人机协同的空间导航任务中机器人空间认知建模方法研究

摘要

本文以人机协同空间导航任务为背景，针对人机协同导航中机器人对于人类自然语言空间导航指令意图理解的难题，本文提出了空间认知建模的方法来建立机器人拟人空间认知推理模型，以实现机器人与人的空间认知同构，增强机器人对人交互意图的理解，使机器人能够更好地解析人的自然语言空间导航指令，实现自然高效的人机协同导航交互。 为了构建与人认知同构的机器人空间导航认知模型，本文首先开展了人类空间导航认知特性的研究，通过实验研究了人在特定任务环境中的空间认知与表达特性；实验得到了人在模拟的月面非结构化环境中对于界标物的描述特点，明确了在月面目标物位置描述中人类的参考框架选择偏好，还采集了人的路径导航自然语言语法规则，为后续建立机器人空间认知推理模型奠定了基础。 对比分析人类认知的计算机建模方法，本文采用了ACT-R符号认知建模的方法；基于人类空间导航认知特性的研究，本文分析了人类空间导航认知交互过程，并将该过程映射到ACT-R认知结构的不同模块上，为机器人建立拟人空间认知推理模型；得到的认知模型由多个模块等组成，可以实现人类在空间导航认知中的信息感知，推理决策以及输出执行的主要功能。 为了验证认知模型的正确性以及有效性，本文开发了由自然语言识别模块、基于Unity3D的虚拟实验环境以及空间认知模型组成的人机协同空间导航交互系统，系统实现了对于人的自然语言空间导航指令的识别，然后结合虚拟实验环境中的机器人视觉信息进行推理决策，最后仿真输出的主要功能。 基于该系统，本文开展了人机协同空间导航交互实验，通过自然语言空间导航模式与命令语言空间导航模式的对比实验，本文获取了受试者主观评价以及时间绩效数据，得出了机器人空间认知推理模型应用在人机协同空间导航中可以降低人的工作负荷，增加人机协同的意愿，具有更好的时间绩效的结论。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 人-机器人协同交互研究现状

1.2.2 人与机器人空间导航认知研究

1.2.3 人机语音交互及自然语言导航研究

1.2.4 空间认知建模研究

1.3 研究内容及论文结构

1.3.1 研究内容

1.3.2 论文结构

2 人类空间导航认知交互特性研究

2.1 月面路径导航任务分析

2.1.1 人类空间导航认知研究

2.1.2 月面任务人机协同导航任务

2.1.3 研究方法

2.2 实验方案

2.2.1 实验一 人类界标知识描述实验

2.2.2 实验二 人类目标位置描述实验

2.2.3 实验三 人-人路径导航实验

2.3 实验结果分析

2.3.1 实验一结果分析

2.3.2 实验二结果分析

2.3.3 实验三结果分析

2.4 本章小结

3 机器人空间导航认知建模

3.1 人类认知的计算机建模方法

3.1.1 数学系统建模与认知符号建模

3.1.2 ACT-R认知建模方法

3.2 基于ACT-R的机器人空间认知建模方法

3.2.1 人-机空间导航认知交互过程

3.2.2 ACT-R表征空间认知地图

3.3 空间导航认知模型的设计

3.3.1 模型基本构成描述

3.3.2 陈述性知识表征

3.3.3 子符号系统参数

3.3.4 产生式推理过程

3.4 本章小结

4 人机协同空间导航交互系统

4.1 交互系统架构设计

4.2 系统功能模块实现

4.2.1 自然语言处理模块

4.2.2 虚拟实验环境搭建

4.2.3 空间认知模型建立

4.3 交互系统搭建

4.4 本章小结

5 机器人空间导航认知模型验证

5.1 人机协同导航交互实验

5.1.1 实验目的

5.1.2 实验设计

5.1.3 实验的实施

5.2 实验数据分析

5.2.1 主观数据的获取与分析

5.2.2 绩效数据获取与分析

5.2.3 交互频次分析

5.3 系统准确率分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究工作展望

致谢

参考文献

附录1实验问卷示例

附录2人-人路径导航实验语音交互数据示例