人機交互方式下移動機器人自主導(dǎo)航技術(shù)的研究

李堯生

摘 要：科學(xué)技術(shù)成果為世界人民帶來方便快捷的同時，人機交互技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也在伴隨而來。在當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)中，人機交互技術(shù)是最為重要的一部分，但是人機交互技術(shù)相對于計算機軟件及硬件技術(shù)的發(fā)展就顯得尤為落后了，顯然這一課題直接影響了人類能否對更多未知領(lǐng)域加以探索和認識的關(guān)鍵。很多學(xué)者都說在人機交互技術(shù)產(chǎn)生以來直接對移動機器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)方面給予了極大地啟發(fā)和幫助，在20世紀各國對于機器人領(lǐng)域就開始涉足，面對全球人口資源的浪費和效率低等原因，機器人可以更好地改變目前這種現(xiàn)狀，尤其在一些人為情況下無法進行的工作，機器人就可以代替我們完成，機器人需要有自己的思想和判斷能力，那么自主導(dǎo)航能力那便成為首要的關(guān)鍵，人機交互技術(shù)的產(chǎn)生對于移動機器人自主導(dǎo)航技術(shù)的研究就提供了不可或缺的幫助，我們首先要明白什么是人機交互技術(shù)，它主要涉及哪些方面，在這些方面中移動機器人自主導(dǎo)航只是其中尤為關(guān)鍵的一個研發(fā)項目，如何更好讓我們對移動機器人自主導(dǎo)航有更多的了解，該文就從人機交互技術(shù)方面對此展開介紹，講解一下兩者之間究竟存在著哪些關(guān)聯(lián)，以及在移動機器人自主導(dǎo)航方面還存在哪些缺陷和未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：人機交互技術(shù) 移動機器人 自主導(dǎo)航技術(shù) 發(fā)展 虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0032-02

1 人機交互技術(shù)的簡要概述

1.1 人機交互技術(shù)的形成

人機交互是指在人們發(fā)明計算機系統(tǒng)以來，伴隨著計算機系統(tǒng)產(chǎn)生的一系列科學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。人機交互技術(shù)其實包括兩部分組成，一是人與計算機之間，二是計算機與人之間，兩者之間的相互交換，這是一個信息交互的過程。在1946年世界上第一臺數(shù)字計算機被發(fā)明以來，計算機逐漸被人們所認知，也不斷地融入我們的日常生活中，人們利用計算機本身的鍵盤、鼠標、數(shù)據(jù)庫、位置跟蹤器、壓力筆等設(shè)備，通過人類自己的眼睛、手腳、和身體的每一個動作向計算機系統(tǒng)傳遞著我們設(shè)定的信息，在此同時計算機也以繪圖儀、顯示屏、音箱等設(shè)備將我們所需要的信息輸出給我們，這樣就完成了信息間的相互交換。在當(dāng)今科技領(lǐng)域人機交互技術(shù)與很多行業(yè)都有著密切的聯(lián)系，其中包括計算機科學(xué)領(lǐng)域、多媒體技術(shù)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研發(fā)、心理學(xué)、認知科學(xué)和社會科學(xué)人類學(xué)和機器人研發(fā)領(lǐng)域，其中心理學(xué)和人機工程學(xué)是人機交互技術(shù)的理論基礎(chǔ)，其他幾門學(xué)科則與人機交互技術(shù)相互滲透，相輔相成，同時機器人也存在著幾種狀態(tài)，如表1。

所以說人機交互技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展都對我們的日常生活不可或缺，產(chǎn)生著深遠影響。

1.2 人機交互技術(shù)包含哪幾個方面

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和衍生，人機交互技術(shù)不再是單一的個體，同融合了多方面的知識，并且在很多行業(yè)中廣泛應(yīng)用，接下來就幾個主要方面來簡單介紹下人機交互技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展在此列出幾個主要的方向：

（1）人機交互技術(shù)在界面上的設(shè)計應(yīng)用

我們都知道一個計算機軟件的成功與否更多的是在于這個計算機系統(tǒng)的界面好壞，計算機的交互界面在設(shè)計上主要依靠于人機交互技術(shù)的設(shè)計方案和設(shè)計交互模型，這兩點在交互界面成敗中起著決定性的作用，也是我們目前正在研究的一項重要課題。

（2）人機交互技術(shù)是否具有可用性評估

在研究人機交互系統(tǒng)前首先要考慮到該系統(tǒng)的研發(fā)是不是具有可用價值，即使再好的工作系統(tǒng)沒有實用性那也不會成功使用。這也直接關(guān)系到客戶對人機交互系統(tǒng)的期望價值，只有將交互系統(tǒng)的可用價值進行分析比對，從而做出一套簡潔實用的系統(tǒng)才是問題的關(guān)鍵所在，也是我們一直遵循的原則。

（3）多通道交互技術(shù)的存在

在人機交互技術(shù)中有一種技術(shù)尤為關(guān)鍵，它可以將手勢、表情和語言都合理地結(jié)合起來，利用自然交互的方式完成人類對計算機系統(tǒng)的操控。這種技術(shù)其實就是一項多功能的整合技術(shù)，在利用評估方法、界面模型來相互融合，從而達到多通道交互技術(shù)，在鋼鐵俠中多通道交互技術(shù)有所體現(xiàn)。

（4）認知與智能用戶界面

我們所說的人機交互智能界面的主要功能其實就是將人類與計算機之間實現(xiàn)更為智能的交流，利用語言識別、手勢識別、表情識別、感知能力的識別等來解決計算機操作系統(tǒng)中用戶界面所需解決的問題。

（5）人機交互技術(shù)中的虛擬環(huán)境系統(tǒng)

計算機技術(shù)其實就是一種虛擬技術(shù)的存在，它可以利用多方面技術(shù)進行融合，來實現(xiàn)一種從聽覺、觸覺、感覺等方面來感知的高度真實的虛擬環(huán)境，在這個環(huán)境中有一種身臨其境的感覺，比如在電影阿凡達中就以此為實例運用了虛擬環(huán)境的人機交互技術(shù)。

（6）移動界面系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)

隨著計算機技術(shù)的產(chǎn)生，伴隨而來的便是普通計算和移動計算的區(qū)分，以及在這些領(lǐng)域的發(fā)展，移動計算就預(yù)示著移動應(yīng)用界面的產(chǎn)生，在設(shè)計問題上就應(yīng)該考慮到移動設(shè)備所存在的一些缺點，比如位置不定性，無線網(wǎng)絡(luò)的限制性等，著都將是移動界面存在的一大難關(guān)，如何運用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)將移動界面的開發(fā)設(shè)計達到最好的效果，已然成為人機交互技術(shù)中的另一技術(shù)難點。其中在機器人移動領(lǐng)域更為注重該技術(shù)的改進和研發(fā)。

2 人機交互方式下移動機器人導(dǎo)航技術(shù)的產(chǎn)生

在20世紀60年代末期，由于人類對于工作效率的提高和加強，逐步向研究人工智能技術(shù)在各種不可人為的環(huán)境中自主處理境況的方向發(fā)展，在改革開放以后，隨著計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些老牌企業(yè)開始將目光投向移動機器人領(lǐng)域，投入大量資金，創(chuàng)建機器人研究組織及平臺，近些年來自主移動機器人開始出現(xiàn)在各個領(lǐng)域而且都取得了一些人類無法做到的成就，所以在目前看來在人機交互下移動機器人技術(shù)已經(jīng)成為全球機器人學(xué)術(shù)界正在研究的一大熱點課題。在我們關(guān)注移動機器人的同時，要首先考慮我們所將要研制的機器人應(yīng)該具備哪些功能，無論從行為上還是思維邏輯上，這都是人為在機器人程序內(nèi)設(shè)定的，都是在按照我們的指示在進行工作，但是在機器人工作過程中也要具備一定的自主導(dǎo)航技術(shù)，這就是說在自主式移動機器人相關(guān)技術(shù)研究中，自主導(dǎo)航技術(shù)是這一技術(shù)的關(guān)鍵核心。我們所說的機器人自主導(dǎo)航其實是指移動機器人在進行工作移動時，通過傳感技術(shù)感知環(huán)境和自身狀態(tài)從而實現(xiàn)在不同環(huán)境下能有效準確地躲避障礙物向既定目標運行的自主運動，這個過程中相當(dāng)于移動機器人自身通過傳感技術(shù)獲取了一定的思維。就當(dāng)今科學(xué)技術(shù)而言，移動機器人導(dǎo)航技術(shù)還存在著許多缺陷和難關(guān)，首先我們應(yīng)如何準確的獲取機器人在任何某種環(huán)境中所在的準確位置，以及環(huán)境周圍的信息，其次我們要確定一種準確簡潔的計算方法對機器人傳回的信息進行處理并且要建立環(huán)境模式，再次我們要尋找一種最好的方法對移動機器人的移動路線及時作出規(guī)劃，使機器人移動方式更為安全準確。雖然各國都對移動機器人自主導(dǎo)航技術(shù)方面取得了很大的進步和成果，但是在機器人自主導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵理論和核心技術(shù)上還是存在著很多缺陷，很多需要解決和完善。endprint

3 人機交互方式下移動機器人自主導(dǎo)航的方式有哪些

移動機器人的導(dǎo)航方式有很多，尤其是在人機交互方式下更為完善，其中有慣性導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等都是常見的。在每種環(huán)境中用到的導(dǎo)航方式也不一樣，比如地下埋線的導(dǎo)航方式在20世紀70年代才開始被迅速發(fā)展，但是這種導(dǎo)航技術(shù)造價成本很高，如果出現(xiàn)故障難以維修，所以很少被使用了。

（1）慣性導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式是最為普遍的一種，是利用機器人裝配的光電編碼器來計算移動機器人所移動的量程，這也需要一種推算方法，進而在得知機器人當(dāng)前的位置和布置下一步指令。

（2）磁導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式現(xiàn)在主要應(yīng)用于自動導(dǎo)引車上，在自動化物流運輸系統(tǒng)柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的核心關(guān)鍵設(shè)備是AGV，在AGV的運行軌跡上會被埋入導(dǎo)線，導(dǎo)線上帶有交變電流，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，AGV上安裝著兩只磁傳感器，主要是用于檢驗磁場強度，從而引導(dǎo)車輛沿著所埋的導(dǎo)線進行正常運行。

（3）基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航

我們所熟悉的機器人一般都會安裝傳感器，科研人員利用這些傳感器帶來的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)機器人導(dǎo)航，通過事先設(shè)定好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測障礙物的可能位置，從而使機器人能夠在任何環(huán)境中及時作出自主導(dǎo)航。

（4）光反射導(dǎo)航定位系統(tǒng)

在光反射導(dǎo)航定位系統(tǒng)中主要是利用了激光或者紅外線技術(shù)來進行定位的，激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鏡向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標時，反射光經(jīng)光電接收器處理檢測信號，啟動數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)，通過通訊傳遞到上位機進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)這些信息就可確定當(dāng)下的位置和方向，從而完成導(dǎo)航功能。

4 人機交互方式下移動機器人導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)

（1）人機交互技術(shù)

由于機器人要跟人直接打交道，對于這方面的技術(shù)稱之為人機交互技術(shù)，其中為了滿足客戶需求主要應(yīng)該重視3點方式，一點是遙控方式，二點是語言加手勢輸入方式，三點是觸摸屏圖形界面輸入方式。

（2）導(dǎo)航定位技術(shù)

導(dǎo)航定位技術(shù)主要分為兩種，一是相對定位技術(shù)，它主要有測距法和慣性導(dǎo)航法兩種，測距法的主要是具有低廉的價格，良好的短期精度，以及較高效的采樣速率。絕對定位技術(shù)主要有三部分組成，其中全球定位系統(tǒng)也就是我們所熟知的GPS定位系統(tǒng)，主要用于移動機器人在定位時存在近距離定位精度低等問題的處理路標定位主要是指在機器人運行途徑中尋找特殊的路標定位，根據(jù)得到的信息結(jié)合外界環(huán)境來定位。地圖定位系統(tǒng)主要是機器人能夠接受自身的傳感器傳回的信息，并能將自身感知到的信息來自主分析進行判斷比較，從而實現(xiàn)導(dǎo)航定位。

（3）導(dǎo)航路徑規(guī)劃

導(dǎo)航路徑規(guī)劃是當(dāng)前自主移動機器人技術(shù)中尤為重要的一個課題，它是指移動機器人按照某個性能指標搜索一條最為適合從初始狀態(tài)到結(jié)束狀態(tài)的路徑。其中根據(jù)環(huán)境建模方式和搜索策略的不同，可分為三類，分別是前向圖算法和基于隨機采樣的運動規(guī)則，還有基于自由空間幾何構(gòu)造的規(guī)劃。前向圖算法主要包括心算搜索法、A算法、D算法和人工勢場算法，這些算法計算復(fù)雜，根本不適合解決高自由度機器人在各種環(huán)境中的規(guī)劃?；陔S機采樣的規(guī)劃算法主要用于克服人工勢場法存在的局部極小和在高維姿態(tài)空間中規(guī)劃時存在的效率問題，主要包括隨機路徑規(guī)劃器、概率路標算法及其變種算法。基于幾何構(gòu)造的規(guī)劃方法有可視圖、切線圖以及精確格分解等方法。

5 機器人領(lǐng)域的新突破

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，人為經(jīng)濟已經(jīng)逐漸被社會經(jīng)濟所取代，在社會經(jīng)濟中科學(xué)技術(shù)是經(jīng)濟發(fā)展的主體。在機器人領(lǐng)域也出現(xiàn)了一種新型技術(shù)，就是自主飛行機器人系統(tǒng)，它主要是用微型直升機作為模型來設(shè)計的復(fù)雜系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中可以通過安裝的導(dǎo)航系統(tǒng)獲取到所有傳感器傳回的數(shù)據(jù)，其中有機器人當(dāng)前所在的位置，和當(dāng)前的飛行狀態(tài)，控制模塊都會將這些信息反饋給計算機系統(tǒng)，飛行機器人會自主做出判斷，自主飛行機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)主要由三個轉(zhuǎn)角傳感器，三個方向傳感器，羅盤，GPS信號接收設(shè)備，激光測量設(shè)備等組成，這是未來發(fā)展的一個新思路。

6 人機交互方式下移動機器人自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)傳感技術(shù)不斷發(fā)展，科研人員對于自主機器人導(dǎo)航技術(shù)的要求又提出了新的觀點，自主移動機器人應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴大，其復(fù)雜程度也就越來越高，也就給自主導(dǎo)航技術(shù)提出來新的技術(shù)難點。

（1）對于自主移動機器人進行分布式智能研究，其實就是指要將原來的主體指令分布到計算機本身的計算機個體中，然后由主機進行統(tǒng)一分層次的指揮，這樣便減小了機器人本身的重量，也能提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度方便靈活指揮。（2）在視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中安裝多傳感器，這樣就盡可能的彌補視覺導(dǎo)航上存在的不足，機器人既能進行全局視覺又可以進行局部視覺，進一步實現(xiàn)了視覺信息的融合。

（3）隨著人類能源的枯竭，人類對于外太空的探索也正處于亟不可待的形式下，這樣網(wǎng)絡(luò)機器人的產(chǎn)生便是將來機器人發(fā)展的一個方向，也是我們研究的一個熱點。

（4）自主導(dǎo)航系統(tǒng)的實時性對于視覺導(dǎo)航的優(yōu)勢發(fā)揮起著重要的作用，在靜動態(tài)圖像處理技術(shù)上還是有所欠缺，亟需解決。

（5）對于計算機虛擬技術(shù)的研究，在機器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)中起到的作用，在未來會更加明顯，對于這點，科研人員可以創(chuàng)建一個仿真平臺，從多方面研究多傳感技術(shù)，也為機器人虛擬技術(shù)的實現(xiàn)打下鋪墊。

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