1.引言

1993年，Mackworth在一篇题为“On Seeing Robots”的文章中提出，足球可以作为机器人学和AI研究的试验平台，随后其他几位研究人员也在足球领域分别做了一些工作。在这些成果的基础上，1996年韩国首次举办了世界杯机器人足球大赛，1997年成立国际机器人联盟（FIRA），同年在日本名古屋举行的第15届人工智能国际会议上举办了机器人足球世界杯大赛（RoboCup）。中国第一支机器人足球队于1997年8月在哈工大成立，可以说，中国的机器人足球几乎与国际上同时起跑。

机器人足球比赛是一个有趣且复杂的人工智能的新兴研究领域，它试图利用一个将各种理论、算法集成在一起的任务来促进机器人学和人工智能研究的发展。机器人世界杯选择足球作为其比赛项目，是因为想让机器人踢好足球，必须集成许多技术，完成一些技术突破。技术的范围涉及到了智能机器人研究的各个方面，包括智能Agent的设计原理、多Agent 协作、策略获取、实时推理和规划、机器学习和信息融合等。

本文主要论述了机器人足球比赛的目标、意义、所涉及的关键技术以及一些主要的应用方面。

2.机器人足球比赛的目标和意义

机器人踢足球是一项前所未有的挑战。研究人员希望将机器人足球比赛作为一项诱人但困难的挑战，并以此来推动机器人学和人工智能的发展。机器人足球比赛的一个明显特征就是它以一个一般的领域，主要是足球，来促进研究的发展。它明确提出其最终的目标是打败人类世界杯比赛的冠军队伍。机器人踢足球可以说是智能机器人领域的一大进步，可称之为里程碑工程。

成功的里程碑工程能够实现非常令人瞩目的目标。最成功的范例就是阿波罗空间计划。美国承认阿波罗计划实现了“载人到月球且将人安全返回地球”。它是人类历史上的一个里程碑。尽管载人到月球的直接经济效益不高，但为完成这个目标而实现的技术为美国的现代工业建立了强有力的技术基础。里程碑计划的一个重要问题就是要树立足够高的目标，这样要完成这项任务需要实现一系列的技术突破。

机器人足球比赛的最终目标是：“到21世纪中叶，一个仿人机器人组成的队伍能FIFA（国际足球联盟）的规则下打败人类的世界杯冠军。”一个更一般的目标是“让机器人足球队象人一样踢球”。

显然，最终目标的实现要花上至少几十年的努力。无论如何，利用目前的技术完成这个目标是不可能的。然而，这个目标可以很容易产生一系列更直接的子目标。这种方法在任何有挑战的计划中是很常见的。在美国空间计划中，Mercury计划和Gemini计划（载人轨道飞行任务）是阿波罗计划的两个先驱。机器人足球比赛的第一个子目标是“建立实际的和软件的机器人足球队，在调整的规则下，尽可能的踢好球”。即使是完成了这一目标，无疑也会产生对工业的很多方面有重要影响的技术。

机器人足球比赛还可以看作是一个“标准问题”，这样各种理论、算法和体系结构就能得以评估。计算机下棋就是标准问题的一个典型事例，可以通过这个领域来评价和开发各种算法。“深蓝”在正常规则下，打败了人类国际象棋冠军Kasparov。这表明计算机下棋的挑战即将完成。计算机下棋作为一个标准问题，其成功的一个主要原因是明确地定义了进步的评价。研究进展能够通过系统的实力来评价，这里是指美国的象棋等级。然而，要想完成计算机下棋的最初目标，还需要新的挑战。挑战需要为下一代的工业产生一系列的技术，机器人足球比赛可以完成上述要求。

图1 机器人足球比赛

3.机器人足球比赛涉及的关键技术

目前国内外许多学者对机器人足球越来越感兴趣，并积极参加世界杯比赛，主要是因为它将各种技术集成到一个独立的、完整的Agent上，并且通过比赛的方式考验其综合技术水平。通过这个项目能检验面向21世纪人类和机器人共存所必需的分布式多机器人的协调与合作技术及智能机器人知识处理水平。机器人足球所包含的关键技术及主要研究内容如下：

（1）视觉技术足球机器人对环境的认识主要依靠视觉系统。它相当于人的眼睛，因此视觉是机器人足球的关键技术。目前为实现视觉的实时处理，对物体的识别主要采用彩色信息，但今后为实现类人机器人的视觉必须研究形状信息和运动信息。在视觉技术中，另一个重要问题是视野问题。通常固定摄像机容易丢失机器人与球，因此最好采用全方位摄像机﹐但如果增加无用的视野﹐会降低图像分辨能力。因此要通过研究主动视觉与认知心理学技术来解决视觉中存在的识别效率与定位精度的难题。

（2）触觉技术在比赛过程中足球机器人经常和对方机器人碰撞，导致翻倒或撞伤，因此触觉系统受到格外重视，它相当于人的皮肤。现在主要利用红外线或声纳技术，通过事先预测方法避免碰撞，但由于其密度不大，仍未解决碰撞问题。为实现类人机器人自主避免碰撞问题，要研究高密度触觉传感器，即人造皮肤。

（3）移动机构机器人踢球是通过移动机构实现的。它相当于人的腿与脚，因此要求机器人必须跑得快，且动作要稳定、不易翻倒。为实现这个目的目前大部分采用和汽车类似的带轮子的小车。由于这种移动机构很难实现突然转身踢球等灵活运动，因此，出现了全方位移动机器人。但这些移动车，由于没腿，很难做到象人那样既能跑，又能踢球的功能，因此为最终实现类人足球机器人的目的，必须研究二足移动机器人的复杂运动控制问题。

（4）协调与合作技术在人类足球比赛中，各队员之间能否进行有效的协调与合作是胜负的关键。与此相似，在机器人足球比赛中，只有各队员之间紧密协调、合作才能取胜。为实现机器人球员之间的协调、合作，不但要研究基于多智能体系统（Multi-A-gent System）的行动决策技术，还要研究根据环境的动态变化如何实时实现进攻/防守队形的自动生成算法问题。

（5）无线通讯技在机器人足球比赛过程中﹐要使各队员之间协调与合作，应当通过无线通讯系统做好各队员之间的联络与沟通。通讯系统发挥人类嘴和耳朵的功能。在比赛过程中，由于机器人之间距离很近，会有无线电干扰，同时队员之间通讯必须对敌方保密，因此要开发抗干扰、高可靠、高保密性的无线电通讯网络系统。

（6）学习与进化技术设计者事先全部设计出足球机器人所有行动是比较困难的事情﹐因此应当和人类一样要通过学习使机器人具有自主行动的能力。目前让足球机器人进行复杂任务的学习比较困难，因此，要求通过示教与简单任务的学习使机器人具有自主控制能力。为了实现类人足球机器人的目的，需要通过遗传进化等算法，使球队进一步优化，产生更好的协调与决策算法。

4.机器人足球比赛的主要应用

为实现足球机器人打败人类足球冠军队的梦想，不但要研究和机器人足球有关的人工智能和机器人学的基础技术，还要在这些领域中指定新的标准问题，同时，以机器人足球为核心设立几个典型的应用领域，在到达目标过程中利用已开发的成熟技术直接为社会发展做出贡献。机器人足球项目要开展的应用领域如图2所示。

图2 机器人足球项目应用领域

（1）工业应用：将机器人足球包含的基础技术，以单个或集成技术形式改造传统企业技术或开发新型产品。

（2）军事应用：将机器人足球所包含的方法与基础技术，应用机器人部队的协同作战或救护机器人部队（火灾、地震）的协同救护系统上。

（3）体育应用：将机器人足球中用仿真技术开发的比赛策略技术应用到人类足球、蓝球等体育竞技比赛的策略开发系统上。

（4）教育应用：用机器人足球培养人才是一个新尝试。为实现机器人足球最终目标，必须要培养能制造机器人的人才，而这种人才，首先要通过设计、制作、比赛等环节培养科学精神。

（5）其它活动开展世界杯机器人足球赛、奥林匹克机器人足球比赛、全国机器人足球大赛，青少年普及型机器人足球赛及学术大会等活动。

5.结论

机器人足球比赛提出了具有吸引力但很难实现的挑战，给机器人学和人工智能研究提供了机遇。它还给出了一些挑战性的项目，来评价特殊的技术问题。随着技术的不断进步，这些挑战项目将会被新的挑战所代替。机器人足球比赛提供了一个促进人工智能和机器人学发展的综合的研究项目。如果机器人能够向人类一样踢足球，那么机器人就可以在危险、恶劣甚至人类无法到达的场合代替人类工作，这无疑将对人类社会产生巨大而深远的影响。因此，机器人足球比赛应该受到足够的重视。