竞争型网络机器人系统的研究

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随着大量相关技术研究中的成果越来越多地被应用到机器人领域,以及移动计算、智慧空间等新技术的出现,尤其是以智能家居、服务机器人、军事及探险等多机器人技术为背景的应用需求不断涌现,网络机器人这个新兴的机器人研究领域已经成为当前机器人研究中的热门研究课题,受到各国科研机构、政府及企业的高度重视。网络机器人的研究已经取得了一些成果,其中一些已经被发布到互联网上或进入到我们的生产生活之中,这些成果显示出,网络机器人的研究具有非常良好的应用前景,并且存在着巨大的潜在经济效益。 与其它新技术的出现类似,网络机器人也是逐步脱胎于原来的技术母体,渐渐成为一个独立的机器人研究领域。目前该领域虽然积累了形形色色的应用实例,但是完整的理论框架还没有形成,各类应用之间也没有形成有机的联系。而无处不在的网络技术势必极大地改变机器人的原有面貌,在网络机器人研究领域,既需要从理论架构上进行研究,也需要从一个个具体的应用中积累经验并验证理论架构。就是采取自上而下与自下而上(Top-down and bottom-up)相结合的研究方法,相互促进,同步进行。 南开大学机器人与信息自动化研究所在机器人遥操作领域进行了长期地研究工作,已经积累了一定的研究成果与经验。近年来,得到国家“十五863”,国家自然科学基金和天津市自然科学基金等项目的资助,并结合国内外的研究趋势,初步构建了一套比较完整的网络机器人的研究环境。本课题通过对国内外相关领域内研究现状的深入分析,针对竞争型系统以及网络机器人系统的特点,着手完善竞争型网络机器人的研究体系,并在机器人智能系统体系结构、网络机器人实验平台的构建、仿真及评测系统的设计和竞争型网络机器人实验系统作业模式等方面进行了大量的工作。 论文首先对网络机器人的研究发展现状进行了分析,并对竞争型遥操作相关理论进行了阐述,对竞争型中的一些核心概念如竞争度、对抗度进行了量化的定义与分析。结合网络机器人研究背景,将一些新的技术引入到竞争型遥操作系统中,将其研究内容进行拓展,进一步完善了竞争型网络机器人的概念,并阐述了竞争型网络机器人研究的意义、内容和方法。 系统体系结构的设计是实现竞争型网络机器人系统的基础,在对多种应用于机器人领域内的智能系统体系结构进行深入分析的基础上,结合竞争型网络机器人的特点,设计了一套面向竞争型网络机器人系统的体系结构IRACNR (Intelligent and Reconfigurable Architecture for Competitive Networked Robots)。该体系结构将参与者与智慧空间分别作为独立的模块,引入到机器人系统中,并充分发挥智能系统中基于符号推理的控制结构与基于反射式的控制结构的优势,对机器人模块进行设计。同时,关注于多种智能共存于同一个系统中的智能协调与分配问题,详细的对不同智能进行功能的描述与作用边界的划分,并详细定义了不同智能体之间通信的层次与内容。 在IRACNR体系结构框架下,我们在TTRP(Teleoperation/Telegame Robot Platform)实验平台上实现了两套不同类型的典型的竞争型网络机器人实验——Tele-Dart和Tele—Lightsaber。具体的不同类型的典型实验是研究网络机器人系统的主要手段与方法,为此我们对原有实验平台进行改进,引入了多种智慧空间传感技术,设计实现了通用的TTRP实验平台。本文详细地介绍了应用 IRACNR体系结构实现Tele—Dart与Tele-Lightsaber系统的过程,并通过实验验证分析不同控制方法在不同环境下的功能与性能,给出选择人机交互方式的具体建议。我们还给出了一种用包容体系结构实现的Tele-Dart实验系统,用于和IRACNR体系结构进行对比分析研究,从而提出改进IRACNR体系结构的方案。 为了对实验结果进行分析比较,借助为该系统同步设计的一套仿真平台,着手建立了竞争型网络机器人系统的评测体系。并关注于系统对操作者的响应能力,设计了客户满意度这个评测指标,用于评测系统的性能,最后用实验的方法验证了客户满意度设计的有效性。
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