研发机器人shakey

Shakey是谁？

Shakey 是世界上第一个能够感知、推理并自主规划行动的移动机器人，它诞生于20世纪60年代末，由斯坦福研究院的研究团队开发，它的名字“Shakey”来源于它在移动时，由于早期机械和控制系统的不完善而产生的“颤抖”（Shaky）动作，这个名字既形象又带有些许诙谐。

Shakey是第一个真正意义上“会思考”的机器人。

诞生背景与核心目标

在Shakey之前,大多数机器人都是“自动化设备”而非“智能体”，它们只能在高度结构化的环境中，重复执行预设好的程序，比如在装配线上焊接或搬运，它们无法处理不确定性，也无法理解环境的变化。

SRI的研究人员希望打破这一局限,他们的目标是创造一个能够：

1. 感知环境：通过传感器了解周围世界。
2. 理解任务：用自然语言接收高级指令。
3. 进行推理：在脑海中构建一个环境的“心智模型”（Mental Model），并基于此进行逻辑推理。
4. 规划行动：制定一系列步骤来完成目标，并预见这些步骤可能带来的后果。
5. 执行与适应：执行计划，并在遇到意外时进行调整。

这个雄心勃勃的项目,旨在探索机器智能的核心问题：如何让机器像人一样，在复杂、不确定的现实世界中解决问题？

Shakey的“大脑”与“身体”

Shakey的能力源于其独特的软硬件结合,这在当时是革命性的。

身体 - 硬件部分

• 平台：一个带有三个轮子的移动底盘，底盘上安装了一个可以升降的塔。
• 传感器：
  • 电视摄像机：用于“看”世界，识别物体（如积木、门）。
  • 激光测距仪：精确测量与物体的距离，构建环境的几何信息。
  • 碰撞检测器：防止机器人撞到墙上。
  • “编码器”：测量车轮的转动，从而估算自身的位置（早期的一种里程计）。
• 执行器：
  • 一个可以张开和闭合的机械臂，用于推动物体。
  • 驱动轮子的马达。

大脑 - 软件部分

这是Shakey最核心、最具创新性的地方，它的软件系统是一个复杂的分层架构，这个架构思想至今仍是机器人系统设计的经典范式。

1. STRIPS (Stanford Research Institute Problem Solver) - 规划器

   • 这是Shakey的“行动决策中心”，STRIPS是一个强大的自动规划程序。
   • 它接收一个目标（“把盒子推到门口”），然后通过一系列逻辑推理，计算出达成该目标所需的最优动作序列。
   • 它的核心概念是“操作符” (Operator)，每个操作符都有前提条件、删除表和添加表。“推盒子”这个操作的前提是“机器人在盒子旁边”，执行后会改变“盒子位置”和“机器人位置”的状态。

2. SRI世界模型器

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 这是Shakey的“记忆”和“心智地图”，它将传感器收集到的原始数据（像素、距离值）转换成一个结构化的、符号化的环境描述。
   • 它维护一个关于环境的数据库,记录了所有物体的位置、属性以及它们之间的关系，机器人需要查询这个模型来了解“现在我在哪？盒子在哪？门在哪？”

3. 视觉与导航模块

   • 视觉模块：处理摄像机图像，识别出特定的物体（如不同形状的积木），并将这些信息提供给世界模型器。
   • 导航模块：负责路径规划，它根据世界模型器中的地图和目标位置，计算出一条从当前位置到目标点的安全路径，并控制机器人移动。

4. 自然语言理解器

   • 它负责接收人类的高级指令，并将其转换成机器人能够理解的、具体的、形式化的任务描述，将“把红色的积木推到门口”分解成机器人可以执行的子目标。

5. “看门狗”监控器

   • 这是一个负责执行和监控的模块，它负责将STRIPS生成的行动计划，一步步地翻译成控制马达和机械臂的具体指令。
   • 更重要的是,它会持续监控执行结果，如果某个步骤失败了（比如机器人推不动盒子），它会报告失败，并触发重新规划过程。

工作流程示例

让我们通过一个经典任务来理解Shakey如何工作：

任务指令：“把盒子推到门口。”

1. 接收指令：自然语言理解器解析指令，生成目标：“盒子在门口”。
2. 感知与建模：Shakey移动，用摄像机和激光扫描周围环境，视觉模块识别出“盒子”和“门”，世界模型器更新其内部地图，记录下“盒子在位置A，门在位置B，机器人在位置C”。
3. 规划：STRIPS规划器接收到目标，它开始推理：
   • 要让“盒子在门口”，我需要执行“推盒子”操作。
   • “推盒子”操作的前提是“机器人在盒子旁边”。
   • 当前“机器人在位置C”，不满足前提，我需要先规划一个子目标：“移动到盒子旁边”。
   • STRIPS继续规划,生成一个完整的动作序列：[移动到盒子旁边, 推盒子, 移动到门口]。
4. 执行：“看门狗”监控器开始执行这个计划：
   • 第一步：移动到盒子旁边。 导航模块计算出路径，控制机器人移动。
   • 第二步：推盒子。 控制机械臂伸出，推动盒子向门口方向移动。
   • 第三步：移动到门口。 机器人移动到门口，确认任务完成。

如果在第二步推盒子时,盒子被卡住了，传感器会检测到异常，“看门狗”会报告失败，STRIPS规划器会收到失败信息，重新分析情况，并生成一个新的计划（比如换个角度推，或者先移开障碍物）。

深远影响与历史地位

尽管Shakey移动缓慢、动作笨拙，但它所实现的理念是划时代的，它的影响主要体现在：

1. 奠定了自主机器人的理论基础：Shakey首次完整地展示了感知-建模-规划-执行的闭环智能系统架构，这成为了现代机器人学的“圣经”。
2. 催生了人工智能的核心领域：
   • 自动规划：STRIPS是规划领域的开山鼻祖，其思想至今仍在广泛应用。
   • 机器人学：Shakey是公认的“第一个真正意义上的机器人”，直接启动了整个机器人学科的发展。
   • 智能代理：Shakey被视为最早的智能代理原型，它能够感知环境、做出决策并采取行动以达成目标。
3. 推动了相关技术的发展：它的研究直接促进了计算机视觉、路径规划、知识表示和不确定性处理等多个领域的发展。
4. 证明了符号主义AI的潜力：在深度学习兴起之前，Shakey代表了基于逻辑、符号和推理的“符号主义AI”在解决复杂物理世界问题上的巨大成功。

现状与遗产

• 退役：Shakey在1972年完成了其历史使命，现已退役。
• “复活”：2025年，为了纪念SRI成立65周年，研究人员根据原始图纸和资料，重建了一台功能完备的Shakey机器人，它现在可以在SRI的博物馆中看到，并且依然能够运行当年的经典程序。
• 精神传承：Shakey的精神——即用智能和计算去理解和改造物理世界——已经融入了今天的无数产品中，从自动驾驶汽车、无人机到家庭扫地机器人和自动化仓储系统，其背后都有Shakey的影子。

Shakey the Robot 不仅仅是一台机器，它是一个时代的象征，一个思想的灯塔，它证明了机器可以不仅仅是执行命令的工具，更可以成为能够理解世界、自主思考并解决问题的智能伙伴，它用“颤抖”的脚步，为整个机器人智能领域开辟了一条全新的道路，其遗产至今仍在深刻地影响着我们。

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