「軟體人」與機器人合一系統的研究及應用

第1章 緒論 1
1.1 大系統控制論 2
1.1.1 廣義知識表達方法 2
1.1.2 大系統協調控制理論 3
1.2 開放式機器人系統 3
1.3 “軟體人”相關理論綜述 5
1.3.1 “軟體人”的概念模型 5
1.3.2 “軟體人”個體構造原型 6
1.4 博弈論 7
1.5 本章小結 8

第2章 “軟體人”與機器人合一系統的總體設計 9
2.1 合一系統的體系結構框架 10
2.2 合一機制下機器人平臺體系結構 12
2.2.1 宿主“軟體人”對機器人系統的構造 13
2.2.2 宿主“軟體人”管理守護機制的建立 13
2.2.3 合一機制下“軟體人”平臺的擴展 14
2.3 本章小結 14

第3章 守護“軟體人”的構造原理與技術 15
3.1 守護“軟體人”的啟動 16
3.1.1 守護“軟體人”初始化流程 16
3.1.2 守護“軟體人”初始化語言 19
3.2 守護“軟體人”創建行為 22
3.3 守護“軟體人”容錯機制 25
3.3.1 “軟體人”重新開機 25
3.3.2 檢查點容錯機制 27
3.4 守護“軟體人”對任務部署的支援 30
3.4.1 守護“軟體人”任務系統部署框架 30
3.4.2 “軟體人”任務系統部署描述語言 31
3.4.3 基於QoS的部署規劃 33
3.4.4 分散式並行部署實施 35
3.5 本章小結 37

第4章 消息“軟體人”的構造原理與技術 39
4.1 分散式“軟體人”系統通信框架 40
4.2 消息“軟體人”通信通道建立行為 43
4.2.1 “軟體人”通信協定棧 43
4.2.2 “軟體人”通信通道 45
4.3 消息“軟體人”的命名服務行為 49
4.3.1 消息“軟體人”的命名與定位 49
4.3.2 消息“軟體人”消息轉發機制 51
4.3.3 消息“軟體人”通知消息 55
4.4 本章小結 56

第5章 管理“軟體人”的構造原理與技術 57
5.1 “軟體人”系統中的知識模型 58
5.2 管理“軟體人”知識模型 59
5.3 管理“軟體人”行為規範 61
5.3.1 SM.man對SM.fun的行為控制 61
5.3.2 環境資源感知行為 65
5.3.3 決策規則推理行為 66
5.3.4 社區任務管理行為 67
5.4 基於SOECAP模型的決策推理 69
5.4.1 SOECAP規則模型 70
5.4.2 規則衝突問題描述 72
5.4.3 SOECAP規則衝突檢測 73
5.4.4 SOECAP規則衝突消解 74
5.4.5 系統管理規則的優化與生成 76
5.5 本章小結 78

第6章 功能“軟體人”的構造原理與技術 79
6.1 功能“軟體人”知識模型 80
6.2 功能“軟體人”行為規範 82
6.2.1 功能“軟體人”服務行為規範 82
6.2.2 功能“軟體人”任務行為規範 83
6.3 基於知識表示的“軟體人”交互 88
6.3.1 “軟體人”通信語言的格式 89
6.3.2 “軟體人”通信原語 89
6.3.3 “軟體人”通信語言內容 91
6.4 本章小結 93

第7章 宿主“軟體人”的構造原理與技術 95
7.1 宿主“軟體人”知行模型 96
7.1.1 “軟體人”知行模型定義 97
7.1.2 “軟體人”知識行為一體化描述 98
7.2 宿主“軟體人”體系結構設計 100
7.3 宿主“軟體人”知識行為一體化描述模型 102
7.4 宿主“軟體人”服務行為描述 104
7.4.1 系統初始化行為 105
7.4.2 通信通道建立行為 105
7.4.3 遷移接收行為 106
7.4.4 硬體抽象層服務行為 107
7.4.5 節點容錯機制 109
7.4.6 對附體“軟體人”的控制行為 110
7.4.7 環境資源感知行為 111
7.5 宿主“軟體人”的實現技術 112
7.5.1 宿主“軟體人”知識模型實現 112
7.5.2 宿主“軟體人”服務行為實現 115
7.6 本章小結 118

第8章 附體“軟體人”的構造原理與技術 119
8.1 附體“軟體人”體系結構設計 120
8.2 附體“軟體人”知識行為一體化描述模型 121
8.3 附體“軟體人”行為描述 123
8.3.1 附體“軟體人”服務行為描述 123
8.3.2 附體“軟體人”任務行為描述 124
8.4 基於知行模型的“軟體人”知識通信 126
8.4.1 層次結構 126
8.4.2 層次結構設計 127
8.5 附體“軟體人”的實現技術 131
8.5.1 附體“軟體人”知識模型實現 131
8.5.2 附體“軟體人”的載入與解析 133
8.5.3 附體“軟體人”的遷移 135
8.6 本章小結 137

第9章 合一系統中多工的動態分配 139
9.1 任務描述與分解 140
9.1.1 任務描述 140
9.1.2 任務分解 142
9.2 動態任務協調分配機制與演算法 145
9.2.1 多工爭用衝突資源配置模型 146
9.2.2 資源需求長度計算演算法 147
9.3 資源權重的自我調整調整方法 148
9.4 本章小結 151

第10章 合一系統中“軟體人”群體協作的實現與應用 153
10.1 基於樹莓派的移動機器人控制系統搭建 154
10.2 移動機器人與伺服器間通信機制的實現 156
10.3 協作演算法實現 161
10.4 “軟體人”群體協作機制的性能評測 164
10.5 本章小結 166

第11章 結論 167

參考文獻 169

自20世紀60年代機械手誕生以來，機器人技術一直是學術界和工業界的研究熱點。世界各國紛紛把突破機器人技術和發展機器人產業放在科技發展的首要位置，並制定各自的發展戰略規劃。2012年，美國國家科學基金會（NSF）提出了一項新的跨機構資助計畫—國家機器人技術計畫（NRI），美國國家科學基金會與美國國家宇航局、美國國立衛生研究院、美國農業部一起開發協助人們工作的機器人，甚至是與人類合作的下一代機器人。2006年，我國發佈《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》，明確指出把機器人作為未來優先發展的戰略技術。

機器人技術集機械、資訊、材料、智慧控制、生物醫學等多學科於一體。機器人控制系統負責機器人的智慧、推理、任務規劃等，它是機器人技術研究的核心部分。傳統的機器人控制系統採用封閉式的方法，其控制系統採用專用微處理器、專用機器人語言或專用的電腦獨立開發。採用封閉式控制系統的機器人雖然具有結構簡單、可靠性高的特點，但隨著機器人應用領域的不斷擴大，其可擴展性差、軟體難移植、可複用性低等局限性日益凸顯。因此，如何構建開放、標準化、模組化的機器人控制系統，以及如何提高機器人的柔性、可配置性、可擴展性、可攜性和複用性等，成為機器人研究的關鍵。

目前, 世界上大多數商業機器人控制器普遍採用上位機、下位機二級分散式的開放控制系統。上位機負責整個系統管理、運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多個CPU組成，每個CPU控制一個關節運動，這些CPU通過匯流排形式的緊耦合與主控機聯繫，這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但是，由於上位機和下位機存在共同的弱點—計算負擔重、即時性差，因此，大多機器人採用離線規劃和前饋補償解耦等方法減輕即時控制中的計算負擔。當機器人在運行中受到干擾時，由於無法及時調整，其任務完成情況可能受到一定影響。同時，採用上位機、下位機的方法，雖然提高了機器人控制系統的可擴展性和複用性等，但這種主控式的方法無法完成機器人功能的動態配置與線上重構。

近年來，在軟計算、智慧化領域中，“軟體人”是發展較快的研究方向。從理論構造和實現來說，它是軟體領域中“智體（Agent）”和“物件”的昇華，是將人工生命、人工社會研究方法與現有Agent研究成果結合起來的網路世界中的虛擬機器人，學習與進化特徵是其區別於Agent的關鍵。與通常的Agent相比，它更富有“人工生命”的特性和活性，尤其是具有擬人的智慧和情感，能夠模擬人的功能和行為，並能擴展和延伸人的行為，代理人類置身、穿梭於各種電腦網路和軟體世界；同時，“軟體人”具有擬人的自主性、主動性，可根據任務需求、環境的變化，自主決策產生行為意圖，主動為使用者提供個性化服務。

前人已經成功在微型電腦上構造出“軟體人”系統。本書提出“軟體人”與機器人合一機制，將“軟體人”的擬人功能和擬人行為融入機器人控制系統，構建一種新的機器人嵌入式系統體系結構。機器人系統與“軟體人”系統的融合—“合一系統”的思想：針對機器人控制平臺封閉式結構的局限性，將“軟體人”引入機器人控制系統，構造以宿主“軟體人”為資訊處理和管理守護中心、附體“軟體人”為機器人功能控制中心、機器人為傳感載體和末端執行機構的平臺，構建開放的分散式體系結構，在機器人與微型電腦之間構造對等、柔性、動態的協同模式，實現對機器人功能的動態配置與線上重構，進一步提升機器人系統的柔性智慧能力，改善其環境的適應協調能力。

本書在“軟體人”及其系統研究成果與實現技術的基礎上，將宿主“軟體人”和附體“軟體人”引入機器人系統，給出一種“軟體人”與機器人合一的技術解決方案，旨在解決現有機器人控制系統封閉、可擴展性差的問題。本書適合從事電腦科學、控制科學、智慧科學及相關領域科學研究人員和工程應用人員使用，也可供高等院校和科研院所電腦、自動化、智慧科學等相關專業師生參考。

本書共11章，第1章和第2章由曾廣平執筆，主要介紹“軟體人”系統與機器人控制系統合一機制的總體設計；第3章和第4章由肖超恩執筆，主要介紹守護“軟體人”和消息“軟體人”的構造原理與技術；第5～11章由張青川執筆，主要介紹管理“軟體人”、功能“軟體人”、宿主“軟體人”和附體“軟體人”的構造原理與技術，以及合一系統簡介。