《人工智能》-第八章 機(jī)器人規(guī)劃

第八章機(jī)器人規(guī)劃8.1

機(jī)器人規(guī)劃的作用與任務(wù)

8.2積木機(jī)器的機(jī)器人規(guī)劃8.3STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)8.4具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng)8.5基于專家系統(tǒng)的機(jī)器人規(guī)劃8.6小結(jié)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.1

機(jī)器人規(guī)劃的作用與任務(wù)

8.1.1 規(guī)劃的作用與問題分解途徑

規(guī)劃的概念及作用規(guī)劃的概念規(guī)劃是一種重要的問題求解技術(shù)，它從某個特定的問題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動作，并建立一個操作序列，直到求得目標(biāo)狀態(tài)為止。

圖8.1子規(guī)劃的分層結(jié)構(gòu)例子工作日規(guī)劃上午子規(guī)劃中午子規(guī)劃下午子規(guī)劃吃夾心面包閱讀寫作回家去上班閱讀文章2中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所規(guī)劃的作用規(guī)劃可用來監(jiān)控問題求解過程，并能夠在造成較大的危害之前發(fā)現(xiàn)差錯。規(guī)劃的好處可歸納為簡化搜索、解決目標(biāo)矛盾以及為差錯補(bǔ)償提供基礎(chǔ)。問題分解途徑及方法把某些比較復(fù)雜的問題分解為一些比較小的子問題。有兩條能夠?qū)崿F(xiàn)這種分解的重要途徑。第一條重要途徑是當(dāng)從一個問題狀態(tài)移動到下一個狀態(tài)時，無需計(jì)算整個新的狀態(tài)，而只要考慮狀態(tài)中可能變化了的那些部分。第二條重要途徑是把單一的困難問題分割為幾個有希望的較為容易解決的子問題。8.1自動規(guī)劃的作用與任務(wù)3中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.1.2 機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的任務(wù)與方法在規(guī)劃系統(tǒng)中，必須具有執(zhí)行下列各項(xiàng)任務(wù)的方法：根據(jù)最有效的啟發(fā)信息，選擇應(yīng)用于下一步的最好規(guī)則。應(yīng)用所選取的規(guī)則來計(jì)算由于應(yīng)用該規(guī)則而生成的新狀態(tài)。對所求得的解答進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)空端，以便舍棄它們，使系統(tǒng)的求解工作向著更有效的方向進(jìn)行。檢驗(yàn)殆正確的解答，并應(yīng)用具體的技術(shù)使之完全正確。8.1自動規(guī)劃的作用與任務(wù)4中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃

8.2.1積木世界的機(jī)器人問題積木世界由一些有標(biāo)記的立方形積木，互相堆迭在一起構(gòu)成；機(jī)器人有個可移動的機(jī)械手，它可以抓起積木塊并移動積木從一處至另一處。CBA機(jī)械手5中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所在這個例子中機(jī)器人能夠執(zhí)行的動作舉例如下：

unstack(a,b)：把堆放在積木b上的積木a拾起。在進(jìn)行這個動作之前，要求機(jī)器人的手為空手，而且積木a的頂上是空的。

stack(a,b)：把積木a堆放在積木b上。動作之前要求機(jī)械手必須已抓住積木a，而且積木b頂上必須是空的。

pickup(a)：從桌面上拾起積木a，并抓住它不放。在動作之前要求機(jī)械手為空手，而且積木a頂上沒有任何東西。

putdown(a)：把積木a放置到桌面上。要求動作之前機(jī)械手已抓住積木a。8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃6中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所

研究內(nèi)容是綜合機(jī)器人的動作序列，即在某個給定初始情況下，經(jīng)過某個動作序列而達(dá)到指定的目標(biāo)。機(jī)器人問題的狀態(tài)描述和目標(biāo)描述均可用謂詞邏輯公式構(gòu)成：

ON(a,b)：積木a在積木b之上。

ONTABLE(a)：積木a在桌面上。

CLEAR(a)：積木a頂上沒有任何東西。

HOLDING(a)：機(jī)械手正抓住積木a。

HANDEMPTY：機(jī)械手為空手。8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃7中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所

圖8.4(a)所示為初始布局的機(jī)器人問題。目標(biāo)在于建立一個積木堆，其中，積木B堆在積木C上面，積木A又堆在積木B上面，如圖8.4(b)所示。CBA機(jī)械手ABC機(jī)械手（a）初始布局（b）目標(biāo)布局圖8.4積木世界的機(jī)器人問題8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃8中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所初始布局可由下列謂詞公式的合取來表示：CLEAR(B)：積木B頂部為空CLEAR(C)：積木C頂部為空ON(C，A)：積木C堆在積木A上ONTABLE(A)：積木A置于桌面上ONTABLE(B)：積木B置于桌面上HANDEMPTY：機(jī)械手為空手8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃9中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.2.2 用F規(guī)則求解規(guī)劃序列

STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)則由3部分組成：第一部分是先決條件。第二部分是一個叫做刪除表的謂詞。

第三部分叫做添加表。

8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃10中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所例：表示堆積木的例子中move這個動作，如下所示：

move(x,y,z)：把物體x從物體y上面移到物體z上面。先決條件：CLEAR(x),CLEAR(z)，ON(x,y)

刪除表：ON(x,z)，CLEAR(z)

添加表：ON(x,z)，CLEAR(y)如果move為此機(jī)器人僅有的操作符或適用動作，那么，可以生成如圖8.5所示的搜索圖或搜索樹。CLEAR(X)CLEAR(Z)ON(X,Y)ONTABLE(Y)ONTABLE(Z)CLEAR(X)CLEAR(Y)ON(X,Z)ONTABLE(Y)ONTABLE(z)move(X,Y,Z)圖8.5表示move動作的搜索樹8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃11中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所機(jī)器人的4個動作(或操作符)可用STRIPS形式表示如下：

stack(X,Y)

先決條件和刪除表：HOLDING(X)∧CLEAR(Y)

添加表：

HANDEMPTY，ON(X，Y)

unstack(X,Y)

先決條件：

HANDEMPTY∧ON(X，Y)∧CLEAR(X)

刪除表：ON(X，Y)，HANDEMPTY

添加表：HOLDING(X)，CLEAR(Y)

pickup(X)

先決條件：ONTABLE(X)∧CLEAR(X)∧HANDEMPTY

刪除表：ONTABLE(X)∧HANDENPTY

添加表：HOLDING(X)

putdown(X)

先決條件和刪除表：HOLDING(X)

添加表：ONTABLE(X)，HANDEMPTY8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃12中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所

從初始狀態(tài)開始，正向地依次讀出連接弧線上的F規(guī)則，我們就得到一個能夠達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的動作序列（如圖8.6中粗線所示）于下：

{unstack(C,A),putdown(C),pickup(B),stack(B,C),pickup(A),stack(A,B)}

就把這個動作序列叫做達(dá)到這個積木世界機(jī)器人問題目標(biāo)的規(guī)劃。8.2積木世界的機(jī)器人規(guī)劃13中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.3STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)STRIPS的介紹

STRIPS是由Fikes、Hart和Nilsson3人在1981及1982研究成功的，它是夏凱(Shakey)機(jī)器人程序控制系統(tǒng)的一個組成部分。STRIPS系統(tǒng)組成世界模型：為一階謂詞演算公式；

操作符(F規(guī)則)：包括先決條件、刪除表和添加表；

操作方法：應(yīng)用狀態(tài)空間表示和中間-結(jié)局分析。14中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.4具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng)

PULP-Ⅰ機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)

PULP-Ⅰ機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)是一種具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，它采用管理式學(xué)習(xí)，其作用原理是建立在類比(analogue)的基礎(chǔ)上的。

STRIPS的弱點(diǎn)需要極其大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存和時間等。應(yīng)用具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng)能夠克服這一缺點(diǎn)。15中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.4.1 PULP-Ⅰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與操作方式PULP-Ⅰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

“字典”是英語詞匯的集合。“模型”部分包括模型世界物體現(xiàn)有狀態(tài)的事實(shí)?！斑^程”集中了予先準(zhǔn)備好的過程知識?！胺綁K”集中了LISP程序，它配合“規(guī)劃”對“模型”進(jìn)行搜索和修正。SENEF程序規(guī)劃與學(xué)習(xí)字典模型過程方塊響應(yīng)輸入圖8.14PULP-Ⅰ系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

8.4具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng)16中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所PULP-Ⅰ系統(tǒng)的操作方式

PULP-Ⅰ系統(tǒng)具有兩種操作方式：

學(xué)習(xí)方式

在學(xué)習(xí)方式下，輸入至系統(tǒng)的知識是由操作人員或者所謂“教師”提供的。圖8.15表示出在學(xué)習(xí)方式下的系統(tǒng)操作。

存儲任務(wù)分析方塊匹配過程分解學(xué)習(xí)教師輸入任務(wù)知識響應(yīng)圖8.15學(xué)習(xí)方式下PULP-Ⅰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

8.4具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng)17中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所規(guī)劃方式當(dāng)某個命令句子送入系統(tǒng)時，PULP-Ⅰ就進(jìn)入規(guī)劃方式。上圖表示PULP-Ⅰ系統(tǒng)在規(guī)劃方式下的結(jié)構(gòu)。檢索混合規(guī)劃方塊目標(biāo)檢驗(yàn)匹配單一規(guī)劃規(guī)劃輸入命令響應(yīng)過程模型圖8.16規(guī)劃方式下PULP-Ⅰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

8.4具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng)18中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.5基于專家系統(tǒng)的機(jī)器人規(guī)劃機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)就是用專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)建立起來的機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)。管理式學(xué)習(xí)能力的機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的不足：表達(dá)子句的語義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。與復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān)的是，

PULP-Ⅰ系統(tǒng)具有許多子系統(tǒng)。而且需要花費(fèi)大量時間來編寫程序。盡管PULP-Ⅰ系統(tǒng)的執(zhí)行速度要比

STRIPS

系列快得多，然而它仍然不夠快。19中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和規(guī)劃機(jī)理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及規(guī)劃機(jī)理機(jī)器人用戶機(jī)器人專家知識用戶接口知識庫推理機(jī)控制策略工具專家系統(tǒng)知識獲取說明與分析問題輸入或新情況描述回答問題或建議與解釋圖8.20機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)20中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所基于規(guī)劃的機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)由5個部分組成，如圖8.20所示。知識庫控制策略推理機(jī)知識獲取解釋與說明基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的目標(biāo)就是要通過逐條執(zhí)行規(guī)則及其有關(guān)操作來逐步地改變總數(shù)據(jù)庫的狀況，直到得到一個可接受的數(shù)據(jù)庫(稱為目標(biāo)數(shù)據(jù)庫)為止。8.5基于專家系統(tǒng)的機(jī)器人規(guī)劃21中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所任務(wù)級機(jī)器人規(guī)劃三要素任務(wù)規(guī)劃是機(jī)器人高層規(guī)劃最重要的一個方面，它包含下列3個要素：建立模型建立機(jī)器人工作環(huán)境的世界模型。任務(wù)說明程序綜合任務(wù)級機(jī)器人規(guī)劃的最后一步是綜合機(jī)械