机器人任务规划概要.ppt

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术

2、，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 规

3、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前，计算该程

4、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态时，无需第一条

5、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-401401。据英国。据

6、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，但往往是不可能的。替代的办

7、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，“随着我们超越低地随着我们超越低

8、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 斜斜把把 水水 壶壶 竖竖 直直 把

9、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何方面进行完全预测几乎是做不到的。

10、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合，这些结果很可能按照它们出现的可能

11、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，如果规划中某一步失败了，就能够容易地应用相关

12、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，必须执行下列各项任务：在规划系统中，必须执行下列各

13、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 RobotBluetooth Fighting Mini Robot蓝牙

14、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

15、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 初始和目标状态（初始和目标状态（Initial and goal states)In

16、itial 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

17、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 2.2 2.2 时间（时间（TimeTime）1.1.所有的设计问题都包括在时间范围内的一系列决策。所有的设计问题都包括在时间范围内的一系列决策。2.2.时间模型一定要设计的简洁，能简单的反应事实，以便动作执行。时间模型一定要设计的简洁，能简单的反应事实，以便动作执行。3.3.特殊的时间设计是不必

18、要的，但简洁的时间序列也要保证正确的特殊的时间设计是不必要的，但简洁的时间序列也要保证正确的动作序列。动作序列。4.4.一个简洁的时间设计的例子是一个简洁的时间设计的例子是Piano Movers ProblemPiano Movers Problem：解决方：解决方案是移动钢琴使其到另一个模拟状态，但是特殊的速度在方案中不被专属案是移动钢琴使其到另一个模拟状态，但是特殊的速度在方案中不被专属对待。对待。机器人演奏机器人演奏二 任务规划的基本要素 2.3 2.3 操作状态的动作序列（操作状态的动作序列（ActionsActions）1.1.一个计划产生一系列可以改变状态的动作。动作这个术语在这

19、里一个计划产生一系列可以改变状态的动作。动作这个术语在这里可以理解为人工智能中通用的可以理解为人工智能中通用的operatorsoperators。在控制理论和机器人理论中的。在控制理论和机器人理论中的对应术语为对应术语为inputsinputs和和controlscontrols。2.2.在设计规范中，当动作序列执行时，状态如何改变时必须要细致在设计规范中，当动作序列执行时，状态如何改变时必须要细致描述的。这就需要一个状态返回函数，来处理离散的时间变化或者可微分描述的。这就需要一个状态返回函数，来处理离散的时间变化或者可微分的连续时间上的变化。的连续时间上的变化。3.3.对应绝大多数动作设计

20、问题，关于时间的函数设计要避免直接在对应绝大多数动作设计问题，关于时间的函数设计要避免直接在状态空间相邻位置连续变换。状态空间相邻位置连续变换。二 任务规划的基本要素 2.4 2.4 初始和目标状态（初始和目标状态（Initial and goal statesInitial and goal states）1.1.一个计划问题通常包含初始化的状态和目标状态，过程通过一系列设计的一个计划问题通常包含初始化的状态和目标状态，过程通过一系列设计的中间状态及动作序列组成。中间状态及动作序列组成。2.2.初始状态是状态空间的一个特殊点，也是动作序列未发生时的全局状态。初始状态是状态空间的一个特殊点，也

21、是动作序列未发生时的全局状态。3.3.目标状态时设计的一系列动作执行后，决策者期待经过一系列状态变化后目标状态时设计的一系列动作执行后，决策者期待经过一系列状态变化后的最终状态。的最终状态。2525毫米大的毫米大的OzobotOzobot智能机器人，陪你玩游戏智能机器人，陪你玩游戏二 任务规划的基本要素 2.5 2.5 准据（准据（A criterionA criterion）1.1.准据将一个关于状态和动作的计划的输出结果进行编码成可执行准据将一个关于状态和动作的计划的输出结果进行编码成可执行格式。根据准据的类型，大致有两类方法。格式。根据准据的类型，大致有两类方法。2.2.可行性：不考虑其

22、效率，只考虑可行性。可行性：不考虑其效率，只考虑可行性。3.3.最佳性：可行的并最优效能，在一些特定条件下，可达到目标状最佳性：可行的并最优效能，在一些特定条件下，可达到目标状态。态。NaoNao智能机器人智能机器人二 任务规划的基本要素 2.6 2.6 运动计划（运动计划（A planA plan）1.1.大体来说，一个计划利用一个特殊的策略或者行为来施加于决策者。大体来说，一个计划利用一个特殊的策略或者行为来施加于决策者。2.2.计划应该使得动作序列容易被执行。然而，这使得设计更复杂。计划应该使得动作序列容易被执行。然而，这使得设计更复杂。3.3.预测未来的状态是困难的，因此关注被放在状态

23、转移的实现上。预测未来的状态是困难的，因此关注被放在状态转移的实现上。4.4.若不考虑未来的状态，当前的状态的最优方案是可以被设计出的，这若不考虑未来的状态，当前的状态的最优方案是可以被设计出的，这和贪心策略是相似的。和贪心策略是相似的。5.5.当前的方法中，利用反馈和活动计划是有效且广泛被采纳的。但是这当前的方法中，利用反馈和活动计划是有效且广泛被采纳的。但是这样的情况下有些状态不发被精确测量。这将被定义成为信息状态，在此之上计样的情况下有些状态不发被精确测量。这将被定义成为信息状态，在此之上计划的动作有条件被执行。划的动作有条件被执行。二 任务规划的基本要素日本开发出会跳舞唱歌美女机器人日

24、本开发出会跳舞唱歌美女机器人三 运动规划 3.1 3.1 运动规划概念运动规划概念 3.2 3.2 运动规划方法分类及常用算法运动规划方法分类及常用算法 3.3 3.3 路径规划路径规划三 运动规划 3.1 3.1 运动规划概念运动规划概念 运动规划就是对一系列动作所做的规划，它是综合机器人的动作序运动规划就是对一系列动作所做的规划，它是综合机器人的动作序列，即在某个给定初始情况下，经过某个动作序列而达到指定的目标。列，即在某个给定初始情况下，经过某个动作序列而达到指定的目标。动作序列的规划是一种智能行为，如果是简单的动作，我们可以采动作序列的规划是一种智能行为，如果是简单的动作，我们可以采用

25、单关节动作规划，然后将单个关节动作规划得到的数据分别存储，用于用单关节动作规划，然后将单个关节动作规划得到的数据分别存储，用于组成后续过程中的复杂动作。组成后续过程中的复杂动作。该机器人是由日本川田该机器人是由日本川田工业株式会社生产的，工业株式会社生产的，首台机器人已运至空客首台机器人已运至空客PuertoRealPuertoReal工厂，并将工厂，并将被集成在被集成在A380A380方向舵装方向舵装配台上。在那里，该机配台上。在那里，该机器人将和普通人类员工器人将和普通人类员工一起进行铆接工作一起进行铆接工作。三 运动规划 3.1 3.1 运动规划概念运动规划概念 机器人运动规划要完成的功

26、能一般包括两层：机器人运动规划要完成的功能一般包括两层：第一层即所谓的路径规划，移动机器人在具有障碍物环境中按照一第一层即所谓的路径规划，移动机器人在具有障碍物环境中按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态（包括位置和姿态）到目标状态（包定的评价标准，寻找一条从起始状态（包括位置和姿态）到目标状态（包括位置和姿态）的无碰路径。括位置和姿态）的无碰路径。第二层即跟踪控制，要求移动机器人依据路径规划得到路径解，设第二层即跟踪控制，要求移动机器人依据路径规划得到路径解，设计控制量序列驱动机器人安全快速地移动到目标点。计控制量序列驱动机器人安全快速地移动到目标点。20102010年年1010月月1616

27、日，日本东京，日，日本东京，美女机器人美女机器人“HRP-4C”(HRP-4C”(中中)在数位产品博览会上唱歌跳在数位产品博览会上唱歌跳舞。这个机器人身高舞。这个机器人身高1.581.58米，米，重重4343公斤，能说话，会做出公斤，能说话，会做出多种表情。多种表情。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：按照环境建模方式和搜索策略的异同，可将规划方法大致上分成三类，按照环境建模方式和搜索策略的异同，可将规划方法大致上分成三类，分别是基于自由空间几何构造的规划，前向图搜索算法和基于随机采样的运动分别是基于自由空间几何构造的规划，前向图搜索算法和基于随机采样

28、的运动规划。规划。1.1.基于自由空间几何构造的规划方法有可视图、切线图、基于自由空间几何构造的规划方法有可视图、切线图、VoronoiVoronoi图以及图以及精确（近似）栅格分解等方法。精确（近似）栅格分解等方法。2.2.前向搜索算法是从起始点出发向目标点搜索的算法，常用的包括贪心前向搜索算法是从起始点出发向目标点搜索的算法，常用的包括贪心算法、算法、DijkstraDijkstra算法、算法、A A*算法以及人工势场法等等。算法以及人工势场法等等。3.3.基于随机采样的规划始于基于随机采样的规划始于19901990年年BarraquandBarraquand和和LatombcLatomb

29、c提出的提出的RPPRPP（randomized potential plannerrandomized potential planner）规划算法，用于克服人工势场法存在的局）规划算法，用于克服人工势场法存在的局部极小和高维姿态空间中规划时存在的效率问题。部极小和高维姿态空间中规划时存在的效率问题。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：1.1.基于自由空间几何构造的规划方法基于自由空间几何构造的规划方法 其基本思想就是构造某种图来描述环境的自由空间，从图上找到满其基本思想就是构造某种图来描述环境的自由空间，从图上找到满足某种准则的最优路径。此法一般包

30、括两个阶段：第一阶段构造一个描述足某种准则的最优路径。此法一般包括两个阶段：第一阶段构造一个描述自由空间关系图，第二阶段按照一定的准则则自由空间关系图，第二阶段按照一定的准则则(最短距离、最少时间等最短距离、最少时间等)寻寻找一条最优路径。找一条最优路径。可视图法：在空间中，以多边形障碍物模型为基础可视图法：在空间中，以多边形障碍物模型为基础,任意形状障碍任意形状障碍物用近似多边形代替物用近似多边形代替,用直线将机器人运动的起始点和所有空间障碍物的用直线将机器人运动的起始点和所有空间障碍物的顶点以及目标点连接顶点以及目标点连接,并保证这些直线段不与空间障碍物相交并保证这些直线段不与空间障碍物相

31、交,形成了一形成了一张图张图,称为可视图。称为可视图。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：1.1.基于自由空间几何构造的规划方法基于自由空间几何构造的规划方法 栅格分解法：是目前研究最广泛的路径规划方法之一。该方法栅格分解法：是目前研究最广泛的路径规划方法之一。该方法将机器人的工作空间分解为多个简单的区域将机器人的工作空间分解为多个简单的区域,一般称为栅格。由这些栅格一般称为栅格。由这些栅格构成一个显式的连通图构成一个显式的连通图,或在搜索过程中形成隐式的连通图或在搜索过程中形成隐式的连通图,然后在图上然后在图上搜索一条从起始栅格到目标栅格的路径。一般

32、搜索一条从起始栅格到目标栅格的路径。一般,路径只需用栅格的序号表路径只需用栅格的序号表示。按照栅格划分的方式又分为确切的和不确切的两种。示。按照栅格划分的方式又分为确切的和不确切的两种。切线图法：以多边形障碍物模型为基础切线图法：以多边形障碍物模型为基础,任意形状障碍物用近似多任意形状障碍物用近似多边形替代边形替代,在自由空间中构造切线图。在自由空间中构造切线图。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：2.2.前向图搜索算法前向图搜索算法 贪心算法：是最简单的图搜索算法。是一种典型的集中考虑局部费用最贪心算法：是最简单的图搜索算法。是一种典型的集中考虑局部

33、费用最小化小化,而忽略全局最优的搜索算法而忽略全局最优的搜索算法,该算法不能保证一定收敛到目标节点该算法不能保证一定收敛到目标节点,就就是说是说,该算法不完备。该算法不完备。Dijkstra Dijkstra算法：是最短路径搜索的经典算法算法：是最短路径搜索的经典算法,首次出现在首次出现在1959 1959 年年,随后随后广泛应用在最短路径搜索问题中。该算法可以在显式图中找到从源节点到任意广泛应用在最短路径搜索问题中。该算法可以在显式图中找到从源节点到任意节点的最短路径节点的最短路径,或者从目标节点到图中任意节点的最短路径。如果该算法在或者从目标节点到图中任意节点的最短路径。如果该算法在到达目

34、标节点时结束到达目标节点时结束,那么一定可以找一条从源节点到目标节点的最短路径。那么一定可以找一条从源节点到目标节点的最短路径。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：2.2.前向图搜索算法前向图搜索算法 A A*算法：该算法是应用极广的隐式图启发式搜索算法算法：该算法是应用极广的隐式图启发式搜索算法,其距离函数其距离函数的定义具有启发性的定义具有启发性,在栅格结构的数据集上性能相当好。在栅格结构的数据集上性能相当好。人工势场法：其基本思想是引入一个称为势场的数值函数来描述机人工势场法：其基本思想是引入一个称为势场的数值函数来描述机器人空间的几何结构器人空

35、间的几何结构,通过搜索势场的下降方向来完成运动规划。势场分通过搜索势场的下降方向来完成运动规划。势场分为两部分为两部分,即目标位姿产生的吸引势和障碍物产生的排斥势。即目标位姿产生的吸引势和障碍物产生的排斥势。20112011年年6 6月月2929日，日本东京，昭和花子日，日本东京，昭和花子2 2号机器人向号机器人向媒体演示在医治过程中的反应。这是位女性机器人，媒体演示在医治过程中的反应。这是位女性机器人，由昭和大学同由昭和大学同tmsuktmsuk有限公司共同开发，被用来帮有限公司共同开发，被用来帮助牙科实习医生在临床培训中更好地了解病人的疼助牙科实习医生在临床培训中更好地了解病人的疼痛。这个

36、机器人能提供逼真的治疗情景，会张口、痛。这个机器人能提供逼真的治疗情景，会张口、闭口，转头，并发出闭口，转头，并发出“唉哟，太疼了！唉哟，太疼了！”的声音的声音三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：3.3.基于随机采样的运动规划方法基于随机采样的运动规划方法 前面介绍的规划算法基本上属于相对确定的方法前面介绍的规划算法基本上属于相对确定的方法,就是说对于同一就是说对于同一环境任意两次不同规通常环境任意两次不同规通常,规划问题的复杂度与机器人的自由度成指数关规划问题的复杂度与机器人的自由度成指数关系系,与环境中障碍物的规模成多项式关系与环境中障碍物的规模成

37、多项式关系,规划问题随着机器人自由度增规划问题随着机器人自由度增多会出现多会出现“维数灾难维数灾难(dimension curse)(dimension curse)”问题问题,因而以上确定性算法不因而以上确定性算法不适合解决高自由度机器人在复杂环境中的实时规划划适合解决高自由度机器人在复杂环境中的实时规划划,结果都相同。结果都相同。为了解决存在的问题为了解决存在的问题,科学家们采用基于在规划空间科学家们采用基于在规划空间(如位置空间、如位置空间、姿态空间、状态空间等姿态空间、状态空间等)中随机采样的方法中随机采样的方法,以损失完备性为代价提高算以损失完备性为代价提高算法的执行效率，下面介绍法

38、的执行效率，下面介绍PRMPRM算法。算法。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：3.3.基于随机采样的运动规划方法基于随机采样的运动规划方法 概率路标算法（概率路标算法（probabilistic roadmap methodprobabilistic roadmap method）算法的基本思想）算法的基本思想是用一个随机的网络来表示机器人系统运行的自由空间是用一个随机的网络来表示机器人系统运行的自由空间Cfree Cfree，这一随机，这一随机网络即是为机器人系统所建立的概率地图。网络即是为机器人系统所建立的概率地图。该算法可通过该算法可通过2 2

39、个阶段来完成：离线学习阶段个阶段来完成：离线学习阶段(1earning phase)(1earning phase)和在和在线查询阶段线查询阶段(query phase)(query phase)。电空客公司位于西班牙加电空客公司位于西班牙加迪斯的迪斯的PuertoRealPuertoReal工厂正工厂正在进行一项旨在提高工厂在进行一项旨在提高工厂装配自动化的项目，使用装配自动化的项目，使用日本制造的双臂仿人机器日本制造的双臂仿人机器人来承担飞机装配过程中人来承担飞机装配过程中的重复性工作。的重复性工作。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：4.4.其他

40、智能化规划方法其他智能化规划方法 路径规划是环境模型和搜索算法相结合的一种技术路径规划是环境模型和搜索算法相结合的一种技术,规划过程既是规划过程既是搜索的过程搜索的过程,也是推理的过程。人工智能中的很多优化、推理技术也被运也是推理的过程。人工智能中的很多优化、推理技术也被运用到移动机器人运动规划中来用到移动机器人运动规划中来,如遗传算法、模糊推理以及神经网络等在如遗传算法、模糊推理以及神经网络等在移动机器人运动规划中起到很大的作用。移动机器人运动规划中起到很大的作用。遗传算法规划器：首先初始化路径群体遗传算法规划器：首先初始化路径群体,然后进行遗传操作然后进行遗传操作,如选如选择、交叉、复制、

41、变异。经过若干代的进化以后择、交叉、复制、变异。经过若干代的进化以后,停止进化停止进化,输出当前最输出当前最优个体作为路径下一个节点。优个体作为路径下一个节点。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：4.4.其他智能化规划方法其他智能化规划方法 模糊规划器：模糊规划器利用反射式导航机制，将当前环境障碍信模糊规划器：模糊规划器利用反射式导航机制，将当前环境障碍信息作为模糊推理机的输入息作为模糊推理机的输入,推理机输出机器人期望的转向角和速度等。该推理机输出机器人期望的转向角和速度等。该方法在环境未知或发生变化的情况下方法在环境未知或发生变化的情况下,能够快速

42、而准确地规划机器人局部能够快速而准确地规划机器人局部路径路径,对于要求有较少路径规划时间的机器人是一种很好的导航方法。但对于要求有较少路径规划时间的机器人是一种很好的导航方法。但是是,其缺点是当障碍物数目增加时其缺点是当障碍物数目增加时,该方法的计算量较大该方法的计算量较大,影响规划结果影响规划结果,而且该规划器只利用局部信息作出快速反应而且该规划器只利用局部信息作出快速反应,较容易陷入局部极小。较容易陷入局部极小。三 运动规划 3.2 3.2 运动规划分类及常用算法：运动规划分类及常用算法：4.4.其他智能化规划方法其他智能化规划方法 神经网络规划器：近年来神经网络规划器：近年来,科学家一直

43、致力将机器学习的技术运用科学家一直致力将机器学习的技术运用到机器人中来，或者说致力于依靠智能机器人技术来推动机器学习的发展到机器人中来，或者说致力于依靠智能机器人技术来推动机器学习的发展,事实上事实上,它们是密不可分的。其基本原理是将环境障碍等作为神经网络的它们是密不可分的。其基本原理是将环境障碍等作为神经网络的输入层信息输入层信息,经由神经网络并行处理经由神经网络并行处理,神经网络输出层输出期望的转向角神经网络输出层输出期望的转向角和速度等和速度等,引导机器人避障行驶引导机器人避障行驶,直至到达目的地。直至到达目的地。20072007年年9 9月月2828日，在西班日，在西班牙的巴塞罗那，第

44、二代牙的巴塞罗那，第二代“阿西莫阿西莫”双脚步行机双脚步行机器人亮相并表演上楼梯。器人亮相并表演上楼梯。三 运动规划关节非常灵活的充气机器人关节非常灵活的充气机器人四 轨迹规划 4.1 4.1 路径和轨迹路径和轨迹 4.2 4.2 轨迹规划轨迹规划四 轨迹规划 4.14.1路径和轨迹路径和轨迹 机器人的轨迹指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。机器人的轨迹指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。路径路径是机器人位姿的一定序列是机器人位姿的一定序列,而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。如而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。如下张下张PPTPPT图所示图所示,如果有关机器人从如果有关

45、机器人从A A点运动到点运动到B B点点,再到再到C C点点,那么这中间那么这中间位姿序列就构成了一条路径。而轨迹则与何时到达路径中的每个部分有关位姿序列就构成了一条路径。而轨迹则与何时到达路径中的每个部分有关,强调的是时间。强调的是时间。机器人在路径上的依次运动机器人在路径上的依次运动 四 轨迹规划 4.2 4.2 轨迹规划轨迹规划 轨迹规划是指根据作业任务要求确定轨迹参数并实时计算和生成运轨迹规划是指根据作业任务要求确定轨迹参数并实时计算和生成运动轨迹。轨迹规划的一般问题有三个动轨迹。轨迹规划的一般问题有三个:(1)(1)对机器人的任务进行描述对机器人的任务进行描述,即运动轨迹的描述。即运

46、动轨迹的描述。(2)(2)根据已经确定的轨迹参数根据已经确定的轨迹参数,在计算机上模拟所要求的轨迹。在计算机上模拟所要求的轨迹。(3)(3)对轨迹进行实际计算对轨迹进行实际计算,即在运行时间内按一定的速率计算出位置、即在运行时间内按一定的速率计算出位置、速度和加速度速度和加速度,从而生成运动轨迹。从而生成运动轨迹。在规划中在规划中,不仅要规定机器人的起始点和终止点不仅要规定机器人的起始点和终止点,而且要给出中间而且要给出中间点点(路径点路径点)的位姿及路径点之间的时间分配的位姿及路径点之间的时间分配,即给出两个路径点之间的运即给出两个路径点之间的运动时间。动时间。四 轨迹规划 以二自由度平面关

47、节机器人为例。以二自由度平面关节机器人为例。如下图所示如下图所示,要求机器人从要求机器人从A A点运点运动到动到B B点。机器人在点。机器人在A A点时形位角为点时形位角为=20=20,=30,=30;达到达到B B点时的形位角点时的形位角是是=40=40,=80,=80。两关节运动的最大速率均为。两关节运动的最大速率均为1010/s/s。当机器人的所。当机器人的所有关节均以最大速度运动时有关节均以最大速度运动时,下方的连杆将用下方的连杆将用2s2s到达到达,而上方的连杆还需再而上方的连杆还需再运动运动3s,3s,可见路径是不规则的可见路径是不规则的,手部掠过的距离点也是不均匀的。手部掠过的距

48、离点也是不均匀的。二自由度机器人关节空间的非归一化运动二自由度机器人关节空间的非归一化运动 四 轨迹规划 设机器人手臂两个关节的运动用有关公共因子做归一化处理设机器人手臂两个关节的运动用有关公共因子做归一化处理,使手臂使手臂运动范围较小的关节运动成比例的减慢运动范围较小的关节运动成比例的减慢,这样这样,两个关节就能够同步开始和两个关节就能够同步开始和结束运动结束运动,即两个关节以不同速度一起连续运动即两个关节以不同速度一起连续运动,速率分别为速率分别为4 4/s/s和和1010/s/s。如下图所示为该机器人两关节运动轨迹。如下图所示为该机器人两关节运动轨迹,与前面的不同与前面的不同,其运动其运

49、动更加均衡更加均衡,且实现了关节速率归一化。且实现了关节速率归一化。二自由度机器人关节空间的归一化运动二自由度机器人关节空间的归一化运动 四 轨迹规划 如果希望机器人的手部可以沿如果希望机器人的手部可以沿ABAB这条直线运动这条直线运动,最简单的方法是将最简单的方法是将该直线等分为几部分该直线等分为几部分(图中分成图中分成5 5份份),),然后计算出各个点所需的形位角然后计算出各个点所需的形位角和和的值的值,这一过程称为两点间的插值。这时路径是一条直线这一过程称为两点间的插值。这时路径是一条直线,而形位角变而形位角变化并不均匀。如果路径点过少化并不均匀。如果路径点过少,将不能保证机器人在每一小

50、段内的严格直将不能保证机器人在每一小段内的严格直线轨迹。因此线轨迹。因此,为获得良好的沿循精度为获得良好的沿循精度,应对路径进行更加细致的分割。由应对路径进行更加细致的分割。由于对机器人轨迹的所有运动段的计算均基于直角坐标系于对机器人轨迹的所有运动段的计算均基于直角坐标系,因此该法属直角因此该法属直角坐标空间的轨迹规划。坐标空间的轨迹规划。二自由度机器人直角坐标空间的运动二自由度机器人直角坐标空间的运动 四 轨迹规划日本研究出能在石头剪刀布游戏中百战百胜的机器人日本研究出能在石头剪刀布游戏中百战百胜的机器人五 几种机器人规划的方法 5.1 5.1 积木世界的机器人规划积木世界的机器人规划 5.