自治移动式机器人模拟托尔曼（Edward C. Tolman）动物环境认知实验的研究

Navigation, path planning, and environmental exploration are the basic tasks of autonomous mobile robots, in which, environmental cognition is the core scientific problem. Tolman's cognitive theory of purposive behaviorism is based on observation and experiments on the environmental cognitive behavior of animals, which is an important part of behaviorism cognitive science. This proposal project attempt to apply autonomous mobile robots to simulate Tolman’s famous experiments of animals’ environmental cognition, to investigate and contrast the environmental cognitive behaviors of machines and animals, to explore machine learning theory, principles and methods of designing cognitive robotics, and moreover, to test and verify the cognitive theories or learning theories of behaviorism from the view of artificial intelligence and cognitive robotics.This proposal project will develop prototypical autonomous robots for acting the roles of the animals in Tolman’s experiments, so that, we are able to make emulated experiments with the robots on place learning including circuitous route, expectancy learning including hypothetical expectancy and reinforcement expectation, spatial memory and cognitive map, and learning motivation guided by purposes. This proposal project will facilitate our understanding of the cognitive theory and cognitive behaviors of animals, promote our research on cognitive robotics, and contribute to the intelligent robot for their independent environmental cognition, autonomous navigation and autonomous environmental exploration.

导航与路径规划，以及环境探索，是自治移动式机器人的基本任务，其中，环境认知是核心科学问题。托尔曼的目的行为主义认知理论，建立在对动物环境认知行为的观察和实验基础之上，是认知科学的重要组成部分。课题试图通过自治移动式机器人，模拟托尔曼的动物环境认知实验，对机器人和动物的环境认知行为进行类比研究，探索认知机器人的机器行为学习理论，以及机器人环境认知行为的设计原理和设计方法，同时，从人工智能和认知机器人学的视角，测试和验证行为主义认知理论。课题将基于行为主义认知理论，设计制作实验认知机器人，模拟托尔曼实验中的动物角色，进行空间位置学习（包括迂回路径认知）、期待学习（包括假设性期待和强化期待）、空间记忆和认知图，以及目的导引与学习动机等实验。课题将促进我们对行为主义认知理论以及动物环境认知行为的理解，促进我们对认知机器人学的研究，有助于智能机器人通过自主的环境认知和学习，实现自主导航和环境探索。

人和动物的诸多行为和技能都是在其生长发育中渐进形成和发展起来的，探索人和动物的认知机理，理解其认知行为，并将这种认知行为赋予自主移动式机器人，使其像人或动物一样具有环境认知和自主导航能力，是认知科学、人工智能和机器人学共同关心的课题。模拟动物的神经结构和认知机制，使机器人更加智能地进行环境认知和导航，一方面能促进我们对动物环境认知机理和导航行为的理解，另一方面可以帮助我们设计和构造像动物一样进行自主环境认知和导航的智能移动机器人。课题研究工作涉及：1）仿生环境认知模型研究；2）仿生行为学习模型研究；3）仿生导航学习模型研究；4）实验研究。在有关仿生环境认知模型的研究方面，课题分别建立了一种改进的皮层网络环境认知模型、一种结合内在动机理论的移动机器人环境认知模型以及基于海马体的环境认知模型。在有关仿生行为学习模型研究方面，课题模拟动物大脑的习惯生成机制，建立了基于纹状体的行为学习模型，给出了动物导航中习惯生成机制的一种可能的解释。在有关仿生导航学习模型研究方面，课题分别提出了基于子目标搜索的机器人目标导向RRT路径规划算法和基于“海马体—纹状体”环的导航学习模型。在实验研究方面，课题设计构造了物理实验模型，包括改进的仿昆虫六足机器人，以及仿生特种服务机器人。课题完成了预定的研究任务，研究工作取得了重要进展和有参考价值的研究成果。课题研究工作促进了我们对行为主义认知理论以及动物环境认知行为的理解，促进了我们对认知机器人学的研究，有助于智能机器人通过自主环境认知和学习，实现自主导航和环境探索。