李堯生

摘 要：科學(xué)技術(shù)成果為世界人民帶來方便快捷的同時(shí)，人機(jī)交互技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也在伴隨而來。在當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)中，人機(jī)交互技術(shù)是最為重要的一部分，但是人機(jī)交互技術(shù)相對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件及硬件技術(shù)的發(fā)展就顯得尤為落后了，顯然這一課題直接影響了人類能否對(duì)更多未知領(lǐng)域加以探索和認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵。很多學(xué)者都說在人機(jī)交互技術(shù)產(chǎn)生以來直接對(duì)移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)方面給予了極大地啟發(fā)和幫助，在20世紀(jì)各國(guó)對(duì)于機(jī)器人領(lǐng)域就開始涉足，面對(duì)全球人口資源的浪費(fèi)和效率低等原因，機(jī)器人可以更好地改變目前這種現(xiàn)狀，尤其在一些人為情況下無法進(jìn)行的工作，機(jī)器人就可以代替我們完成，機(jī)器人需要有自己的思想和判斷能力，那么自主導(dǎo)航能力那便成為首要的關(guān)鍵，人機(jī)交互技術(shù)的產(chǎn)生對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的研究就提供了不可或缺的幫助，我們首先要明白什么是人機(jī)交互技術(shù)，它主要涉及哪些方面，在這些方面中移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航只是其中尤為關(guān)鍵的一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，如何更好讓我們對(duì)移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航有更多的了解，該文就從人機(jī)交互技術(shù)方面對(duì)此展開介紹，講解一下兩者之間究竟存在著哪些關(guān)聯(lián)，以及在移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方面還存在哪些缺陷和未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：人機(jī)交互技術(shù) 移動(dòng)機(jī)器人 自主導(dǎo)航技術(shù) 發(fā)展 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（c）-0032-02

1 人機(jī)交互技術(shù)的簡(jiǎn)要概述

1.1 人機(jī)交互技術(shù)的形成

人機(jī)交互是指在人們發(fā)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以來，伴隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的一系列科學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。人機(jī)交互技術(shù)其實(shí)包括兩部分組成，一是人與計(jì)算機(jī)之間，二是計(jì)算機(jī)與人之間，兩者之間的相互交換，這是一個(gè)信息交互的過程。在1946年世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)被發(fā)明以來，計(jì)算機(jī)逐漸被人們所認(rèn)知，也不斷地融入我們的日常生活中，人們利用計(jì)算機(jī)本身的鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)庫(kù)、位置跟蹤器、壓力筆等設(shè)備，通過人類自己的眼睛、手腳、和身體的每一個(gè)動(dòng)作向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳遞著我們?cè)O(shè)定的信息，在此同時(shí)計(jì)算機(jī)也以繪圖儀、顯示屏、音箱等設(shè)備將我們所需要的信息輸出給我們，這樣就完成了信息間的相互交換。在當(dāng)今科技領(lǐng)域人機(jī)交互技術(shù)與很多行業(yè)都有著密切的聯(lián)系，其中包括計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域、多媒體技術(shù)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和社會(huì)科學(xué)人類學(xué)和機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域，其中心理學(xué)和人機(jī)工程學(xué)是人機(jī)交互技術(shù)的理論基礎(chǔ)，其他幾門學(xué)科則與人機(jī)交互技術(shù)相互滲透，相輔相成，同時(shí)機(jī)器人也存在著幾種狀態(tài)，如表1。

所以說人機(jī)交互技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展都對(duì)我們的日常生活不可或缺，產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。

1.2 人機(jī)交互技術(shù)包含哪幾個(gè)方面

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和衍生，人機(jī)交互技術(shù)不再是單一的個(gè)體，同融合了多方面的知識(shí)，并且在很多行業(yè)中廣泛應(yīng)用，接下來就幾個(gè)主要方面來簡(jiǎn)單介紹下人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展在此列出幾個(gè)主要的方向：

（1）人機(jī)交互技術(shù)在界面上的設(shè)計(jì)應(yīng)用

我們都知道一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件的成功與否更多的是在于這個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面好壞，計(jì)算機(jī)的交互界面在設(shè)計(jì)上主要依靠于人機(jī)交互技術(shù)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)交互模型，這兩點(diǎn)在交互界面成敗中起著決定性的作用，也是我們目前正在研究的一項(xiàng)重要課題。

（2）人機(jī)交互技術(shù)是否具有可用性評(píng)估

在研究人機(jī)交互系統(tǒng)前首先要考慮到該系統(tǒng)的研發(fā)是不是具有可用價(jià)值，即使再好的工作系統(tǒng)沒有實(shí)用性那也不會(huì)成功使用。這也直接關(guān)系到客戶對(duì)人機(jī)交互系統(tǒng)的期望價(jià)值，只有將交互系統(tǒng)的可用價(jià)值進(jìn)行分析比對(duì)，從而做出一套簡(jiǎn)潔實(shí)用的系統(tǒng)才是問題的關(guān)鍵所在，也是我們一直遵循的原則。

（3）多通道交互技術(shù)的存在

在人機(jī)交互技術(shù)中有一種技術(shù)尤為關(guān)鍵，它可以將手勢(shì)、表情和語(yǔ)言都合理地結(jié)合起來，利用自然交互的方式完成人類對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操控。這種技術(shù)其實(shí)就是一項(xiàng)多功能的整合技術(shù)，在利用評(píng)估方法、界面模型來相互融合，從而達(dá)到多通道交互技術(shù)，在鋼鐵俠中多通道交互技術(shù)有所體現(xiàn)。

（4）認(rèn)知與智能用戶界面

我們所說的人機(jī)交互智能界面的主要功能其實(shí)就是將人類與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)更為智能的交流，利用語(yǔ)言識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、表情識(shí)別、感知能力的識(shí)別等來解決計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中用戶界面所需解決的問題。

（5）人機(jī)交互技術(shù)中的虛擬環(huán)境系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)其實(shí)就是一種虛擬技術(shù)的存在，它可以利用多方面技術(shù)進(jìn)行融合，來實(shí)現(xiàn)一種從聽覺、觸覺、感覺等方面來感知的高度真實(shí)的虛擬環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中有一種身臨其境的感覺，比如在電影阿凡達(dá)中就以此為實(shí)例運(yùn)用了虛擬環(huán)境的人機(jī)交互技術(shù)。

（6）移動(dòng)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生，伴隨而來的便是普通計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算的區(qū)分，以及在這些領(lǐng)域的發(fā)展，移動(dòng)計(jì)算就預(yù)示著移動(dòng)應(yīng)用界面的產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)問題上就應(yīng)該考慮到移動(dòng)設(shè)備所存在的一些缺點(diǎn)，比如位置不定性，無線網(wǎng)絡(luò)的限制性等，著都將是移動(dòng)界面存在的一大難關(guān)，如何運(yùn)用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)將移動(dòng)界面的開發(fā)設(shè)計(jì)達(dá)到最好的效果，已然成為人機(jī)交互技術(shù)中的另一技術(shù)難點(diǎn)。其中在機(jī)器人移動(dòng)領(lǐng)域更為注重該技術(shù)的改進(jìn)和研發(fā)。

2 人機(jī)交互方式下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的產(chǎn)生

在20世紀(jì)60年代末期，由于人類對(duì)于工作效率的提高和加強(qiáng)，逐步向研究人工智能技術(shù)在各種不可人為的環(huán)境中自主處理境況的方向發(fā)展，在改革開放以后，隨著計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些老牌企業(yè)開始將目光投向移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，投入大量資金，創(chuàng)建機(jī)器人研究組織及平臺(tái)，近些年來自主移動(dòng)機(jī)器人開始出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域而且都取得了一些人類無法做到的成就，所以在目前看來在人機(jī)交互下移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為全球機(jī)器人學(xué)術(shù)界正在研究的一大熱點(diǎn)課題。在我們關(guān)注移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)，要首先考慮我們所將要研制的機(jī)器人應(yīng)該具備哪些功能，無論從行為上還是思維邏輯上，這都是人為在機(jī)器人程序內(nèi)設(shè)定的，都是在按照我們的指示在進(jìn)行工作，但是在機(jī)器人工作過程中也要具備一定的自主導(dǎo)航技術(shù)，這就是說在自主式移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究中，自主導(dǎo)航技術(shù)是這一技術(shù)的關(guān)鍵核心。我們所說的機(jī)器人自主導(dǎo)航其實(shí)是指移動(dòng)機(jī)器人在進(jìn)行工作移動(dòng)時(shí)，通過傳感技術(shù)感知環(huán)境和自身狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下能有效準(zhǔn)確地躲避障礙物向既定目標(biāo)運(yùn)行的自主運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過程中相當(dāng)于移動(dòng)機(jī)器人自身通過傳感技術(shù)獲取了一定的思維。就當(dāng)今科學(xué)技術(shù)而言，移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)還存在著許多缺陷和難關(guān)，首先我們應(yīng)如何準(zhǔn)確的獲取機(jī)器人在任何某種環(huán)境中所在的準(zhǔn)確位置，以及環(huán)境周圍的信息，其次我們要確定一種準(zhǔn)確簡(jiǎn)潔的計(jì)算方法對(duì)機(jī)器人傳回的信息進(jìn)行處理并且要建立環(huán)境模式，再次我們要尋找一種最好的方法對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)路線及時(shí)作出規(guī)劃，使機(jī)器人移動(dòng)方式更為安全準(zhǔn)確。雖然各國(guó)都對(duì)移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步和成果，但是在機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵理論和核心技術(shù)上還是存在著很多缺陷，很多需要解決和完善。endprint

3 人機(jī)交互方式下移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的方式有哪些

移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式有很多，尤其是在人機(jī)交互方式下更為完善，其中有慣性導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等都是常見的。在每種環(huán)境中用到的導(dǎo)航方式也不一樣，比如地下埋線的導(dǎo)航方式在20世紀(jì)70年代才開始被迅速發(fā)展，但是這種導(dǎo)航技術(shù)造價(jià)成本很高，如果出現(xiàn)故障難以維修，所以很少被使用了。

（1）慣性導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式是最為普遍的一種，是利用機(jī)器人裝配的光電編碼器來計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人所移動(dòng)的量程，這也需要一種推算方法，進(jìn)而在得知機(jī)器人當(dāng)前的位置和布置下一步指令。

（2）磁導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式現(xiàn)在主要應(yīng)用于自動(dòng)導(dǎo)引車上，在自動(dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的核心關(guān)鍵設(shè)備是AGV，在AGV的運(yùn)行軌跡上會(huì)被埋入導(dǎo)線，導(dǎo)線上帶有交變電流，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，AGV上安裝著兩只磁傳感器，主要是用于檢驗(yàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而引導(dǎo)車輛沿著所埋的導(dǎo)線進(jìn)行正常運(yùn)行。

（3）基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航

我們所熟悉的機(jī)器人一般都會(huì)安裝傳感器，科研人員利用這些傳感器帶來的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航，通過事先設(shè)定好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)障礙物的可能位置，從而使機(jī)器人能夠在任何環(huán)境中及時(shí)作出自主導(dǎo)航。

（4）光反射導(dǎo)航定位系統(tǒng)

在光反射導(dǎo)航定位系統(tǒng)中主要是利用了激光或者紅外線技術(shù)來進(jìn)行定位的，激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鏡向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標(biāo)時(shí)，反射光經(jīng)光電接收器處理檢測(cè)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)，通過通訊傳遞到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)這些信息就可確定當(dāng)下的位置和方向，從而完成導(dǎo)航功能。

4 人機(jī)交互方式下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)

（1）人機(jī)交互技術(shù)

由于機(jī)器人要跟人直接打交道，對(duì)于這方面的技術(shù)稱之為人機(jī)交互技術(shù)，其中為了滿足客戶需求主要應(yīng)該重視3點(diǎn)方式，一點(diǎn)是遙控方式，二點(diǎn)是語(yǔ)言加手勢(shì)輸入方式，三點(diǎn)是觸摸屏圖形界面輸入方式。

（2）導(dǎo)航定位技術(shù)

導(dǎo)航定位技術(shù)主要分為兩種，一是相對(duì)定位技術(shù)，它主要有測(cè)距法和慣性導(dǎo)航法兩種，測(cè)距法的主要是具有低廉的價(jià)格，良好的短期精度，以及較高效的采樣速率。絕對(duì)定位技術(shù)主要有三部分組成，其中全球定位系統(tǒng)也就是我們所熟知的GPS定位系統(tǒng)，主要用于移動(dòng)機(jī)器人在定位時(shí)存在近距離定位精度低等問題的處理路標(biāo)定位主要是指在機(jī)器人運(yùn)行途徑中尋找特殊的路標(biāo)定位，根據(jù)得到的信息結(jié)合外界環(huán)境來定位。地圖定位系統(tǒng)主要是機(jī)器人能夠接受自身的傳感器傳回的信息，并能將自身感知到的信息來自主分析進(jìn)行判斷比較，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。

（3）導(dǎo)航路徑規(guī)劃

導(dǎo)航路徑規(guī)劃是當(dāng)前自主移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)中尤為重要的一個(gè)課題，它是指移動(dòng)機(jī)器人按照某個(gè)性能指標(biāo)搜索一條最為適合從初始狀態(tài)到結(jié)束狀態(tài)的路徑。其中根據(jù)環(huán)境建模方式和搜索策略的不同，可分為三類，分別是前向圖算法和基于隨機(jī)采樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，還有基于自由空間幾何構(gòu)造的規(guī)劃。前向圖算法主要包括心算搜索法、A算法、D算法和人工勢(shì)場(chǎng)算法，這些算法計(jì)算復(fù)雜，根本不適合解決高自由度機(jī)器人在各種環(huán)境中的規(guī)劃?；陔S機(jī)采樣的規(guī)劃算法主要用于克服人工勢(shì)場(chǎng)法存在的局部極小和在高維姿態(tài)空間中規(guī)劃時(shí)存在的效率問題，主要包括隨機(jī)路徑規(guī)劃器、概率路標(biāo)算法及其變種算法。基于幾何構(gòu)造的規(guī)劃方法有可視圖、切線圖以及精確格分解等方法。

5 機(jī)器人領(lǐng)域的新突破

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人為經(jīng)濟(jì)已經(jīng)逐漸被社會(huì)經(jīng)濟(jì)所取代，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中科學(xué)技術(shù)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體。在機(jī)器人領(lǐng)域也出現(xiàn)了一種新型技術(shù)，就是自主飛行機(jī)器人系統(tǒng)，它主要是用微型直升機(jī)作為模型來設(shè)計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中可以通過安裝的導(dǎo)航系統(tǒng)獲取到所有傳感器傳回的數(shù)據(jù)，其中有機(jī)器人當(dāng)前所在的位置，和當(dāng)前的飛行狀態(tài)，控制模塊都會(huì)將這些信息反饋給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，飛行機(jī)器人會(huì)自主做出判斷，自主飛行機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)主要由三個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器，三個(gè)方向傳感器，羅盤，GPS信號(hào)接收設(shè)備，激光測(cè)量設(shè)備等組成，這是未來發(fā)展的一個(gè)新思路。

6 人機(jī)交互方式下移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)傳感技術(shù)不斷發(fā)展，科研人員對(duì)于自主機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的要求又提出了新的觀點(diǎn)，自主移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，其復(fù)雜程度也就越來越高，也就給自主導(dǎo)航技術(shù)提出來新的技術(shù)難點(diǎn)。

（1）對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行分布式智能研究，其實(shí)就是指要將原來的主體指令分布到計(jì)算機(jī)本身的計(jì)算機(jī)個(gè)體中，然后由主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一分層次的指揮，這樣便減小了機(jī)器人本身的重量，也能提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度方便靈活指揮。（2）在視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中安裝多傳感器，這樣就盡可能的彌補(bǔ)視覺導(dǎo)航上存在的不足，機(jī)器人既能進(jìn)行全局視覺又可以進(jìn)行局部視覺，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了視覺信息的融合。

（3）隨著人類能源的枯竭，人類對(duì)于外太空的探索也正處于亟不可待的形式下，這樣網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的產(chǎn)生便是將來機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)方向，也是我們研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

（4）自主導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性對(duì)于視覺導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮起著重要的作用，在靜動(dòng)態(tài)圖像處理技術(shù)上還是有所欠缺，亟需解決。

（5）對(duì)于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的研究，在機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)中起到的作用，在未來會(huì)更加明顯，對(duì)于這點(diǎn)，科研人員可以創(chuàng)建一個(gè)仿真平臺(tái)，從多方面研究多傳感技術(shù)，也為機(jī)器人虛擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)打下鋪墊。

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