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1、第15章智能机器人15.1智能机器人的概念15.2机器人感知15.3机器人规划15.4机器人控制15.5机器人系统的软件结构15.6机器人程序设计与语言习题十五15.1智能机器人的概念一般将机器人的发展分为三个阶段。第一阶段的机器人只有“手”,以固定程序工作,不具有外界信息的反馈能力；第二阶段的机器人具有对外界信息的反馈能力,即有了感觉,如力觉、触觉、视觉等；第三阶段,即所谓“智能机器人”阶段,这一阶段的机器人已经具有了自主性,有自行学习、推理、决策、规划等能力。这也正符合Agent的条件,所以,现在把智能机器
2、人也作为一种Agent。智能机器人至少应具备四种机能：感知机能——获取外部环境信息以便进行自我行动监视的机能；运动机能——施加于外部环境的相当于人的手、脚的动作机能；思维机能——求解问题的认识、推理、判断机能；人-机通信机能——理解指示命令、输出内部状态,与人进行信息交换的机能。15.2机器人感知机器人的感知包括对外界和对自身的感知。感知机能是靠传感器来实现的。因而,机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用来感知机器人的内部状态信息,包括关节位置、速度、加速度、姿态和方位等。常见的内部传感器有轴角编
3、码器、加速度计、陀螺系统等。外部传感器用来感知机器人外部环境信息,它又分为接触型和非接触型两种。前者有触觉、压觉、力觉、滑觉、热觉等,后者有视觉、听觉、接近觉、距离觉等。机器人传感器直接模仿人或生物的感觉器官。如根据人和昆虫眼睛的成像原理研制的视觉传感器,它能感受物体的形状、特征、颜色、位置、距离和运动等。还有听觉传感器、触觉传感器、味觉传感器等也是用相应的仿生原理制作的。立体摄像机和激光测距仪是机器人获得三维视觉的两类实用传感器。在机器人感知研究中,视觉方面的成果最为突出,机器人视觉已经成为一门新兴的独立学科。机器
4、人视觉的主要目的是从整体上理解一个给定的三维景物,为此,图像处理、模式识别、知识工程和三维视觉等技术特别是智能技术在机器人视觉的研制中得到了应用。15.3机器人规划机器人规划也称机器人问题求解。感知能力使机器人能够感知对象和环境,但要解决问题,即产生适应对象和环境的动作,还要依靠规划功能。规划就是拟定行动步骤。实际上它就是一种问题求解技术,即从某个特定问题的初始状态出发,寻找或构造一系列操作(也称算子)步骤,达到解决问题的目标状态。例如,给定工件装配任务,机器人按照什么步骤去操作每个工件？在杂乱的环境下,机器人如何寻求
5、避免与障碍碰撞的路径,去接近某个目标？规划功能的强弱反映了智能机器人的智能水平。机器人规划的基本任务是：在一个特定的工作区域中自动地生成从初始状态到目标状态的动作序列、运动路径和轨迹的控制程序。规划系统可分为两级：任务规划子系统和运动规划子系统。任务规划子系统根据任务命令,自动生成相应的机器人执行程序,如将任务理解为工作区的状态变化,则它生成的即为把初始状态变为目标状态的一个操作序列。运动规划子系统首先将任务规划的结果变成一个无碰撞的操作器运动路径,这一步称为路径规划；然后再将路径变为操作器各关节的空间坐标,形成运动轨
6、迹,这一步称为轨迹规划。任务规划需要解决三个基本技术问题：问题或状态的表示、搜索策略和子目标冲突问题。经过多年的探索,现在,至少已提出了四种有关任务规划问题的方法,这就是非层次规划、层次规划、估价式规划和机遇式规划。路径规划一般分解为寻空间和寻路径两个子问题。寻空间是指在某个指定的区域R中,确定物体A的安全位置,使它不与区域中的其他物体相碰撞。寻路径是指在某个指定的区域R中,确定物体A从初始位置移动到目标位置的安全路径,使得移动过程不会发生与其他物体的碰撞。路径规划的方法有假设-测试法、罚函数法、位姿空间法、旋转映射
7、图法等。近年来,随着计算智能技术的飞速发展,人们也把神经网络技术引入了机器人规划。例如,利用一种并列连接的神经网络可以实时地进行无碰撞路径规划。该网络对一系列的路径点进行规划,其目标使得整个路径的长度尽量短,同时又要尽可能远离障碍物。从数学的观点看,它等效于一个代价函数,该代价函数为路径长度和碰撞次数的函数。这种方法的优点是：(1)算法固有的并行性可用并行硬件来实现,对于有较多障碍物、有较多路径点以及物体上有较多测试点的情况,可达到实时应用的程度。(2)算法的并行性使得所规划的路径可以达到任意高的精度而不增加计算时间
8、。15.4机器人控制机器人控制即运动控制,包括位置控制和力控制。位置控制就是对于运动规划给出的运动轨迹,控制机器人的肢体(如机械手)产生相应的动作。力控制则是对机器人的肢体所发出的作用力(如机械手的握力和推力)大小的控制。运动控制涉及机器人的运动学和动力学特性,所以,运动控制研究需要许多运动学和动力学知识。总的来说,机器人运动控制
