一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法技术

本发明专利技术提出了一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，包括：步骤S1，根据任务需求进行概念定义，构建层级状态机；根据构建完成的层级状态机，由操作员与机器人协作，共同处理任务执行过程中的各种突发事件，包括：步骤S21，任务执行过程中发生任务定义时未考虑到的突发事件；步骤S22，判断所述突发事件是否超出机器人自治能力；如果是则执行步骤S23，否则执行步骤S24；步骤S23，操作员干预行为变更，然后执行步骤S24；步骤S24，行为变更；步骤S25，机器人继续执行任务，返回步骤S21；步骤S3，任务执行完成。务执行完成。务执行完成。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人
，特别涉及一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法。

技术介绍

[0002]近年来，机器人在各个领域的应用呈现出广度与深度都不断增大的趋势，广度表现在应用场景的不断扩展，深度表现在任务难度的不断加大。在有些场景下，人们希望机器人能够自主地执行预定的程序，如工业流水线，机器人在面对此类结构化场景下时，由于具有明确的执行方案，所以能够依靠自身高速高精度高可重复性的特点高效地完成任务，在执行工程中基本不需要人类的干预。但是另一些场景下，由于复杂且不断变化的现场环境，如灾难救援、航天器空间维修、深海探测等，使得机器人很少能够按照预先编写的程序顺利执行，这会导致机器人的鲁棒性特别低，微小的环境改变能够轻易地导致整个任务的中断与失败，这时必须依靠人类对突发事件的判断和决策能力，以实现任务完成度最大化的目标。但是如果设计成完全依赖操作人员一步一步地发送指令，不赋予机器人任何自主执行的能力，就会陷入另一个极端，机器人退化为遥控操作臂，不仅导致工作效率低下，而且容易因为通讯带宽限制、人为失误等多种因素造成任务失败。所以人机协作是解决非结构化场景下机器人任务执行问题最有潜力的方案之一。
[0003]但是人机协作中的“协作”到底表现在什么地方，如何定义协作，哪里需要协作，如何实现协作等等一系列问题目前都没有统一的答案，每个机器人厂商都有自己的理解，能否对这一系列问题进行合理定义，是人机协作是否能够真正发挥其优势的关键所在。目前，人机协作在实践中还主要存在三个问题，首先是操作人员的注意力分配问题，操作人员必须在同一个时刻将精力分给任务编程和状态监控，这往往会导致操作人员忽视一些关键事件，导致操作员发出的指令没能跟上实际的变化。其次是如何保证操作人员能够对任务进行灵活的控制，使其既可以保证修改任务程序不会影响机器人完成正在执行的正确动作，又可以随时暂停当前动作以免执行到还未被修改的关键点而引发错误。最后一点是使如何保证修改后的任务程序能够没有BUG，因为在线修改的程序由于时间紧迫、现场复杂等原因往往更容易包含潜在错误，而且不可能在执行前进行完备的测试，所以如何保证这种错误概率较高的任务程序在任务现场能够尽可能低地出现BUG是第三个关键问题。
[0004]目前，工业界还没有一套既允许操作人员和机器人进行灵活协，又能够较完善地解决上述三个关键问题的人机协作策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
[0006]为此，本专利技术的目的在于提出一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术面的实施例提供一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据任务需求进行概念定义，构建层级状态机；步骤S2，根据构建完成的层级状态机，由操作员与机器人协作，共同处理任务执行过程中的各种突发事件，包括：步骤S21，任务执行过程中发生任务定义时未考虑到的突发事件；步骤S22，判断所述突发事件是否超出机器人自治能力；如果是则执行步骤S23，否则执行步骤S24；步骤S23，操作员干预行为变更，然后执行步骤S24；步骤S24，行为变更；步骤S25，机器人继续执行任务，返回步骤S21；步骤S3，任务执行完成。
[0008]进一步，在所述步骤S1中，1）将机器人与环境的交互方式定义为“行为”B，每一个B与一个高层级的状态机B
SM
相关联，机器人在各个行为之间可以进行状态转移；2）将机器人所执行的某种动作抽象为“状态”s，s∈S，S是描述机器人能够完成的所有动作的集合；状态s是行为B的子状态；每个状态s都定义了一组可能的“结果“s
Oc
，当机器人的某个状态s处于活跃状态的时候，持续监控当前机器人的性能，发布未知事件以及返回执行结果oc∈s
Oc
。
[0009]进一步，在所述步骤S1中，状态机SM=(S
SM
,t
sm
)包含一组状态的集合S
SM
和对应的转换函数t
SM
；s(i)∈S
SM
是状态s∈S的实例化；S是一个状态库，机器人所有的动作在S中都有相应的元素，由机器人的能力确定，S
SM
是S某个子集的实例化，由当前的场景及任务确定；转换函数t
sm
的定义为S
SM
×
s
Oc
→
S
SM
，确定接下来哪个s(i)为active状态。
[0010] 进一步，在所述步骤S1中，每一个状态机SM都定义了一个用户数据D
SM
，表现为一系列的“键K
D,SM →ꢀ
值V
D,SM”的映射，状态s(i)定义了自己所需的输入键s
I
和自己所能提供的输出键s
o
；状态A和状态B之间的数据交换被定义为f (k
I,sB
) | k
I,sB
= k
O,sA
， k
I,sB ∈ s
I 是 s
(B) 的一个输入键， k
O,sA ∈ s
O 是 s
(A) 的一个输出键。
[0011]进一步，在所述步骤S2中，在状态机中，状态的每个结果oc
(i)
∈s
Oc(i)
都确定了一个当前状态的自治保护值a
oc(i)
，其作用是阻塞接下来的状态转移t
oc,i
：= t
SM
(s
(i)
，oc
(i)
)；在执行期间，当且仅当a
oc(i)
<阈值a
SM
时，允许执行状态转移t
oc，i
，当a
(i)oc
>a
SM
时，不允许自动触发t
oc，i
，此时需要操作员执行明确的手动确认。
[0012]进一步，在所述步骤S2中，操作员在一个状态s
(i)
的运行过程中手动选择某个结果oc
(i)
，从而将下一步的状态转移确定出来，实现机器人的自治权完全可调的目的，既可选择通过操作员手动执行所有过渡，剥夺机器人全部自治权，也可将决策权完全交给机器人，实现全自治。
[0013]进一步，在所述步骤S2中，当进行状态转换时，需要为状态机S
SM
添加新的状态且移除相对应的旧状态，即S
’
SM
：=S
SM(+)
∪ S
SM
\S
SM(
−
)
，与此同时，状态之间的连接关系也要发生改变，包括由转换函数表达的控制流与由用户数据键表达的数据流；为了保证运行时修改的安全，所有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，根据任务需求进行概念定义，构建层级状态机；步骤S2，根据构建完成的层级状态机，由操作员与机器人协作，共同处理任务执行过程中的各种突发事件，包括：步骤S21，任务执行过程中发生任务定义时未考虑到的突发事件；步骤S22，判断所述突发事件是否超出机器人自治能力；如果是则执行步骤S23，否则执行步骤S24；步骤S23，操作员干预行为变更，然后执行步骤S24；步骤S24，行为变更；步骤S25，机器人继续执行任务，返回步骤S21；步骤S3，任务执行完成。2.如权利要求1所述的基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，其特征在于，在所述步骤S1中，1）将机器人与环境的交互方式定义为“行为”B，每一个B与一个高层级的状态机B
SM
相关联，机器人在各个行为之间可以进行状态转移；2）将机器人所执行的某种动作抽象为“状态”s，s∈S，S是描述机器人能够完成的所有动作的集合；状态s是行为B的子状态；每个状态s都定义了一组可能的“结果“s
Oc
，当机器人的某个状态s处于活跃状态的时候，持续监控当前机器人的性能，发布未知事件以及返回执行结果oc∈s
Oc
。3.如权利要求2所述的基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，其特征在于，在所述步骤S1中，状态机SM=(S
SM
,t
sm
)包含一组状态的集合S
SM
和对应的转换函数t
SM
；s(i)∈S
SM
是状态s∈S的实例化；S是一个状态库，机器人所有的动作在S中都有相应的元素，由机器人的能力确定，S
SM
是S某个子集的实例化，由当前的场景及任务确定；转换函数t
sm
的定义为S
SM
×
s
Oc
→
S
SM
，确定接下来哪个s(i)为active状态。4.如权利要求2所述的基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，其特征在于，在所述步骤S1中，每一个状态机SM都定义了一个用户数据D
SM
，表现为一系列的“键K
D,SM →ꢀ
值V
D,SM”的映射，状态s(i)定义了自己所需的输入键s
I
和自己所能提供的输出键s
o
；状态A和状态B之间的数据交换被定义为f (k
I,sB ) | k
I,sB = k
O,sA
， k
I,sB
∈ s
I 是 s
(B)
的一个输入键， k
O,sA ∈ s
O
是 s
(A) 的一个输出键。5.如权利要求1所述的基于层级状态机的人机协作策略的实现方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在状态机中，状态的每个结果oc
(i)
∈s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张航，庹华，韩峰涛，于文进，马建涛，刘凯，申湾舟，
申请(专利权)人：珞石北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：