三 运动规划
• 3.1 运动规划概念
运动规划就是对一系列动作所做的规划，它是综合机器人的动作序
列，即在某个给定初始情况下，经过某个动作序列而达到指定的目标。 动作序列的规划是一种智能行为，如果是简单的动作，我们可以采 用单关节动作规划，然后将单个关节动作规划得到的数据分别存储，用于 组成后续过程中的复杂动作。
2.时间模型一定要设计的简洁，能简单的反应事实，以便动作执行。 3.特殊的时间设计是不必要的，但简洁的时间序列也要保证正确的
• 2.2 时间（Time）
动作序列。 4.一个简洁的时间设计的例子是Piano Mover’s Problem：解决方 案是移动钢琴使其到另一个模拟状态，但是特殊的速度在方案中不被专属 对待。 机器人演奏
机器人制造公司WowWee公司在CES大展上推出了可编程玩具机器人MiP
一 机器人规划综述
• 1.6 在规划系统中，必须执行下列各项任务： • 根据最有效的启发信息，选择应用于下一步的最好规则。 • 应用所选取的规则来计算由于应用该规则而生成的新状态。 • 对所求得的解答进行检验。
• 检验空端，以便舍弃它们，使系统的求解工作向着更有效的方向进行。
机器人任务规划
主要内容
•一 •二 •三 •四 •五 机器人的任务规划 任务规划的基本要素 运动规划 轨迹规划 几种机器人规划的方法
一 机器人的任务规划
• 1.1 • 1.2 • 1.3 • 1.4 • 1.5 • 1.6 规划的概念 规划的作用 规划问题分解途径 规划域的预测 规划的修正 规划系统所要执行的任务
美女机器人“HRP-4C”(中) 在数位产品博览会上唱歌跳 舞。这个机器人身高1.58米， 重43公斤，能说话，会做出 多种表情。
三 运动规划
• 3.2 运动规划分类及常用算法： 按照环境建模方式和搜索策略的异同，可将规划方法大致上分成三类， 分别是基于自由空间几何构造的规划，前向图搜索算法和基于随机采样的运动 规划。 1.基于自由空间几何构造的规划方法有可视图、切线图、Voronoi图以及
三 运动规划
• 3.2 运动规划分类及常用算法： • 1.基于自由空间几何构造的规划方法 其基本思想就是构造某种图来描述环境的自由空间，从图上找到满 足某种准则的最优路径。此法一般包括两个阶段：第一阶段构造一个描述 自由空间关系图，第二阶段按照一定的准则则(最短距离、最少时间等)寻 找一条最优路径。 可视图法：在空间中，以多边形障碍物模型为基础, 任意形状障碍 物用近似多边形代替, 用直线将机器人运动的起始点和所有空间障碍物的 顶点以及目标点连接, 并保证这些直线段不与空间障碍物相交, 形成了一 张图, 称为可视图。
子规划的分层结构例子
一 机器人规划综述
• 1.1 规划的概念：
Problem-solving technique
belong to
Automatic planning
typical example
Robot planning
research area of
Robotics
一 机器人规划综述
「双足(轮)自走机器人」零号机登场 我会和人类一样跑步啦！
俄机器人宇航员SAR化的以及哪些是不变的问题（框架问题）就变得越来越重要。 401。据英国《每日邮 报》11月27日报道，俄 罗斯最早将于2014年派 遣“机器人宇航员”前 往国际空间站工作。
一 机器人规划综述
• 1.3 规划问题分解途径：
第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的较为容易
机的位置和速度等。
2.离散的和连续的状态空间都是允许的；应该可以被简洁的用一个计划算法 描述。在大多数应用里，状态空间的大小（数目和复杂度）应该尽可能的被简洁
描述。
3.状态空间是设计问题中最基本的也是最重要的，应该仔细设计及分析。
“猎豹”机器人
二
任务规划的基本要素
1.所有的设计问题都包括在时间范围内的一系列决策。
• 1.3 规划问题分解途径：
把某些比较复杂的问题分解为一些比较小的子问题，有两条能够实
现这种分解的重要途径。 第一条重要途径是，当从一个问题状态移动到下一个状态时，无需
计算整个新的状态，而只要考虑状态中可能变化了的那些部分。例如，
一个机器人从一个房间走动到另外一个房间，这并不改变两个房间内门 窗的位置。当问题状态的复杂程度提高时，研究如何决定哪些事物是变
慢慢把水壶倾斜
把水壶竖直
一 机器人规划综述
任务规划
总体任务
子任务
运动规划
动作顺序
轨迹规划
关节运动 规律
一 机器人规划综述
人 要求的 机 任务 接 口 规 划
期望的 运动和 力
控
机 器 控制作用 人 制 本 体
实际的 运动和 力
一 机器人规划综述
• 1.4 规划域的预测 对真实世界的任何方面进行完全预测几乎是做不到的。因此，必须 随时准备面对规划的失败。但是，如果在进行规划时把问题分解为尽可能 多的独立的（或近乎独立的）子问题，那么某一规划步骤的失败对规划的 影响是十分局部的。
任务规划的基本要素
状态空间（State） 时间（Time） 操作状态的动作序列（Actions） 初始和目标状态（Initial and goal states) 标准（A criterion） 运动计划（A plan）
二
• 2.1
任务规划的基本要素
状态空间（State） 1.设计问题包括所有可能发生的状态空间。比如机器人的位置和方向、直升
一 机器人规划综述
一个服务机器人在接受主人 “给我倒一杯开水”的命令之
后,机器人如何完成这一任务?
一 机器人规划综述
给我 倒杯水
取一个杯子 找到水壶 打开壶塞 把水倒入杯中 把水送给主人 把水壶放回原处
提起水壶到杯口上方
MOVE HAND FROM A TO B JOINT POSITION A TO B
二
任务规划的基本要素
• 2.4 初始和目标状态（Initial and goal states）
1.一个计划问题通常包含初始化的状态和目标状态，过程通过一系列设计的 中间状态及动作序列组成。 2.初始状态是状态空间的一个特殊点，也是动作序列未发生时的全局状态。 3.目标状态时设计的一系列动作执行后，决策者期待经过一系列状态变化后
该机器人是由日本川田 工业株式会社生产的， 首台机器人已运至空客 PuertoReal工厂，并将 被集成在A380方向舵装 配台上。在那里，该机 器人将和普通人类员工 一起进行铆接工作。
三 运动规划
• 3.1 运动规划概念
• 机器人运动规划要完成的功能一般包括两层：
第一层即所谓的路径规划，移动机器人在具有障碍物环境中按照一 定的评价标准，寻找一条从起始状态（包括位置和姿态）到目标状态（包 括位置和姿态）的无碰路径。 第二层即跟踪控制，要求移动机器人依据路径规划得到路径解，设 计控制量序列驱动机器人安全快速地移动到目标点。 2010年10月16日，日本东京，
二
• 2.3
任务规划的基本要素
操作状态的动作序列（Actions） 1.一个计划产生一系列可以改变状态的动作。动作这个术语在这里
可以理解为人工智能中通用的operators。在控制理论和机器人理论中的 对应术语为inputs和controls。 2.在设计规范中，当动作序列执行时，状态如何改变时必须要细致 描述的。这就需要一个状态返回函数，来处理离散的时间变化或者可微分 的连续时间上的变化。 3.对应绝大多数动作设计问题，关于时间的函数设计要避免直接在 状态空间相邻位置连续变换。
解决的子问题，这种分解能够使困难问题的求解变得容易些。虽然这样做 有时是可能的，但往往是不可能的。替代的办法是，可以把许多问题看做
待可分解问题，即意味着它们可以被分割为只有少量相互作用的子问题。
“发现号”航天飞机（Discovery）的最后一项 太空任务是将首台人形机器人送入国际空间站。这 位机器宇航员被命名为“R2”，它的活动范围接 近 于人类，并可以执行那些对人类宇航员来说太过危 险的任务。美国宇航局表示，“随着我们超越低地 球轨道，这些机器人对美国宇航局的未来至关重 要。”
• 检验殆正确的解答，并应用具体的技术使之完全正确。
Bluetooth Fighting Mini Robot蓝牙战斗小型玩具机器人
一 机器人规划综述
• 智能化程度越高, 规划的层数越多,用户操作越简单。一般的工业机器人, 以轨迹规划为主,高层的规划由人工完成。关于机器人规划的几点理解： • 机器人的规划是分层次的： • 任务规划 • 动作规划 • 轨迹规划
一 机器人规划综述
• 1.1 规划的概念：
自动规划是一种重要的问题求解技术，它从某个特定的问题状态出
发，寻求一系列行为动作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。 机器人规划（Robot planning）是机器人学的一个重要研究领域。
工作日规划
上午子规划 去上班 阅读文章 中午子规划 吃夹心面包 014全球移动互联网大会召开，在 大会现场，来自大阪大学的智能机器人研究所所长石黑浩 展示了新款智能机器人。该机器人外形机器极其逼真，能 够完成点头、眨眼等动作，并可以进行简单的交谈。
一 机器人规划综述
奥巴马与日本人踢足球
二
• 2.1 • 2.2 • 2.3 • 2.4 • 2.5 • 2.6
Nao智能机器人
二
任务规划的基本要素
1.大体来说，一个计划利用一个特殊的策略或者行为来施加于决策者。 2.计划应该使得动作序列容易被执行。然而，这使得设计更复杂。 3.预测未来的状态是困难的，因此关注被放在状态转移的实现上。
• 2.6 运动计划（A plan）
4.若不考虑未来的状态，当前的状态的最优方案是可以被设计出的，这