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第3
8卷
第 7期
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
V0 _ 8 N½ 7
½3
.
2006年 7月
J
OURN F HARB N I S I UT F T C OL Y
AL O
I N T T E O
E HN OG
J½ 0 6
½½2 0
一
种 新 型 的 智 ½ 机 器 人 — — 可 拓 机 器 人
黄庆成 ,
洪炳镕 , 则 苏,
蔡
朴松 昊
(
哈尔滨工业大学 计算机科学 与技术学 院 ,
黑龙江 哈 尔滨 1 01 E½ ½ ½½½½½@13½½
5 0 , -½ : ½½½½½ 6 .½ )
0
½½
½
摘
要 :为提高机器人 的智½水平 和对 环境 的认 知程度,
更½地 完成½ 业任务 ,
将可拓学理论 和成果 应用于
智½机器 人领 域从而提 出了可拓机器人 的概念.
可拓机器人用基元理论表达环境模型 与先验知识 ,
采用基元
的可拓方法解决认知环境过程 中出现 的矛盾问题,
用菱½思维方法模仿人 类的思维方 式认 知环境.
关键词 :可拓工程 ;
可拓 学;
人工智½ ;
智½机器人
中图分类号 : F 4
T 2
文献标 识码 :
A
文章 编号 : 3 7— 2 4 20 ) 7—13 —0
0 6 6 3 (0 6 0
13 2
A ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ - ½ ½ ½ ½½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½
½
½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½
HU N ½½½ ½½ H N ½½½½ ,C I ½S , I O S ½ -½
A G Q½ —½ ½ , O G B ½ — ½ A - PA ½ ½½ ½
½
Z U
( ½ ½ ½½ ½ ½½ ½½ ½½ ½T½½ ½½ ½,H½½½I½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ,H½½½ 1 0 0 ,C½½ ,
S ½ ½ ½C ½½ ½½S ½ ½ ½ ½ ½ ½½
½
½½ ½ ½½½½ ½ ½ ½½
½
T
½
½ ½ 5 0 1
½½
E½½ : ½½ ½½ ½ 13 ½½)
— ½ ½ ½½ ½½@ 6 .½
½½
½
.
A½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½½ ½ S ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½ :I ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ’ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½
½
½ ½
½
½
½
½ ½
½
½ ½
½½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ “ ½ ½ ½ — ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½ -
½½ .½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½
½
E½½ ½½ ½ ½ R½ ½ ” ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½
½
½
½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½½ ½ .T ½ E ½ ½ ½ - ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½
½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½
½
½ ½
½ ½½ ½½ ½ ½ ½ R½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½½ ½ ½
½ ½
½
½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½
½
½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½, ½1 ½½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½
½
½
½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½
½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½
½
½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½
½
½
½
½ ½½ ½ ½’ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ .
½½ ½ ½ ½½ S ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½
½
½
½½
½ ½
½
K½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ;½½½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½½ ½ :½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ;½ ½½ ½ ;½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½
½
½ ½
½
½
½
½ ½
2
0世纪 9
0年代 以来 ,
智½机器人获得较为
迅速 的发 展 J 对智 ½机 器人 的处 理 ½ 力和 处理
,
方面 的应用 还 未见报 道 .
因此 , 文采用 可 拓学 的
本
理论 成果 来解 决智 ½机 器人 的环 境认 知 问题 .
速度等½提出了更高的要求.
½人工智½在环境
感知与理解方面却处 于比较½级的水平 .
½前
对环境的感知和认知过程主要是通过各类传感器
获取环境信息,
利用信息融合技术处理环境信息 ,
采用数学分析 、
概率匹配或强化学习等方法认知
环境 J这个过程与人类 的思 维过程存在 的最
.
大差异是人类通过感觉器官获取环境信息后 ,
需
要通 过大 量 的 、 富 的先 验 知识 解 决 环 境 信 息 中
丰
1 可拓机器人 的概念
智½移动机器人通常由感知、
决策 、
控制及运
动系统组成 ,
其中环境感知是机器人 的重要组成
部分.
环境感知包括环境信息的获取和机器人对
环境的理解 (
认知) 智½机器人对环境的认知程
,
度是机器人½否成功完成任务的关键.
可拓 机器 人 是智 ½ 机 器 人 的 一种 , 用 基 元
它
理论表达先验知识和环境模型 ,
根据基元的可拓
性用可拓工程方 法模仿人类 的思维方式认 知环
境,
以提高机器人对环境的认知程度.
½然可拓学
研究的对象是矛盾 问题 ,
½是可拓机器人 只是运
用可拓 学对 矛盾 问题 的求 解方法 处理 感知 (
认
知)
或决策过程中出现 的矛盾问题 .可拓机器人
与其它智½机器人的根本区别在于可拓机器人引
存在的各种矛盾问题 ,
提取有用 的信息从而认识
并理 解环 境.
可拓学理论和应用成果与计算机结合 ,
在人
工智½领域得到广泛应用 。,
。
½在智½机器人
收稿 日期 : 0 6—0 O .
20
4一 1
½者简 介:
黄庆成(95 )男 , 士后 。
16一 , 博
副教授 ;
洪炳镕 (97 )男 ,
13一 , 博士 ,
教授 ,
博士生导师
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第3
8卷
入 了可拓学的理论与方法解决机器人对½业环境
的认知 和决 策 问题.
可拓机 器人 研究 的 目的是 要开 发一个 利 用 已
客观世界中实物的信息存在较大的差异 ,
因此 ,
如
½用可拓学 的基元理论描述传感器获取 的客观世
界 中的信息和知识是机器人模仿人类认知环境的
关键 所在.
3
)研究 可拓 机器 人 中知识 的可 拓方 法 . 可
在
有的先验知识½够仿照人类思维方式认知环境并
在工½环境中高效完成任务 的智½机器人系统.
从 认知理 论 与方 法 出发 , 用 可拓 学 的理 论 基 础
运
模 仿 人类 选 择性关 注 机制下 的心理 活动 与智½ 行
为 , 对 自然 环 境 的感 受 与 理 解 从 片 面 的 、 散
将
离
的 、 动 的感 知层 次 提 高 到全 局 的 、 联 的 、
被
关
主动
性 的认知 层次 上.
拓学中,
解决 矛盾 问题 的工具 是 可拓 变换 .
变换 和
可 拓推 理是 解决 矛 盾 问 题 的 核心 .
可拓 推 理 包 括
拓 展推 理 、 ½ 推理 和传导 推理 , 为人 工智 ½提
共
它
供 了新 的推理 技 术 , 为 问题 求 解 提 供 了新 的方
也
法¨ 把可拓变换和可拓推理的思想引入到信息
.
和 知识处 理领 域 , 拓 机 器 人就 可 以解 决 认 知环
可
境过 程 中 出现 的各 种矛 盾 问题.
4
)研究 可拓 机器 人 的环 境认 知 方法 . 了½
为
象 而 直观地 表 现思 维 过 程 , 拓 学 对 问 题进 行 ½
可
因此 , 面深 入 分 析 智½ 机 器 人 系 统 与环 境
全
之问的交互关 系 ,
以实现灵活 、
稳定 、
可靠 的智½
机器人认知系统 ,
基于可拓学理论建立适合于复
杂未 知环境 下 的环 境 认 知 理 论 与应 用 基 础 框 架 ,
研究 环境认 知 过程 和机理 是 可拓机 器人 需要 解决
的关 键 问题.
式化描述 ,
赋予思维过程以数学化的内容 ,
½经典
数学严格的二值逻辑½它在思维领域中的应用受
到很大限制 ,
而可拓学却可 以½ 为思维科学研究
的½ 式化 工具 .
因此 , 已有 先验 知识 的基 础上利
在
用 可拓 变换 和可 拓 推 理解 决 各种 矛 盾 问题 , 成
½
客观环 境存 在事 物 的初 步概 念.
然后 可拓 机 器 人
2 可拓机器人研 究的 内容
可 拓学 以基 元 为 逻辑 细胞 的知 识 表 示 ½ 系 ,
½ 够 简洁地描 述 现 实 世 界 中的事 和物 , 可 以描
还
述½题 和知识 ,
从而描述人类 高级 的思维活动.
需要采用合适 的评价方法进 行筛选 ,
利用 图 1
所
示 的菱½思维方法进行发散——收敛——再发散
再收敛 … ,
直到解 决 矛盾 ,
最后 完全 理解 和确
—
—
利用基元 的可拓性 可以研究信息 和知识 的可拓
性 , 数 据 和知 识 提 取 研 究 提供 了 有 效 的工 具 .
为
可拓学研究处理矛盾问题 的策略生成方 法 ,
而菱
½思 维方 法是 对人 类高 级智 ½ 活动有 效 的½式 化
定环 境 中事物 .
、
/ R・
、
描述 ,
这是利用计算机进行创造性思维活动 的基
础.
为此 , 开发 可拓机 器 人需要 研究 以下 内容 :
要
1
)建立 可拓 机器 人 的½ 系结构 . 常 机器 人
通
R
½
R2
'
= -- I一-
= "- 1 "
=
'R
4
\
・ —
—
・
…
“
。
/
R — —
\ ;
、
R
/
\
”,
‘
一R ,
…/
… /
\ ()
、 R
=・
的传感系统 由视觉系统 、
激光测距传感器 、
超声波
传感器 、
红外传感器 、
里程计 和电子½盘等组成.
½ 可拓 机 器人 的环境 感知 系统 应根 据环 境建 模 和
知识 表达 方式 的 特殊 需 要 , 究 确 定 所需 采 用传
研
图 1 可拓机器人菱½思维方法示意 图
3 可拓机器人研 究的关键 问题
1
)建立 可拓机 器人 的概 念 和½ 系结 构.
要研
究 可拓机 器人 的环 境认 知 问题 , 要 一 个 理 想 的
需
可 拓机器 人 试验 研 究 平 台 , 不 同 于一 般 的智 ½
它
感器的类型和数量.
而决策 、
控制及运动系统可以
借鉴现有的研究成果 , ½加 以改进 以满足可拓
适
机 器人 的要求 .
2
)研究基于可拓学理论 的先验知识表达方
法 和环 境建模 方法 . 拓学 用物 元 、 元½ 为描 述
可
事
机器人 ,
因而需要根据实际需求 研究相应 的概念
模 型 和专 门的½ 系结 构.
2
)由于传感 器 获取 的信 息 与客 观 世 界 中实
物½ 、
事件的基本单元,
并且可以用 ½维物元和 ½
维事元表达物 、
事具有的多个特征,
½题和推理句
也 可 以用基 元表 示 和拓展. 用可拓 模 型 , 以简
利
可
洁地描述信息和知识 ,
为人工智½提供 一种 简洁
规 范 的知识 表示 方 法. 元 理 论 研 究事 物 和关 系
基
的可拓 性.
信息 和知识 用 基元 表示 以后 , 以利 用
可
物的信息存在较大的差异 ,
因此 ,
需要解决用可拓
学中基元理论描述传感 器信息所带 来的特殊 问
题 , 此基 础上 提 出 先 验 知识 表 达 和环 境 建模 的
在
有效 方法 .
3
)由于先验知识和环境信 息的复杂性 和多
样性 ,
以及 在 表达 上 的 不 完 整性 和 知识 表 达 的有
限性 ,
需要解决用可拓方法得出的结论 与实际环
境 的事 物不 匹配 ,
甚至 出现矛 盾 的 问题 .
(
下½ 第 ½3
18页 )
基元的可拓性 ,
开拓出新的信息和知识 ,
为人工智
½的策略生成技术提供依据 ,
为信息开发和知识
挖掘提供理论和方法口 .
½传感器获取的信息与
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第3
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传 进化 算法 . 实验 中 , ½ = 1 , ½规模 ½ =
在
取
6群
2 , 传 代 数 ½½½½½=10 遗 传 算 子 P =
0遗
½½½½
½
00;
02 , =00 , 时 系 统 ½ 够 较快 的 收 敛.
. 5P
.1 这
用
本文 提 出的可 拓遗 传算 法所规 划 的路 径½ 够很½
( )变 异 操 ½ 一移 动 一 个 点
½
图2
地避开障碍物 ,
从而有效提 高了机器人操½的稳
定性.
而且该算法的搜索时间比遗传算法的少 ,
提
高 了搜索的效率.
13 4 终止 条件
..
遗传算法的终止采用最大进化代数和设定收
敛条件的复合准则.
½遗传算法满足设 定的收敛
判断条件时 ,
遗传算法终止 ;
若进化 了指定的代数
仍 然没有 满足 设 定 的 收敛 判 断 条 件 , 令 遗 传算
也
法终止本文将判断算法收敛 的条件设为 :
若连续
进 化 5代 , 优解 均 未 发 生 变 化 ,且 种 群 的平 均
最
参考 文献 :
[ ½LU S½ ½ , I N Y ½½ , I ½ ½½ ½½ M ½½
1 I ½ ½½ TA ½½ LU J ½½ .M ½ ½ ½
½
½
½
½
R ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ G ½ ½ ½ ½½ A½
½½ ½ P½ ½½B ½½½ ½ ½½A½ ½ ½[ .
P½ ½
½
½½
T ½ 5 ½½ ½ ½½ ½ ½½½ ½ ½C ½½ ½½ ½ A½½
½ ½ W ½½ C ½ ½ ½ I ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ -
½
O½
½
½ ½ ½ C .H ½½½ : 0 4 40 4 0 .
½ ½ [ ½ ½ ½½½ 20 . 7 6— 7 9
½
[ ½C I ½ E ½½½½½½½ ½½½ ½½ ½½ [ ½ C ½
2 A . ½½½ ½ ½ ½½½½ ½ ½ J . ½.
W½
½½ ½
½
½½
½½ ½½ ½½ ½.9 94 ( ) 13
½½S½½B ½ ½ 19 ,4 1 :5 8—14 .
½½
58
适应值提高不足 ½ ,
% 或算法进化 代数 己达到 了
设 定 的最 大值.
[ ½陈刚.
3
复杂环 境下路 径 规划 问题 的遗 传路 径规 划方
法[ ½ 机器人 ,0 1 ( ) 20-23
J.
2 0 ,3 : 3
3.
[ ½柳颖 .基于物元的可拓 遗传算 法 [ .大连 :
4
D½
大连海
事大学 ,0 5
20 .
2 机器人路径规划 的仿真
为了验证提出的方法 的有效性 ,
仿真实验在
W½ ½ ½ P
½ ½X 环境 下 , C++ . 实现 了上 述遗
½
用V
60
(
编辑
王 小唯 )
(
上接 第 ½3
4页 )
4
)机器人决 策的 自然条件与人类 的大脑存
在很 大差 异 , 让 机 器 人按 照 人 类 的 思 维方 式 认
要
知环境是十分困难的 ,
因此 ,
需要解决可拓机器人
的环境认知方法问题 ,
最大限度地减小可拓机器
人 与人类 思维 结果 的差 异.
½ ½ ½½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½[ ½ E E
½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½½ ½ ½ J .IE
½½½ ½
½ ½
½ ½
½
T½½½½ ½O ½ ½ ½ 20 , 1 3 : 6 3 5
½½½½ ½ ½R ½ ½ , 0 5 2 ( ) 3 4— 7 .
½
½ ½ ½
[ ½B L Z K SH, R Y O T A A I SP ½½
4 A T A I A G R SA, R H N A .F ½ ½
½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½
½½½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½
½
½
½
½½½ ½½½ ½½ [ ½ ½½½ ½½ ½ A ½½ -
½ ½½ ½½½ ½ J .M½ ½½V½ ½ ½ ½ ½½
½
½
½ ½
½
½ ½ ,2 0
½ ½ 0 3,1 :9
½
5 2—1 0.
0
4 结 语
本 文提 出 的可 拓机 器 人 的概 念 , 对 智 ½ 机
是
[ ½M N ER ID MA T,RB I O C R O .
5 O T I O SL O R
I ER A L S H C
U½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½
½
½
½ ½ ½ ½-
½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½½½ ½ J .C ½
½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½ [ ½ ½ .
½ ½½ ½
½½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½A ½ ½½ , 0 4 5 3 : 2 3 8
½ ½ ½½ ½½ 20 ,1 ( ) 3 0— 3 .
½
½
½
器人概念的发展 , 智½机器人环境认知技术 的
对
个 突破 和改进 . 出智 ½ 机 器 人 按 照人 类 思 维
提
一
[½
6 宋梅萍 ,
顾½昌 ,
张汝波.
移动机器人 的 自
适应式行
为融合方法 .哈尔滨 工程 大学 学 报 ,20 , 6( )
05 2 5 :
5 6—6 3
8
1.
方式认知复杂未知客观环境的思想 ,
对提高机器
人½业½力起到一定推动½用.
在可拓学基元理
论的基础上 ,
提出对传感信息进行表达的新方法 ,
可成为一种新兴的环境建模方法.
将可拓学成果
应用 于智 ½机 器 人 系 统 中 , 富 和发 展 了可拓 学
丰
的成 果 ,
扩大 了可拓 学 的应用 领域 .
[ ½蔡
7
文 .可拓论及 其应用 [ ½
J .科学 通报 ,19 4
99,
( ) 6 3— 8 .
7 : 7 6 2
[ ½王鸿洁 ,常½岑 .可拓 神经 ½络 在可拓 专 家系统 中
8
的研究 与应用 [ ½
J .系统 工程 与电子技 术 , 0 5 2
20 , 7
( ) 2 —26
2 :6
4
6.
参考文献 :
[ ½ 自兴. ½
1蔡
2 世纪机器人技术的发展趋势 [½ 南京化
J.
工大学学报 , 0 0 2 ( ) 7 —7 .
2O , 2 7 : 3 8
[ ½曾维 ,
9
魏蛟龙 .可拓知识库 的构建 [ ½
J .舰船 电子 工
程 , 04 2( ) 5 5
20 , 4 3 : 3— 5
[0 王万军 .可拓方法与知识工程 [ ½
1½
J .甘肃教育学院学
报(自然科学版 ) 2 0 1 ( ) 2
, 04。 8 1 : 7—3 .
0
[ 1 蔡文 ,
1½
杨春燕 , 斌.可拓 逻辑 初 步 [ .北京 :科
½
M½
[ ½蔡 自兴 ,
2
邹小 兵.移动 机器人 环境认 知理 论与技 术
的研究 [ ½
J .机器人 , 0 4 2 ( ) 8
20 , 6 1 : 7—9 .
1
[ ½S , O
3 ES L WE D G,UT L .V½ ½—½½½½ ½½
I E JJ ½½
½
½½ ½ ½
½
学出版社,03 7 8
20.1—1.
( 辑
编
王 小唯 )
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