（控制理论与控制工程专业论文）辅助移动机器人的智能环境服务构件开发及其应用.pdf

舢1 1 1 | i l l l l l l i i l | 1 1 1 1 1 | i i | | 1 1 1 1 1 1 1 1 i | l i l l l 咖 y 17 5 4 6 15 d e l o p m e n t 舳a p p l i c a t i o n s o f s mar ts p a c es e r v i c ec o m p o n e n t s fo rm o bi l er o bo te n h a n ce m e n t ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 匆 f o rt l l ea c a d e m i cd e 伊e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i i l g b y j i nx i l l s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rd a ix i a n z h o n g a n d p r o f e s s o rm a x u d o n g s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u t l l e a s tu n i v e r s 时 j a n u 哪2 0 l o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所早交的学伊论文是我个人在导师指导卜进行的研究l ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南火学或其它教育机构的学位或证15 而使用过的材料。与我 一同i ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已往论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签荪金立整一日期： 2 0 | 勺。| 1 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图- l j 馆有权保留本人所送交学何论文的复印 f ，l _ 和电子文档可以采川影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被布阅乖借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 f 信息形式刊登) 授权尔南人学研究生院办理。 研究生签名：金丘堑导师签名：研究生签名：膛坦整导师签名：日期：乡矿生坐 摘要 摘要 辅助移动机器人的智能环境服务构件开发及其应用 研究生： 金欣 导师： 戴先中教授马旭东教授 学校名称：东南大学 智能环境与移动机器人是改善人类生活、提高服务水平的重要手段，两者的有机结合己成为目前服 务类机器人技术的发展前沿。机器人在服务人类的过程中，借助智能环境可以提升作业能力，降低成本， 提高资源利用率。然而，由于智能环境的辅助资源多样异构、动态未知，作为其特殊服务对象时，一般 机器人智能水平有限，难以主动寻求并得到有效的支持，更多为被动地接受全局控制，或机械地执行面 向特定应用和特定资源定制的交互流程，成本高而通用性、灵活性差。因此需要在系统体系和实现技术 方面寻求新的解决措施。论文系统深入地研究了面向移动机器人的智能服务环境的构件化开发方法和应 用技术，使机器人能以通用的方法跨平台地调用各种辅助资源的服务。并灵活地组织以实现多种应用 论文针对移动机器人应用需要，引入基于构件的开发方法，设计了一种支持和增强移动机器人功能 的智能环境服务构件系统，制定了服务构件的基本组成结构与交互模式，实现了机器人的跨平台服务调 用，有效解决了资源多样异构性带来的问题。服务构件将资源辅助功能封装成共享服务，借助智能环境 通信网络，基于规范的服务接口和说明，提供开放的服务访问和调用，可以被独立地部署并由机器人任 意组合应用。文中分别从辅助资源端和移动机器人客户端出发，详细论述了应用w 曲s e r v i c 懿( w s ) 中 间件技术开发服务构件和服务调用程序的基本原理，并给出了典型实现。 针对移动机器人辅助服务构件应用的需要，对w s 技术在消息交换模式和传输机制两方面进行了扩 展改进，弥补了w s 对机器人常见交互类型支持的不足，提高了服务调用参数中音视频等海量数据在 w s 机制中的传输效率，使之更适合面向机器人应用的服务构件开发。文中扩展定义了请求一通知消息 交换模式，详细给出了基于p u b - s u b 机制的实现方法，验证了应用可行性，并给出了改进传输机制所采 用的自动二次连接方法的具体实现和嵌入w s 应用软件中的基本方法，验证分析了改进后的传输性能 引入语义网技术，提出了基于语义功能建模与匹配的自动服务发现机制，并在此基础上实现了机器 人半自动任务规划与执行策略，使机器人能够灵活地组织利用各种辅助资源实现多种复杂任务应用，有 效解决了资源动态未知性带来的问题。机器人针对离线任务分解规划得到的流程中的每个子任务，自动 搜寻环境中的可用服务，将其功能模型与任务需求模型进行匹配，筛选出符合要求的服务并按功能相似 度排序，从而形成可直接调用的候选服务列表。文中针对离线任务分解提出了参考原则，使分解后的子 任务适合机器人分配执行；结合移动机器人应用特点扩展定义了o w l s 建模语言，并据此制定了服务 功能与任务需求的语义建模规范；设计了通用的模型匹配算法并进行了优化，降低了算法的时间开销， 相比于传统的句法匹配方法显著提高了服务发现的查全率和查准率。 应用提出的服务构件开发方法和建模规范，针对五类适用于移动机器人的辅助资源( 功能) 分别开 发了服务构件，建立了服务调用接口模型和功能模型。详细论述了传感器( 动态信息感知) 、数据库( 静 态先验模型与知识共享) 、执行器( 环境作业与物理输出) 、算法库( 复杂计算与信息处理) 、智慧人( 本 地交互与远程监控) 等构件的开发设计原则和典型实现。以助老助残机器人家庭应用为背景，开发了面 向服务型移动机器人的智能环境应用系统实例。对日常生活中的六种典型应用场景的实现表明，相比于 传统的定制型系统，系统可重用性、可扩展性、自适应性和机器人的自主性有了显著提高。 关键词：移动机器人、服务机器人、智能环境、构件、普适计算、w 曲服务、语义网 l 东南大学博士学位论文 n a b s t 哺c t a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a “o n so fs m a r ts p a c es e n r i c ec o m p o n e n t sf o r m o b i l er o b o te n h a n c e m e n t p h d3 t u d e n t ： s u p e 九，i s i d 啊： u n j 、，e 幅i t y ： j i n x i n p f e s s o rd a ix i 柚z h o n g p r o f e s s o rm a x u - d o n g s o u m e a s tu i l i v e r s i t y s m a ns p a 鲫dm o b i l em b o ta 阳坩oi m p o r t a n t 印p r 0 h 鹤i i l 溯v i n gh u m 锄b e i n g s c o m b i n a t i o ft l l e t w ot e c l l i l o l o g ：i 镐c o m t ob e 蚰eo fm e 辨r v i r o f b ( m c s 聆辘眦hf o n t i e 硌w i m 弱s i s 啪c e 缸髓s m a ns p e f b 0 【t sm a yg 烈p e 翩锄r a i s e di i l 鞠n ，i n gp e o p l e ，w i t l l b o tm 锄u f 融u r i n g s td e c 陀a s e d 锄d 他瞰静 m i l 础一r a l ei i k 佗a s e d h o w e v c r s i i l c em e 鹬s i s t a i i t 豫e sa 托h 鳓盱o g e n 吣a l l dp 他v i o 璐l y 晌o w i l a 脚i t i 讲l mf o b o tw i n ll i m 砣di i l t c l l i g e f 髓，w l l c na c t i n g 越m 砖o f 锄a r ts p e ss e r v i o 巧e c 敏c 锄i 姗陋l ys k f o rn l e i r 醛s i s t a 】ei i l 锄a c t i v ew a 弘1 1 1 s t 翰d ，i t 锄l yp 弱s i v e i yr c t 蕾og l o b a lc o m m l ，钟s i m p l yr u n p f e p 啊冒狮m e di l i t e 晤c t i 佣p i ：e s sc 咖m i z e dt 0p 硎c u i 缸a p p l i c 撕讲塔锄d 陀u r c 豁，p m v i d i n gl i m i t 酣 酆m e m l 时觚df l e ) 【i b i l i t ) ，a th i g hc o s t t h e 犯f 0 他，n e ws y s t e n la r c h i t e c t u 坨柏di m p l e m e m a l i t l l r m i o 舀髓a 旭q u i r e df 打e m i b l i i l gm o b i l er o b o tt 0i n v o k e r v i c 豁o fv 撕。吣勰s i s t a n t 他懿i nau n i f i e da i l dp l a t f o m - i l l d e p e l - d e l l tw a y 觚dt oi m e g r a l et l l e mn e 】i b l y 幻他a l i z ev a r i o 噼a p p l i c a l i o 璐h l n l i sd i s 麟i o l l s y 妣m a t i c a l s e a r c h e sa l l dn 哪印p m a c h 懿衙c o n s 仃u c t i a i l d 嗽l 豳i 伽o f 如c h 锄a ns p a b a s c d s e i c ec 鲫p m e n 乜a 陀p 他n t e d 1 l 咖d d i k i n gc 0 怖p m e n t - b a s e dd e v e l o p m e n t ( c b d ) m e t 量l o d ，a 锄a r ts p a c e 辩r 、，i c 啪p 脒= l i ts y s t e m s q 删n g 甜l d 髓蜥i i l gm o b i l em b o ti sd e s i g n e d ，w i t l ib 鹤i c 蛐m c t i l 他锄di i i t e 随c t 汹m o d p i d p o s e df o r 鲫r y i c ec 啪硼盯嘲i t s ，b 笛e d w l l i c h s p l 利f o 瑚r 、，i i i l v o c 鲥蚰i s 蒯i z e d lf o rr o b 鸭t l 璐i v 鹤l l l e a 豁i s t a i l _ t 陀优sd i v e 体i t ) ，锄dh e t e r o g e i t ) ，p 0 b l 伽畸s e r 、r i c ec ：堋p o n e n te n c a p i m l a t 嚣a 鼹i s t a l i t 咒黼s k l i 卫锻i o f lm s l l 黼d 嘲啊a i l d 舯砌d 部叩髓s e n r i a c c e 豁a l l di n v a l i 锄硪s p 戤s m m 啪i c 砒i i 蚓m o 出t l l m u g h 眦忍c t i l a l l ys p i f i e d 辩n ，i i n t e d k ea n dd e s c r i p t i o n n 如p p o r bi n d e p i 啪d 锄td 印l o y m e 鸭 a n d 毽州e c tt 0 廿l i r d - p a r 哆c 锄p 略i t i o n 1 i i i 蟛i p k s 雒d 邯i c a li m p l e r n e n t a l i o 璐a 佗p i 镫臌i e di l ld “l d e v e l o p i n g 辩i c o m p o n e n tf i o r 弱s i s t a 】哺他s o u r c ea l l ds e r v i c ei n v o c a t i o nc l i 饥tf 0 rm o b i i e b o 毫a p p l y i n g w e bs e n ，i c 懿( w s ) m i d d l e 唧et e c h n i q 鹏 i i lo 日盯t om e e tm o b i l em b o t 嬲s i s t a i l _ t 辩i c ec o m p o n 喇sa p p l i c a t i 叩r e q u i r c m e n t e ) ( t 哪i o n 孤i d 确【p f c r v 蜘1 饥ta 他m a d et ow s b o t l lm 器s a g e 懿c l l a n g ep a 淝m ( m e p ) 锄dt r a n s p o r 啪m h 锄i s n l e x t e l l d i n gw ss u p p o nf o r m m o nm b o t si n t e 瞰i m o d 韶，锄di i i i p m v i n g 廿l ee 塌c i c yo ft r a 吣m i t t i 唱 删酗i v ed 砒as 眦h 弱b o t sm u l t i m c d i ad 瞰a 罄s e 而c ei i l v 0 c a l i p a 埘n e t i 喇璐i n gw s ，m a l 【i n gi tm o 他 s u i t e d 斯湖v i 咖p o n 吼td e 、，c l o p m t 伽咎6 n gm b o t 印p l i c 撕。潞“r e q u e s t n o t i f i c a t i ”m e pi sd e f i n e d 谳剃i 磁畸m 劬0 dh a s e d p l l b - s i l bm e c h a n i s md i s c u s s c di nd “l ，a l l d 、j i r i t l li t sf 函i b i l i t y 州f i e d t l l l 圳l 曲麟耐m e i 怄a na u “珊撕ct 、i c o 彻e c t i m e t l l o di sa d o p t i 硒b ym ei m p m v e dt r a 惜p o 眦i m h 柚i s n l w i n lm e n l o d s 删i 五n g 柚d 锄b e d d i n gi ti n t 0w s a p i sp 彤删i i l d e t a i l ，a n d 、i t l li t sm 潞i v c d a 土a 位m s p c 慨i o np e 雨m 柚c et e 鲫e d a p p l y i i l g 鞠m 觚t i cw e b 慨l l i q u e ，ad ) ，l l 锄i c r v i c ed i 0 、，e 巧m e c h a n i s mb 弱e do ns 啪a n t i c 如n c t i m o d e l i i 唱a l l dm a l c l l i n gi sp f 0 l ，o s e 也b a s e do nw h i c ha 辩m i - a u t o m a t i t a s kp i 锄i n g 柚de x i n i s 昀l e g y i u - 东南大学博上学位论文 f 0 rm b o ti s 豫a l i 跫d ，曲a b l i n gr o b o t sn e 嫡b l ei n t e g r a t i o no fv 撕。惦硒s i s t a i l _ t 陀s o u r c 髓f 研恤p l i c a i e d 印p l i c a t i o 璐，t l l 憾l v 铭t 1 1 ep r o b l 锄sc a 惦e db yt l l ed ”锄i c 柚d 唧i l ( 1 w n 笛s i s t a 】毗r 懿o u r c 酷f 甜e h 如b t a s ki i it l l ep m c e 豁g e 眦! r 砷e d 讯瑚。仃_ l i 鹏t a s kd e c o m p o s i t i o i l b o td 脚i c a l l y a r c h 船i l lm es m a n s p ef o r a v a i la _ b l ea n ds u i t a b l e n r i c ，锄d 也朗的r t s 廿l e mb yt h e i r 劬c t i o n a ls i m i l 撕t yw i t l lt a s k r e q u i 陀m e mb 越e d t h e i rm o d e lm a ：t c h i n g 他s u l t s ，i l lo r d 盯t 0f 0 册al i s to fc 锄d i d 嗣呛i c 鹤廿l a lc 锄b e i n v o k c dd i r e c t l y r e f e 他n c ep r i n c i p l 船a 陀p m p o s 酣t a s kd c c 姗p o s i t i o n 舔au 辩卜g u i d ef - o rp 陀p a r i n g 鲫b t a s l 【s 蛐i t a b l ef o r b o tt oa l l o c a ：i e 柚de x e c u 眙s p e c i f i 例。璐m o d e l i n g n ，i f h n c t i o 陷a l l dt a s k 陀q u i 陀m 铋t sa 陀e 蛐曲l i s h e du s i n gam o d e l i n gl 卸g u a g ef 而me x t e n d e d l yr e d e f i n i n go w l - s c o i n gt o m o b i l em b o ta p p l i c a t i o nf e 岫麟a 岫i v e 耐m o d e lm a t c l l i n ga l 酬t h i i ii sp m p o s e dw i n lt i m ec o 璐啪p t i 明 似i u c 咄璐i n gw r h i c h 陀c a l l 锄d 晔i s i o fs e r v 妣d i 0 v e 叮i sh i g l l 盯廿l 锄吣i n g 们d i t i o l l a ls y n t a c t i c a l m a ：t c h i i 培m e t l l o d s s e i c ec o m p o n e n t sa 心d e v e l o p e da l o n gw i t l l r v i i n v o c a t i o ni n t e 西缸e s 锄df h n c t i o 潞m o d e l e df b f5 c l 舔s 嚣o f 笛s i s 删陀s o u r c e s ( f u n c t i 叽s ) m e e t i n gm o b i l em b o t sn e e d ，印p l y i n g 恤ep p ( m 湖辩n ，i m p c 脒m td e v e l o p m 饥tm e t h o d 锄dm o d e l i n gs p e c i f i c 撕。啮d e s i g np r i i l c i p i 髓a n d 帅i c a li m p l 锄e n t a l i a 糟p r e 辩m e di nd e t 硼f 0 r r v i c o m p c 瞪l e i l 乜跚c h 私n 格( d y i l 锄i ce n v i m n m 饥t 辩璐i n g ) ，d a ：t a b 签馅 ( s t a l i cm o d e l 锄dl m o w l e d g es h a r i n g ) ，戤t l j 粕倦( e n v i r o 姗肌to p c 嘣i 觚dp ：h y s i c a lo u t p t 吐) ，c 0 恤p t i t a l i 明 i l i l i t ( c 伽p l e xc a l c u l a l i o n 锄di n f o m 砒i 伽p m s s i r i g ) ，孤mh 啪锄i n t e l l i g e n ( 1 0 c a li n t 删i 锄d 坨m d t e c 蚰n 1 0 1 ) e 童c f 舛柚a p p i i c a t i o no fh o m e c a 陀b 0 怄鹤s i s t i n g l ee l d e r l y 肌dd i s a b l e d ap r o t o t y 】p e0 fs m a r t s p 刁啪a p p l i c a l i s y g t e mi sd e v e l o p e d t h r o u g h 他a l i 刎o no f6 咖i c a l e n a r i m a lm i g h th a p p e m md a i l y l i v e s t l l e 胛d t i 哟僵圮s y s t e mi n d i c a c e s1 1 i g i 】燃他吣a b i l i e x t e 舾i b i l i t y a d 印t a b i l i t y 锄dr o b o t s 鲫t 伽袱n yt l l l m 臼a d i 6 0 l l a lc i l s t o m i 髓ds y s t 咖s 确：p m r 出：m o b i l er o b 砖s e i c cr o b 鸭s m a l ts p e ，c o 叫，e 峨u b i q u i t 0 吣c o m p l i t i n g ，w | e bs e ：r v i c c s s 锄a l i t i c w 曲 、一 目录 要 a b s t r c t 目录 目录 一l i i l v 第一章鲁 论l 1 1 研究背景与意义”l 1 2 相关研究现状一2 1 2 1 自主移动服务机器人技术3 1 2 2 机器人系统中间件4 1 2 3 智能环境相关技术”5 1 2 4 移动机器人与智能环境的结合- 7 1 2 5 存在的问题与难点1 2 l3 研究思路与内容“l3 1 4 论文结构安捧1 4 第二章移动机器人与智能环境辅助系统16 2 1 移动机器人应用需求1 6 2 1 1 典犁应用分析1 6 2 1 2 辅助资源类型1 7 2 1 3 辅助方式分析“l8 2 1 4 作业环境类型”1 8 l 2 2 以机器人为中心的辅助系统架构”1 9 2 3 辅助系统开发2 0 2 3 1 定制型与通用型系统比较2 0 2 3 2 通用型辅助系统的构件化开发2 l 2 4 辅助系统运行一2 6 2 4 1 系统运行模式”2 6 2 4 2 以机器入为中心的任务规划勺执行皇z 6 2 5 辅助功能分类开发3 4 第三章智能环境服务构件开发应用方法及其扩展改迸- 一撕 3 1w s 中间件的跨平台交互机制3 6 3 2 基于w s 的智能环境服务构件开发3 7 3 3 面向机器人应用的服务构件服务调用4 0 3 4 引入p l l b _ s u b 机制的请求一通知m e p 扩展4 1 3 4 1 请求通知m e p 4 1 3 4 2p i l b s u b 机制：【作原理4 2 3 4 3 基于p u b - s u b 机制的请求通知m e p 实现”4 3 3 4 4 请求通知p 应用可行性验证4 5 3 5 采取自动二次连接的海量数据传输机制改进4 6 3 5 1w s 现有机制中的海量数据传输问题”4 6 3 5 2 自动二次连接机制工作原理4 7 3 5 3 自动二次连接机制实现4 7 3 5 4 采取自动二次连接的海量数据传输耗时测试4 8 第四章典型辅助功能服务构件开发_ - 一一钞 4 1 动态信息感知5 0 4 2 静态先验模型与知识共享5 2 - v 东南大学博士学位论文 4 3 环境作业与物理输出5 4 4 4 复杂计算与信息处理5 6 4 5 本地交互与远程监控5 7 第五章服务构件语义层功能建模”一一一- 一钞 5 1 基于o w l 广s 扩展定义的服务功能建模规范”5 9 5 1 1 本体定义图例说明5 9 5 1 2 模型本体定义6 0 5 1 3 模型编写语法6 2 5 1 4 一般建模设计步骤与原则6 4 5 2 典型服务构件的服务语义功能建模6 5 5 2 1 动态信息感知功能建模6 5 5 2 2 静态先验模型与知识共享功能建模6 7 5 2 3 环境作业与物理输出功能建模6 8 5 2 4 复杂计算与信息处理功能建模7 0 5 2 5 本地交互与远程监控功能建模7 0 第六章基于语义功能模型匹配的动态服务发现”- ”一7 l 6 1 基于o 、n 。s 扩展定义的任务需求建模规范7 l 6 1 1 模型本体定义7 l 6 1 2 模型编写语法7 2 6 2 面向服务发现的模犁匹配算法设计7 3 6 2 1 服务筛选模氆匹配规则7 3 6 2 2 服务评估模型相似度算法7 8 6 3 模型匹配算法性能验证分析8 0 6 3 1 查全率和查准率8 0 6 3 2 算法运行耗时”8 2 6 4 基于分散匹配的服务发现过程耗时优化8 4 6 4 1 针对广播式架构的空间分散匹配8 4 6 4 2 针对代理式架构的时间分散匹配8 5 第七章服务型矽动机器人应用系统设计与开发p87 7 1 应用场所设计与布置8 7 7 2 移动机器人选用与开发8 8 7 3 环境智能节点设计与开发”秽 7 3 1 全局周定摄像头8 9 7 3 2 语音捕获与识别“9 0 7 - 3 3 环境模型数据库9 l 7 3 4 个人信息资料库9 1 7 3 5 智能家电一9 2 7 3 6 移动机器人互联网远程监控系统“9 2 7 4 典型应用场景设计与实现9 4 7 4 1 场景l 未知环境定位导航”9 4 7 4 2 场景2 办公场所递送物品9 8 7 4 3 场景3 家庭远程网络就诊”9 9 7 4 4 场景4 残疾人的摔倒报警1 0 1 7 4 5 场景5 独居老人交互娱乐1 0 2 7 4 6 场景6 定时服侍老人吃药1 0 3 7 5 系统性能分析1 0 4 7 5 1 通用性1 0 4 7 5 2 机器人自主性”10 5 7 5 3 局限性1 0 6 v i 目录 第八章总结与展望 1 0 7 8 1 论文研究= 亡作总结1 0 7 8 2 未来研究工作展望1 0 7 参考文献 附录模型描述文档范例 l l o 1 1 7 l 服务模型描述文档1 1 7 1 1 接口模犁描述文档1 17 1 2 功能模型描述文档l18 2 需求模型描述文档1 2 l 攻读博士学位期间完成的学术论文 i ，q t p 怠1w 满，t 。” 东南大学博士学位论文 v i 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着人们对生活水平要求的日益提高，智能环境( s m a r ts p a c e ，i n t e l l i g e n te n v i r o n n l e n t ) 的研究逐渐 开始兴起并蓬勃发展。它通过嵌入在环境中的各种智能传感器观察人的行为和感知上下文信息，并通过 环境中的智能交互设备与人进行友好的交互，从而为人提供全方位的、个性化的辅助支持。与此同时， 移动机器人尤其是服务型移动机器人也越来越多地出现在人们的日常生活之中。它们小巧、灵活、可移 动性强、可以伴随人们左右的特点，使之倍受青睐。因此，越来越多的研究开始关注二者，希望通过它 们的有机结合为人类提供更加丰富、更加全面、效率更高的生活服务。 在移动机器人领域中，目前的主要研究集中在机器人本体智能的开发上。人们为机器人配备了各种 各样的传感器、机械手、人机交互设备、高速c p u 、大容量存储器、智能算法、资料数据库等，无非 是希望机器人的功能更强大，胜任的工作更多。能够充当一个“多面手”的角色。然而，事实却不如想 象的那么顺利。当机器人的本体智能发展到了一定程度时，就会受到限制： 1 硬件限制：过多的配件会争用有限的空间和资源，相互冲突导致各自的功能无法充分发挥，达不到 应有的效果。一味地添加配件，会增加机器人的体积和重量，反而失去了其灵活轻便的特点。 2 软件限制：目前人工智能的发展尚处于初级阶段，不论是机器人的识别能力，还是对客观世界的认 识理解能力都很弱。大部分机器人还只能机械地执行代码，自主决策能力相当有限。 3 成本限制：追求卓越的本体无可厚非，但也会因高昂的成本无法普及。且同样卓越的多个本体之间 会出现功能重叠，导致严重的浪费。开发全能型的个人机器人，尤其不适合当前的中国国情。 机器人的本体一定要设计得如此复杂吗? 有没有其它更好的解决办法呢? 答案是肯定的! 方法就是 将积聚于机器人一身的智能分散开去，分散到它的作业环境中去，利用网络连接起来，相互通信、相互 协作，共同完成任务。在这里，举两个简单的例子： 1 摄像头常用于机器人观察环境，定位自身。车载摄像头的视野有限，行动中易受颠簸、图像处理较 慢。而全局摄像头( 固定在高处) 视野宽广、定位精确、可以连接高性能处理器，往往效果更好。 2 数据库常用于储存机器人的作业数据。但受到硬件限制，机器人的存储空间往往较小。若将数据放 在网络数据库中供机器人查询，则可以缓解这种情况，同时也更易于数据的维护和管理。 这样的例子还有很多，不胜枚举。利用网络分布式技术，对现有设备进行改造，将其转化成网络智 能节点嵌入到环境中去，便有可能为机器人提供各种辅助。不难发现，这种嵌入了各种智能设备的环境 正是前面所说的智能环境，而现有的智能环境中所具备的辅助功能还远远不止这些。我们不妨将机器人 放到智能环境服务对象的位置上去，根据机器人的需求对智能环境进行改造和扩展，添加一些新的智能 节点和辅助功能，引入新的技术，让智能环境也能为机器人提供全方位的帮助。 本文正是要将智能环境与移动机器人结合起来，寻求一种技术方案，能使现有的智能环境在服务子 人的同时也能为机器人提供各个方面的辅助，如图1 1 所示。其好处可以大致归纳如下： 1 简化机器人的配置，降低成本：将一部分智能分散出去后，机器人本体只需要具备基本的计算和通 信功能，并保持原有的移动、操作能力即可，从而精简它的结构，缩小它的体积，提高它的灵活性。 2 提升机器人的能力，扩展作业范围：环境智能利用其在空间分布、资源共享、网络计算上的优势， 可以提供最佳的服务。利用它们机器人可以完成更多的任务，涉足更多的领域，达到更好的效果。 3 提高环境资源利用率，减少冗余浪费：环境智能可以同时辅助多个机器人，还可以辅助人以及其它 电子计算设备。它甚至可以被部署为一种公共基础设施，为将来实现集约型的社会奠定技术基础。 1 东南大学博士学位论文 4 扩展智能环境的能力，扩大辅助范围：对于智能环境而言，移动机器人的移动作业能力显然是其不 具备的，有了移动机器人的帮助，它将不仅能够感知人与环境的变化，还将能够直接作用于它们。 图1 1 移动机器人与智能环境相结合的研究理念 将机器人与智能环境相结合，是突破机器人本体智能发展瓶颈的有效途径和有益补充，同时也是提 升智能环境利用率和辅助能力的可行之路。未来的社会是智能化、信息化、网络化的社会，辅助移动机 器人的智能环境将广泛地应用与家庭、医院、学校、工厂、交通与公共场所。日本的网络机器人论坛于 2 0 0 4 年提出的。网络机器人发展的三步走战略川l 】中提到“通过与无所不在的网络结合，机器人可以广 泛的用于日常生活中的各个领域”。而对于国内近期推广的“物联网”【2 l 概念，该研究也可以提供技术 上的实现，和应用上的参考。综上所述，研究辅助移动机器人的智能环境，具有重要的价值和广阔的前 景。同时，此研究尚处于起步阶段，并已成为机器人领域中一个充满活力、备受关注的研究方向。 1 2 相关研究现状 辅助移动机器人的智能环境是一门综合了多学科领域的交叉性研究。从名称上看，它是移动机器人 与智娩环境的结合j 。因此相关研究也多见于移动机器人和智能环境两块研毵领域中；+ 机矗人系统模块化环境化。 舀历i 焉磊薪 自主移动服务 机器人系统 j 。 辅助移动机器 人的智能环境 图1 2 辅助移动机器人的智能环境研究定位 移动机器人本体智能方面的研究主要集中在自主移动服务机器人领域，主要研究内容包含动态环境 建模与定位、路径规划、人机交互等方面。随着机器人本体智能的日益完善，技术日臻成熟，机器人系 统的开发也逐渐呈现出模块化的趋势，进而诞生了机器人系统中间件技术并逐渐发展起来。它将模块化 的思想引入到机器人系统的开发中，将机器人的各部分组件封装成独立的功能模块，并为用户提供了友 好的界面以组装这些模块，增加了机器人系统的可重用性和可扩展性，降低了开发成本。 而另一方面，智能环境起初的辅助对象以人为主，研究内容主要集中在行为识别、上下文感知、情 感交互等方面。但随着机器人技术得日益兴旺，出现了智能环境与机器人结合的趋势。智能环境的辅助 对象不再局限于人类。也开始包括机器人( 尤其是移动机器人) ，研究内容开始转向如何利用环境智能 - 2 p 矗合一嗽巍一墟型队型屠氘一m引一晌里面轰 固产 的境人环 肋能辅智 第一章绪论 辅助机器人，旨在一方面通过“无所不在的( u b i q u i t o 吣) ”的环境智能提高机器人执行任务的能力，一 方面利用机器人的移动作业能力，扩大智能环境的作用范围。 以上两个领域中的研究所体现出来的两种趋势一旦结合，便会催生出一个新的研究领域。一方面， 机器人系统中间件使机器人系统趋于组件化、分散化如果进一步嵌入到环境中，便可使机器人系统环 境化；另一方面，智能环境与移动机器人的结合也为机器人提供了丰富的可利用资源，更加方便了机器 人利用环境智能弥补自身的不足。二者的结合，便是辅助移动机器人的智能环境，如图1 2 所示。 1 2 1 自主移动服务机器人技术 自主移动服务机器人技术属于智能机器人范畴，它的研究目标在于从工程上模拟人( 或其他生物体) 的复杂动作及智能行为，并获得综合的机器实现类似真人服务功能【3 j ，是一门集先进软硬件合成的集环 境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多项研究内容于一体的综合系统技术p 引。主要应用于清 洁、娱乐教育、老年人及残疾人康复、护理等社会服务领域，对于缓解全球老龄化社会来临所带来的服 务行业劳动力匮乏等社会问题具有重大意义。 日本在智能机器人技术方面一直居于世界领先地位。自1 9 9 3 年以来，。直在开发用于老年人和残 疾人护理及日常生活支持的服务机器人，其下一步发展的重点是家用服务机器人。美国、德国、英国等 欧美发达国家在服务机器人产品研制开发方面起步于2 0 世纪7 0 年代中期，他们开发的工作站式机器人 和搭载式机器人是当时进入市场比较成功的服务机器人之一2 0 世纪9 0 年代初，欧盟提出了t 观计 划，旨在促进帮助技术研发以满足社会和工业要求，改进残疾人和老年人的生活质量，提高欧洲工业和 服务业市场的发展水平。进入2 l 世纪，法国科学院和德国联邦研究会分别提出b o b 髓、g u l 冲计划， 积极推动服务机器人的研究。美国政府对于服务机器人的支持集中在作战机器人、反恐机器人方面。在 我国，机器人技术研究本身起步较晚，智能服务机器人的研究与世界先进水平有很大的差距。2 0 0 5 年， 国家科技部高新技术与产业化司就国家8 6 3 计划先进制造和自动化技术领域邀请有关企业、业内