机器人任务规划.ppt

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1、机器人任务规划主要内容 一一 机器人的任务规划机器人的任务规划 二二 任务规划的基本要素任务规划的基本要素 三三 运动规划运动规划 四四 轨迹规划轨迹规划 五五 几种机器人规划的方法几种机器人规划的方法一一 机器人的任务规划机器人的任务规划 1.1 1.1 规划的概念规划的概念 1.2 1.2 规划的作用规划的作用 1.3 1.3 规划问题分解途径规划问题分解途径 1.4 1.4 规划域的预测规划域的预测 1.5 1.5 规划的修正规划的修正 1.6 1.6 规划系统所要执行的任务规划系统所要执行的任务一 机器人规划综述 1.1 1.1 规划的概念：规划的概念： 自动规划是一种重要的问题求解技

2、术，它从某个特定的问题状态出自动规划是一种重要的问题求解技术，它从某个特定的问题状态出发，寻求一系列行为动作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。发，寻求一系列行为动作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。机器人规划（机器人规划（Robot planningRobot planning）是机器人学的一个重要研究领域。）是机器人学的一个重要研究领域。工工 作作 日日 规规 划划上午子规划上午子规划中午子规划中午子规划下午子规划下午子规划吃夹心面包吃夹心面包阅读阅读写作写作回家回家去上班去上班阅读文章阅读文章子规划的分层结构例子子规划的分层结构例子 一 机器人规划综述 1.1 1.1

3、规划的概念：规划的概念：Automatic planning Problem-solving technique belong to Robot planning typical example Roboticsresearch area of一 机器人规划综述双足双足( (轮轮) )自走机器人零号机登场自走机器人零号机登场 我会和人类一样跑步啦！我会和人类一样跑步啦！一 机器人规划综述 1.2 1.2 规划的作用：规划的作用： 在日常生活中，规划意味着在行动之前决定行动的进程，或者说规在日常生活中，规划意味着在行动之前决定行动的进程，或者说规划这一词指的是在执行一个问题求解程序中的任何一步之

4、前，计算该程序划这一词指的是在执行一个问题求解程序中的任何一步之前，计算该程序几步的过程。一个规划是一个行动过程的描述。缺乏规划可能导致不适最几步的过程。一个规划是一个行动过程的描述。缺乏规划可能导致不适最佳的问题求解。佳的问题求解。20142014年年4 4月机器人足球世界杯在德国开哨月机器人足球世界杯在德国开哨一 机器人规划综述 1.3 1.3 规划问题分解途径：规划问题分解途径： 把某些比较复杂的问题分解为一些比较小的子问题，有两条能够实把某些比较复杂的问题分解为一些比较小的子问题，有两条能够实现这种分解的重要途径。现这种分解的重要途径。 第一条重要途径是，当从一个问题状态移动到下一个状

5、态时，无需第一条重要途径是，当从一个问题状态移动到下一个状态时，无需计算整个新的状态，而只要考虑状态中可能变化了的那些部分。例如，一计算整个新的状态，而只要考虑状态中可能变化了的那些部分。例如，一个机器人从一个房间走动到另外一个房间，这并不改变两个房间内门窗的个机器人从一个房间走动到另外一个房间，这并不改变两个房间内门窗的位置。当问题状态的复杂程度提高时，研究如何决定哪些事物是变化的以位置。当问题状态的复杂程度提高时，研究如何决定哪些事物是变化的以及哪些是不变的问题（框架问题）就变得越来越重要。及哪些是不变的问题（框架问题）就变得越来越重要。 俄机器人宇航员俄机器人宇航员SAR-SAR-401

6、401。据英国。据英国每日邮每日邮报报1111月月2727日报道，俄日报道，俄罗斯最早将于罗斯最早将于20142014年派年派遣遣“机器人宇航员机器人宇航员”前前往国际空间站工作。往国际空间站工作。一 机器人规划综述 1.3 1.3 规划问题分解途径：规划问题分解途径： 第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的较为容易第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的较为容易解决的子问题，这种分解能够使困难问题的求解变得容易些。虽然这样做解决的子问题，这种分解能够使困难问题的求解变得容易些。虽然这样做有时是可能的，但往往是不可能的。替代的办法是，可以把许多问题看做有时是可能的，但往往

7、是不可能的。替代的办法是，可以把许多问题看做待可分解问题，即意味着它们可以被分割为只有少量相互作用的子问题。待可分解问题，即意味着它们可以被分割为只有少量相互作用的子问题。 “ “发现号发现号”航天飞机（航天飞机（DiscoveryDiscovery）的最后一项）的最后一项太空任务是将首台人形机器人送入国际空间站。这太空任务是将首台人形机器人送入国际空间站。这位机器宇航员被命名为位机器宇航员被命名为“R2”R2”，它的活动范围接，它的活动范围接 近近于人类，并可以执行那些对人类宇航员来说太过危于人类，并可以执行那些对人类宇航员来说太过危险的任务。美国宇航局表示，险的任务。美国宇航局表示，“随着

8、我们超越低地随着我们超越低地球轨道，这些机器人对美国宇航局的未来至关重球轨道，这些机器人对美国宇航局的未来至关重要。要。”一 机器人规划综述 一个服务机器人在接受主人一个服务机器人在接受主人“给我倒一杯开水给我倒一杯开水”的命令之的命令之后后, ,机器人如何完成这一任务机器人如何完成这一任务? ?一 机器人规划综述取取 一一 个个 杯杯 子子找找 到到 水水 壶壶打打 开开 壶壶 塞塞J O IN T P O S IT IO N A T O BM O V E H A N D F R O M A T O B提提 起起 水水 壶壶 到到 杯杯 口口 上上 方方慢慢 慢慢 把把 水水 壶壶 倾倾 斜

9、斜把把 水水 壶壶 竖竖 直直 把把 水水 壶壶 放放 回回 原原 处处把把 水水 倒倒 入入 杯杯 中中 把把 水水 送送 给给 主主 人人给给 我我 倒倒 杯杯 水水任务规划任务规划运动规划运动规划轨迹规划轨迹规划总体任务总体任务子任务子任务动作顺序动作顺序关节运动关节运动规律规律一 机器人规划综述一 机器人规划综述规规划划控控制制机机器器人人本本体体要求的要求的任务任务期望的期望的运动和运动和力力控制作用控制作用实际的实际的运动和运动和力力人人机机接接口口一 机器人规划综述 1.4 1.4 规划域的预测规划域的预测 对真实世界的任何方面进行完全预测几乎是做不到的。因此，必须对真实世界的任

10、何方面进行完全预测几乎是做不到的。因此，必须随时准备面对规划的失败。但是，如果在进行规划时把问题分解为尽可能随时准备面对规划的失败。但是，如果在进行规划时把问题分解为尽可能多的独立的（或近乎独立的）子问题，那么某一规划步骤的失败对规划的多的独立的（或近乎独立的）子问题，那么某一规划步骤的失败对规划的影响是十分局部的。影响是十分局部的。 如果通过在实际上执行某个操作序列来寻找问题的解答，那么在这如果通过在实际上执行某个操作序列来寻找问题的解答，那么在这个过程的任何一步都能确信该步的结果。但对于不可预测的论域，最好能个过程的任何一步都能确信该步的结果。但对于不可预测的论域，最好能考虑可能的结果的集

11、合，这些结果很可能按照它们出现的可能性以某个次考虑可能的结果的集合，这些结果很可能按照它们出现的可能性以某个次序排列。然后，产生一个规划，并试图去执行这个规划。序排列。然后，产生一个规划，并试图去执行这个规划。 一 机器人规划综述 1.5 1.5 规划的修正规划的修正 如果规划在执行中失败了，那么久需要对它进行修订，为了便于修如果规划在执行中失败了，那么久需要对它进行修订，为了便于修订，在规划中不仅要记下规划的执行步骤，而且也要记下每一步骤必须执订，在规划中不仅要记下规划的执行步骤，而且也要记下每一步骤必须执行的理由。这样，如果规划中某一步失败了，就能够容易地应用相关定向行的理由。这样，如果规

12、划中某一步失败了，就能够容易地应用相关定向回溯技术来确定规划的哪一部分与这一步有关而且可能需要修改。另一方回溯技术来确定规划的哪一部分与这一步有关而且可能需要修改。另一方面，如果它是从初始状态正向进行的，那么要决定需要的相关性可能是困面，如果它是从初始状态正向进行的，那么要决定需要的相关性可能是困难的。大多数规划系统主要是按目标定向模式工作的。难的。大多数规划系统主要是按目标定向模式工作的。机器人制造公司机器人制造公司WowWeeWowWee公司在公司在CESCES大展上推出了可编程玩具机器人大展上推出了可编程玩具机器人MiPMiP一 机器人规划综述 1.6 1.6 在规划系统中，必须执行下列

13、各项任务：在规划系统中，必须执行下列各项任务： 根据最有效的启发信息，选择应用于下一步的最好规则。根据最有效的启发信息，选择应用于下一步的最好规则。 应用所选取的规则来计算由于应用该规则而生成的新状态。应用所选取的规则来计算由于应用该规则而生成的新状态。 对所求得的解答进行检验。对所求得的解答进行检验。 检验空端，以便舍弃它们，使系统的求解工作向着更有效的方向进行。检验空端，以便舍弃它们，使系统的求解工作向着更有效的方向进行。 检验殆正确的解答，并应用具体的技术使之完全正确。检验殆正确的解答，并应用具体的技术使之完全正确。Bluetooth Fighting Mini RobotBluetoo

14、th Fighting Mini Robot蓝牙战斗小型玩具机器人蓝牙战斗小型玩具机器人一 机器人规划综述 智能化程度越高智能化程度越高, , 规划的层数越多规划的层数越多, ,用户操作越简单。一般的工业机器人用户操作越简单。一般的工业机器人, , 以轨迹规划为主以轨迹规划为主, ,高层的规划由人工完成。关于机器人规划的几点理解：高层的规划由人工完成。关于机器人规划的几点理解： 机器人的规划是分层次的：机器人的规划是分层次的： 任务规划任务规划 动作规划动作规划 轨迹规划轨迹规划20142014年年5 5月月5 5日，北京，日，北京，20142014全球移动互联网大会召开，在全球移动互联网大会

15、召开，在大会现场，来自大阪大学的智能机器人研究所所长石黑浩大会现场，来自大阪大学的智能机器人研究所所长石黑浩展示了新款智能机器人。该机器人外形机器极其逼真，能展示了新款智能机器人。该机器人外形机器极其逼真，能够完成点头、眨眼等动作，并可以进行简单的交谈。够完成点头、眨眼等动作，并可以进行简单的交谈。一 机器人规划综述奥巴马与日本人踢足球奥巴马与日本人踢足球二 任务规划的基本要素 2.1 2.1 状态空间（状态空间（StateState） 2.2 2.2 时间（时间（TimeTime） 2.3 2.3 操作状态的动作序列（操作状态的动作序列（ActionsActions） 2.4 2.4 初始和

16、目标状态（初始和目标状态（Initial and goal states)Initial and goal states) 2.5 2.5 标准（标准（A criterionA criterion） 2.6 2.6 运动计划（运动计划（A planA plan）二 任务规划的基本要素 2.1 2.1 状态空间（状态空间（StateState） 1. 1.设计问题包括所有可能发生的状态空间。比如机器人的位置和方向、直升设计问题包括所有可能发生的状态空间。比如机器人的位置和方向、直升机的位置和速度等。机的位置和速度等。 2. 2.离散的和连续的状态空间都是允许的；应该可以被简洁的用一个计划算法离散的和连续的状态空间都是允许的；应该可以被简洁的用一个计划算法描述。在大多数应用里，状态空间的大小（数目和复杂度）应该尽可能的被简洁描述。在大多数应用里，状态空间的大小（数目和复杂度）应该尽可能的被简洁描述。描述。 3. 3.状态空间是设计问题中最基本的也是最重要的，应该仔细设计及分析。状态空间是设计问题中最基本的也是最重要的，应该仔细设计及分析。“猎豹猎豹”机器人机器人二 任务规划的基本要素 2.