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机器人任务规划主要内容•一机器人的任务规划•二任务规划的基本要素•三运动规划•四轨迹规划•五几种机器人规划的方法一机器人的任务规划•1.1规划的概念•1.2规划的作用•1.3规划问题分解途径•1.4规划域的预测•1.5规划的修正•1.6规划系统所要执行的任务一机器人规划综述•1.1规划的概念：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。机器人规划（Robotplanning）是机器人学的一个重要研究领域。工作日规划上午子规划中午子规划下午子规划吃夹心面包阅读写作回家去上班阅读文章子规划的分层结构例子一机器人规划综述•1.1规划的概念：AutomaticplanningProblem-solvingtechniquebelongtoRobotplanningtypicalexampleRoboticsresearchareaof一机器人规划综述「双足(轮)自走机器人」零号机登场我会和人类一样跑步啦！一机器人规划综述•1.2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佳的问题求解。2014年4月机器人足球世界杯在德国开哨一机器人规划综述•1.3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。俄机器人宇航员SAR-401。据英国《每日邮报》11月27日报道，俄罗斯最早将于2014年派遣“机器人宇航员”前往国际空间站工作。一机器人规划综述•1.3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”航天飞机（Discovery）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。这位机器宇航员被命名为“R2”，它的活动范围接近于人类，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，“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要。”一机器人规划综述一个服务机器人在接受主人“给我倒一杯开水”的命令之后,机器人如何完成这一任务?一机器人规划综述取一个杯子找到水壶打开壶塞JOINTPOSITIONATOBMOVEHANDFROMATOB提起水壶到杯口上方慢慢把水壶倾斜把水壶竖直把水壶放回原处把水倒入杯中把水送给主人给我倒杯水任务规划运动规划轨迹规划总体任务子任务动作顺序关节运动规律一机器人规划综述一机器人规划综述规划控制机器人本体要求的任务期望的运动和力控制作用实际的运动和力人机接口一机器人规划综述•1.4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。一机器人规划综述•1.5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WowWee公司在CES大展上推出了可编程玩具机器人MiP一机器人规划综述•1.6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。•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。•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。BluetoothFightingMiniRobot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,规划的层数越多,用户操作越简单。一般的工业机器人,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：•机器人的规划是分层次的：•任务规划•动作规划•轨迹规划2014年5月5日，北京，2014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。一机器人规划综述奥巴马与日本人踢足球二任务规划的基本要素•2.1状态空间（State）•2.2时间（Time）•2.3操作状态的动作序列（Actions）•2.4初始和目标状态（Initialandgoalstates)•2.5标准（Acriterion）•2.6运动计划（Aplan）二任务规划的基本要素•2.1状态空间（State）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、直升机的位置和速度等。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。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。“猎豹”机器人二任务规划的基本要素•2.2时间（Time）1.所有的设计问题都包括在时间范围内的一系列决策。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。3.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。4.一个简洁的时间设计的例子是PianoMover’sProblem：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对待。机器人演奏二任务规划的基本要素•2.3操作状态的动作序列（Actions）1.一个计划产生一系列可以改变状态的动作。动作这个术语在这里可以理解为人工智能中通用的operators。在控制理论和机器人理论中的对应术语为inputs和controls。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。3.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。二任务规划的基本要素•2.4初始和目标状态（Initialandgoalstates）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中间状态及动作序列组成。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。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的最终状态。25毫米大的Ozobot智能机器人，陪你玩游戏二任务规划的基本要素•2.5准据（Acriterion）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格式。根据准据的类型，大致有两类方法。2.可行性：不考虑其效率，只考虑可行性。3.最佳性：可行的并最优效能，在一些特定条件下，可达到目标状态。Nao智能机器人二任务规划的基本要素•2.6运动计划（Aplan）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。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。3.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.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。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。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三运动规划•3.1运动规划概念•3.2运动规划方法分类及常用算法•3.3路径规划三运动规划•3.1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。该机器人是由日本川田工业株式会社生产的，首台机器人已运至空客PuertoReal工厂，并将被集成在A380方向舵装配台上。在那里，该机器人将和普通人类员工一起进行铆接工作。三运动规划•3.1运动规划概念•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。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。2010年10月16日，日本东京，美女机器人“HRP-4C”(中)在数位产品博览会上唱歌跳舞。这个机器人身高1.58米，重43公斤，能说话，会做出多种表情。三运动规划•3.2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，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规划。1.基于自由空间几何构造的规划方法有可视图、切线图、Voronoi图以及精确（近似）栅格分解等方法。2.前向搜索算法是从起始点出发向目标点搜索的算法，常用的包括贪心算法、Dijkstra算法、A*算法以及人工势场法等等。3.基于随机采样的规划始于1990年Barraquand和Latombc提出的RPP（randomizedpotentialplanner）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。三运动规划•3.2运动规划分类及常用算法：•1.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(最短距离、最少时间等)寻找一条最优路径。可视图法：在空间中，以多边形障碍物模型为基础,任意形状障碍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,形成了一张图,称为可视图。三运动规划•3.2运动规划分类及常用算法：•1.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,然后在图上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,任意形状障碍物用近似多边形替代,在自由空间中构造切线图。三运动规划•3.2运动规划分类及常用算法：•2.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小化,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,就是说,该算法不完备。Dijkstra算法：是最短路径搜索的经典算法,首次