí)這4個(gè)方面刻畫一個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化和自治的程度，然后回答為什么要區(qū)分自動(dòng)化和自治，自治相對(duì)于自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)在哪里，如何根據(jù)需求確定研制自動(dòng)化系統(tǒng)還是自治系統(tǒng)等問(wèn)題。
第4章介紹自治系統(tǒng)的軟件組織，針對(duì)功能架構(gòu)將智能機(jī)器人的軟件劃分為反應(yīng)層、慎思層和交互層，并詳細(xì)闡述每一層的內(nèi)涵；針對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)介紹智能機(jī)器人的5個(gè)分系統(tǒng)，即規(guī)劃、建模、導(dǎo)航、控制和感知。
第5章討論遠(yuǎn)程系統(tǒng)這一典型人-機(jī)器人系統(tǒng)，在給出遠(yuǎn)程系統(tǒng)、監(jiān)督控制、遙操作、共享控制、遙控、遙現(xiàn)等相關(guān)概念后，對(duì)任務(wù)代理和遙現(xiàn)兩個(gè)概念進(jìn)行了區(qū)分，然后介紹遠(yuǎn)程系統(tǒng)的7個(gè)組成部分。在此基礎(chǔ)上，討論了監(jiān)督控制、人工控制、輪換控制、共享控制的內(nèi)涵，以及人在遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的作用，最后給出了典型的遠(yuǎn)程系統(tǒng)案例。
第二部分反應(yīng)層
第6章重點(diǎn)討論了兩個(gè)問(wèn)題：第一，人工智能機(jī)器人的反應(yīng)層是否與動(dòng)物行為學(xué)類似？其回答是肯定的；第二，如果是類似的，如何將動(dòng)物行為學(xué)已有的知識(shí)應(yīng)用于人工智能機(jī)器人？馬爾計(jì)算理論可以用來(lái)作為生物智能向人工智能遷移的工具。
第7章解釋了感知-規(guī)劃-執(zhí)行和執(zhí)行-感知兩種回路的區(qū)別，其中執(zhí)行-感知回路的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，不依賴于全局世界模型和復(fù)雜的規(guī)劃。在回路中感知扮演兩種角色，作為行為的結(jié)束或者引導(dǎo)新的行為。感知的處理也有兩種方式，即直接感知和認(rèn)知感知，其中直接感知利用了物體的潛在可供性，而認(rèn)知感知?jiǎng)t依賴于記憶和特征描述等對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別。
第8章重點(diǎn)討論行為的協(xié)調(diào)。行為協(xié)調(diào)涉及兩種情況：第一種情況是，多個(gè)行為同時(shí)發(fā)生時(shí)，需要將眾多行為綜合為一個(gè)動(dòng)作；第二種情況針對(duì)序列行為的組織。對(duì)于并發(fā)行為的協(xié)調(diào)，根據(jù)行為之間是合作的還是競(jìng)爭(zhēng)的，可分為兩類不同的解決方案。這里重點(diǎn)講解了行為合作的經(jīng)典算法勢(shì)場(chǎng)法和行為競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)典算法包容法。對(duì)于序列行為組織，介紹了最常用的有限狀態(tài)機(jī)和腳本描述這兩種方法。
第9章介紹地面機(jī)器人的幾種主要移動(dòng)方式。地面機(jī)器人最常見的移動(dòng)方式是依靠輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)輪子的形態(tài)和布局，可以分為完整約束和非完整約束。其中完整約束主要包括同步驅(qū)動(dòng)和全向輪兩種形式，非完整約束則主要包括差動(dòng)轉(zhuǎn)向和阿克曼轉(zhuǎn)向兩種形式。此外，介紹了爬行、滑動(dòng)、步行等主要的仿生移動(dòng)方式，并重點(diǎn)講解了腿式機(jī)器人的平衡控制。
第10章圍繞如何讓機(jī)器人“看見”，哪種傳感器適用于機(jī)器人，以及什么是傳感器融合這3個(gè)問(wèn)題，首先介紹了傳感器和感知模型、傳感器的分類、傳感器的輸出類型，常見的定位傳感器和接觸傳感器；然后講解了計(jì)算機(jī)視覺的基礎(chǔ)知識(shí)，如圖像的表示、區(qū)域分割、顏色直方圖等；最后介紹了選擇傳感器的原則和行為級(jí)傳感器融合。
第11章介紹測(cè)距傳感器及其基本原理，包括立體視覺、超聲波、結(jié)構(gòu)光、激光雷達(dá)、RGB-D相機(jī)，并給出了各種傳感器的應(yīng)用實(shí)例。
第三部分慎思層
第12章是慎思層的概述，回答機(jī)器人如何思考的問(wèn)題。以國(guó)際上第一臺(tái)人工智能機(jī)器人Shakey及其規(guī)劃和問(wèn)題求解的Strips算法為例，解釋慎思層涉及的名詞并介紹概念性框架，為第13章至第16章的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。
第13章首先闡述了機(jī)器人導(dǎo)航4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的內(nèi)涵，即“我要去哪里？哪條路徑最優(yōu)？我周圍環(huán)境的地圖？我在哪里？”。之后重點(diǎn)講解如何在拓?fù)淇臻g進(jìn)行路徑規(guī)劃，并給出了一個(gè)為移動(dòng)機(jī)器人競(jìng)賽設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)例。
第14章介紹量度路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。首先介紹了構(gòu)型空間的概念，以及構(gòu)型空間最常用的幾種表達(dá)方式。然后，針對(duì)平面路徑規(guī)劃，介紹了經(jīng)典的A*算法及其變種D*算法；針對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，介紹了經(jīng)典的快速擴(kuò)展隨機(jī)樹方法。最后，給出了路徑規(guī)劃算法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
第15章介紹機(jī)器人的定位、建圖和探索，闡述了定位問(wèn)題的分類及經(jīng)典方法、同步定位與建圖的內(nèi)涵、地形識(shí)別與分類、地圖的表示、立體攝影、可通行性、環(huán)境探索的兩種解決方案等，最后探討了本章主題與人工智能的關(guān)系。
第16章探討機(jī)器學(xué)習(xí)，首先給出了學(xué)習(xí)的定義和分類，然后介紹了機(jī)器人領(lǐng)域常用的學(xué)習(xí)算法，包括歸納法、支持向量機(jī)、決策樹、聚類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Q-learning，之后簡(jiǎn)述了進(jìn)化機(jī)器人學(xué)和遺傳算法，最后討論了學(xué)習(xí)和機(jī)器人軟件架構(gòu)的關(guān)系，并對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行了展望。
第四部分交互層
第17章探討多機(jī)器人系統(tǒng)(MRS)，首先列舉了多機(jī)器人系統(tǒng)與單機(jī)器人相比的4個(gè)優(yōu)勢(shì)和7個(gè)挑戰(zhàn)；然后介紹了swarms和多智能機(jī)器人這兩種主要的多機(jī)器人系統(tǒng)；之后討論了多機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮的幾個(gè)主要因素，包括任務(wù)屬性、協(xié)同方式、系統(tǒng)架構(gòu)等；最后，綜述了多機(jī)器人系統(tǒng)編程的策略。
第18章介紹人-機(jī)器人交互(HRI)，首先給出了HRI的定義和交互模式的分類，HRI與HCI、心理學(xué)和通信的關(guān)系；然后闡述了用戶界面設(shè)計(jì)中要遵循的8項(xiàng)黃金法則；最后詳細(xì)討論了HRI設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的建模、自然語(yǔ)言理解、人-機(jī)器人比率、互信度、測(cè)試和評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問(wèn)題。
第五部分機(jī)器人設(shè)計(jì)與倫理學(xué)
第19章介紹人工智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則和評(píng)估辦法，給出了智能機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的重要原則并予以實(shí)例說(shuō)明，列舉了機(jī)器人系統(tǒng)異常的3種主要因素，介紹了評(píng)估機(jī)器人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)器人實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該關(guān)注的數(shù)據(jù)類型。
第20章關(guān)注與智能機(jī)器人相關(guān)的倫理問(wèn)題，介紹了倫理學(xué)和機(jī)器人學(xué)對(duì)于這一問(wèn)題的不同視角，給出了機(jī)器人倫理問(wèn)題的兩種分類方式，并討論了阿西莫三定律。
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