智能服务机器人软件系统设计

论文摘要

从机器人诞生以来至现在,工业机器人免去了大量的人工重复操作。然而目前的工业机器人只能工作在固定工作环境,它们在日常生活中对普通人的直接帮助远还是逊于普罗大众对机器人的狂热幻想。随着工业技术的日臻成熟,工业机器人在制造行业已经得到了广泛应用,尤其是在焊接、装配生产线上的作为重复劳动代劳者使用,对于稍显复杂多变的工作环境,更进一步地,与人类在同一环境中相互协作完成任务,目前的机器人技术还远远不能胜任。另一方面,随着人口结构的老龄化,以及电子化生活在普罗大众中普及,普通用户对于服务机器人进入我们日常生活的愿望也越来越强烈。目前的服务机器人由于自身两方面的障碍无法进入普通人的生活,第一是人-机器人的沟通障碍,第二是机器人对于复杂多变环境的适应能力远远达不到应用要求。为解决这两个问题,机器人研究人员主要从软件和硬件两个方面提高机器人在一般社会生活中的适用性。通过提高软件设计水平以及机器人的感知能力,降低人-机器人对话的技术门槛,提高机器人对于复杂环境的适应能力,增强多层次多优先级任务的执行能力,赋予机器人以智能。同时开发设计更加精巧灵活的机械运动机构和传感器,扩大机器人的活动空间。本文针对机器人的软件设计短板以及智能性的欠缺,首先从人工智能以及机器人的文化背景角度出发,阐述了服务机器人所需要的功能定位,总结了过去四十年中人工智能机器人设计的四种范式：分级范式、反应范式、混合范式,和学习范式。在此基础上本文介绍了一个智能机器人RobWen行为控制程序框架的构建实例,通过此框架下的机器人行为模式设计,使得机器人可以适应简单的办公室和校园工作环境,执行复杂结构的任务,对外界状态变化作出灵活响应。机器人程序框架包括以规划器为中心感知器、执行器、认知模块、以及记忆模块。本机器人的软件架构基于分布式机器人API:Player机器人开发平台。在Player分布式结构下,机器人的各项任务由并发执行的方式实施。机器人的各单元以线程的形式可以同时独立完成各自的任务,通过线程间消息完成交叉任务的消息传递和协作。在本文的最后提供了机器人在Stage仿真平台上的任务执行实例。仿真实验表明,在预定的系统数据读写频率上构建一个分布式并行操作的机器人软件架构是完全可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 什么是机器人
• 1.2 服务机器人研究现状
• 1.3 服务机器人关键技术
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本文研究工作的意义
• 第2章 人工智能：机器人的思维
• 2.1 人工智能的哲学肇始
• 2.2 人工智能的诞生
• 2.3 人工智能并非智能
• 2.4 人工智能机器人的范式
• 第3章 分级范式
• 3.1 分级范式的特点
• 3.2 分级范式的典范：STRIPS
• 3.3 分级范式的环境模型
• 3.4 封闭的环境假设和框架问题
• 第4章 反应范式
• 4.1 反应范式对分级范式的改进
• 4.2 反应范式的特征
• 4.3 反应式行为的特征
• 4.4 行为编程的优点
• 第5章 慎思/反应混合范式
• 5.1 混合范式概述
• 5.2 混合范式的属性
• 5.3 面向对象模型的机器人架构
• 5.4 Saphira
• 第6章 学习范式
• 6.1 机器人学习的必要性
• 6.2 机器人学习面对的问题
• 6.3 示教学习问题的描述
• 6.4 机器人任务的自然示教法
• 第7章 系统设计
• 7.1 设计与功能目标
• 7.1.1 感知与认知
• 7.1.2 规划
• 7.1.3 动作与行为
• 7.2 物理架构
• 7.3 软件架构
• 7.3.1 机器人开发平台及其必要性
• 7.3.2 分布式机器人API：Player
• 第8章 系统内部设计
• 8.1 系统功能实现综述
• 8.2 环境模型
• 8.3 规划单元的实现
• 8.3.1 动作与任务
• 8.3.2 任务的产生机制
• 8.4 感知的实现
• 8.4.1 基于人脸识别的用户身份
• 8.4.2 语音识别
• 8.4.3 环境障碍感知
• 8.4.4 空间定位
• 8.5 动作与任务的执行
• 8.6 记忆的实现
• 第9章 虚拟机器人仿真实验
• 9.1 仿真平台Stage
• 9.2 仿真空间和虚拟机器人建模
• 9.2.1 仿真环境搭建：school.world
• 9.2.2 固定路线行走
• 9.2.3 声纳辅助的非固定路线巡航
• 第10章 总结与展望
• 10.1 本文工作的总结
• 10.2 智能机器人的展望
• 参考文献
• 致谢