机器人体系结构—GRACE解析

没有万能的机器人体系结构，能够解决你的问题就好。...

机器人体系结构

—GRACE解析

不要等待，不要犹豫！！！马上动手，立刻拥有。属于你的智能机器人，就在你眼前。机器人神秘吗？学习机器人编程难吗？造机器人困难？接下来，每个周末，与大家相约，和大家一起交流机器人技术，揭开机器人的神秘面纱。

没有万能的机器人体系结构，能够解决你的问题就好。

机器人体系结构——适用性

尺有所长寸有所长，每种体系结构都有不同的适用场景。

针对特定应用进行体系结构选型时，要深入了解各种体系结构的优缺点，这是很关键的。

机器人体系结构——GRACE解析

GRACE——研究机构

GRACE(Graduate Robot Attending Conference)一个相当复杂的自主移动机器人的体系。当年为了参加AAAI(美国人工智能学会)的机器人挑战赛，GRACE是由5家机构共同努力的成果，他们分别是卡内基梅隆大学、海军研究实验室、西北大学、Metricca公司、Swarthmore学院。

GRACE——挑战赛主要任务

挑战赛要求机器人作为与会参赛者，机器人必须要找到注册台，并完成注册会议，然后根据提供的地图找到路线并及时到达指定目的地进行技术交流。

GRACE——核心技术

在给定任务的复杂性和技术集成的需求之后，机器人的体系结构的设计显得非常重要。完成以上任务，需要解决一下技术：动态环境中的定位、在与行人交互中的安全导航、路径规划、动态重规划、人体视觉跟踪、手势识别、人脸识别、标志物识别、语音识别、自然语言处理、语音合成、知识表示、人机物理性安全交互等技术，这些技术上面5家机构早期都开发过。

GRACE——硬件配置

以RWI(Real World Interface)的B21机器人为基础，外加一个平板液晶显示器(LCD)。B21上有触觉、红外、声呐等传感器，最靠近底座的是一个SICK激光扫描测距仪，180度的视角。它还配置了几台摄像机，一台是Metrica TRACLabs制造的云台立体摄像机、一台是Canon产的云台变焦单色摄像机。借助高质量语音合成软件Festival讲话，使用无线耳麦接受语音信息。

GRACE——体系架构详解

GRACE体系结构的行为层由一些控制特定硬件部位的独立进程构成，这些程序用于硬件控制，或提供抽象接口，或从传感器返回信息。为了使用不同的编码类型，大部分接口既支持同步的、阻塞调用，也支持异步、非阻塞调用。行为层包括机器人运动和定位、语音识别、语音合成、面部动画、彩色视觉和立体视觉等接口。

GRACE对执行层的每项能力都采用独立的进程实现，主要原因是由于底层由不同的公司开发，尽量让大量进程并发运行效率可能会低，但要把所有功能都放在单个进程执行，实在是太难了。此外，分离的进程便于后续开发和测试。

执行层由完成挑战赛每个子任务的独立程序构成，包括找到注册台、乘电梯、排队、与注册人员交流、走到报告区和做报告。和很多机器人一样，GRACE没有规划层，因为这里涉及的高级规划任务要么是一层不变的，要么是简单易行的，直接编程就好。有些执行层采用TDL完成，便于并发控制和各种任务的监测。

寻找注册台是一项必不可少的任务(GRACE并不知道注册台在哪，也不知道会议中心长啥样)。GRACE采用TDL构造了有限状态机，这样他就可以维护多个目标，利用电梯到达某一楼层，按照指南找到电梯，目标就是找到注册台。当GRACE与人交互拿到去注册台的指南时，一些中间目标就出来了。如果没有指南可用，GRACE随机逛一逛，直到用激光扫描探测到人，他便会和人进行交流得到指南。

GRACE可以处理简单的指令，比如左转、向前，也可以处理一些高级指令，比如乘电梯、下一路口左转，此外GRACE还会提问。GRACE在各个时刻都是使用基于TDL的有限状态机来确定如何交互最恰当，这样防止思维混乱。

进程间通信采用IPC消息包。IPC支持发布/订阅、客户端/服务器两种消息模式，可以在进程间透明传递复杂的数据结构。使用IPC进程间通信的一个好处就是它能够记下所有的消息通信信息，既可以记录消息名称，也可以记录消息内容。经大量事实证明，有时候为了弄清楚机器为什么没有按照预期动作执行，我们非记下这些信息不可。是进程发送了无效信息？还是没有及时发送消息？是接受进程阻塞了？还是时间上的问题？尽管分析这些故障令人乏味，某些时候这也是找到那些间歇性故障的唯一手段。

2002.7月，HRACE成功完成了加拿大埃德蒙顿的Shaw会议中心的挑战。行为层的进程总的来说是如预期那样工作的，这要归功于这些模块都是从以前开发的系统中移植过来的。执行层在非标称情境下出现不少问题，问题主要出现在传感数据的理解上以及对会议中心看起来会像什么样子的错误假定，比如有些隔断是玻璃，激光传感器几乎检测不到。

总而言之，GRACE不负众望，把一大堆复杂的软件相当快的集成起来并能高效的一起运行。