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).pdf

1、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

2、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

3、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

4、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?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

5、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

6、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，如何將這些能力整合在一起，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

7、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B(e)中描述;隨后，在給定任務(wù)以后，動(dòng)作語(yǔ)言B(e)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

8、。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B(e)的通用服務(wù)機(jī)器人行為表示方法。動(dòng)作語(yǔ)言B(e)的語(yǔ)義基于回答集編程，它的表示刻畫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

9、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

10、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。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

11、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?！巴ㄓ梅?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