張雷

（珞石（北京）科技有限公司，北京， 110108）

0 引言

近年人們見(jiàn)證了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人正在從工業(yè)應(yīng)用向著人機(jī)協(xié)作的方向發(fā)展，這對(duì)機(jī)器人能力提出更高的要求，需要機(jī)器人對(duì)它們的周圍環(huán)境和其他智能體(如人或機(jī)器人)進(jìn)行感知并與之互動(dòng)。大量應(yīng)用場(chǎng)景（家里，醫(yī)院，養(yǎng)老）需要自主與協(xié)作機(jī)器人[1]，機(jī)器人的有效部署可以提高人類工人的工作質(zhì)量和經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)工業(yè)環(huán)境的結(jié)構(gòu)化對(duì)機(jī)器人的使用十分有利，然而在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機(jī)器人應(yīng)用有很遠(yuǎn)的路要走。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機(jī)器人需要更好地理解要執(zhí)行的任務(wù)，需要一個(gè)魯棒的感知系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)和跟蹤周圍動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化，進(jìn)行智能的、自適應(yīng)的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并綜合考慮環(huán)境的變化[2]。在這種情況下，機(jī)器人必須能夠在操作任務(wù)中成功地進(jìn)行合作和協(xié)作。更確切地說(shuō)，物品移交被定義為一個(gè)給予者將一個(gè)物品傳遞給接收者的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。盡管交接是人類之間頻繁的合作行為，但它是雙方主體在預(yù)測(cè)、感知、行動(dòng)、學(xué)習(xí)和調(diào)整方面的共同努力才能達(dá)成的，要實(shí)現(xiàn)像人與人之間一樣高效和流暢地完成人與機(jī)器人物品移交任務(wù)，對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。

一個(gè)成功的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)依賴于參與者之間分享表示、動(dòng)作預(yù)測(cè)和整合自身和他人行為的預(yù)測(cè)效果。聯(lián)合運(yùn)動(dòng)比單獨(dú)動(dòng)作要復(fù)雜得多. 聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的最小體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括表示、監(jiān)視和預(yù)測(cè)等流程[3]。預(yù)測(cè)自己動(dòng)作的結(jié)果和其他智能體的動(dòng)作有助于智能體之間的更好協(xié)作。

在聯(lián)合運(yùn)動(dòng)中，人類會(huì)考慮搭檔的需要，并且會(huì)根據(jù)對(duì)搭檔行為預(yù)測(cè)來(lái)規(guī)劃自己的行動(dòng)。雖然兩個(gè)智能體的共同目標(biāo)是完成物體的移交，但在交互過(guò)程中，他們分別有各自的目標(biāo)。給予者的目標(biāo)是:用恰當(dāng)?shù)姆绞綄⑽锲方唤o對(duì)方，如何保持物體穩(wěn)定，直至可以釋放手中物品完成交接。接收者的目標(biāo)是:保證給予者安全和體驗(yàn)等前提下接過(guò)物體，并且在交接之后執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)。

在大多數(shù)情況下，傳遞物品是為了讓接收者執(zhí)行特定的任務(wù)，給予者應(yīng)考慮接收者將對(duì)所移交的物品執(zhí)行的后續(xù)任務(wù)。移交過(guò)程可分為移交前階段和移交階段，移交前階段包括智能體之間的顯式和隱式通信，以及給予者對(duì)物體的抓取和傳送。移交階段是從接收者第一次接觸物體開(kāi)始。當(dāng)給予者將手從物體上移開(kāi)，而物體完全在接收者的手中時(shí)，這個(gè)階段就結(jié)束了。

1 通信

通信在任何聯(lián)合運(yùn)動(dòng)中都是至關(guān)重要的。通信表示出移交任務(wù)即將開(kāi)始的意圖，并且在開(kāi)始后協(xié)調(diào)動(dòng)作。人類非常善于傳達(dá)自己的意圖(即要干什么和要傳遞的物體是什么)，并給出何時(shí)何地進(jìn)行交接的線索[4]。這表明，機(jī)器人也需要這種溝通技巧和適應(yīng)能力，以便在與人類伙伴互動(dòng)時(shí)達(dá)到人類的表現(xiàn)。

語(yǔ)言可以用來(lái)表達(dá)人類移交物體的意圖，也可以用來(lái)協(xié)調(diào)交互過(guò)程中的動(dòng)作。語(yǔ)言可以被用來(lái)發(fā)起動(dòng)作，而語(yǔ)言的使用可以被認(rèn)為是聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的一種形式。因此，很多信息可以通過(guò)語(yǔ)言傳達(dá)給對(duì)方。例如，一個(gè)機(jī)器人和人可以通過(guò)對(duì)話來(lái)決定他們?cè)诨?dòng)中的角色，然后協(xié)調(diào)動(dòng)作[5]。

除了說(shuō)話，人類還會(huì)使用其他一些方式，如身體姿勢(shì)和位置、手臂姿勢(shì)、手勢(shì)(用手臂、手)和目光凝視來(lái)傳達(dá)其移交物體的意圖，以及何時(shí)何地將進(jìn)行交接等。例如伸出手臂并遞出目標(biāo)物體，使物體向接收者方向傾斜，都是表達(dá)要傳遞物體的意圖[6-7]。對(duì)機(jī)器人而言，對(duì)運(yùn)動(dòng)特征的分析可以自動(dòng)檢測(cè)出要移交物體的意圖，例如使用機(jī)器學(xué)習(xí)分類器[8]。在文獻(xiàn)[9]中提出的另一種基于學(xué)習(xí)的方法，認(rèn)為人的朝向和聯(lián)合注意力(在物體或?qū)l(fā)生交接的位置上)是人機(jī)互動(dòng)的重要線索。

人類目光凝視也是傳達(dá)行動(dòng)意圖和協(xié)調(diào)行動(dòng)的有效方法，人能夠通過(guò)觀察他人的凝視來(lái)解讀他人的行動(dòng)意圖[10]。因此，在交接過(guò)程中，機(jī)器人的注視作用會(huì)積極地影響交互，從而使人類接收者能夠更快地接收物體，更自然地感知交互[11-12]。同樣地，凝視也能在更快的人類反應(yīng)時(shí)間方面對(duì)協(xié)作產(chǎn)生影響[13]。

2 抓取位置規(guī)劃

在移交過(guò)程中，給予者會(huì)考慮如何根據(jù)接收者的任務(wù)來(lái)規(guī)劃動(dòng)作。例如給予者考慮如何抓住物體，以便以盡可能好的方式將目標(biāo)物體提供給接收者，也就是說(shuō)，在使用物體用于其預(yù)期用途之前，盡可能減少接收者對(duì)物體的操縱[14]。這是對(duì)物體操作的二階規(guī)劃的一個(gè)例子，即對(duì)一個(gè)物體操作行為，不僅基于當(dāng)前的任務(wù)需求，還基于下一個(gè)要執(zhí)行的任務(wù)[15]。因此，在移交任務(wù)中，給予者的抓取方式也要考慮接收者所要執(zhí)行的任務(wù)。實(shí)際上，給予者的抓取方式影響了接收者的抓取，因?yàn)楹笳咧荒茉谖矬w的無(wú)遮擋部分上抓取該物體。給予者的抓取方式可以影響接收者是否可以直接使用該物體來(lái)完成任務(wù)，或者必須重新對(duì)物體操作后才能在后續(xù)任務(wù)中使用它。

當(dāng)對(duì)抓取方式進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，諸如物體形狀、物體功能和安全性等因素都是需要考慮的重要因素[16]。物體約束和接收者的任務(wù)是抓取姿態(tài)選取的關(guān)鍵因素[17]。示教學(xué)習(xí)是一種可以用來(lái)探索對(duì)抓取物體進(jìn)行語(yǔ)義分割的可行辦法[18]。機(jī)器人通過(guò)觀察人類行為來(lái)學(xué)習(xí)抓取位置已被證明是一種可行的解決方案[19]。

文獻(xiàn)[20]提出利用功能可見(jiàn)性軸的概念學(xué)習(xí)抓取構(gòu)型。給予者的抓取適應(yīng)與一些理論相一致，這些理論認(rèn)為抓取是人類固有的以任務(wù)為導(dǎo)向或有目的的行為，涉及感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[21]。

Gibson[22]創(chuàng)造了“功能可見(jiàn)性”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)定義物體及其環(huán)境所提供的行動(dòng)可能性。Norman[23]為功能可見(jiàn)性的概念添加了一個(gè)感知維度，不僅將其與個(gè)體的能力聯(lián)系起來(lái)，還將其與他們要執(zhí)行的任務(wù)聯(lián)系起來(lái)。目前的研究仍然需要在感知和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方面繼續(xù)努力[24]。

機(jī)器人為接收者，設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)考慮物體的哪個(gè)區(qū)域可以進(jìn)行抓取，并據(jù)此調(diào)整機(jī)器人的抓取策略。當(dāng)要執(zhí)行的任務(wù)對(duì)接收者有較少的約束時(shí)，例如只是簡(jiǎn)單地把物體放下，那么機(jī)器人就會(huì)有更多適合的抓取位置。然而，當(dāng)要用該物體執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，機(jī)器人的抓取姿態(tài)就會(huì)受到嚴(yán)格的限制[17]。

3 感知

在人向機(jī)器人物品移交過(guò)程中，感知系統(tǒng)是極其重要的。首先，要檢測(cè)到機(jī)器人需要抓取的物體位置，同時(shí)，為了保證人的安全，準(zhǔn)確地識(shí)別出并分割手的位置也是十分重要的[7]。有一些研究工作，試圖采用跟蹤方法來(lái)跟蹤物體和手的位置進(jìn)而規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的動(dòng)作[25]，或者利用大型數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練手和物體之間的位姿關(guān)系[26]。

在抓取時(shí)，機(jī)器人由于視覺(jué)傳感器的視角狹小等原因，手和物體可能會(huì)被嚴(yán)重遮擋。不同的是，這個(gè)問(wèn)題可以作為一個(gè)抓取分類問(wèn)題來(lái)解決[6]，通過(guò)對(duì)人抓取物體的姿態(tài)進(jìn)行分類，可以將這個(gè)信息用來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人規(guī)劃出合理的抓取姿態(tài)。

為了提高安全性，機(jī)器人除對(duì)物體和人手進(jìn)行識(shí)別外，對(duì)人體進(jìn)行跟蹤也是有必要的[27]。對(duì)人的感知實(shí)時(shí)反饋十分關(guān)鍵，有研究工作是對(duì)人類動(dòng)作進(jìn)行預(yù)測(cè)，如使用DMP[28]成功地預(yù)測(cè)人的運(yùn)動(dòng)。實(shí)時(shí)估計(jì)人體運(yùn)動(dòng)也可以利用最小抖動(dòng)軌跡的概念[29]，最小Jerk 模型可以結(jié)合回歸變量來(lái)預(yù)測(cè)人在什么時(shí)候、什么方向會(huì)轉(zhuǎn)移物品[30]。

4 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制

在人與人的交接過(guò)程中，動(dòng)作通常是平滑的，而不是被分成單獨(dú)的、分階段的[31]。因此，機(jī)器人與人的物品移交的聯(lián)合動(dòng)作需要足夠的安全性、魯棒性、可預(yù)測(cè)性，并能夠使機(jī)器人從觀察的動(dòng)作中推測(cè)出目標(biāo)。人類希望，在與機(jī)器人交互過(guò)程中，機(jī)器人的構(gòu)型能夠更加地像人或自然一些，這樣便于人讀懂機(jī)器人的意圖[32]，這個(gè)問(wèn)題需要用到機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)解決。

另外，在向人方向接近時(shí)，機(jī)器人保證人的安全也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。安全可以通過(guò)軟件或硬件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[33-34]。

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制應(yīng)該被限制在整個(gè)交互過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)最小的情況下進(jìn)行，例如采用無(wú)碰撞規(guī)劃路徑[35]。

此外，機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)該足夠靈活，以適應(yīng)多變的環(huán)境和不同搭檔的行為。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)時(shí)魯棒性和反應(yīng)性應(yīng)該被考慮在內(nèi)[36]。因此，某些預(yù)規(guī)劃的方法因缺乏適應(yīng)性難以應(yīng)用在人機(jī)交接任務(wù)上。

文獻(xiàn)[37]提出一種混合使用全局與局部規(guī)劃器的機(jī)制來(lái)克服上述缺點(diǎn)。

一項(xiàng)人類研究表明，對(duì)于人類接收者的主觀體驗(yàn)來(lái)說(shuō)，互動(dòng)的速度可能比機(jī)器人的空間準(zhǔn)確性更重要。當(dāng)機(jī)器人作為一個(gè)接收者時(shí)，自適應(yīng)到達(dá)比完全預(yù)先規(guī)劃的到達(dá)運(yùn)動(dòng)更好[38]。人類可以根據(jù)搭檔的動(dòng)作自適應(yīng)，機(jī)器人也應(yīng)該這樣[39]。

阻抗控制和導(dǎo)納控制在人機(jī)交互領(lǐng)域是比較常見(jiàn)的方法[40]，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)基元和其他變體有良好的自適應(yīng)性，也是一種不錯(cuò)的選擇[41-43]。與動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)基元類似的算法還有SEDS[44]，其通過(guò)添加穩(wěn)定約束條件對(duì)高斯混合模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終獲得適應(yīng)性的軌跡生成器。

5 總結(jié)

本文綜述機(jī)器人物品傳遞研究的結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)中相應(yīng)的技術(shù)與應(yīng)用，總結(jié)了人與機(jī)器人物品移交任務(wù)中必須注意的問(wèn)題：既要考慮人的交互體驗(yàn)，又要保證安全，并且機(jī)器人在做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)要考慮機(jī)器人自身下一階段的任務(wù)。

物品移交任務(wù)的工作場(chǎng)景不像工業(yè)場(chǎng)景那樣結(jié)構(gòu)化，而是復(fù)雜多變的，讓機(jī)器人具有適應(yīng)能力來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題一直是重要的研究方向。此外，如何做到物體的通用抓取是一個(gè)具有挑戰(zhàn)的任務(wù)。