《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(gè)特定的問題狀態(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。

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(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)。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(gè)問題狀態(tài)移動(dòng)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)，無需計(jì)算整個(gè)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(gè)有希望的較為容易解決的子問題。8.1自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(gè)可移動(dòng)的機(jī)械手，它可以抓起積木塊并移動(dòng)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(gè)例子中機(jī)器人能夠執(zhí)行的動(dòng)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(gè)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?jī)?nèi)容是綜合機(jī)器人的動(dòng)作序列，即在某個(gè)給定初始情況下，經(jīng)過某個(gè)動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)動(dòng)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(gè)能夠達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的動(dòng)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(gè)動(dòng)作序列叫做達(dá)到這個(gè)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(gè)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(shí)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?！澳Ｐ汀辈糠职Ｐ褪澜缥矬w現(xiàn)有狀態(tài)的事實(shí)。“過程”集中了予先準(zhǔn)備好的過程知識(shí)。“方塊”集中了LISP程序，它配合“規(guī)劃”對(duì)“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(shí)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(chǔ)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(shí)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(gè)命令句子送入系統(tǒng)時(shí)，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?rùn)C(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(shí)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?rùn)C(jī)理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及規(guī)劃?rùn)C(jī)理機(jī)器人用戶機(jī)器人專家知識(shí)用戶接口知識(shí)庫推理機(jī)控制策略工具專家系統(tǒng)知識(shí)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(gè)部分組成，如圖8.20所示。知識(shí)庫控制策略推理機(jī)知識(shí)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(gè)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(jí)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(gè)方面，它包含下列3個(gè)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(jí)機(jī)器人規(guī)劃的最后一步是綜合機(jī)械