《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用-導(dǎo)論》課件 第五章 機(jī)器人規(guī)劃與人機(jī)交互

《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用—導(dǎo)論》第五章機(jī)器人規(guī)劃與人機(jī)交互

提綱124人機(jī)交互

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃3

軌跡規(guī)劃2一、任務(wù)規(guī)劃規(guī)劃是一種重要的問(wèn)題求解技術(shù)，它從某個(gè)特定的問(wèn)題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動(dòng)作，并建立一個(gè)操作序列，直到求得目標(biāo)狀態(tài)為止。規(guī)劃可用來(lái)監(jiān)控問(wèn)題求解過(guò)程，并能夠在造成較大的危害之前發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)。規(guī)劃的好處可歸納為簡(jiǎn)化搜索、解決目標(biāo)矛盾以及為差錯(cuò)補(bǔ)償提供基礎(chǔ)。一、任務(wù)規(guī)劃一個(gè)服務(wù)機(jī)器人在接受主人“給我倒一杯開(kāi)水”的命令之后,機(jī)器人如何完成這一任務(wù)?4一、任務(wù)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人得到的任務(wù)有時(shí)是復(fù)雜的，是無(wú)法一步解決的，而任務(wù)規(guī)劃的目的就是將某些比較復(fù)雜的問(wèn)題分解為一些比較小的問(wèn)題，并進(jìn)一步分解為機(jī)器人可執(zhí)行的動(dòng)作。取一個(gè)杯子

找到水壺

打開(kāi)水壺把水倒入杯中

把水送給主人給主人倒一杯水

提起水壺到杯口上方

把水壺傾斜

把水壺豎直

把水壺放回原處

手部從A點(diǎn)移到B 點(diǎn)

關(guān)節(jié)從C點(diǎn)移到D點(diǎn)5一、任務(wù)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的規(guī)劃是分層次的，從高層的任務(wù)規(guī)劃，動(dòng)作規(guī)劃到手部軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃。智能化程度越高,規(guī)劃的層數(shù)越多,用戶操作越簡(jiǎn)單。機(jī)器人的規(guī)劃是分層次的：任務(wù)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軌跡規(guī)劃提綱124人機(jī)交互

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃3

軌跡規(guī)劃7二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法運(yùn)動(dòng)規(guī)劃概念機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要完成的功能一般包括兩層：第一層即路徑規(guī)劃，移動(dòng)機(jī)器人在具有障礙物環(huán)境中按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）到目標(biāo)狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）的無(wú)碰路徑。第二層即跟蹤控制，要求移動(dòng)機(jī)器人依據(jù)路徑規(guī)劃得到路徑解，設(shè)計(jì)控制量序列驅(qū)動(dòng)機(jī)器人安全快速地移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。該機(jī)器人是由日本川田工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的，首臺(tái)機(jī)器人已運(yùn)至空客PuertoReal工廠，并將被集成在A380方向舵裝配臺(tái)上。該機(jī)器人將和普通人類員工一起進(jìn)行鉚接工作。8二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分類及常用算法

按照環(huán)境建模方式和搜索策略的異同，可將規(guī)劃方法大致上分成三類：基于自由空間幾何構(gòu)造的規(guī)劃方法有可視圖、切線圖、Voronoi圖以及精確（近似）柵格分解等方法。前向搜索算法是從起始點(diǎn)出發(fā)向目標(biāo)點(diǎn)搜索的算法，常用的包括貪心算法、Dijkstra算法、A*算法以及人工勢(shì)場(chǎng)法等。基于隨機(jī)采樣的規(guī)劃始于1990年Barraquand和Latombc提出的RPP（randomizedpotentialplanner）規(guī)劃算法，用于克服人工勢(shì)場(chǎng)法存在的局部極小和高維姿態(tài)空間中規(guī)劃時(shí)存在的效率問(wèn)題。9二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法基于幾何構(gòu)造的常用算法圖形的構(gòu)建有多種方法。典型的有可視性圖法、沃羅諾伊圖法、精確單元分解法與近似單元分解法?？梢晥D法Voronoi法10二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法柵格分解法將機(jī)器人的工作空間分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)域,一般稱為柵格。由這些柵格構(gòu)成一個(gè)顯式的連通圖,或在搜索過(guò)程中形成隱式的連通圖,然后在圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑。圖中灰色區(qū)域?yàn)檎系K物圖中黃色的路線表示該算法得到的最優(yōu)路徑11二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法人工勢(shì)場(chǎng)法基本思想：引入一個(gè)稱為勢(shì)場(chǎng)的數(shù)值函數(shù)描述機(jī)器人空間的幾何結(jié)構(gòu),通過(guò)搜索勢(shì)場(chǎng)的下降方向來(lái)完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。勢(shì)場(chǎng)分為兩部分:目標(biāo)位姿產(chǎn)生的吸引勢(shì)和障礙物產(chǎn)生的排斥勢(shì)。障礙物對(duì)機(jī)器人施加排斥力，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)機(jī)器人施加吸引力合力形成勢(shì)場(chǎng)，機(jī)器人移動(dòng)就像球從山上滾下來(lái)一樣機(jī)器人在合力作用下向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)提綱124人機(jī)交互

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃3

軌跡規(guī)劃13三、軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃的概念機(jī)器人在作業(yè)空間完成給定的任務(wù)，其手部運(yùn)動(dòng)必須按一定的軌跡進(jìn)行。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)要求，這一過(guò)程通常稱為軌跡規(guī)劃。14三、軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)器人軌跡規(guī)劃過(guò)程機(jī)器人軌跡控制過(guò)程安川機(jī)器人刀法15三、軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)空間插補(bǔ)三次多項(xiàng)式插補(bǔ)

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，若末端執(zhí)行器的起始和終止位姿已知，由逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)即可求出對(duì)應(yīng)于兩位姿的各個(gè)關(guān)節(jié)角度。

末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)兩位姿的運(yùn)動(dòng)軌跡描述可在關(guān)節(jié)空間中用通過(guò)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)關(guān)節(jié)角的一個(gè)平滑軌跡函數(shù)

(t)來(lái)表示。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)的軌跡函數(shù)

(t)至少需要滿足四個(gè)約束條件，即兩端點(diǎn)位置約束和兩端點(diǎn)速度約束。16三、軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)空間插補(bǔ)三次多項(xiàng)式插補(bǔ)在操作臂運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由于相應(yīng)于起始點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度

0是已知的．而終止點(diǎn)的關(guān)節(jié)角

f可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解得到，因此，運(yùn)動(dòng)軌跡的描述，可用起始點(diǎn)關(guān)節(jié)角與終止點(diǎn)關(guān)節(jié)角度的一個(gè)平滑插值函數(shù)

(t)來(lái)表示。

(t)在t0=0時(shí)刻的值是起始關(guān)節(jié)角度

0，終端時(shí)刻tf的值是終止關(guān)節(jié)角度

f。17三、軌跡規(guī)劃三次多項(xiàng)式插補(bǔ)端點(diǎn)位置約束是指起始位姿和終止位姿分別所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度。

(t)在時(shí)刻t0=0時(shí)的值是起始關(guān)節(jié)角度

0，在終端時(shí)刻tf時(shí)的值是終止關(guān)節(jié)角度

f，即為滿足關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度的連續(xù)性要求，起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的關(guān)節(jié)速度可簡(jiǎn)單地設(shè)定為零，即18三、軌跡規(guī)劃三次多項(xiàng)式插補(bǔ)上面給出的四個(gè)約束條件可以惟一地確定一個(gè)三次多項(xiàng)式

為求得三次多項(xiàng)式的系數(shù)a0，a1，a2和a3，代以給定的約束條件，有方程組運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)節(jié)速度和加速度則為19三、軌跡規(guī)劃三次多項(xiàng)式插補(bǔ)

求解該方程組，可得

對(duì)于起始速度及終止速度為零的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，滿足連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)要求的三次多項(xiàng)式插值函數(shù)為20三、軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)角速度和角加速度的表達(dá)式為三次多項(xiàng)式插值的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡提綱124人機(jī)交互

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃3

軌跡規(guī)劃22四、人機(jī)交互人機(jī)交互的概念人機(jī)交互技術(shù)：通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)。

近些年20年前30年前23四、人機(jī)交互語(yǔ)音交互語(yǔ)音助手是一類可以通過(guò)語(yǔ)音交互實(shí)現(xiàn)或替代部分我們?cè)谑謾C(jī)上的查詢與操作的應(yīng)用，通過(guò)此類應(yīng)用，可大大提高在不同場(chǎng)景下操作的便利性。蘋(píng)果手機(jī)中siri開(kāi)創(chuàng)智能語(yǔ)音助手的先河，當(dāng)然中文語(yǔ)音助手也如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，在中文方面的智能搜索程度依然超過(guò)siri。基于語(yǔ)音交互的智能護(hù)理床基于腦肌電接口/生物神經(jīng)信號(hào)控制的假肢26四、人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可創(chuàng)