构件化机器人系统动态任务规划与执行机制研究

Future mobile robots must often fulfill complex service tasks with help from standardized component based intelligent environments, confronting dynamic environments with coexisting people. This work will focus on the new theory and application methods of task planning and execution system for such type of robots. The proposed study will consist of the following five aspects. ①Robotic task and service models for dynamic component based intelligent environments are to be studied. And a generalized framework and hierarchical logic structure proposed for the robot task planning and execution system will be established. ②Task modeling and dispatching methods based on semantic web technique will be studied, with a automatic service finding and assignation mechanism based on semantic function modeling and matching proposed. ③Extended hierarchical task nets planning modeling for robot’s autonomous task accomplishment will be studied. And efficient optimal introductory task resolver algorithm based on task nets and methods of converting task dispatching scheme to robot’s action sets will be proposed. ④Modeling the behavior and status of people as instructor or being served, with the recognition and prediction variables factors will be taken into the new planning system in order to put forward optimal re-planning and amending planning algorithms. ⑤Planning and execution system software development and implementation of autonomous robotic systems’typical service applications will be realized. Experimental verification will also be conducted in order to make the theory and method more perfect. The proposed work will come to a systematic theory and key implementation techniques of task planning and execution system for robots with high performance, and it will also provide valuable references to the related robot designer and researcher.

未来服务机器人需适应与人和谐共存等动态环境并在标准构件化智能环境支持下自主完成复杂服务。本课题拟研究此类背景下新型机器人任务规划与执行系统理论与应用方法，包括：①研究动态智能构件环境下机器人任务与服务模型，提出并建立通用的任务规划与控制系统架构与逻辑层次结构；②将语义网技术引入到任务建模和分配中，提出包括语义功能建模与匹配的自动发现与服务分配机制；③建立面向机器人自主控制层次任务网络规划模型，提出基于任务网络的导引式高效求解算法和任务分配方案到动作集合的转换方法；④研究智能环境下指令人和服务对象人行为和状态建模并将识别与预测结果融入规划系统中，提出优化的机器人重规划和规划修补算法；⑤针对典型应用，完成机器人系统自主规划运行软件及工具开发，通过实验研究验证和完善相关理论与方法。研究成果将形成高性能机器人任务规划与执行系统理论及应用关键技术，并为系统设计提供参考。

分布式架构下机器人任务规划与执行是服务机器人研究领域的核心技术之一。良好扩展性和功能完整性是任务规划与执行系统发展的重要趋势。项目针对分布式智能环境下的室内服务机器人，围绕搬运、递送等服务应用需求，系统地研究了分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统和相关算法软件的设计与实现。.首先综述了服务机器人任务规划与执行相关技术的研究现状，分析了系统设计与实现难点，进行了需求分析，基于机器人开发平台ROS设计了具有良好扩展性和功能完整性的室内服务机器人任务规划与执行系统，并详细论述了系统工作原理。围绕服务机器人工作环境的逻辑描述需求，将环境资源节点分成智能感知、智能执行和智能交互三类节点，并开发了基于非关系型数据库MongoDB的信息管理模块，实现了服务机器人工作环境信息的分类存储；在详细论述规划领域定义语言PDDL的逻辑描述特性后，开发了逻辑描述模块，实现了数据库信息与PDDL的转换。针对环境信息缺失，利用室内常识进行环境假设，并基于历史知识计算其可信度，构建了基于语义网规则语言(SWRL)的规则推理服务和基于马尔可夫逻辑网的概率推理服务，并在此基础上实现了任务自主推理和室内环境语义类型推理的功能；提出了使用环境假设动作对环境假设进行建模，并将任务规划问题建模成马尔可夫决策问题(MDPs)，提出了扩展的语义动作模型(SAMs)，实现了对服务机器人行为与技能的语义描述。围绕服务机器人规划问题的推理求解需求，在详细论述正向链-部分有序规划求解算法基础上，优化了时序松弛规划图构建、启发函数值估计和搜索空间等部分，并完成了规划求解节点的开发，实现了在环境现有资源的逻辑描述约束下，推理求解生成一系列待执行的具体行为。围绕行为派遣与执行的需求，在详细论述行为派遣与执行流程的基础上，设计了行为派遣表与派遣模式，并给出了智能节点典型行为的实现，实现了分布式智能环境下的行为准确派遣与执行。针对系统常见异常情况，给出了“行为实施条件”检查、“敏感信息”变动监测和“传递链”异常处理的策略实现，增强了系统稳定性。结合室内服务机器人典型应用，给出了分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统的功能模块测试及整体运行演示，证明了系统整体设计和各功能模块开发的正确性和有效性。