基于認(rèn)知模型的室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)機(jī)制

江濟(jì)良，屠大維，張國(guó)棟，趙其杰

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072;2.上海大學(xué) 上海市機(jī)械自動(dòng)化及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

隨著社會(huì)人口老齡化，以及由于各種原因?qū)е碌拇罅恐珰埲耸考斑\(yùn)動(dòng)、語(yǔ)障患者的出現(xiàn)，發(fā)展先進(jìn)的助老助殘服務(wù)機(jī)器人成為社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的迫切需求［1-2］.服務(wù)機(jī)器人是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下為人類(lèi)提供服務(wù)的集成多種高技術(shù)的智能系統(tǒng)，即具有一定“智能”的自動(dòng)化機(jī)械［3］.但要發(fā)展具有完全自主行為的智能機(jī)器人在當(dāng)前及可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)仍有一定的困難［4］.20世紀(jì) 90年代初，錢(qián)學(xué)森、戴汝為、路甬祥、陳鷹等專(zhuān)家學(xué)者從不同角度提出了“人機(jī)智能”、“人機(jī)一體化智能系統(tǒng)”等概念的理論體系和技術(shù)立論［5-8］.人機(jī)智能系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)智能的“人”與智能的“機(jī)器”共同感知、共同認(rèn)知、共同決策、平等合作，彼此執(zhí)行自己最擅長(zhǎng)的工作，實(shí)現(xiàn)人的智能與機(jī)器智能在決策層面融合，產(chǎn)生更高的智能形式.在那以后的十幾年，研究人員針對(duì)不同應(yīng)用系統(tǒng)，尋求能發(fā)揮人類(lèi)定性、判斷、決策的智能，并與機(jī)器定量、計(jì)算、推理的智能相結(jié)合的人機(jī)一體化體系［9-11］.例如，劉雁飛和吳朝暉基于ACT-R(adaptive control of thought-rational)認(rèn)知體系建立了符合真實(shí)駕駛認(rèn)知行為的認(rèn)知模型，并應(yīng)用于車(chē)輛輔助駕駛系統(tǒng)［12］.AMANT等基于ACT-R認(rèn)知行為架構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的手機(jī)菜單人機(jī)交互模式極大地提高了交互效率［13］.

對(duì)于行動(dòng)不便的老人、肢殘人士、運(yùn)動(dòng)和語(yǔ)障患者這些心智正常并具有基本認(rèn)知行為能力的對(duì)象與服務(wù)機(jī)器人構(gòu)成的人機(jī)智能系統(tǒng)，也需要設(shè)計(jì)一種新的人機(jī)界面和工作機(jī)制.本文針對(duì)室內(nèi)移動(dòng)的助老助殘服務(wù)機(jī)器人，提出了基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)機(jī)制，通過(guò)人機(jī)耦合，建立人機(jī)一體化決策機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)半結(jié)構(gòu)化環(huán)境下人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃、避障等功能.

1 ACT-R認(rèn)知架構(gòu)

美國(guó)心理學(xué)家Anderson于1976年提出了ACTR(理性思維的適應(yīng)性控制)認(rèn)知架構(gòu)模型，試圖揭示人類(lèi)組織知識(shí)、產(chǎn)生智能行為的思維運(yùn)動(dòng)規(guī)律［14］，包括感知與注意力、學(xué)習(xí)和記憶、問(wèn)題解決與決策推理等.到目前為止，已發(fā)布多個(gè)ACT-R版本，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同系統(tǒng)操作平臺(tái)的支持.ACT-R架構(gòu)主要有3種類(lèi)型的部件組成:基本模塊(modules)、緩沖(buffers)和模式匹配(pattern matcher)，其工作原理如圖1所示.

圖1 ACT-R認(rèn)知架構(gòu)Fig.1 ACT-R cognitive architecture

基本模塊有感知運(yùn)動(dòng)模塊(perceptual-motor modules)和記憶模塊(memory modules)2種類(lèi)型.感知運(yùn)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外界的交互，ACT-R較完善的感知運(yùn)動(dòng)模塊是視覺(jué)和操作模塊，例如看到一個(gè)房間，走了進(jìn)來(lái).記憶模塊有2類(lèi)，即說(shuō)明性記憶(declarative memory)模塊和過(guò)程性記憶(procedural memory)模塊.說(shuō)明性記憶也叫做陳述性知識(shí)，由事實(shí)陳述構(gòu)成，如上面例子中關(guān)于房間的知識(shí).過(guò)程性記憶也叫過(guò)程性知識(shí)，是關(guān)于怎么做事情的知識(shí)，如上面例子中先走到房門(mén)位置，然后穿過(guò)房門(mén)，最后進(jìn)入房間的全過(guò)程.模式匹配是在知識(shí)庫(kù)中搜索和緩沖狀態(tài)一致的生成規(guī)則，如果規(guī)則匹配則被模型觸發(fā).生成規(guī)則實(shí)質(zhì)上是當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)被激發(fā)的條件反射的觸發(fā)規(guī)則，同一時(shí)間只有1個(gè)規(guī)則被觸發(fā)，觸發(fā)結(jié)果修改緩沖狀態(tài)從而改變系統(tǒng)的狀態(tài).緩沖是實(shí)現(xiàn)生成規(guī)則與其他基本模塊交互的接口，緩沖的內(nèi)容標(biāo)識(shí)ACT-R目前的狀態(tài).ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的認(rèn)知過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是生成規(guī)則的不斷觸發(fā).

本文從ACT-R認(rèn)知架構(gòu)模型及其實(shí)質(zhì)出發(fā)，對(duì)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)一體化系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，通過(guò)建立人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)平臺(tái)，使人的智能和機(jī)器智能建立在共同的ACT-R認(rèn)知架構(gòu)下，達(dá)到人機(jī)協(xié)同決策的目的.

2 基于ACT-R的人機(jī)一體化系統(tǒng)

基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)Fig.2 Human-robot coupling and collaborative operation system for mobile service robot

該系統(tǒng)中人(用戶(hù))的行動(dòng)不便，但具備基本的認(rèn)知能力，用戶(hù)通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器(計(jì)算機(jī)和機(jī)器人)之間的耦合，移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人處在室內(nèi)半結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，其環(huán)境特征為室內(nèi)房間、走廊、門(mén)窗等尺寸精確固定，室內(nèi)家具、雜物等可以移動(dòng).在ACT-R認(rèn)知架構(gòu)下用戶(hù)通過(guò)人機(jī)效應(yīng)通道與人機(jī)耦合界面之間進(jìn)行信息交互，人機(jī)耦合界面感知到人的意愿需求并將控制命令傳達(dá)給移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人發(fā)揮局部自主智能執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)，同時(shí)將執(zhí)行數(shù)據(jù)、作業(yè)環(huán)境等信息實(shí)時(shí)地反饋到人機(jī)耦合界面，并能與人協(xié)同決策.人機(jī)耦合界面與移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人之間的信息耦合通過(guò)基于C/S結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現(xiàn).

2.1 人機(jī)效應(yīng)通道和人機(jī)耦合界面

對(duì)于老年人和殘疾人這類(lèi)特殊用戶(hù)群體來(lái)說(shuō)，首先要解決人機(jī)效應(yīng)通道問(wèn)題，課題組面向助老、助殘應(yīng)用，研究開(kāi)發(fā)了基于“視覺(jué)－眼動(dòng)”、“聽(tīng)覺(jué)－語(yǔ)音”等簡(jiǎn)單自然雙向人機(jī)效應(yīng)通道的人機(jī)交互裝置［15-17］.其次，通過(guò)簡(jiǎn)單自然的人機(jī)效應(yīng)通道，設(shè)計(jì)了基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的人機(jī)耦合智能界面，它主要由橫向排列的任務(wù)對(duì)話(huà)框和信息耦合界面組成.任務(wù)對(duì)話(huà)框由一系列的任務(wù)列表組成，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)人機(jī)效應(yīng)通道與人機(jī)耦合界面交互時(shí)，該任務(wù)對(duì)話(huà)框可以進(jìn)行智能展開(kāi)和左右延伸并進(jìn)行響應(yīng)，自由而充分地表達(dá)用戶(hù)的意愿需求.信息耦合界面由簡(jiǎn)單自然的耦合窗口組成.

此外，為降低老年人和殘疾人這類(lèi)特殊用戶(hù)群體在交互過(guò)程中的負(fù)擔(dān)，在人機(jī)界面設(shè)計(jì)上采用基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的主動(dòng)引導(dǎo)、用戶(hù)適應(yīng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能模塊.計(jì)算機(jī)(或機(jī)器人)在交互或執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中遇到困難時(shí)，通過(guò)上下文提示、語(yǔ)義聯(lián)想等主動(dòng)引導(dǎo)缺省信息，要求用戶(hù)做出響應(yīng);針對(duì)不同用戶(hù)的行為特點(diǎn)和個(gè)性化參數(shù)，自適應(yīng)修正系統(tǒng)參數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性;計(jì)算機(jī)(或機(jī)器人)通過(guò)不斷學(xué)習(xí)獲得新的陳述性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí).如圖3所示.

圖3 基于ACT-R的人機(jī)交互Fig.3 Human-robot interaction based on ACT-R

2.2 移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人

移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人安裝了差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的左右主動(dòng)輪及各種機(jī)載傳感器，包括左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器、LMS200激光雷達(dá)、CCD、聲吶、數(shù)字羅盤(pán)、GPS等.其中德國(guó)SICK公司的LMS200激光雷達(dá)在一個(gè)平面作水平掃描獲取該平面內(nèi)場(chǎng)景的距離信息，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)使之俯仰擺動(dòng)，成為三維激光雷達(dá)傳感器，獲取場(chǎng)景三維圖像(range image)［18］，如圖4所示.三維激光雷達(dá)傳感器與CCD傳感器聯(lián)合使用，使機(jī)器人既獲得場(chǎng)景中二維物體的輪廓及顏色、文字、符號(hào)等信息，又獲得場(chǎng)景三維空間信息，兩者在時(shí)間上同步，視場(chǎng)上重合，且相互映射(mapping).

圖4 移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人Fig.4 Mobile service robot

該移動(dòng)機(jī)器人具有局部自主智能，一方面依賴(lài)其內(nèi)存中的室內(nèi)固定環(huán)境電子地圖，如走廊、門(mén)、墻等的位置和尺寸;另一方面，利用其自身攜帶的傳感器感知環(huán)境信息，特別是環(huán)境中的障礙物信息.移動(dòng)機(jī)器人局部自主路徑導(dǎo)航和智能避障同樣基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)，即系統(tǒng)采用以環(huán)境電子地圖描述的固定信息為基礎(chǔ)的陳述性知識(shí)和以傳感器獲得的場(chǎng)景信息為基礎(chǔ)的過(guò)程性知識(shí)，通過(guò)緩沖，生成執(zhí)行規(guī)則，完成局部路徑規(guī)劃、避障等功能.執(zhí)行規(guī)則是一系列特征匹配和預(yù)測(cè)控制算法［19］.

3 用戶(hù)與機(jī)器人的空間環(huán)境耦合

對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，用戶(hù)與機(jī)器人在空間環(huán)境耦合是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作導(dǎo)航進(jìn)行避障的關(guān)鍵.利用電子地圖和左右電機(jī)編碼器、GPS、機(jī)載數(shù)字羅盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在環(huán)境中的實(shí)時(shí)定位和姿態(tài)檢測(cè).利用OpenGL三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)構(gòu)建移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人與室內(nèi)環(huán)境的三維模型，當(dāng)機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)時(shí)同步顯示其在環(huán)境中的位置和姿態(tài)改變，將這一空間環(huán)境呈現(xiàn)在用戶(hù)界面(見(jiàn)圖5)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與機(jī)器人在空間環(huán)境的耦合.

圖5 人－機(jī)－環(huán)境耦合Fig.5 Human-robot-environment coupling

因此，必須不斷地將移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的執(zhí)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到用戶(hù)界面，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)在人機(jī)耦合界面實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人三維模型的相應(yīng)運(yùn)動(dòng).反過(guò)來(lái)也一樣，當(dāng)人機(jī)耦合界面中的移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人三維模型在用戶(hù)的命令下發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際環(huán)境中移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人也應(yīng)該保持相應(yīng)的同步運(yùn)動(dòng).

圖6為移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，其左右主動(dòng)輪中心之間的距離為L(zhǎng)d，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的距離為L(zhǎng)p.圖6中建立了2個(gè)坐標(biāo)系W和P.W為世界坐標(biāo)系{xw，ow，yw}，P 為機(jī)器人坐標(biāo)系{xp，op，yp}，其中op為機(jī)器人主動(dòng)輪軸的中點(diǎn)，xp為主動(dòng)輪軸線(xiàn)方向，yp為機(jī)器人前進(jìn)方向.在世界坐標(biāo)系W下，機(jī)器人的位姿為(xp，yp，θp)，其中(xp，yp)為點(diǎn) op在世界坐標(biāo)系W中的坐標(biāo)，θp為坐標(biāo)系P相對(duì)于世界坐標(biāo)系W的旋轉(zhuǎn)角，稱(chēng)為機(jī)器人的航向角.

圖6 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of the mobile service robot

對(duì)其左右主動(dòng)輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖6所示.已知左右輪的半徑相同為R，設(shè)輪心o1、or的速度大小分別為V1和Vr，由于輪子受非完整約束，其在地面作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)，可得

在世界坐標(biāo)系W中，op點(diǎn)的速度Vp為

式中:|Vp|為op點(diǎn)的速度大小.由式(1)～(3)整理得

4 人機(jī)協(xié)同決策作業(yè)機(jī)制

該系統(tǒng)采用人－機(jī)一體的技術(shù)路線(xiàn)，人與機(jī)器共同組成一個(gè)系統(tǒng)，人機(jī)共同感知、共同認(rèn)知、共同決策、平等合作，彼此執(zhí)行自己最擅長(zhǎng)的工作;在充分發(fā)揮人的智能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)厝ラ_(kāi)發(fā)機(jī)器的智能，旨在實(shí)現(xiàn)人的智能與機(jī)器智能在決策層面的融合，以產(chǎn)生更高的智能形式.圖7為基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)一體化決策模型.整個(gè)系統(tǒng)中，除了用戶(hù)具有人的智能，人機(jī)耦合界面和機(jī)器人也具有基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的智能.

人機(jī)耦合界面主要由任務(wù)需求對(duì)話(huà)框和4個(gè)耦合窗口組成，4個(gè)耦合窗口分別為CCD二維視頻窗口、激光雷達(dá)三維圖像窗口、人－機(jī)－環(huán)境耦合三維模型窗口和環(huán)境幾何地圖窗口，如圖8所示.視頻窗口顯示機(jī)器人前方視頻圖像;激光雷達(dá)三維圖像窗口顯示三維激光雷達(dá)通過(guò)掃描獲得的前方場(chǎng)景距離圖像;人－機(jī)－環(huán)境耦合三維模型窗口顯示與實(shí)際移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)的三維作業(yè)模擬圖像;環(huán)境幾何地圖窗口顯示室內(nèi)環(huán)境電子地圖.人機(jī)作業(yè)進(jìn)程中，在界面上就會(huì)產(chǎn)生虛實(shí)結(jié)合、多維、交互的人機(jī)耦合效果.

圖7 基于ACT-R的人機(jī)協(xié)同決策模型Fig.7 Human-robot decision model based on ACT-R

圖8 人機(jī)耦合界面設(shè)計(jì)Fig.8 Design of human-robot coupling interface

圖9為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)一體化決策協(xié)同作業(yè)機(jī)制的原理圖.用戶(hù)通過(guò)“視覺(jué)－眼動(dòng)”、“聽(tīng)覺(jué)－語(yǔ)音”等簡(jiǎn)單自然的人機(jī)效應(yīng)通道與人機(jī)耦合界面進(jìn)行交互，人機(jī)耦合界面與機(jī)器人之間通過(guò)基于C/S架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)信息耦合，機(jī)器人通過(guò)其操作模塊和感知模塊與環(huán)境之間發(fā)生相互作用，用戶(hù)和環(huán)境之間形成一條交互耦合通道，實(shí)現(xiàn)人－機(jī)－環(huán)境的空間耦合感知，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化決策.

移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人接收到用戶(hù)的決策命令時(shí)，機(jī)器人自身也進(jìn)行決策，權(quán)衡用戶(hù)決策的合理性和可行性，如果合理可行，則執(zhí)行用戶(hù)的決策命令，否則將機(jī)器決策的相關(guān)信息反饋到耦合界面供用戶(hù)參考.機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，當(dāng)自身的局部智能遇到困難時(shí)，會(huì)通過(guò)消息發(fā)送器和消息對(duì)話(huà)框在人機(jī)耦合界面上自主彈出消息，給予用戶(hù)適當(dāng)提示，請(qǐng)求用戶(hù)參與決策.表1列出了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)同作業(yè)的條件響應(yīng)生成規(guī)則.例如人機(jī)協(xié)同避障條件－響應(yīng)生成規(guī)則中，如果同時(shí)滿(mǎn)足條件1)處于前進(jìn)、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài);2)前方安全距離范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物;3)機(jī)器智能有限不能避開(kāi)這類(lèi)障礙物，則觸發(fā)人機(jī)協(xié)同避障進(jìn)程，機(jī)器人在安全距離處停止運(yùn)動(dòng)，向人機(jī)界面發(fā)送消息“左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)?”，請(qǐng)求用戶(hù)參與避障決策.人機(jī)作業(yè)進(jìn)程中，用戶(hù)主要負(fù)責(zé)定性判斷和決策，例如轉(zhuǎn)彎方向判斷、目的地選擇等.移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人是作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行者，主要承擔(dān)定量計(jì)算和推理工作，它一方面將環(huán)境信息和相關(guān)執(zhí)行信息實(shí)時(shí)地反饋到人機(jī)耦合界面上，另一方面運(yùn)用陳述性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí)，通過(guò)緩沖，生成規(guī)則，發(fā)揮自主局部智能，例如轉(zhuǎn)彎半徑選擇、自主避障等.用戶(hù)和移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人通過(guò)人機(jī)協(xié)同決策和分工合作來(lái)完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù).

圖9 人機(jī)一體化決策協(xié)同作業(yè)機(jī)制Fig.9 Human-robot integrated and collaborative decision operation mechanism

表1 人機(jī)協(xié)作條件－響應(yīng)生成規(guī)則Table 1 Condition-action productions of HRC

5 室內(nèi)人機(jī)協(xié)同作業(yè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示，其中圖10(a)為在走廊中的移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人，圖10(b)為在房間內(nèi)的用戶(hù)及人機(jī)交互界面.用戶(hù)使用語(yǔ)音、視覺(jué)等簡(jiǎn)單自然的人機(jī)效應(yīng)通道，在具有ACT-R認(rèn)知特征的智能人機(jī)界面進(jìn)行人機(jī)交互.

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 Experiment system

圖11為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)過(guò)程中的幾幅畫(huà)面.圖11(a)～(c)表示機(jī)器人利用自身攜帶的傳感器檢測(cè)到前方存在障礙物，發(fā)揮機(jī)器自主智能在安全距離處停止運(yùn)動(dòng)，并在界面上給予用戶(hù)適當(dāng)?shù)奶崾?“左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)?”(見(jiàn)圖12(a));用戶(hù)通過(guò)人機(jī)耦合界面感知到這一提示，作出右轉(zhuǎn)決策命令，機(jī)器人在用戶(hù)決策命令下發(fā)揮機(jī)器智能自主避開(kāi)障礙物.圖11(d)～(f)表示機(jī)器人即將行至房門(mén)位置面臨多個(gè)房間選擇時(shí)，提示用戶(hù):“請(qǐng)問(wèn)進(jìn)入哪一房間?”(見(jiàn)圖12(b));用戶(hù)選擇所要進(jìn)入的房間后，機(jī)器人依據(jù)內(nèi)部電子地圖和自身攜帶的傳感器自主進(jìn)入該房間.

圖11 人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)過(guò)程的幾幅畫(huà)面Fig.11 Pictures of human-robot collaborative operation

圖12為人機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)的人機(jī)耦合界面，其中圖12(a)是機(jī)器人在安全距離處停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的人機(jī)耦合協(xié)同決策界面，這時(shí)界面上的人－機(jī)－環(huán)境耦合三維模型窗口上會(huì)彈出“左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)?”消息字樣;圖12(b)是機(jī)器人即將到達(dá)房門(mén)位置存在多個(gè)房間選擇時(shí)的人機(jī)耦合協(xié)同決策界面，這時(shí)界面上的人－機(jī)－環(huán)境耦合三維模型窗口上會(huì)彈出“請(qǐng)問(wèn)進(jìn)哪一房間?”消息字樣，且任務(wù)需求對(duì)話(huà)框也發(fā)生相應(yīng)變化，列出所有的房間號(hào)供用戶(hù)選擇.環(huán)境幾何地圖窗口中的圓點(diǎn)及箭頭表示機(jī)器人在地圖上的位姿(圓點(diǎn)中心位于粗實(shí)線(xiàn)的中心線(xiàn)上)，曲線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)中所保留的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡.圖13為機(jī)器人進(jìn)入指定房間時(shí)界面上的環(huán)境幾何地圖窗口，該窗口顯示了人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)過(guò)程中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖12 人機(jī)耦合界面Fig.12 Human-robot coupling interface

圖13 環(huán)境幾何地圖窗口Fig.13 Environment geometric map window

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將具備基本認(rèn)知能力的老、殘、障這類(lèi)特殊服務(wù)對(duì)象納入到人機(jī)系統(tǒng)中，提出了基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)模型的移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)機(jī)制，用戶(hù)與機(jī)器人共同感知、共同決策、平等協(xié)作地完成室內(nèi)避障、導(dǎo)航等作業(yè)任務(wù).從該系統(tǒng)人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)上看，設(shè)計(jì)了基于ACT-R認(rèn)知架構(gòu)的人機(jī)耦合智能界面，用戶(hù)通過(guò)與交互界面之間的自然友好交互和人與機(jī)器人之間的空間環(huán)境耦合感知，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)一體化協(xié)同決策作業(yè).該人機(jī)耦合協(xié)同作業(yè)機(jī)制以移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人為例，在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)耦合協(xié)同避障導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，順利、高效地完成了作業(yè)任務(wù).

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