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任务导向的仿人机器人体系结构设计



  摘要:从仿人机器人任务实现过程出发,提出了一种基于任务的分层混合式仿人机器人体系结构。在该体系结构下,多个agent分别被用来模拟人的各主要器官的功能,并模仿人类的行为方式实现了任务实现过程中的三个主要部分:人机交互、导航和对象操作。该体系结构对于高智能水平的仿人机器人的研究和开发具有重要意义。
  关键词:仿人机器人; 体系结构; 人机交互; 导航
  中图分类号:TP24文献标志码:A
  文章编号:1001-3695(2008)05-1400-02
  
  机器人体系结构是定义一个机器人系统的功能模块及模块之间逻辑关系的结构框架,是实现整个机器人系统的基础。体系结构既是机器人本体的物理框架,又是机器人智能的逻辑载体[1]。因此体系结构设计是机器人研究首先要考虑的问题,体系结构设计得合理与否直接决定了机器人系统的整体性能。
  作为未来人类生活和工作中的伙伴和助手,仿人机器人不仅要在多变的环境下完成各种复杂的任务,而且仿人机器人的外形和行为方式都应该尽可能地接近人的外形和行为方式。因此,仿人机器人的体系结构要比普通机器人复杂和精巧得多,而如何设计一个合理的体系结构就成为仿人机器人研究人员要解决的一个关键问题。
  
  1移动机器人体系结构研究
  
  经典的移动机器人体系结构主要有三种:慎思式体系结构、反应式体系结构和混合式体系结构。
  慎思式体系结构由感知、规划和执行三个串联的模块构成,具有很好的规划推理能力,问题求解方式与人类思考问题的方式相似。基于慎思式体系结构的移动机器人可以具有很高的智能水平。第一个移动机器人Shakey就是基于慎思式体系结构的[2]。由于传感器的误差、环境的不确定性等因素的影响,使得慎思式体系结构的移动机器人在反应灵敏性、可靠性和鲁棒性方面比较差。
  反应式体系结构下,移动机器人行为基于感知与执行之间的映射关系,无须构建全局环境模型,在局部行动上可显示出很灵活的反应能力[3]。缺点是反应式体系结构缺乏全局环境信息,对于长远的全局性目标跟踪显得缺少主动性,目的性较差。
  随着对智能移动机器人研究的不断深入,要求机器人能够在更加复杂的环境下来完成各种任务,对移动机器人智能水平提出了更高的要求。单纯的基于知识的分层结构或基于行为的反应结构已无法实现更加智能化的移动机器人,而结合两者优点的混合式体系结构就成为了智能移动机器人体系结构研究的热点[4]。
  近年来,基于多agent的分布式体系结构成为移动机器人体系结构研究中的热点。Agent的自主性、自治性、主动性以及通信能力与移动机器人系统中的功能模块性质相似,将多agent理论引入移动机器人的体系结构设计,用多个agent来实现机器人各系统模块的功能,从而实现了基于多agent的移动机器人体系结构[5,6]。 ......
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