机器人任务重规划机制的研究与实现

摘要 (i)

ABSTRACT ......................................................................................................... i i 第一章绪论 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 相关研究工作 (3)

1.2.1 控制层对机器人任务重规划的支持 (3)

1.2.2 机器人任务重规划 (4)

1.2.3 机器人软件对任务重规划的支持 (5)

1.3 研究内容及主要贡献 (7)

1.4 研究论文结构 (8)

第二章相关技术与平台介绍 (10)

2.1 开放环境下机器人的特点 (10)

2.2 机器人规划与重规划技术 (11)

2.2.1 经典规划技术 (11)

2.2.2 重规划（动态规划）技术 (11)

2.3 ROS平台介绍 (12)

2.3.1ROS概况 (12)

2.3.2ROS架构 (13)

2.3.3ROS中其他工具 (14)

2.4NAO机器人 (15)

2.4.1NAO机器人硬件构成 (15)

2.4.2NAO机器人的软件支持 (16)

2.5 本章小结 (17)

第三章基于事件的任务重规划机制ETRM (18)

3.1 相关技术介绍 (18)

3.2 基于事件的任务重规划机制 (19)

3.3 ETRM中的事件与任务 (22)

3.3.2 事件与任务的描述 (24)

3.4 任务可行性评估算法TFEA (25)

3.4.1 任务可行性评估算法 (26)

3.4.2 评估函数与替换函数 (27)

3.5 本章小结 (28)

第四章基于ROS的SAPE框架的设计与实现 (30)

4.1 基于ROS的SAPE框架 (30)

4.1.1 基于ROS的SAPE框架的总体架构 (30)

4.1.2SAPE框架中的ROS支持 (31)

4.2 SAPE框架的核心模块 (32)

4.2.1SAPE框架中的任务重规划 (32)

4.2.2SAPE框架中的核心模块 (33)

4.3 SAPE框架的实现 (35)

4.4 本章小结 (37)

第五章基于NAO机器人的案例设计与实现 (38)

5.1 室内环境下机器人服务用户案例的设计 (38)

5.1.1 简易真实场景的设计 (38)

5.1.2 软件实验环境 (40)

5.2 室内环境下机器人服务用户案例的实现 (40)

5.2.1 基于NAO机器人的应用程序实现 (41)

5.2.2 简易真实场景中案例的实现 (44)

5.3 室内机器人服务用户案例的结果分析 (45)

5.4 本章小结 (48)

第六章结束语 (49)

6.1总结 (49)

6.2展望 (50)

致谢 (51)

参考文献 (52)

参研项目 (56)

表目录

表2.1 机器人NAO的其他硬件信息 (16)

表3.1 机器人的几何特征限制范围的简介 (24)

表5.1 案例中的环境要素与及其说明 (39)

表5.2 理想场景说明 (39)

表5.3 纸盒位置变动场景说明 (39)

表5.4 通道出现障碍场景说明 (39)

表5.5 机器人临近纸盒场景 (40)

表5.6 机器人NAO主要部件的部分几何特征及限制 (41)

表5.7 机器人NAO可执行任务及其限制 (42)

表5.8 案例中的任务及其实现类 (42)

表5.9 案例中的事件 (43)

表5.10 案例中的任务 (43)

图目录

图1.1 工业制造领域与生活服务领域的机器人 (2)

图1.2 IBM的MAPE-K模型 (6)

图1.3 论文章节与结构 (8)

图2.1 ROS对多机器人实时计算的支持 (12)

图2.2 ROS中节点间的通信方式 (14)

图2.3 机器人NAO的硬件 (15)

图2.4 支持机器人NAO开发的软件 (16)

图2.5 可视化集成开发环境Choregraphe (17)

图3.1 PDDL与PKS的描述示例 (19)

图3.2 基于事件的任务重规划机制 (20)

图3.3 机器人NAO几何特征示例 (23)

图3.4 “捡东西”任务的定义 (25)

图4.1 基于ROS的SAPE框架的总体架构 (31)

图4.2 SAPE框架中的任务重规划过程 (32)

图4.3 感知器（Sensor）模块的主要功能 (33)

图4.4 行为器（Actor）模块的主要功能 (34)

图4.5 规划器（Planner）模块的主要功能 (34)

图4.6 执行器（Executor）模块的主要功能 (35)

图4.7 SAPE框架核心模块的总体结构图 (36)

图4.8 基于SAPE框架的任务重规划过程 (36)

图5.1 实验场景的全景设计图 (38)

图5.2 四种场景的转换图 (40)

图5.3 机器人NAO的整体几何特征与参考坐标系 (41)

图5.4 基于SAPE框架的NAO机器人应用程序结构图 (43)

图5.5 场景1——理想场景的实现 (44)

图5.6 场景2——纸盒位置变动场景的实现 (44)

图5.7 场景3中机器人处理障碍物的过程 (45)

图5.8 场景4——机器人临近纸盒场景的实现 (45)

图5.9 机器人NAO对红球的识别 (46)

图5.10 案例实现过程中任务序列及其他关键数据的变化 (46)