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洪 炳 镕 （哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150001） e-mail: hongbr@hope.hit.edu.cn http://www.firachina.net 摘要：机器人足球已成为发展人工智能的“新里程碑”，又是反映一个国家综合技术水平 的小平台上的“技术战争”，因此受到学术界、产业界、军事界及体育界的高度重视。本 文首先简要地介绍机器人足球的概况，包括机器人足球的基本原理和发展历史，其次介绍 机器人足球对学术界、产业界、军事界的作用和意义，最后提出机器人足球的最终目标和 我国发展机器人足球的战略规划。 1、机器人足球概况 机器人足球是在一个130×150㎝ 大小的平台上由两个机器人球队互相攻球的比赛，进球多 的球队取胜。目前在国际上最流行的机器人足球是半自主型机器人足球，这种比赛每个球 队由3个或5个移动机器人组成，将来要增加到7个或11个。每个机器人的尺寸限制在7.5×7 .5×7.5㎝以内，比赛用的球是高尔夫球。整个比赛分上下两个半场，每场比赛时间为5分 钟，中间有10分钟的休息时间，在这一段时间内双方可更换机器人的电池或比赛策略等。 机器人足球比赛的最大特点是在整个比赛过程中人不能干预，机器人必须完全自主独立地 进行比赛，因此对每个机器人要求具备高度智能及各机器人之间协调与合作能力。机器人 足球比赛和人类足球一样是在裁判的控制和严格的规则下进行的，也有点球、任意球、球 门球等规则。打成平局时也有3分钟的延长，也实行突然死亡法和点球大战。 机器人踢球采用人工智能原理，即完全模仿人踢球。首先用机器视觉（相当于人的眼睛） 识别和判断球的位置，然后用计算机决策系统（相当于人的大脑），对不同的动作（如射 门或传球等）做出不同的运动规划，最后用机器人（相当于人腿）去“踢球”。但在目前 技术水平条件下，“踢球”并不是用脚踢球，而是用机器人躯体推球。和人类足球一样机 器人球队的胜负不但取决于机器人本身（硬件）的性能，而且也取决于比赛策略（软件） ，只有可靠的硬件与先进的策略结合才能取胜。 “世界杯”机器人足球是由韩国科学技术院（KAIST）金钟焕教授为发展多智能体技术于19 95年11月首次提出的，此后于1996年11月他在政府和企业界的共同支持下首次举办了“世 界杯”机器人足球赛。接着在1997年6月举办第二届“世界杯”机器人足球大赛时，经14个 国家代表的共同协商成立了国际机器人足球联盟（FIRA）,决定在FIRA组织下每年举办一次 “世界杯”大赛，同年在哈工大成立中国人工智能学会下属FIRA中国分会，并建立了中国 第一支机器人足球队。1998年6月FIRA中国分会邀请FIRA主席金钟焕教授到北京做机器人足 球表演赛，从而机器人足球得到了国家有关部门的重视。同年6月在法国巴黎举办第三届“ 世界杯”大赛后机器人足球被学术界、产业界受高度重视，成为世界各国认可的高新技术 比赛。FIRA中国分会在1999年7月和11月份两次在哈工大举办了首届全国机器人足球邀请赛 和锦标赛，从而在国内形成了机器人足球热，经过6年的风风雨雨，中国机器人足球队已从 零发展到40多个，在2002年汉城举办的第七届“世界杯”机器人足球大赛中，中国队获得 了两项世界杯冠军，这意味着中国机器人足球队已冲出亚洲走向国际舞台，成为世界劲旅 。 2、机器人足球对学术界的作用和意义 机器人足球是一个多智能体系统（Multi Agent System）的典型问题，又是研究分布式人 工智能（Distributed Artificial Intelligence）的理想平台。在多智能体系统中不但研 究每个智能体本身的体系结构，而且更着重研究各智能体之间的协调与合作问题。 在人工智能的发展道路上曾出现过计算机象棋。它是用计算机对人类进行的象棋比赛，它 作为博奕的典型问题在人工智能领域发展了搜索与产生式理论，成为发展人工智能的第一 个里程碑。经过漫长的50年后，IBM Deep Blue软件终于打败了世界象棋冠军Kasprov。它 给人类展示了计算机专家系统可以击败人类天才的可能性。但是计算机象棋只反映人类社 会的一个侧面，即它是一个单智能体对另一个单智能体，在静态环境下，以非实时方式进 行的知识处理问题。而实际的人类社会发生的绝大部分问题是，一群多智能体对另一群多 智能体，在复杂动态环境下，以实时方式进行的知识处理问题。在人工智能领域出现的多 智能体系统就要研究和解决这种人类社会客观存在的实际问题，因此可以说，多智能体系 统是发展人工智能的一个新的突破，它将过去封闭和孤立的知识系统发展为开放、分布的 知识系统，使人工智能面向更多的实际应用领域。 过去既然通过计算机象棋这个典型问题来推动了人工智能中的搜索和产生式理论，那么现 在能否找到另一种典型问题来推动多智能体系统的发展呢？答案是肯定的，那就是机器人 足球。这是因为在机器人足球中不但包含着多智能体系统要研究的全部内容，而且其中所 包含的动态环境与实时性要求比一般系统更为苛刻。现在来分析机器人足球为什么能成为 研究多智能体系统的典型问题。 首先机器人足球比赛是一群机器人对另一群机器人对抗的分布式多机器人系统，其中每个 机器人是具有决策能力的Agent。在比赛过程中每个机器人不但能发挥个人能力，而且还能 通过协调与合作还发挥集体力量；其次，在比赛场地上的各球队机器人为了射门或防守到 处奔跑，因此成为时时刻刻变化的非常复杂的动态环境；第三，为了战胜对方，双方机器 人球队必须实时地了解我方和敌方阵营的动态变化，并根据这一动态变化提出行为决策， 即全面进攻或局部进攻或防守等比赛策略问题。同时为执行这个决策，各智能体之间必须 通过通信来解决协调与合作问题。 综上所述，机器人足球比赛将过去计算机象棋中的单智能体研究对象发展到分布式多智能 体；静态研究环境发展到动态环境；并将非实时知识处理问题发展到实时处理问题，因此 可以说，机器人足球是继计算机象棋后出现的发展人工智能的第二个里程碑，它将人工智 能技术发展到新的境界。 3、机器人足球对产业界的作用和意义 机器人足球虽然是在一个小平台上两个机器人球队进行的足球比赛，但要使一个机器人球 队战胜另一个机器人球队，不但需要人工智能技术中的视觉、传感融合、行为决策、知识 处理等技术，而且还需要和无线通讯、智能控制、机电一体化、计算机仿真等许多关键技 术集成为一体的综合技术。因此凡参加“世界杯”机器人足球比赛的球队都是带着自己国 家的综合实力和尊严参加比赛的，因此可以说“世界杯”机器人足球是衡量各国综合技术 实力的一个小平台上“技术战争”。 机器人足球中所包含的关键技术如图1所示。这些关键技术对我国新型产业的建设及对传统 产业的技术改造都具有非常重要的实际意义。现简单介绍各关键技术的作用及其对产业界 的应用前景。 机器人足球关键技术 机器视觉技术 无 无线通讯技术 机电一体化技术 智能控制技术 嵌入式计算机技术 战略战术技术 人工生命学技术 仿真技术 图1 机器人足球关键技术 第一、机器视觉技术。它给机器人球队提供“眼睛”，即用来理解和判断比赛环境的动态 变化。比赛系统对机器视觉要求快速地识别球和机器人，并且准确地测定机器人和球的位 置。机器视觉技术可适用于各种现场的实时监视、产品的非接触质量检验系统及各种实时 智能控制系统的开发。 第二、无线通信技术。它给机器人球队提供“耳朵”，即用来解决各机器人之间互相信息 交流所必需的通信网络系统。比赛系统对无线通讯系统要求必须可靠，不受干扰及防止通 信阻塞。这种技术可适用于无线网络、分布式控制及信息电器工程（3C：计算机、通讯、 消费电子）系统的开发。 第三、机电一体化技术。它给机器人球队提供强壮的“身体”，即用来解决可靠、耐久、 快速运动的机体。由于技术上的问题目前机器人上尚未装上两条腿，因此用电机驱动的轮 子来代替“腿”。这种技术可适用于各种家电产品及智能机器人的开发。 第四、智能控制技术。它为机器人球队提供行为的“决策”能力，即用来保证在复杂动态 环境条件下，通过“知识”实时地产生行为决策。实际上这个决策就是足球教练的专家系 统。这种技术可适用于基于专家系统的智能控制系统的开发。 第五、仿真技术。它给机器人球队提供“学习”能力，即用来解决机器人球队的比赛策略 开发环境和训练条件。这种技术可适用于各种新产品的初期开发及体育与军事上的战略、 战术开发。 第六、嵌入式计算机技术。它给机器人球队提供具有一定知识的“大脑”，即用来控制机 器人的“视觉”、“听觉”、“身体”的运动及决策执行等。因此它是机器人的控制的核 心。对这种专用控制计算机要求体积很小，但知识存储量大，因此需要硬件与软件之间综 合技术。这种技术可适用于各种家电及各种武器装备上的专用控制计算机开发。 第七、人工生命学技术。它给机器人球队提供高级“技巧”，即用来解决机器人在复杂的 动态环境中如何有效地避免碰撞对方机器人、不犯规、以最佳路线到达目的地的路径规划 问题。这个问题通过遗传算法和神经网络算法加以解决。这种技术适用于各种机器人路径 规划，系统辨识等系统的开发。 第八、战略战术技术。机器人足球实际上是两个对抗群体之间的竞争，因此必须要考虑战 略、战术及其开发问题。如果在机器人足球中，将球改为目标，则系统变成追捕目标问题 。这个问题通过对策论与神经网络算法加以解决。这种技术可适应于未来机器人部队追捕 目标系统的开发。 综上所述，机器人足球包含着在21世纪我们所要开发的信息、自动化、通讯、机电一体化 、仿真及决策等许多关键技术，而这些关键技术无疑对我国传统产业的技术改造和新型产 业的建设具有实际意义。通过比赛洗礼的技术肯定是过得硬的，因此我们相信机器人足球 中所包含的八大关键技术必将对我国产业现代化发挥重要作用。 4、机器人足球的最终目标 机器人足球刚刚诞生时，人们提出机器人足球的主要目的首先是用来研究和开发多智能体 系统理论；其次是利用竞赛机制激发青年大学生的科学研究热情，培养科学与创新精神。 但随着对机器人足球技术的深入研究，发现机器人足球的“竞赛”含义在某种意义上来说 比“技术”含义更重要，这是因为如果我们将机器人球队之间的竞赛改为机器人足球队与 人类足球队之间竞赛，那么其研究领域已深入到未来的“机器人社会”。 为此，我们大胆地提出机器人足球的最终目标是，到21世纪中叶或下叶用机器人足球队打 败人类足球队。这和50年以前提出的用计算机打败人类象棋大王同样是个梦想，又是一个 挑战性的目标。 在人类历史上曾经出现过两个里程碑项目，一个是将人类送上月球的“登月计划”，另一 个是用计算机打败人类棋王的“计算机象棋”。这两个里程碑项目的最终目标固然很重要 ，但比它更重要的是，为实现这一目标而开发出来的许许多多的关键技术支撑了航天时代 和信息社会的到来。机器人足球的最终目标同样很重要，但比它更重要的是为实现这一挑 战性目标而开发出来的许许多多关键技术，机器人足球的最终目标的实现不但能改变足球 历史，而且还能改变整个人类历史，使人类进入 “机器人社会”，它同“登月计划”和“ 计算机象棋”一样是个伟大的里程碑项目。 5、我国机器人足球的发展计划 由于技术问题，目前我们还不能实现象人类一样带两条腿且能跑的机器人来踢球。因此， 在现阶段机器人与人类进行足球比赛是不可能的事情，只能开展机器人对机器人的足球比 赛，而且机器人本身也不是类人机器人，而是方头方脑的小车子。但只要目标清楚，技术 路线正确，那么最终目标终会实现的。为了实现机器人足球的最终目标，我们必须采用由 简单到复杂、由低级到高级的原则，提出我国发展机器人足球的战略规划。其路线图如图2 所示。 第一步：MiroSot 第二步：RoboSot 第三步 ：HuroSot 半自主型机器人足球 全自主型机器人足球 类人机器人足球 仿真机器人足球 SimuroSot 图2 我国发展机器人足球的三步路线图 第一步：重点研究半自主型机器人足球（MiroSot） 这种机器人足球比赛系统比较简单且容易实现，因此它是目前在国际上最普及的比赛项目 ，已有3对3和5对5两种比赛项目。在这种比赛系统中，每个机器人既没有视觉，又没有决 策功能，是个“无头脑”机器人，它的动作完全靠外部的主控计算机来控制。整个比赛系 统的视觉是通过挂在天花板上的CCD摄像机来实现，因此对每个机器人的控制采用集中式控 制方法。比赛用的足球机器人的尺寸限制在7.5×7.5×7.5㎝ 以内。MiroSot（5对5）比赛 场面如图2所示。 图3 MiroSot（5对5）比赛场面 图4 RoboSot（3对3）比赛场面 第二步：重点研究全自主型机器人足球（RoboSot） 参加这种比赛的足球机器人虽然没有两条腿，但就控制系统而言，已具备自主决策功能。 这种机器人具有以视觉为核心的环境的感知功能、以知识为基础的行为决策功能、运动控 制功能以及各机器人之间协调与合作所必须的无线通讯功能。因此这种机器人足球系统从 软件角度考虑时已接近于人类。足球机器人的尺寸是限制在：20×20×40㎝ 以内。RoboSo t（3对3）比赛场面如图4所示。 第三步：重点研究类人机器人足球（HuroSot） 参加这种比赛的机器人，首先必须具有两条腿且能跑、能踢及和人碰撞时不伤害人类的条 件，其次必须具备和人类一样的高级智能，既能发挥个人的技巧，又能发挥协调与合作能 力，所以在技术上难度很高。机器人足球的最终目标是用机器人足球队来打败人类的足球 冠军队。因此这种机器人一定要比人跑的快，比人踢的准确，且具有抗打抗摔的能力，在 战略战术上远远超过人类的足球教练的水平，但在目前的技术条件下，二足机器人刚刚站 起来，还谈不上跑步，勉强的步行而已，要使它既能跑步，又能灵活地踢球还需要几十年 的时间。类人机器人踢球场面如图5所示。 图5 HuroSot（1对1）比赛场面 图6 SimuroSot（11对11）比赛场面 除了上述三种机器人足球以外，我们还要研究仿真机器人足球（SimuroSot）。这种比赛系 统是利用计算机仿真来进行的机器人足球比赛项目。这种比赛系统只能检验两个机器人足 球队的比赛策略，不能检验硬件的功能，因此对上述三种比赛系统的策略都能进行考验。 这种比赛系统的最大优点是不需要实际的机器人硬件系统，因此没有经费的大学也可以利 用这种系统开展机器人足球方面的研究工作，这种仿真机器人足球比赛需要公用软件平台 。这种公用软件平台于2000年8月哈工大开发成功，目前已被100多个国内外大学使用。Sim uroSot（11对11）比赛场面如图6所示。