本文關(guān)鍵詞：一種基于動(dòng)作語(yǔ)言BC的通用服務(wù)機(jī)器人認(rèn)知與規(guī)劃系統(tǒng)　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：通用服務(wù)機(jī)器人在最近幾年來(lái)越來(lái)越受到研究者們的關(guān)注。機(jī)器人作為一個(gè)高度交叉的研究領(lǐng)域,關(guān)于其系統(tǒng)的研究工作往往需要從底層硬件、控制,到各類感知算法的支持,所以更多的研究工作主要集中在機(jī)器人的某方面能力。對(duì)于服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究,首先需要了解服務(wù)機(jī)器人的主要特點(diǎn)。與傳統(tǒng)(自動(dòng))工業(yè)機(jī)器人相比,服務(wù)機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境、感知能力、人機(jī)交互三個(gè)方面有顯著不同。第一,傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境往往是確定的,機(jī)器人本身針對(duì)事先確定的特定環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì),編程,使其具有能夠7x24小時(shí)不間斷的工作能力和健壯性。同時(shí),絕大部分工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中不允許人類或其他物體的干擾,一旦在工作環(huán)境中出現(xiàn)未預(yù)計(jì)的物體,很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。一旦出現(xiàn)問(wèn)題,工業(yè)機(jī)器人需要專門背景的專業(yè)維護(hù)人員進(jìn)行重置或維修,機(jī)器人本身的維護(hù)代價(jià)很高。而服務(wù)機(jī)器人與此不同,其工作環(huán)境一般不確定,同時(shí)環(huán)境中必然具有如人類、寵物等帶來(lái)各類不確定性的元素。因此,在服務(wù)機(jī)器人的工作過(guò)程中,需要考慮到這些潛在的不確定性,并且在任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中能夠自主的克服因此出現(xiàn)的錯(cuò)誤,繼續(xù)完成任務(wù)。第二,傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的感知能力往往局限在對(duì)本體的感知,如機(jī)械臂中通過(guò)編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量,或是安裝在特定部位的力矩傳感器獲得關(guān)節(jié)的力數(shù)據(jù)。部分新型的工業(yè)機(jī)器人裝備有能夠?qū)μ囟繕?biāo)物體如零件位置的視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備,擴(kuò)大了機(jī)器人的感知范圍,提高了機(jī)器人的適應(yīng)性。盡管如此,絕大部分工業(yè)機(jī)器人的感知能力都是非常受限的,一方面是因?yàn)榧夹g(shù)的局限性,另一方面也是為了盡可能的提高效率因此將運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。然而對(duì)于服務(wù)機(jī)器人來(lái)說(shuō),對(duì)環(huán)境的感知能力尤其重要,第一點(diǎn)中提到的環(huán)境不確定性導(dǎo)致了機(jī)器人需要能夠?qū)Νh(huán)境的動(dòng)態(tài)變化作出積極的應(yīng)對(duì),如移動(dòng)過(guò)程中不能撞到人。同時(shí),又因?yàn)榉⻊?wù)機(jī)器人不同工作環(huán)境的巨大差別,更要求能夠它們能夠在這些環(huán)境中都能夠具有對(duì)目標(biāo)相關(guān)物體的感知能力。第三,絕大部分傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人仍然是通過(guò)終端與操作員交互,其本質(zhì)與電腦的交互方式相同。同時(shí)正如第一點(diǎn)所說(shuō),工業(yè)機(jī)器人基本固定的工作環(huán)境使得工作過(guò)程中需要與人交互的需求較少,維護(hù)和操作人員往往在機(jī)器人投入生產(chǎn)之前就已經(jīng)針對(duì)機(jī)器人的工作要求進(jìn)行了過(guò)程式的編程,因此在機(jī)器人運(yùn)行中并不需要多少人工干預(yù)。但對(duì)于服務(wù)機(jī)器人來(lái)說(shuō),其工作過(guò)程中天然的需要與人類進(jìn)行大量交互,從基本的聊天,到從人類獲取命令和任務(wù),以及出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)從人類獲取幫助,無(wú)一不需要通過(guò)人機(jī)交互完成。本文的研究目標(biāo)是通過(guò)實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的智能服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng),并以此為范例研究通用服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中的若干問(wèn)題。在本文的研究過(guò)程中,我們總結(jié)對(duì)于構(gòu)建一個(gè)通用服務(wù)機(jī)器人,主要有兩類難度。第一類難度在于研發(fā)機(jī)器人需要具備的若干基本功能,包括運(yùn)動(dòng)部件,如輪式底盤(pán)或雙足、機(jī)械臂、攝像頭云臺(tái)；機(jī)器人控制模塊,來(lái)控制各機(jī)器人部件；機(jī)器人感知模塊,來(lái)檢測(cè)和識(shí)別環(huán)境中感興趣的物體。第二類難度在于機(jī)器人的認(rèn)知和決策規(guī)劃系統(tǒng),即當(dāng)機(jī)器人擁有了一系列適應(yīng)服務(wù)要求的基本能力以后,如何將這些能力鏈合在一起,來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠在不同環(huán)境中,應(yīng)對(duì)不確定性,用自然的方式與人交互并完成人要求任務(wù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)。本文提出并實(shí)現(xiàn)的智能服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)框架是為了解決上述第二類難題的一種可能途徑。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人能夠在具有不完全信息和動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中,對(duì)于給定的欠描述目標(biāo)作出智能應(yīng)對(duì)并且盡最大努力完成任務(wù)。在該框架中,人機(jī)交互,感知行為以及物理動(dòng)作被統(tǒng)一的在動(dòng)作語(yǔ)言Be中描述；隨后,在給定任務(wù)以后,動(dòng)作語(yǔ)言Be的描述被翻譯到回答集編程語(yǔ)言,并且調(diào)用其求解器進(jìn)行求解,生成試圖完成任務(wù)的規(guī)劃動(dòng)作序列。在動(dòng)作序列的執(zhí)行過(guò)程中,機(jī)器人通過(guò)感知模塊不斷更新對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)并檢查當(dāng)前規(guī)劃動(dòng)作序列的有效性；一旦出現(xiàn)改變,及時(shí)對(duì)規(guī)劃序列進(jìn)行修正。我們提出并實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框架特點(diǎn)和創(chuàng)新之處主要有以下三點(diǎn)。第一,本文提供了一種基于動(dòng)作語(yǔ)言Be的通用服務(wù)機(jī)器人行為表示方法。動(dòng)作語(yǔ)言Be的語(yǔ)義基于回答集編程,它的表示刻畫(huà)的是一種描述世界狀態(tài)的轉(zhuǎn)移系統(tǒng),能夠用來(lái)刻畫(huà)環(huán)境信息和機(jī)器人內(nèi)部信念狀態(tài)。三種不同的行為,即人機(jī)交互、感知、物理行動(dòng)可以對(duì)這些狀態(tài)造成不同的影響。在給定目標(biāo)以后,回答集編程的求解器通過(guò)在轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中搜索,能夠生成一條從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最短動(dòng)作序列,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人一步步完成指定的任務(wù)。第二,本文擴(kuò)展了傳統(tǒng)的控制機(jī)器人動(dòng)作運(yùn)行的執(zhí)行-監(jiān)測(cè)-重規(guī)劃框架,加入了一個(gè)并行的連續(xù)觀察機(jī)制,使得機(jī)器人能夠快速應(yīng)對(duì)環(huán)境中的變化。連續(xù)觀察機(jī)制在機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行開(kāi)始之后,不斷的通過(guò)感知模塊將獲得的信息提取抽象成規(guī)劃系統(tǒng)的內(nèi)部表示,并及時(shí)檢查當(dāng)前規(guī)劃動(dòng)作序列是否在新的信息出現(xiàn)以后仍然能夠完成目標(biāo)；一旦當(dāng)前規(guī)劃無(wú)法完成任務(wù),或有更短的規(guī)劃序列出現(xiàn),則視情況中止當(dāng)前動(dòng)作的執(zhí)行并且進(jìn)行重規(guī)劃。第三,在對(duì)世界狀態(tài)和機(jī)器人內(nèi)部信念狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一表示之后,機(jī)器人的“認(rèn)知狀態(tài)”可以在一定程度下被刻畫(huà)。由于框架中對(duì)待人機(jī)交互和感知行為的方式統(tǒng)一,它們從不同來(lái)源獲取的信息可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。例如,機(jī)器人通過(guò)人機(jī)對(duì)話方式從人類獲得的目標(biāo)是“從餐桌上拿一瓶水給我”,而機(jī)器人通過(guò)感知發(fā)現(xiàn)餐桌上水的位置對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)無(wú)法抓取,或是餐桌上壓根就沒(méi)有水,那么機(jī)器人需要能夠通過(guò)對(duì)世界狀態(tài)和機(jī)器人信念狀態(tài)的組合更新來(lái)確保知識(shí)的一致性,以使機(jī)器人“知道”在這些問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)應(yīng)該如何處理,才能不影響任務(wù)的繼續(xù)執(zhí)行。本文提出的系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)在了KeJia服務(wù)機(jī)器人上,并且在一個(gè)類似“通用服務(wù)機(jī)器人”場(chǎng)景下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),能夠在類似家庭的環(huán)境中不斷的為人服務(wù),提供飲料。“通用服務(wù)機(jī)器人”測(cè)試場(chǎng)景是機(jī)器人世界杯學(xué)術(shù)競(jìng)賽家庭組項(xiàng)目中最有挑戰(zhàn)性的測(cè)試之一,也是最能體現(xiàn)機(jī)器人智能的測(cè)試。KeJia服務(wù)機(jī)器人從2009年起參加機(jī)器人世界杯家庭服務(wù)組的比賽,于2014年在巴西獲得了該項(xiàng)目的世界冠軍,并在2011、2013、2015年多次獲得世界亞軍。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242

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1 ;2001恩格爾伯格機(jī)器人獎(jiǎng)?lì)C布[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2001年05期

2 ;神奇的機(jī)器人世界[J];機(jī)電新產(chǎn)品導(dǎo)報(bào);2001年Z5期

3 宋樹(shù)藩;采用機(jī)器人的有效自動(dòng)化[J];世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng);2001年06期

4 ;創(chuàng)造出色的機(jī)器人[J];個(gè)人電腦;2003年04期

5 ;危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人——人類的好幫手——訪國(guó)家863機(jī)器人技術(shù)主題專家組專家戴先中教授[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2003年03期

6 小才;;機(jī)器人時(shí)代[J];電腦愛(ài)好者;2006年13期

7 宋海宏;;機(jī)器人技術(shù)展望[J];山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào);2006年04期

8 董煬斌;蔣靜坪;何衍;;一種基于雙令牌的多機(jī)器人協(xié)作策略研究[J];計(jì)算機(jī)工程;2007年12期

9 王國(guó)奎;劉彥波;;草方格鋪設(shè)機(jī)器人綜合、高效控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J];科技咨詢導(dǎo)報(bào);2007年20期

10 陳秀珍;潘拓;;21世紀(jì)初機(jī)器人技術(shù)的走向[J];中國(guó)設(shè)備工程;2007年11期

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1 楊朝虹;張海珠;;機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[A];先進(jìn)制造技術(shù)論壇暨第五屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)交流會(huì)論文集[C];2006年

2 王明輝;王楠;李斌;;面向?yàn)?zāi)難救援的機(jī)器人控制站系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第十二屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

3 郭戈;王燕;王偉;;一種多機(jī)器人協(xié)作方法[A];第二十屆中國(guó)控制會(huì)議論文集（下）[C];2001年

4 崔世鋼;邴志剛;彭商賢;王玉東;;基于遠(yuǎn)程腦概念的服務(wù)機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[A];先進(jìn)制造技術(shù)論壇暨第二屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)交流會(huì)論文集[C];2003年

5 楊瑩;丁X;許侃;;國(guó)際機(jī)器人科學(xué)知識(shí)前沿演化的可視化分析[A];科學(xué)學(xué)理論與科學(xué)計(jì)量學(xué)探索——全國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)暨科學(xué)學(xué)理論與學(xué)科建設(shè)2008年聯(lián)合年會(huì)論文集[C];2008年

6 唐矯燕;趙群飛;黃杰;楊汝清;;基于兩足步行椅機(jī)器人的人在環(huán)中的助殘機(jī)器人控制系統(tǒng)[A];第二十六屆中國(guó)控制會(huì)議論文集[C];2007年

7 薛頌東;曾建潮;杜靜;;具運(yùn)動(dòng)學(xué)特性約束的群機(jī)器人目標(biāo)搜索[A];2009中國(guó)控制與決策會(huì)議論文集（2）[C];2009年

8 張國(guó)偉;李斌;龔海里;王聰;鄭懷兵;;廢墟洞穴搜救機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第十二屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

9 崔世鋼;方景林;劉嘉q;彭商賢;邴志剛;;服務(wù)機(jī)器人開(kāi)發(fā)中測(cè)控問(wèn)題的研究[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第五屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2003年

10 吳國(guó)盛;李云霞;李驪;;一種基于極坐標(biāo)系下的機(jī)器人動(dòng)態(tài)避碰算法[A];2006中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2006年

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5 崔鑫;機(jī)器人也能和您一起下廚[N];北京科技報(bào);2012年

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7 本報(bào)記者　 陳淑娟;機(jī)器人走近生活[N];計(jì)算機(jī)世界;2006年

8 虎虎;科學(xué)好玩（三）[N];四川科技報(bào);2007年

9 孫潛彤;新松公司：在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域顯身手[N];經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2008年

10 財(cái)宣邋Q孟推，

本文編號(hào)：1317840