機器人控制技術(shù)基礎(chǔ)：智能化

機器人的智能化

IntelligenceofRobot7.1什么是機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.3機器人的動作規(guī)劃7.4作業(yè)順序的規(guī)劃7.5機器人學(xué)習(xí)機器人的智能化賦予機器人類似人類的智能能力軌跡規(guī)劃動作規(guī)劃任務(wù)分配機器人的智能化7.1什么是機器人的智能化動力學(xué)范疇：如何高質(zhì)量完成所規(guī)劃出的路徑運動學(xué)范疇：規(guī)劃出機器人滿足任務(wù)要求的可行路徑,去除不可能任務(wù)機器人的智能化7.1什么是機器人的智能化路徑規(guī)劃基于模型（離線）的路徑規(guī)劃

具有環(huán)境地圖模型和機器人模型，可離線進行。處理最佳路徑和安全路徑之間的矛盾關(guān)系?；趥鞲衅鞯穆窂揭?guī)劃

沒有環(huán)境模型，只能依靠傳感器，探測障礙，發(fā)現(xiàn)目的地檢測障礙物并進行規(guī)避達到目的地“摸著石頭過河”動作規(guī)劃、作業(yè)順序規(guī)劃

搜索空間關(guān)節(jié)角度空間：多自由度設(shè)計位姿空間：多自由度設(shè)計位姿空間障礙物:單元集合及其屬性表示學(xué)習(xí)控制與強化學(xué)習(xí)在不明確各元素的條件下，利用學(xué)習(xí)功能完成任務(wù)。考慮收斂性和穩(wěn)定性。學(xué)習(xí)控制:需要模型（運動學(xué)，動力學(xué)）強化學(xué)習(xí):無模型，靠評價結(jié)果機器人的智能化7.1什么是機器人的智能化

7.2機器人的路徑規(guī)劃機器人的智能化軌跡規(guī)劃器攝象機圖像分析器力傳感器操作臂運動學(xué)操作臂動力學(xué)機器人控制器任務(wù)規(guī)劃器環(huán)境基于視覺的任務(wù)規(guī)劃器qd(t)F(t)x(t)q(t))(tt{xk}壓縮的數(shù)據(jù)I(k,e)１.軌跡規(guī)劃的一般性問題常見的機器人作業(yè)有兩種：這里所謂的軌跡是指操作臂在運動過程中的位移、速度和加速度。點位作業(yè)（PTP=point-to-pointmotion）連續(xù)路徑作業(yè)（continuous-pathmotion），或者稱為輪廓運動（contourmotion）。7.2機器人的路徑規(guī)劃機器人的智能化操作臂最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種：軌跡規(guī)劃既可以在關(guān)節(jié)空間也可以在直角空間中進行。

第一種是要求對于選定的軌跡結(jié)點（插值點）上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束（例如連續(xù)性和光滑程度等），軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)（例如n次多項式）選取參數(shù)化軌跡，對結(jié)點進行插值，并滿足約束條件。

第二種方法要求給出運動路徑的解析式。7.2機器人的路徑規(guī)劃機器人的智能化軌跡規(guī)劃方法一般是在機器人的初始位置和目標(biāo)位置之間用多項式函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并產(chǎn)生一系列的控制點。a.三次多項式插值

關(guān)節(jié)空間法計算簡單、容易。再者，不會發(fā)生機構(gòu)的奇異性問題。2.關(guān)節(jié)軌跡的插值只給定機器人起始點和終止點的關(guān)節(jié)角度。為了實現(xiàn)平穩(wěn)運動，軌跡函數(shù)至少需要四個約束條件。即————滿足起點和終點的關(guān)節(jié)角度約束————滿足起點和終點的關(guān)節(jié)速度約束（滿足關(guān)節(jié)速度的連續(xù)性要求）解上面四個方程得：注意：這組解只適用于關(guān)節(jié)起點、終點速度為零的運動情況。

例：設(shè)只有一個自由度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機械手處于靜止?fàn)顟B(tài)時，

=150，要在3s內(nèi)平穩(wěn)運動到達終止位置：=750，并且在終止點的速度為零。解：將上式的已知條件代入以下四個方程得四個系數(shù)：因此得：b.過路徑點的三次多項式插值

方法是：把所有路徑點都看成是“起點”或“終點”，求解逆運動學(xué)，得到相應(yīng)的關(guān)節(jié)矢量值。然后確定所要求的三次多項式插值函數(shù)，把路徑點平滑的連接起來。不同的是，這些“起點”和“終點”的關(guān)節(jié)速度不再是零。此時的速度約束條件變?yōu)椋和砜梢郧蟮么藭r的三次多項式系數(shù)：7.2機器人的路徑規(guī)劃移動機器人：2自由度運動，忽略方向角，點化基于模型：有機器人，障礙物模型基于傳感器：靠檢測機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃機器人的智能化

全局路徑規(guī)劃（GlobalPathPlanning）和局部路徑規(guī)劃（LocalPathPlanning）

自主移動機器人的導(dǎo)航問題要解決的是：（1）“我現(xiàn)在何處？”；（2）“我要往何處去？”；（3）“要如何到該處去？”。

局部路徑規(guī)劃主要解決機器人定位和路徑跟蹤問題；方法主要有：人工勢場法、模糊邏輯算法等。

全局路徑規(guī)劃主要解決全局目標(biāo)分解為局部目標(biāo)，再由局部規(guī)劃實現(xiàn)局部目標(biāo)。主要有：可視圖法、環(huán)境分割法（自由空間法、柵格法）等；7.2機器人的路徑規(guī)劃機器人的智能化離線路徑規(guī)劃和在線路徑規(guī)劃離線路徑規(guī)劃是基于環(huán)境先驗完全信息的路徑路徑規(guī)劃。完整的先驗信息只能適用于靜態(tài)環(huán)境，這種情況下，路徑是離線規(guī)劃的；在線路徑規(guī)劃是基于傳感器信息的不確定環(huán)境的路徑規(guī)劃。在這種情況下，路徑必須是在線規(guī)劃的。7.2機器人的路徑規(guī)劃機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃圖的表示方法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃1）切線圖最短容易碰障節(jié)點表示切點弧表示切點間路徑算法尋找最優(yōu)路徑機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃2）Voronoi圖軌線長不容易碰障尋找與障礙物等距離的點聯(lián)接點陣機器人的智能化機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃3）搜索算法A*（A-Star)算法是一種啟發(fā)式算法，是靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路最有效的方法。公式表示為：f(n)=g(n)+h(n),

其中f(n)是節(jié)點n從初始點到目標(biāo)點的估價函數(shù)，

g(n)是在狀態(tài)空間中從初始節(jié)點到n節(jié)點的實際代價，

h(n)是從n到目標(biāo)節(jié)點最佳路徑的估計代價。

OPEN表CLOSED表

OPEN表用于存放剛生成的節(jié)點，CLOSED表用于存放將要擴展或者已經(jīng)擴展的節(jié)點。狀態(tài)節(jié)點父節(jié)點編號狀態(tài)節(jié)點父節(jié)點機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃3）搜索算法機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃3）搜索算法機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃3）搜索算法機器人的智能化7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃3）搜索算法7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.1基于模型的路徑規(guī)劃2）尋優(yōu)算法動態(tài)規(guī)劃法－最優(yōu)控制理論最優(yōu)控制理論給出了大量的求最佳路徑的方法區(qū)間分析法－先進的數(shù)學(xué)工具

用區(qū)間單元代替數(shù)進行數(shù)學(xué)操作機器人的智能化Exampleofnatureevaluation

Thefunctionfor

,TheexactboundisTheintervalequivalentofthesquarefunction:

HenceRewrite

Usingthisnewfrom,wehaveNotationsforintervalanalysisLowboundofaninterval:Upperboundofaninterval:Midpointofaninterval:ABox:Bisection:7.2機器人的路徑規(guī)劃7.2.2基于傳感器的路徑規(guī)劃碰撞點Hi：RG方向上的阻礙脫離點Li：

|RG|<|HiG|RG方向無阻礙機器人的智能化機器人的智能化7.3機器人的動作規(guī)劃動作規(guī)劃與路徑規(guī)劃的不同之處同時搜索位置和姿態(tài)多個自由度空間不是“點”機器人的概念機器人的智能化7.3機器人的動作規(guī)劃關(guān)節(jié)空間離散化，多維的角度空間（搜索）判斷單元格是否屬于障礙物區(qū)域：正向運動學(xué)機器人的智能化7.3機器人的動作規(guī)劃方法直觀，簡單。但對存儲量和計算量的要求過大機器人的智能化7.3機器人的動作規(guī)劃只標(biāo)注需要搜索的關(guān)節(jié)空間，無碰撞，接近目標(biāo)機器人的智能化7.3機器人的動作規(guī)劃理想條件下，規(guī)劃出的期望目標(biāo)軌線，需要實際完成機器人的智能化7.3機器人的動作規(guī)劃實際情況下，依據(jù)期望軌線進行實際控制，得到實際的運行軌跡機器人的智能化7.4作業(yè)順序規(guī)劃作業(yè)規(guī)劃→動作規(guī)劃→機器人控制作業(yè)規(guī)劃應(yīng)該使動作規(guī)劃和機器人控制容易機器人的智能化7.4作業(yè)順序規(guī)劃機器人的智能化7.4作業(yè)順序規(guī)劃7.4.1AND-OR圖的生成算法機器人的智能化7.4作業(yè)順序規(guī)劃7.4.2搜索算法GBF計算費用值選取小的直至所以節(jié)點“解決”機器人的智能化7.4作業(yè)順序規(guī)劃7.4.3運送零件路徑、動作規(guī)劃A→B→C→D機器人的智能化7.4作業(yè)順序規(guī)劃7.4.3運送零件路徑、動作規(guī)劃角度空間內(nèi)的路徑規(guī)劃完成任務(wù)避障機器人的智能化7.5機器人學(xué)習(xí)

當(dāng)無法精確了解自己的位置，無法精確執(zhí)行所規(guī)劃的任務(wù)

推測航行法不需要外部標(biāo)志，有誤差的累積

全局位置推定法

需要外部標(biāo)志傳感器誤