一種基于動作語言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)器人在最近幾年來越來越受到研究者們的關(guān)注。機(jī)器人作為一個高度交叉的研究領(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。與傳統(tǒng)（自動）工業(yè)機(jī)器人相比，服務(wù)機(jī)器人在運行環(huán)境、感知能力、人機(jī)交互三個方面有顯著不同。
　　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)器人本身針對事先確定的特定環(huán)境

2、進(jìn)行設(shè)計，編程，使其具有能夠7x24小時不間斷的工作能力和健壯性。同時，絕大部分工業(yè)機(jī)器人在運行過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)計的物體，很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。一旦出現(xiàn)問題，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，同時環(huán)境中必然具有如人類、寵物等帶來各類不確定性的元素。因此，在服務(wù)機(jī)器人的工作過程中，需要考慮到這些潛在的不確定

3、性，并且在任務(wù)的執(zhí)行過程中能夠自主的克服因此出現(xiàn)的錯誤，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本體的感知，如機(jī)械臂中通過編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的測量，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檢測設(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，一方面是因為技術(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行環(huán)境進(jìn)行特別設(shè)計。然而對于服務(wù)機(jī)器人來說，對環(huán)境的感知能力尤其重要，第一點中提到的環(huán)境不確定性導(dǎo)致了機(jī)器人需要能夠?qū)Νh(huán)境的動態(tài)變化作出積極的應(yīng)對，如移動過程中不能撞到人。同時，又因為服務(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)器人仍然是通過終端與操作員交互，其本質(zhì)與電腦的交互方式相同。同時正如第一點所說，工業(yè)機(jī)器人基本固定

5、的工作環(huán)境使得工作過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)針對機(jī)器人的工作要求進(jìn)行了過程式的編程，因此在機(jī)器人運行中并不需要多少人工干預(yù)。但對于服務(wù)機(jī)器人來說，其工作過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)問題時從人類獲取幫助，無一不需要通過人機(jī)交互完成。
　　本文的研究目標(biāo)是通過實現(xiàn)一個通用的智能服務(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、問題。在本文的研究過程中，我們總結(jié)對于構(gòu)建一個通用服務(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，包括運動部件，如輪式底盤或雙足、機(jī)械臂、攝像頭云臺;機(jī)器人控制模塊，來控制各機(jī)器人部件;機(jī)器人感知模塊，來檢測和識別環(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，來實現(xiàn)一個能夠在不同環(huán)境中，應(yīng)對不確定性，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)實現(xiàn)的機(jī)器人能夠在具有不完全信息和動態(tài)變化的環(huán)境中，對于給定的欠描述目標(biāo)作出智能應(yīng)對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作被統(tǒng)一的在動作語言B(e)中描述;隨后，在給定任務(wù)以后，動作語言B(e)的描述被翻譯到回答集編程語言，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)劃動作序列

8、。在動作序列的執(zhí)行過程中，機(jī)器人通過感知模塊不斷更新對環(huán)境的認(rèn)識并檢查當(dāng)前規(guī)劃動作序列的有效性;一旦出現(xiàn)改變，及時對規(guī)劃序列進(jìn)行修正。我們提出并實現(xiàn)的系統(tǒng)框架特點和創(chuàng)新之處主要有以下三點。
　　第一，本文提供了一種基于動作語言B(e)的通用服務(wù)機(jī)器人行為表示方法。動作語言B(e)的語義基于回答集編程，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、物理行動可以

9、對這些狀態(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)的最短動作序列，驅(qū)動機(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)器人動作運行的執(zhí)行-監(jiān)測-重規(guī)劃框架，加入了一個并行的連續(xù)觀察機(jī)制，使得機(jī)器人能夠快速應(yīng)對環(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)行開始之后，不斷的通過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，并及時檢查當(dāng)前規(guī)劃動作序列是否在新

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)前動作的執(zhí)行并且進(jìn)行重規(guī)劃。
　　第三，在對世界狀態(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。由于框架中對待人機(jī)交互和感知行為的方式統(tǒng)一，它們從不同來源獲取的信息可能會出現(xiàn)不一致的情況。例如，機(jī)器人通過人機(jī)對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)器人通過感知發(fā)現(xiàn)餐桌上水的位置對機(jī)器

11、人來說無法抓取，或是餐桌上壓根就沒有水，那么機(jī)器人需要能夠通過對世界狀態(tài)和機(jī)器人信念狀態(tài)的組合更新來確保知識的一致性，以使機(jī)器人“知道”在這些問題出現(xiàn)時應(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)框架實現(xiàn)在了KeJia服務(wù)機(jī)器人上，并且在一個類似“通用服務(wù)機(jī)器人”場景下進(jìn)行了實驗，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”測試場景是機(jī)器人世界杯學(xué)術(shù)競賽家庭組項目中最有挑戰(zhàn)性的測試之一，也是最