《人工智能》第八章機器人規(guī)劃

第八章機器人規(guī)劃8.1機器人規(guī)劃的作用與任務(wù)8.2積木機器的機器人規(guī)劃8.3STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)8.4具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)8.5基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃8.6小結(jié)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所28.1

機器人規(guī)劃的作用與任務(wù)

8.1.1 規(guī)劃的作用與問題分解途徑

規(guī)劃的概念及作用規(guī)劃的概念規(guī)劃是一種重要的問題求解技術(shù)，它從某個特定的問題狀態(tài)動身，尋求一系列行為動作，并建立一個操作序列，直到求得目標狀態(tài)為止。

圖8.1子規(guī)劃的分層構(gòu)造例子工作日規(guī)劃上午子規(guī)劃中午子規(guī)劃下午子規(guī)劃吃夾心面包閱讀寫作回家去上班閱讀文章中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所3規(guī)劃的作用規(guī)劃可用來監(jiān)控問題求解過程，并能夠在造成較大的危害之前覺察過失。規(guī)劃的好處可歸納為簡化搜尋、解決目標沖突以及為過失補償供給根底。問題分解途徑及方法把某些比較簡單的問題分解為一些比較小的子問題。有兩條能夠?qū)崿F(xiàn)這種分解的重要途徑。第一條重要途徑是當從一個問題狀態(tài)移動到下一個狀態(tài)時，無需計算整個新的狀態(tài)，而只要考慮狀態(tài)中可能變化了的那些局部。其次條重要途徑是把單一的困難問題分割為幾個有希望的較為簡潔解決的子問題。8.1自動規(guī)劃的作用與任務(wù)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所48.1.2 機器人規(guī)劃系統(tǒng)的任務(wù)與方法在規(guī)劃系統(tǒng)中，必需具有執(zhí)行以下各項任務(wù)的方法：依據(jù)最有效的啟發(fā)信息，選擇應(yīng)用于下一步的最好規(guī)章。應(yīng)用所選取的規(guī)章來計算由于應(yīng)用該規(guī)章而生成的新狀態(tài)。對所求得的解答進展檢驗。檢驗空端，以便舍棄它們，使系統(tǒng)的求解工作向著更有效的方向進展。檢驗殆正確的解答，并應(yīng)用具體的技術(shù)使之完全正確。8.1自動規(guī)劃的作用與任務(wù)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所58.2積木世界的機器人規(guī)劃

8.2.1積木世界的機器人問題積木世界由一些有標記的立方形積木，相互堆迭在一起構(gòu)成；機器人有個可移動的機械手，它可以抓起積木塊并移動積木從一處至另一處。CBA機械手中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所6在這個例子中機器人能夠執(zhí)行的動作舉例如下：unstack(a,b)：把堆放在積木b上的積木a撿起。在進展這個動作之前，要求機器人的手為空手，而且積木a的頂上是空的。stack(a,b)：把積木a堆放在積木b上。動作之前要求機械手必需已抓住積木a，而且積木b頂上必需是空的。pickup(a)：從桌面上撿起積木a，并抓住它不放。在動作之前要求機械手為空手，而且積木a頂上沒有任何東西。putdown(a)：把積木a放置到桌面上。要求動作之前機械手已抓住積木a。8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所7爭論內(nèi)容是綜合機器人的動作序列，即在某個給定初始狀況下，經(jīng)過某個動作序列而到達指定的目標。機器人問題的狀態(tài)描述和目標描述均可用謂詞規(guī)律公式構(gòu)成：ON(a,b)：積木a在積木b之上。ONTABLE(a)：積木a在桌面上。CLEAR(a)：積木a頂上沒有任何東西。HOLDING(a)：機械手正抓住積木a。HANDEMPTY：機械手為空手。8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所8

圖8.4(a)所示為初始布局的機器人問題。目標在于建立一個積木堆，其中，積木B堆在積木C上面，積木A又堆在積木B上面，如圖8.4(b)所示。CBA機械手ABC機械手（a）初始布局（b）目標布局圖8.4積木世界的機器人問題8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所9初始布局可由以下謂詞公式的合取來表示：CLEAR(B)：積木B頂部為空CLEAR(C)：積木C頂部為空ON(C，A)：積木C堆在積木A上ONTABLE(A)：積木A置于桌面上ONTABLE(B)：積木B置于桌面上HANDEMPTY：機械手為空手8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所108.2.2 用F規(guī)章求解規(guī)劃序列STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)章由3局部組成：第一局部是先決條件。其次局部是一個叫做刪除表的謂詞。

第三局部叫做添加表。

8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所11例：表示積存木的例子中move這個動作，如下所示：move(x,y,z)：把物體x從物體y上面移到物體z上面。先決條件：CLEAR(x),CLEAR(z)，ON(x,y)刪除表：ON(x,z)，CLEAR(z)添加表：ON(x,z)，CLEAR(y)假設(shè)move為此機器人僅有的操作符或適用動作，那么，可以生成如圖8.5所示的搜尋圖或搜尋樹。CLEAR(X)CLEAR(Z)ON(X,Y)ONTABLE(Y)ONTABLE(Z)CLEAR(X)CLEAR(Y)ON(X,Z)ONTABLE(Y)ONTABLE(z)move(X,Y,Z)圖8.5表示move動作的搜索樹8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所12機器人的4個動作(或操作符)可用STRIPS形式表示如下：

stack(X,Y)

先決條件和刪除表：HOLDING(X)∧CLEAR(Y)

添加表：HANDEMPTY，ON(X，Y)

unstack(X,Y)

先決條件：HANDEMPTY∧ON(X，Y)∧CLEAR(X)

刪除表：ON(X，Y)，HANDEMPTY

添加表：HOLDING(X)，CLEAR(Y)

pickup(X)

先決條件：ONTABLE(X)∧CLEAR(X)∧HANDEMPTY

刪除表：ONTABLE(X)∧HANDENPTY

添加表：HOLDING(X)

putdown(X)

先決條件和刪除表：HOLDING(X)

添加表：ONTABLE(X)，HANDEMPTY8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所13

從初始狀態(tài)開頭，正向地依次讀出連接弧線上的F規(guī)章，我們就得到一個能夠到達目標狀態(tài)的動作序列〔如圖8.6中粗線所示〕于下：{unstack(C,A),putdown(C),pickup(B),stack(B,C),pickup(A),stack(A,B)}就把這個動作序列叫做到達這個積木世界機器人問題目標的規(guī)劃。8.2積木世界的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所148.3STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)STRIPS的介紹STRIPS是由Fikes、Hart和Nilsson3人在1981及1982爭論成功的，它是夏凱(Shakey)機器人程序掌握系統(tǒng)的一個組成局部。STRIPS系統(tǒng)組成世界模型：為一階謂詞演算公式；操作符(F規(guī)章)：包括先決條件、刪除表和添加表；操作方法：應(yīng)用狀態(tài)空間表示和中間-結(jié)局分析。中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所158.4具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)

PULP-Ⅰ機器人規(guī)劃系統(tǒng)PULP-Ⅰ機器人規(guī)劃系統(tǒng)是一種具有學(xué)習(xí)力量的系統(tǒng)，它承受治理式學(xué)習(xí)，其作用原理是建立在類比(analogue)的根底上的。STRIPS的弱點需要極其大量計算機內(nèi)存和時間等。應(yīng)用具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)能夠抑制這一缺點。中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所168.4.1 PULP-Ⅰ系統(tǒng)的構(gòu)造與操作方式PULP-Ⅰ系統(tǒng)的構(gòu)造“字典”是英語詞匯的集合?！澳Ｐ汀本植堪Ｐ褪澜缥锉磉_有狀態(tài)的事實?！斑^程”集中了予先預(yù)備好的過程學(xué)問?！胺綁K”集中了LISP程序，它協(xié)作“規(guī)劃”對“模型”進展搜尋和修正。SENEF程序規(guī)劃與學(xué)習(xí)字典模型過程方塊響應(yīng)輸入圖8.14PULP-Ⅰ系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

8.4具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所17PULP-Ⅰ系統(tǒng)的操作方式PULP-Ⅰ系統(tǒng)具有兩種操作方式：學(xué)習(xí)方式

在學(xué)習(xí)方式下，輸入至系統(tǒng)的學(xué)問是由操作人員或者所謂“教師”供給的。圖8.15表示出在學(xué)習(xí)方式下的系統(tǒng)操作。存儲任務(wù)分析方塊匹配過程分解學(xué)習(xí)教師輸入任務(wù)知識響應(yīng)圖8.15學(xué)習(xí)方式下PULP-Ⅰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

8.4具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所18規(guī)劃方式當某個命令句子送入系統(tǒng)時，PULP-Ⅰ就進入規(guī)劃方式。上圖表示PULP-Ⅰ系統(tǒng)在規(guī)劃方式下的構(gòu)造。檢索混合規(guī)劃方塊目標檢驗匹配單一規(guī)劃規(guī)劃輸入命令響應(yīng)過程模型圖8.16規(guī)劃方式下PULP-Ⅰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

8.4具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所198.5基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃機器人規(guī)劃專家系統(tǒng)就是用專家系統(tǒng)的構(gòu)造和技術(shù)建立起來的機器人規(guī)劃系統(tǒng)。治理式學(xué)習(xí)力量的機器人規(guī)劃系統(tǒng)的缺乏：表達子句的語義網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過于簡單。與簡單的系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)構(gòu)造有關(guān)的是，PULP-Ⅰ系統(tǒng)具有很多子系統(tǒng)。而且需要花費大量時間來編寫程序。盡管PULP-Ⅰ系統(tǒng)的執(zhí)行速度要比STRIPS系列快得多，然而它仍舊不夠快。中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所20系統(tǒng)構(gòu)造和規(guī)劃機理系統(tǒng)構(gòu)造及規(guī)劃機理機器人用戶機器人專家知識用戶接口知識庫推理機控制策略

工具

專家系統(tǒng)知識獲取說明與分析問題輸入或新情況描述回答問題或建議與解釋圖8.20機器人規(guī)劃專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所21基于規(guī)劃的機器人規(guī)劃專家系統(tǒng)由5個局部組成，如圖8.20所示。學(xué)問庫掌握策略推理機學(xué)問獵取解釋與說明基于規(guī)章的專家系統(tǒng)的目標就是要通過逐條執(zhí)行規(guī)章及其有關(guān)操作來逐步地轉(zhuǎn)變總數(shù)據(jù)庫的狀況，直到得到一個可承受的數(shù)據(jù)庫(稱為目標數(shù)據(jù)庫)為止。8.5基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所22任務(wù)級機器人規(guī)劃三要素任務(wù)規(guī)劃是機器人高層規(guī)劃最重要的一個方面，它包含以下3個要素：建立模型建立機器人工作環(huán)境的世界模型。任務(wù)說明程序綜合任務(wù)級機器人規(guī)劃的最終一步是綜合機械手的程序。8.5基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件爭論所238.6小結(jié)本章在說明白機器人規(guī)劃的作用和任務(wù)后，主要爭論了幾種機器人規(guī)劃的方法：規(guī)劃演繹法。規(guī)律演算和通用搜尋法具有學(xué)習(xí)力量的規(guī)劃系統(tǒng)基于專家系統(tǒng)的規(guī)劃值得指出：第一，機