Future Robotics Technology (Full Documentary)
leiphone 作者：Top Liu
按：本文作者Top Liu，易科機器人實驗室系統設計師，機器人技術傳播者，譯著有《機器人編程實戰》、《嵌入式機器人學》等。
機器人編程涉及控制系統的設計與實現，包括環境感知、交互、移動及行為的控制。
一個理想的機器人編程過程包括（假定硬體已經一切就緒）:
1.系統架構設計
2.具體功能的算法實現
3.編碼與整合
由於筆者所從事工作性質，主要集中在：
1.系統設計和
2.算法的研究上，
3.coding的機會並不是很多。
第二個原因是：如果1、2工作完成後，3的工作其實和機器人本身並不大，電腦專業恐怕會做的更好。
因此本文主要就1給出一些總結和建議。
另外，由於所研究的算法過（wu）於（fa）先（ying）進（yong），通常會在專業的學術期刊上發表，在此也不做過多討論。
一、機器人系統架構
「架構可定義為組件的結構，及它們之間的關係，以及規範其設計，和後續進化的原則和指南。簡言之，架構是構造與整合軟體密集型系統的深層次設計。」
系統架構也可稱其為，如何實施解決方案的一個策略性設計（例如基於組件的工程標準、安全）和解決方案做什麼的功能性設計（如算法、設計模式、底層實現）。
圖1 機器人功能分解
另外，軟件工程的基本要求包括模塊化、代碼可復用、功能可共享。使用通用的框架，有利於分解開發任務及代碼移植。機器人軟件同樣遵從軟件工程的一般規律。
說白了，架構就是你如何把機器人的功能打散，再如何把代碼組織起來。一個清晰的與項目相匹配的架構，直接決定了你的開發效率，甚至最終功能的成敗。
從人類第一台可編程的機器人開發伊始，架構問題就與之相伴而生。早在1996年，Garlan 和 Shaw在《軟件架構：一門新興學科的展望》就總結了移動機器人的基本設計需求， 如：（1） 慎思規劃和反應式行為；（2）容許不確定性；（3）考慮危險；（4）靈活性強。針對這些要求，他們評估了四種用於移動機器人的架構，包括控制迴路（control loop）、分層（layers）、隱式調用（implicit invocation）、黑板（blackboard）。經過了幾十年的實踐，一些架構被逐漸淘汰，一些架構逐漸被完善起來。
注意：現在很多機器人開發者，一上手就是ROS，雖然ROS是一種比較不錯的系統架構，它的基於node的思想，在當時是非常先進的，在今天已成為主流。
但我們也要清楚，它只是其中一種架構，尤其是在小型嵌入式設備上訂製機器人系統時，其他的架構可能會更有效率。
另外Master中央控制模式，也是單機時代的產物，在多機的情形就不是很適用。
| 1.S-P-A結構
图2 机器人的“see-think-act”工作模式
圖3 「傳感——計劃——行動」（SPA）結構
機器人天然的工作模式是「see-think-act」，所以自然而然的就形成了「傳感——計劃——行動」（SPA）結構：從感知進行映射，經由一個內在的世界模型構造，再由此模型規劃一系列的行動，最終在真實的環境中執行這些規劃。
與之對應的軟件結構稱為經典模型，也稱為層次模型、功能模型、工程模型或三層模型，這是一種由上至下執行的可預測的軟件結構，SPA機器人系統典型的結構是中建立有三個抽象層，分別稱為行駛層（Pilot）（最低層）、導航層（Navigator）（中間層）、規劃層（Planner）（最高層）。
傳感器獲取的載體數據由下兩層預處理後再到達最高「智慧」層作出行駛決策，實際的行駛（如導航和低層的行駛功能）交由下面各層執行，最低層再次成為與小車的接口，將駕駛指令發送給機器人的執行器。
缺點：這種方法強調世界模型的構造，並以此模型規劃行動，而構造符號模型，需要大量的計算時間，這對機器人的性能會有顯著的影響。
另外，規劃模型與真實環境的偏差，將導致機器人的動作，無法達到預期的效果。
| 2.基於行為的結構
圖4 基於行為的結構
由於SPA系統過於死板，出現了另一種實現方法：基於行為的方法。基於行為方法前身是反應式系統，反應式系統並不採用符號表示，卻能夠生成合理的複合行為。
基於行為機器人方案，進一步擴展了簡單反應式系統的概念，使得簡單的併發行為，可以結合起來工作。
小歷史：Joe Jones和Daniel Roth於2003年出版的《Robot Programming：A Practical Guide to Behavior-Based Robotics》以及使用基於行為系統的iRobot掃地機器人的大獲成功（通過基於行為的系統可有效實現遍歷、避免在某處卡死等多個目標的達成），標誌著當年基於行為系統結構的統治地位。短短十年間，SLAM的迅速興起，基於地圖的規劃和導航再次興起，很多人似乎忘記了或壓根就沒聽說過Behavior-Based Robotics的存在。
圖5 《基於行為的機器人編程》
基於行為的軟體模型，是一種由下至上的設計，因而其結果不易預測，每一個機器人功能性（functionality）被封裝成一個小的獨立的模組，稱為一個「行為」，而不是編寫一整個大段的代碼。因為所有的行為並行執行，所以不需要設置優先級。
此種設計的目的之一，是為了易於擴展，例如便於增加一個新的傳感器，或向機器人程序裡，增加一個新的行為特徵。所有的行為可以讀取載體所有傳感器的數據，但當歸集眾多的行為，向執行器產生單一的輸出信號時，則會出現問題。
最初的行為之間使用固定的優先級，而在現代的應用中，則採用更加靈活的選擇方案。
「基於行為機器人學」主要特點包括（參見《嵌入式機器人學》）：
1）感應與動作的緊密耦合
在某種程度上，所有行為機器人的動作，是對刺激的反應，而不是依賴於有意識的規則。回避使用思考規劃，取而代之的，是一些計算簡化的模組，來實現從輸入到執行的映射，此舉有利於快速響應。
基於這個觀察Brooks言簡意概的表達出來，其中的原理——「規劃不過是一種迴避計算下一步要做什麼的方法」。
2）避開知識的符號表示
對環境的處理上，不需要構造一個內部模型，以用於執行規劃任務，而是採用真實世界「它自己最好的模型」。機器人直接從觀測中，獲取到未來的行為，而非試圖去生成一個能夠內部操作的世界的抽象表示，並以此作為規劃未來行動的基礎。
3）分解成具有因果意義的單元
行為按照狀態——動作成對出現，設計為對特定的狀態，做出確定的動作反應。
4）併發關聯行為的時變等級調整
為適應所要達成任務目的，在運行期間採用一個控制方案，來改變行為的激活等級。
5）行為選擇
在基於行為系統中，運行著一定數目作為並行進程的行為，每一個行為，可以讀取所有的傳感器（讀動作），但只有一個行為可獲得機器人執行器，或行駛機構的控制權（寫動作）。
因此需要一個全局控制器，在恰當的時機，來協助行為選擇（或是行為激活、或是行為輸出融合）以達到預期的目的。這將系統的設計工作，就從描述系統本身，轉移到定義一個正常工作的系統的輸出上。
說多了，感覺要跑題了。如果你有興趣，並想瞭解更多關於編程機器人來處理未知的東西，推薦Ronald Arkin的《Behavior-Based Robotics》和Thomas Braun的《嵌入式機器人學：基於嵌入式系統的移動機器人設計和應用》。
慎思式的機器人編程方法，從中級到高級的探討，推薦Christopher A. Rouff等人的《Agent Technology from a Formal Perspective》。
一張圖小結一下：
二、混合系統：實踐的產物
沒有萬靈的結構，混合系統結合了SPA，和反應體系的原理，將多種混合系統，應用於在傳感器和電機輸出間，進行協調來完成任務。
混合結構相結合，最具吸引力的好處可能是：系統按照有利於完成任務的標準進行設計，而非刻板的遵循某一教條。但再複雜的機構，基本上也都是二者的組合。以ROS的導航包為例：
圖6 ROS導航包
導航包整體上是SPA結構，左右兩側是感知S，包括傳感器數據/里程計/地圖等，中間框圖是Global和Local兩級規劃P，最後發送cmd_vel給行動A。
如果世界是完美的，那按照規劃的地圖，行進到目的地就完事了。然而基於行為方法，就是為了處理各種意外而生的。當機器人遇到障礙物或是被卡住的時候，內嵌的基於行為的系統，就開始發揮作用。會根據情況，在「行為庫」recovery_behaviors中調用某一預先設定的「行為」來擺脫困境。
圖7 recovery_behaviors
默認的行為是：首先，清除機器人地圖指定區域以外的障礙。接下來，如果可能的話，機器人將執行一個原地旋轉清理空間。如果這也失敗了，機器人將更激進地清理地圖，清除一切可以原地旋轉的矩形區域以外的障礙。
這將是另一個就地旋轉緊隨其後。如果這些都失敗了，機器人將認為其目標不可行，停止運行並通知用戶。
當然，你還可以針對各種意外設計更為複雜的recovery_behaviors 「行為庫」以備調用。
三、安全自主機器人應用框架
現在還有一種基於場景和態勢的設計框架SARAA，我覺得很有趣。安全自主機器人應用架構（SARAA，Safe Autonomous Robot Application Architecture, SARAA）是一種強調安全性的自主機器人的開發方法。
圖8 SARAA
SARAA機器人總結
在《機器人編程實戰》（2017年出版）書中，詳細介紹了編程一個機器人自主執行其任務、構成了所謂SARAA的7項技術：
軟體機器人框架ROLL模型REQUIRERSVPSPACESSTORIESPASS
我們稱具有這種體系結構的機器人，為SARAA機器人。當正確地實現時，這些編程技術，會產生一個基於知識的機器人控制器。因此，一個SARAA機器人，是一個可以在預先設定的場景和態勢中，自主行動的知識型機器人。其中一個設計思想，是根據場景和態勢，對前提/後置條件的判斷，以提高安全性。
感興趣可訪問Ctest實驗室，SARAA已經用於在開源機器人平台內工作，例如Arduino、Linux和ROS。如果對編程SARAA機器人的場景和態勢，很好理解與恰當定義，則SARAA機器人的設計有助於提升機器人的安全性。
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