从任务执行角度出发的服务机器人环境建模

《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》：Environment Modeling for Service Robots from a Task Execution Perspective

服务机器人面临家庭环境中开放、动态和非结构化的挑战，如任务执行智能化不足和长期自主性差。本文从任务执行导向角度综述环境建模技术，涵盖定位、导航、操作和长期自主性四大方向，分析当前挑战并探讨潜在研究机遇。

　　

摘要：

服务机器人正越来越多地进入家庭，为居民提供家务帮助。然而，在开放、动态且结构化的家庭环境中工作时，服务机器人仍面临一些挑战，如任务执行能力较低以及长期自主性（LTA）不足，这限制了它们的应用范围。作为机器人任务执行的基础，环境建模受到了广泛关注。环境建模整合了环境感知、理解和表示等核心技术，以准确识别环境信息。本文从以任务执行为导向的新视角对环境建模进行了全面综述。特别是，根据机器人在家庭环境中执行家务任务的需求，我们系统地回顾了在任务执行导向的环境建模方面取得的进展，包括四个方面：1）定位；2）导航；3）操控；4）长期自主性（LTA）。文章讨论了当前面临的挑战，并指出了潜在的研究方向。

引言

由于人工智能（AI）和机器人技术的最新进展[1]–[3]，越来越多的服务机器人被开发出来，用于人机共享环境中提供各种服务，例如工厂中的物品搬运任务[4]、家庭中的送货任务[5]以及未知场景下的救援任务[6]。影响机器人任务执行能力的一个最基本因素是它对环境的感知程度[7]、[8]。例如，为了完成上述任务，机器人需要准确感知并建模其工作场景以及具体物体。其中，家庭服务机器人受到了特别关注，因为它们可以解决人口老龄化带来的一些社会问题，并提高整体生活质量。然而，机器人在家庭环境中执行家务任务的智能水平仍然较低。与其他人类环境相比，家庭环境在以下方面更为复杂[2]、[5]：1)

家庭环境是开放的：家庭环境并不总是由物理隔断划分的。许多房屋的布局个性化且多样，增加了开放感。

2)

家庭环境是结构化的：家庭环境中的物体种类繁多且位置随机，这增加了环境特征和结构的多样性。

3)

家庭环境是动态的：家庭环境中的大多数物体都是可移动的，它们的位置和姿态在任务执行过程中经常发生变化。人的存在进一步增强了环境的动态特性。