本發(fā)明涉及服務機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著服務機器人地快速發(fā)展，服務機器人開始廣泛運用到各種服務場所，其中小型的移動服務機器人因其體積小、功能豐富、使用方便、市場巨大、成本較低等優(yōu)勢得到了迅速地發(fā)展和應用。在諸如博物館、家庭等領(lǐng)域，移動服務機器人可以完成諸如遞送茶水、搬運文件、運送物品等豐富的功能。小型的移動服務機器人在特定應用場景中具有不同的任務規(guī)劃需求，應用在辦公室內(nèi)，人們需要傳遞的物品通常具有體積較小、傳遞較頻繁、且任務輕重緩急的程度不同的特點，如果機器人不具備任務規(guī)劃的能力，會導致任務執(zhí)行效率低下。

任務規(guī)劃技術(shù)是移動服務機器人作業(yè)的核心技術(shù)。任務規(guī)劃是指生成一系列有序的行為指令使機器人完成指定的任務目標，任務規(guī)劃在一定程度上標志著機器人的智能水平，要想機器人實現(xiàn)運用于真實的服務場所，機器人必須具備任務規(guī)劃的能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，提供一種符合辦公室物品傳遞需求，且具有任務規(guī)劃能力的移動機器人任務規(guī)劃方案，本發(fā)明提出一種辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置及方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置，包括：客戶端設備、室內(nèi)視覺傳感器、服務器和移動機器人；其中，

客戶端設備分別與室內(nèi)視覺傳感器、服務器和移動機器人通過無線網(wǎng)絡交互，包括：向服務器發(fā)布任務、設定任務相關(guān)參數(shù)；接收并顯示室內(nèi)視覺傳感器、服務器和移動機器人反饋的運行狀態(tài)信息；運行狀態(tài)包括：移動機器人空閑、使用中和故障信息以及服務器執(zhí)行任務的進程、任務執(zhí)行是否成功的狀態(tài)信息；任務相關(guān)參數(shù)包括發(fā)布任務的用戶的位置信息、圖像信息、待遞送物品的目的地位置信息；

室內(nèi)視覺傳感器用于采集環(huán)境信息并輸出給服務器，環(huán)境信息包括移動機器人的位置信息、位姿信息和充電區(qū)位置信息；

服務器包括：更新監(jiān)測器、信息存儲器、任務管理器、規(guī)劃求解器、封裝器和派遣器；

信息存儲器通過更新監(jiān)測器分別與室內(nèi)視覺傳感器和客戶端設備交互，用于存儲客戶端設備發(fā)送的任務相關(guān)參數(shù)和室內(nèi)視覺傳感器采集到的環(huán)境信息，并為服務器中的其他模塊以及移動機器人提供訪問、更新、刪除和插入的接口；

更新監(jiān)測器監(jiān)測是否有來自信息存儲器的數(shù)據(jù)更新請求，當接收到數(shù)據(jù)更新請求時，通知室內(nèi)視覺傳感器進行環(huán)境信息采集以及通過客戶端設備通知用戶進行任務相關(guān)參數(shù)設置，并將接收到的數(shù)據(jù)上傳信息存儲器保存；

任務管理器接收客戶端發(fā)布的任務，將任務轉(zhuǎn)換為規(guī)劃求解器所支持的標準輸入格式并將標準輸入格式的任務發(fā)送給規(guī)劃求解器；

規(guī)劃求解器根據(jù)環(huán)境信息對接收到的任務進行規(guī)劃求解，生成任務規(guī)劃結(jié)果Plan，并將任務規(guī)劃結(jié)果Plan發(fā)送給封裝器；

封裝器對接收到的規(guī)劃結(jié)果Plan進行解析處理，將其封裝成一個執(zhí)行指令序列集合并發(fā)送給派遣器，執(zhí)行指令序列集合中順序存儲了完成相應任務每一步行為動作的執(zhí)行指令；

派遣器按照執(zhí)行指令序列集合中行為動作的執(zhí)行順序依次向移動機器人的控制器派遣執(zhí)行指令，并接收移動機器人執(zhí)行完成的反饋結(jié)果，如果在預設的時間段內(nèi)接收到反饋結(jié)果，則判定當前執(zhí)行指令執(zhí)行成功，繼續(xù)派遣下一個執(zhí)行指令，直到執(zhí)行指令序列集合為空；如果在預設的時間段內(nèi)未接收到反饋結(jié)果，則向客戶端設備反饋當前執(zhí)行指令執(zhí)行失敗的狀態(tài)信息；

移動機器人包括執(zhí)行單元和控制器；控制器為嵌入式開發(fā)平臺Beaglebone Black；執(zhí)行單元包括識別模塊、跟蹤模塊、導航模塊、定位模塊和條件等待模塊；控制器根據(jù)派遣器派遣的執(zhí)行指令調(diào)用相應模塊完成與執(zhí)行指令對應的行為動作，并向派遣器反饋行為動作是否執(zhí)行成功的執(zhí)行結(jié)果信息。

進一步的，所述服務器為64位的計算機。

進一步的，所述信息存儲器為非關(guān)系數(shù)據(jù)庫Mongo DB。

進一步的，所述室內(nèi)視覺傳感器為kinect攝像頭傳感器。

本發(fā)明還提出一種利用上述辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置實現(xiàn)的辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行方法，該方法包括步驟：

(1)客戶端上安裝向用戶提供人機交互界面的應用程序；客戶端利用無線方式接入室內(nèi)視覺傳感器、服務器和移動機器人所在的局域網(wǎng)并搜索到局域網(wǎng)內(nèi)的服務器；用戶通過客戶端人機交互界面，選定相應的遞送任務并為任務設定優(yōu)先級，將任務通過局域網(wǎng)下發(fā)給服務器；

(2)任務管理器接收客戶端下發(fā)的任務并將接收到的任務放入任務緩沖池中；任務管理器從任務緩沖池中選取一個當前優(yōu)先級最高的任務，進行預處理和具象化，將其轉(zhuǎn)換為規(guī)劃求解器所支持的標準輸入格式并將標準輸入格式的任務發(fā)送給規(guī)劃求解器；

(3)規(guī)劃求解器根據(jù)信息存儲器內(nèi)存儲的環(huán)境信息對接收到的任務進行規(guī)劃求解，生成任務規(guī)劃結(jié)果Plan，并將任務規(guī)劃結(jié)果Plan發(fā)送給封裝器；

(4)封裝器對接收到的規(guī)劃結(jié)果Plan進行解析處理，將其封裝成一個執(zhí)行指令序列集合并發(fā)送給派遣器，執(zhí)行指令序列集合中順序存儲了完成相應任務每一步行為動作的執(zhí)行指令；

(5)派遣器按照執(zhí)行指令序列集合中行為動作的執(zhí)行順序依次向移動機器人的控制器派遣執(zhí)行指令，并接收移動機器人執(zhí)行的反饋結(jié)果，如果反饋結(jié)果為執(zhí)行成功，則繼續(xù)派遣下一個執(zhí)行指令，直到執(zhí)行指令序列集合為空；

(6)移動機器人的控制器將各個執(zhí)行指令分別與執(zhí)行單元中功能模塊相關(guān)聯(lián)，根據(jù)接收到的執(zhí)行指令調(diào)用相應模塊完成對應的行為動作，并向派遣器反饋行為動作是否執(zhí)行成功的執(zhí)行結(jié)果信息；

(7)當執(zhí)行完當前任務后，任務管理器判斷任務緩沖池中是否存在未完成任務，若不存在未完成任務，則結(jié)束工作；否則，返回步驟(2)。

進一步的，所述步驟(2)中，在選取一個當前優(yōu)先級最高的任務之前，還包括以下步驟：

任務管理器對任務緩沖池里的任務進行重復檢測和沖突檢測，如果檢測到存在重復或者沖突，則剔除本次任務，并向客戶端設備輸出檢測到存在重復或者沖突的反饋信息。

進一步的，所述步驟(4)中的執(zhí)行指令包括：執(zhí)行指令對應的行為動作序號、與執(zhí)行指令關(guān)聯(lián)的功能模塊、對應功能模塊執(zhí)行行為動作所需的參數(shù)。

進一步的，所述步驟(5)中將執(zhí)行指令序列集合中的各個執(zhí)行指令分別與移動機器人執(zhí)行單元中各個功能模塊相關(guān)聯(lián)的方法為：

定義執(zhí)行指令序列集合為Action[]，執(zhí)行指令序列集合中的任意一個執(zhí)行指令為Action[i]，i∈[1,2,3,4,5,6]；其中，

Action[0]與定位模塊相關(guān)聯(lián)；當移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[0]時，首先向信息存儲器發(fā)出更新數(shù)據(jù)請求，根據(jù)信息存儲器中存儲的更新后的環(huán)境信息來獲取自己的全局位置和位姿，然后調(diào)用定位模塊實現(xiàn)定位，完成后向派遣器反饋行為動作已完成信息；

Action[1]與導航模塊相關(guān)聯(lián)；當移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[1]時，首先訪問信息存儲器查詢用戶的坐標信息，然后調(diào)用導航模塊使移動機器人運動到用戶所在位置，并向派遣器反饋行為動作已完成信息；

Action[2]與識別模塊關(guān)聯(lián)；當移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[2]時，調(diào)用識別模塊識別用戶，識別成功后向派遣器反饋行為動作已完成信息；

Action[3]與跟蹤模塊關(guān)聯(lián)；當移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[3]時，調(diào)用跟蹤模塊使移動機器人跟蹤用戶到待傳遞物品所在位置，并向派遣器反饋行為動作已完成信息；

Action[4]與導航模塊關(guān)聯(lián)；當移動機器人取得待傳遞物品且控制器接收到執(zhí)行指令Action[4]時，控制器首先訪問信息存儲器查詢待傳遞物品遞送目的地的位置信息，再調(diào)用導航模塊使移動機器人運行到遞送目的地；完成后，控制器向派遣器反饋行為動作已完成信息；

Action[5]與條件等待模塊關(guān)聯(lián)；當移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[5]時，調(diào)用條件等待模塊使移動機器人保持靜止，同時檢測待傳遞物品是否被取走，當檢測到待傳遞物品被取走后，控制器向派遣器反饋行為動作已完成信息；

Action[6]與導航模塊關(guān)聯(lián)；當移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[6]時，控制器首先訪問信息存儲器查詢移動機器人充電區(qū)位置信息，然后調(diào)用導航模塊使移動機器人返回充電區(qū)充電，并向派遣器反饋行為動作已完成信息。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

綜合考慮了辦公室內(nèi)環(huán)境的特點，從科學研究與市場需求出提出了一套有效的任務規(guī)劃與執(zhí)行方法及裝置設計框架，提出的發(fā)明可以有效、靈活地運用于實際辦公室環(huán)境，提高移動機器人執(zhí)行遞送任務的效率。

附圖說明

圖1為辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置的模塊架構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的目的在于提供一種符合辦公室物品傳遞需求，且具有任務規(guī)劃能力的辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置及方法。下面結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明所提出的技術(shù)方案。

如圖1所示為辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置的模塊架構(gòu)示意圖。該裝置分為服務器、移動機器人、客戶端設備和室內(nèi)視覺傳感器四個主要部分，其中，

服務器是整個系統(tǒng)的核心部分，主要完成任務接收與管理、規(guī)劃求解、輸出處理、數(shù)據(jù)封裝、行為派遣等工作，這些工作通過更新監(jiān)測器、信息存儲器、任務管理器、規(guī)劃求解器、封裝器和派遣器來實現(xiàn)。

信息存儲器通過更新監(jiān)測器分別與室內(nèi)視覺傳感器和客戶端設備交互，用于存儲客戶端設備發(fā)送的任務相關(guān)參數(shù)和室內(nèi)視覺傳感器采集到的環(huán)境信息，并為服務器中的其他模塊以及移動機器人提供訪問接口；本實施例中采用非關(guān)系數(shù)據(jù)庫Mongo DB來進行數(shù)據(jù)的存儲和管理。

更新監(jiān)測器監(jiān)測是否有來自信息存儲器的數(shù)據(jù)更新請求，當接收到數(shù)據(jù)更新請求時，通知室內(nèi)視覺傳感器進行環(huán)境信息采集以及通過客戶端設備通知用戶進行任務相關(guān)參數(shù)設置，并將接收到的數(shù)據(jù)上傳信息存儲器保存。

任務管理器接收客戶端發(fā)布的任務，將任務轉(zhuǎn)換為規(guī)劃求解器所支持的標準輸入格式并將標準輸入格式的任務發(fā)送給規(guī)劃求解器。

規(guī)劃求解器根據(jù)環(huán)境信息對接收到的任務進行規(guī)劃求解，生成任務規(guī)劃結(jié)果Plan，并將任務規(guī)劃結(jié)果Plan發(fā)送給封裝器。

封裝器對接收到的規(guī)劃結(jié)果Plan進行解析處理，將其封裝成一個執(zhí)行指令序列集合并發(fā)送給派遣器，執(zhí)行指令序列集合中順序存儲了完成相應任務每一步行為動作的執(zhí)行指令。

派遣器按照執(zhí)行指令序列集合中行為動作的執(zhí)行順序依次向移動機器人的控制器派遣執(zhí)行指令，并接收移動機器人執(zhí)行完成的反饋結(jié)果，如果在預設的時間段內(nèi)接收到反饋結(jié)果，則判定當前執(zhí)行指令執(zhí)行成功，繼續(xù)派遣下一個執(zhí)行指令，直到執(zhí)行指令序列集合為空；如果在預設的時間段內(nèi)未接收到反饋結(jié)果，則向客戶端設備反饋當前執(zhí)行指令執(zhí)行失敗的狀態(tài)信息。

室內(nèi)視覺傳感器用來搜集環(huán)境信息，本實施例中，室內(nèi)視覺傳感器采用kinect攝像頭傳感器；辦公室環(huán)境中分布安裝了多個kinect攝像頭傳感器。

移動機器人是具體行為的執(zhí)行者，本實施例中選取改裝的輪式移動機器Turtlebot，并采用嵌入式Beaglebone Black作為移動機器人的本體控制器，同時機器人中裝載一個Xtion PRO傳感器，并同時在底盤安裝三個碰撞傳感器。

客戶端設備是人機交互的重要實現(xiàn)裝置，在本實施例中采用Android設備安裝客戶端軟件作為客戶端設備。

辦公室內(nèi)物品遞送機器人任務規(guī)劃與執(zhí)行裝置中服務器、移動機器人、客戶端設備和室內(nèi)視覺傳感器之間通過局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

下面通過一個實施例來具體說明所述的裝置在執(zhí)行任務時，裝置中的各個部件的工作流程。假設設計部A分部的員工“張三”需要將一個文件送到文檔室，該文件可能在辦公室某處。他通過客戶端軟件向服務器下達了一個任務，希望機器人幫助他將文件運送到文檔室。在執(zhí)行這個任務時，裝置中的各個部件的工作流程如下：

1、客戶端軟件的配置與操作步驟：

①、安裝相應的客戶端應用軟件；

②、將設備接入局域網(wǎng)，打開客戶端軟件，進行任務的下達，并點擊“確認”按鈕；

③、通過局域網(wǎng)搜索，搜索到服務器，向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)；

④、通過人機交互界面監(jiān)測任務的運行狀態(tài)，并可以執(zhí)行撤消、更改任務等操作。

2、信息的采集和存儲：

①、開啟相應的數(shù)據(jù)庫Mongo DB；

②、信息存儲器存儲與任務相關(guān)的任何信息，并提供其它部分進行查詢、更新、刪除和插入等操作；

③、當收到更新操作的時候，執(zhí)行信息更新操作；如在本例中，在規(guī)劃的時候需要判斷“張三”是否在辦公室內(nèi)以及“張三”的坐標信息，而在機器人執(zhí)行定位動作行為時需要獲取當前機器人的初始位姿信息等等。在這些情況下，信息存儲器將會通過更新監(jiān)測器通知環(huán)境中分布的視覺傳感器和客戶端設備，等待視傳感器發(fā)回的環(huán)境信息更新數(shù)據(jù)或客戶端設備發(fā)回的用戶任務參數(shù)設置數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行保存。

3、服務器的配置與執(zhí)行步驟

①、觸發(fā)任務管理器：接收任務并將任務放入任務緩沖池，對任務緩沖池里的任務進行重復檢測和沖突檢測，如果檢測到存在重復或者沖突，取消本次任務的添加，并輸出反饋提示信息。選取當前優(yōu)先級最高的任務，進行預處理和具象化，將其轉(zhuǎn)換為規(guī)劃求解器所支持的標準輸入格式。

②、觸發(fā)規(guī)劃求解器：結(jié)合信息存儲器的信息對輸入任務進行規(guī)劃求解，生成任務規(guī)劃結(jié)果Plan并輸出。

③、觸發(fā)封裝器：封裝器將會對規(guī)劃輸出結(jié)果Plan進行自動解析和處理，將其封裝成一個執(zhí)行指令序列集合為Action[]，集合中順序存儲了移動機器人執(zhí)行當前任務每一步的行為動作。封裝結(jié)果如下表所示：

④、觸發(fā)派遣器：按照順序依次派遣執(zhí)行指令Action[i]，利用TCP/IP協(xié)議族的相關(guān)協(xié)議完成報文的派遣，并接收機器人執(zhí)行的反饋結(jié)果，如果反饋結(jié)果為執(zhí)行成功，則繼續(xù)派遣下一個執(zhí)行指令Action[i+1]，直到執(zhí)行指令序列集合Action[]中的行為全部執(zhí)行完畢；

⑤、如果任務緩沖池中還有其它等待執(zhí)行的任務，則重復執(zhí)行①-⑤步驟，直到所有給定的任務都執(zhí)行完畢。

4、移動機器人根據(jù)該遞送任務規(guī)劃和派遣的結(jié)果，具體執(zhí)行步驟如下：

①、移動機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[0]后，執(zhí)行定位程序，首先控制器向信息存儲器請求更新當前信息來獲取自己的全局位置和位姿，然后利用移動機器人自身的Xtion PRO傳感器調(diào)用定位模塊實現(xiàn)定位，完成后向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果；

②、機器人的控制器接收到執(zhí)行指令Action[1]后，執(zhí)行導航程序，控制器首先向信息存儲器查詢設計A分部的坐標信息，然后調(diào)用導航模塊，使移動機器人運動到目標點，完成后控制器向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果；

③、機器人的控制器接收到行為Action[2]后，執(zhí)行人體識別程序，控制器首先向信息存儲器查詢獲取到的“張三”的大致坐標信息，使移動機器人先運行到該坐標，然后控制器在該坐標附近調(diào)用識別模塊識別出“張三”，完成后向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果；

④、機器人的控制器接收到行為Action[3]后，執(zhí)行人體跟蹤程序，然后調(diào)用跟蹤模塊跟蹤“張三”到文件所在處，完成后控制器向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果；

⑤、機器人的控制器接收到行為Action[4]后，執(zhí)行導航程序，在“張三”將文件放置在機器人上并通過語音交互示意結(jié)束跟蹤后，控制器首先向信息存儲器查詢文檔室的坐標信息，然后調(diào)用導航模塊使移動機器人運動到文檔室，完成后向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果；

⑥、機器人的控制器接收到行為Action[5]后，執(zhí)行條件等待程序，當檢測有文件被成功取走后，結(jié)束等待，向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果；

⑦、機器人的控制器接收到行為Action[6]后，執(zhí)行導航程序，首先向信息存儲器查詢充電區(qū)的坐標信息，然后調(diào)用導航模塊使移動機器人運動到充電區(qū)充電，完成后向派遣器反饋該行為動作執(zhí)行成功的結(jié)果。

上述定位模塊、導航模塊、識別模塊、跟蹤模塊和條件等待模塊均為由對應算法程序封裝成的、可以通過執(zhí)行指令調(diào)用的軟件功能模塊，其中定位算法為蒙特卡羅MCL算法，導航算法為改進的A*算法，識別算法為特征匹配法，跟蹤算法為多特征融合法。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。