第1章 認知發展機器人學

Introduction

所謂認知發展機器人學，是一門將理解對象，也就是人類的發展模式置入人工物中，使其在環境中動作，並期望人工物從該舉動中，獲得發展模式新知的學問。一直以來，該研究特別將焦點放在人類的嬰兒身上，並以此為出發點，運用認知發展機器人學的方法論，來解開人類認知發展的過程，同時也以闡明與人類共存之機器人的設計論為主要研究目的。開發分析與驗證實驗的平臺，透過加入以神經科學為基礎的計算發展模式，還有在以發展心理學知識為參考的社會相互作用模式下的人類行動解析，來追求認知發展的原理。不僅填補神經科學與發展心理學的隔閡，研究學者更計畫藉此讓新的科學蓬勃崛起。

1作為構成手法的認知發展機器人學

發展的各種形態，一般都被認為與內部的發展機制，以及由養育者占了極大要素的環境互動過程，毫無疑問地有著密切的關聯。只不過，那些因素之間的關係並不明確。是在單一結構下，從機能創發過程的各種觀點所見的現象？是複數結構下的相互作用？抑或只是系統的著眼點讓看法有所不同而已？構成方式的目的是針對這個問題建構人工系統，然後透過運作過程進行驗證，試圖提供新的解釋，而特別將焦點擺在人類認知發展上的就是「認知發展機器人學」。

（1）認知發展機器人學的基本觀念

認知發展機器人學的重點，在於自主行動機器人如何透過與環境的相互作用，表現世界並取得行動能力，這類機器人的認知發展過程。在被視為環境因子的其他機器人的行動將如何規範自身行動的過程中，機器人找到「自我」的道理途徑能否獲得解釋，這一點尤其令人期待。因為是以人類的水準來追求智能行動，所以必須從非人類的動物也可能達成的聯想學習開始，在機器人的內部結構與外部環境的多樣且制約性的相互作用中，找出人類特有的創造/利用符號的記號學習，也就是獲得語言能力的過程（語言創發）。

這類與人類認知相關的研究，過去一向被劃分在認知科學、神經科學、心理學等領域內。而且，還是以藉由說明原理獲得理解為目標，並非基於認知發展機器人學為對象的設計原理進行研究。然而，卻能夠在理解人類這項共通基礎之下，從工程學的角度，在認知科學、神經科學、心理學等領域提出「系統結構下的假說驗證，及新認知科學假說的產生」；相反的，也可以從這些領域在工程學的研究路徑中提出「系統結構的假說」，在互相反饋之下構成及驗證認知發展的模式。那正是認知發展機器人學的理想型態之一。

（2）認知發展機器人學的設計論

雖然必須在環境、身體、工作一體化的情況下，構成進行認知發展的機器人的設計論，不過在物理上可以分成兩部分來說明。其一，是如何設計機器人內部的資訊處理結構，以建構可以讓機器人透過身體行動的環境表現；其二，則是打造能夠讓已被設計好的機器人順利學習發展的環境，並且特別著重如何設計示教者等他人的行動。透過兩者的密切結合，可以達到互相學習、發展的成果。

重點在於，不要將應該取得的行動能力直接寫入機器人的腦中，而是要藉由包括他人在內的環境（社會性），讓機器人本身透過自己的身體（認知具體化），取得資訊並獲得加以解釋的能力（適應性），以及完成整個過程的能力（自律性）。認知發展機器人學及其相關的研究方法，主要可分為兩個方向。一個是建立機制的假說，利用電腦模擬或實際的機器人進行實驗，反覆驗證假說和修正假說。另一個則是利用電腦模擬或實際的機器人，調查上述過程中環境的主角，也就是人類的行動及機制本身。這些因素可能會彼此產生關聯、互相反饋。假說與測量對象不能表面地借用既存領域的知識，而必須是能夠獲得新的解釋，甚至於獲得修正的內容。

2發展地圖

若從認知發展機器人學的觀點來思考發展的型態，可以大致分成兩種模式。首先，是以個體基礎的認知發展為主的初期，以及主要在個體之間的相互作用下發展社會性的後期。腦科學/神經科學（內部機制）主要與前者有關，認知科學/發展心理學（行為觀察）則主要與後者有關。本來，這兩者在認知發展上應該是沒有差距的，可是卻在理解對象的表象層級上產生很大的落差。認知發展機器人學的目標不只是要填補那道鴻溝，更期望能夠創造出嶄新的領域。

人類腦脊髓類的概要與大致上的功能組織，是一種反應了進化結果的階層結構，由脊髓、腦幹、間腦、小腦、大腦邊緣系統、大腦基底核、大腦新皮質所組成。淺田稔、國吉康夫（兩人皆為日本工程學者）將這些結構與行動所需的各階層智能互相對應。

3從個體的發展到個體之間的發展

研究者將人類的身體、神經系統的生理學知識為基礎的各種模式組合起來，製造出一個嬰兒模型，以研究從胎兒到新生兒期，創發感覺運動的結構。然後利用這個模型，模擬母體中的胎兒發展及誕生後的行為，期望能理解人類的運動發展過程。他們用球或圓筒讓近似胎兒的模型與簡化後的腦模型互相結合，並將神經振盪器視為驅動要件，再透過赫柏學習理論和自我組織映射構成體感網路，之後行動便依循該網絡漸漸變成了有秩序的行為。關於詳細的參數調整及各種運動的結構化，目前已展開各項更精細深入的研究。

在學習感覺運動的身體構造上，產生柔軟且動態運動的身體，是由認知發展所必要的假說，開發出使用氣壓式人工肌肉的嬰兒機器人，並且進行藉由神經振盪器創發「答話」行為的研究。之後的假說驗證並不容易，不過認知發展可望有助於了解各種運動發展的組織結構。

因汽缸而擁有柔軟身體構造的CB2，在靠著人類援助起身的實驗中，透過判別成敗，以及人類對於嘗試結果的好壞所做的主觀判斷，接受了改善學習，並且同樣也進行了透過輔助的步行學習實驗。

儘管模仿新生兒的奇異之處引人爭議，不過先前的胎兒模擬，以及假設胎兒的初期視覺，然後透過手指對顏面進行探索運動，對顏面觸覺分布產生自我組織；另外，藉由使用道具擴大身體形象，還有腦部的成像研究，也讓左右頂葉各自表現出自我中心與物體中心的座標系統的這項假說獲得成立。

在與養育者的相互作用方面，則是進行了物理性的接觸，並且改良觸覺感應，開發擁抱時能夠即時測量母子觸覺分布的系統，讓真正的媽媽與未生兒育女的成年人在擁抱時產生的差異定量化。

在針對社會性發展的聲音相互模仿實驗方面，則是進行了人類知覺範疇的磁偏差實驗、透過期待對方模仿自己的自我鏡像偏差獲得母音的實驗，此外也藉由受試者實驗確認了兩種偏差的存在。在共感發展上，直覺的親子行為模擬了學習產生初期情感的情形；共同注意力方面，則也模擬了伴隨性發現與重現的循環依序引發相關行動的情況。

第1章 認知發展機器人學

Introduction

所謂認知發展機器人學，是一門將理解對象，也就是人類的發展模式置入人工物中，使其在環境中動作，並期望人工物從該舉動中，獲得發展模式新知的學問。一直以來，該研究特別將焦點放在人類的嬰兒身上，並以此為出發點，運用認知發展機器人學的方法論，來解開人類認知發展的過程，同時也以闡明與人類共存之機器人的設計論為主要研究目的。開發分析與驗證實驗的平臺，透過加入以神經科學為基礎的計算發展模式，還有在以發展心理學知識為參考的社會相互作用模式下的人類行動解析，來追求認知發展的原...

人們對於機器人有著各種不同的解釋。一般人會在日常對話中提到「機器人」，研究機器人的專家和藝術家，則是分別在學會、藝術作品中表現自己心中的「機器人」。實在很少有一項科學、技術的領域，能夠獲得眾人如此廣泛的關心。如今，機器人已日漸使用於製造業、醫療、社福、開發海洋及太空的未知領域、農林水產業、建設、保養管理、生活支援、娛樂、教育等各項領域。此外，在人類科學方面，學者們也透過研究機器人，深入探討「何謂人類？」以及「人類擁有何種機能？」等議題。

人們也透過研究機器人，獲得了多樣化的成果。為了製造性能良好的機器人，感測器、致動器等方面發展出全新的優良零件。比方說，電動馬達之所以會加速小型化、輕量化，有一部分便是為了將其使用在機器人身上；不僅如此，經過改良的電動馬達也被擴大使用在機器人以外的領域。像這樣為實現機器人系統而開發的要素，被運用在機器人以外的例子非常多。另一方面，如今也有各式各樣的人造物被機器人化。過去汽車只有動力源和致動器，且由人類進行操控，但是最近卻搭載上感測器和電腦，開始走向機器人模式。可以想見在不久的將來，還會有更多的人造物被機器人化。對於今後如何解決環境、能源、糧食、醫療、社福等人類課題，機器人的技術貢獻備受期待。

然而，機器人學目前尚在發展途中。機器人的核心技術也未臻成熟，還有許多事項尚待完成，今後更是需要嶄新的發想、實現方法等。尤其作為機器人系統進行統合的相符要素、信賴度高的要素、低價格下的實現方法等，想必將很難對既存要素展現其新穎性，但是這些卻又是機器人學非常重要的要素開發研究。其次，在機器人系統中，系統統合的技術與科學是機器人學的根基。從20世紀到21世紀，科學將研究對象細分，透過分析得到了十分卓越的成果。可是以系統整體來說，能夠證明其有效果且有效率地發揮機能的科學，卻尚在未完成的階段。機器人在建構系統統合理論上，是一項極為象徵性的存在，我們很可能能夠透過機器人，開拓出統合科學、設計科學這些全新的科學領域。

本書集結了機器人科技的最新研究成果，讀者們能夠從中理解機器人科技及其應用的多樣性與深奧之處，同時應該也會感受到，機器人學的研究就如同一大片未經開拓的廣大荒野般遼闊。為因應今後整個社會的期待，從多重管道進行更具挑戰性的研究是非常重要的。就讓我們對眾多年輕挑戰者今後的研究活動拭目以待吧。

2011年7月 一般社團法人 日本機器人學會 會長 川村貞夫

人們對於機器人有著各種不同的解釋。一般人會在日常對話中提到「機器人」，研究機器人的專家和藝術家，則是分別在學會、藝術作品中表現自己心中的「機器人」。實在很少有一項科學、技術的領域，能夠獲得眾人如此廣泛的關心。如今，機器人已日漸使用於製造業、醫療、社福、開發海洋及太空的未知領域、農林水產業、建設、保養管理、生活支援、娛樂、教育等各項領域。此外，在人類科學方面，學者們也透過研究機器人，深入探討「何謂人類？」以及「人類擁有何種機能？」等議題。

人們也透過研究機器人，獲得了多樣化的成果。為了製造性能良好...

第1章 機器人新領域
第1節 認知發展機器人學
第2節 人形機器人（Geminoid）
第3節 人際互動
第4節 聯繫人類與機器人的心理學
第5節 機器人聽覺
第6節 仿生學
第7節 分子機器人學
第8節 活體與機器人的融合
第9節 認知型BMI下的外部機器控制系統
第10節 機器人與設計的融合
第11節 機器人安全
第12節 筑波機器人挑戰賽

第2章 機器人系統
第1節 機器人的設計與融合
第2節 機器人裝
第3節 溝通型機器人
第4節 水中機器人
第5節 無人飛行器
第6節 微型機器人
第7節 仿生軟機器人
第8節 並聯機構
第9節 義手‧義肢
第10節 操控裝置與機械手
第11節 高速操控裝置
第12節 機械化空間
第13節 機械化城市
第14節 無所不在的機器人學

第3章 機器人的應用
第1節 醫療機器人
第2節 照護機器人
第3節 救災機器人
第4節 營建機器人
第5節 清潔機器人
第6節 農業機器人
第7節 太空機器人
第8節 單人移動載具
第9節 娛樂機器人（I-Fairy）
第10節 觸覺回饋裝置
第11節 數位人技術
第12節 虛擬實境（VR）

第4章 機器人硬體設備
第1節 動作感測器
第2節 雷射測距儀
第3節 觸覺硬體
第4節 味覺、嗅覺感測器
第5節 人工肌肉、高分子致動器
第6節 RC伺服機
第7節 微型致動器
第8節 E M/ER流體
第9節 高速視覺
第10節 GPS

第5章 機器人軟體
第1節 軟體平臺
第2節 物理引擎
第3節 OpenCV
第4節 ROS（機器人OS）

第6章 機器人動作
第1節 二足步行
第2節 被動步行與Dynamic based控制
第3節 機械學習，統計性行動決定
第4節 動作規劃

第7章 機器人知覺
第1節 SLAM
第2節 動作辨識理解
第3節 臉部辨識
第4節 Particle filter
第5節 動作擷取

第8章 機器人競賽
第1節 機器人競賽的意義
第2節 RoboCup
第3節 ROBO-ONE

第1章 機器人新領域
第1節 認知發展機器人學
第2節 人形機器人（Geminoid）
第3節 人際互動
第4節 聯繫人類與機器人的心理學
第5節 機器人聽覺
第6節 仿生學
第7節 分子機器人學
第8節 活體與機器人的融合
第9節 認知型BMI下的外部機器控制系統
第10節 機器人與設計的融合
第11節 機器人安全
第12節 筑波機器人挑戰賽

第2章 機器人系統
第1節 機器人的設計與融合
第2節 機器人裝
第3節 溝通型機器人
第4節 水中機器人
第5節 無人飛行器
第6節 微型機器人
第7節 仿生軟機器人
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