??? 摘? 要: 隨著機器人" title="器人">器人的應用方式由部件式單元應用向系統式應用方向發展,群體機器人系統" title="機器人系統">機器人系統的研究越來越受到更多學者的重視。本文概述了群體機器人技術的發展歷程,并對該領域內的主要研究內容作了簡單的分析和介紹,提出了未來群體機器人系統的幾個重要研究方向。?

??? 關鍵詞: 群體機器人系統? 通信? 協作與控制? 沖突

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??? 機器人作為人類20世紀最偉大的發明之一,在短短的40年內發生了日新月異的變化。近幾年機器人已成為高技術領域內具有代表性的戰略目標。機器人技術的出現和發展,不但使傳統的工業生產面貌發生根本性變化,而且將對人類社會產生深遠的影響。隨著社會生產技術的飛速發展,機器人的應用領域不斷擴展。從自動化生產線到海洋資源的探索,乃至太空作業等領域,機器人可謂是無處不在。然而就目前的機器人技術水平而言,單機器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的,對于復雜的工作任務及多變的工作環境,單機器人的能力更顯不足。于是人們考慮由多個機器人組成的群體系統通過協調、協作來完成單機器人無法或難以完成的工作。群體機器人系統比單機器人系統具有更強的優越性,主要表現在以下幾個方面:?

??? ·相互協調的n個機器人系統的能力可以遠大于一個單機器人系統的n倍,群體機器人系統還可以實現單機器人系統無法實現的復雜任務;?

??? ·設計和制造多個簡單機器人比單個復雜機器人更容易、成本更低;?

??? ·使用群體機器人系統可以大大節約時間,提高效率;?

??? ·群體機器人系統的平行性和冗余性可以提高系統的柔性和魯棒性等。?

??? 此外因為群體機器人系統具有空間分布、功能分布、時間分布等特點,利用這些特點可以達到以下目的:?

??? ·通過群體機器人系統內在特性提高完成任務的效率;?

??? ·通過共享資源(信息、知識等)彌補單機器人能力的不足,擴大完成任務的能力范圍;?

??? ·利用系統內機器人資源的冗余性提高完成任務的可能性,增加系統的性能。?

??? 因此,進行群體機器人系統的研究是機器人技術發展的必然趨勢,必將對機器人技術的發展帶來劃時代的變革。?

1 群體機器人研究的主要內容?

??? 群體機器人系統的主要研究內容為:群體機器人系統的通信,群體機器人系統的協作與控制,群體機器人系統沖突問題的解決。?

??? 根據系統中機器人功能結構的不同,可將群體機器人系統分為同構系統和異構系統" title="異構系統">異構系統。同構系統就是系統中每個機器人的結構相同、功能相同;異構系統中每個機器人的結構和功能不盡相同。對于同構群體機器人系統研究的主要問題是設計正確的控制方案和通信機制,使之能正確完成給定的任務;而對于異構群體機器人系統的研究主要是解決如何在它們之間進行有意識的合作問題,另外還有動作選擇問題、通信沖突問題的解決。不論是同構系統還是異構系統的研究對群體機器人系統的研究都起著重要作用,下面以同構系統為主來討論群體機器人的研究。?

1.1 群體機器人系統的通信?

??? 群體機器人系統的通信是研究群體機器人系統的基礎,由各個個體機器人組成一個群體系統,通信是必不可少的。?

??? 群體機器人系統在執行某項任務時,為了實現協調與合作,個體機器人的傳感器必須提供足夠的環境描述信息和其他機器人的信息,因此機器人個體之間或者上層控制和下層合作之間的通信是必要的。機器人之間的通信方式" title="通信方式">通信方式主要有兩種,即直接通信和間接通信。直接通信要求發送和接收信息能保持一致性,因此機器人之間需要一種通信協議,而且直接通信時發送方和接收方必須同時在線,間接通信沒有此項要求。一般來說,直接通信存在于有智能的機器人之間,而間接通信存在的范圍就比較大,如個體和個體通信、個體和群體通信、個體和環境通信等。目前,大部分關于群體機器人的通信主要采用廣播的方式,即個體機器人將自己的位置和傳感器信息以及自己從事的工作信息廣播出去,其他個體機器人可以按自己的需要選擇信息,或主控機器人通過廣播分配任務等。

??? 通信方式的選擇是保證通信的有效性和實時性的基本要求,在實際應用中根據機器人的結構和任務要求來選擇,目前群體機器人的通信還存在許多瓶頸問題,如機器人數目增加時,通信速度和效率將下降。?

1.2 群體機器人系統的協作與控制?

??? 機器人之間的協作與控制問題屬于群體機器人系統中的高級控制任務,是研究群體機器人系統的關鍵技術。?

??? 機器人群體系統是由機器人個體按照一定關系聯系起來,并具有自我調整的功能,系統中機器人個體和機器人群體都要協作動作,以實現機器人群體的功能。借鑒組織行為學的理論,群體機器人系統研究對象包括機器人個體、機器人群體兩個層次,即機器人個體行為和機器人群體行為。機器人個體行為主要包括機器人個體對環境的感知、學習、響應以及自適應動作的協調。機器人個體控制系統是實現個體行為的基礎,機器人個體控制系統要求能使個體表現出較強的協作性和自主性。協作性是指機器人能協調合作的能力;自主性是指機器人具有一定的自主能力、能感知環境的變化并能作用于環境。系統的協調行為在很大程度上依賴于如何處理機器人的自主和協作之間的關系;機器人群體行為是機器人個體行為的合成,典型的群體行為研究有集中行為、分散行為和編隊行為等。根據機器人群體結構分布的不同相應的控制結構也不同,可分為集中式和分布式兩種。集中式控制由一個機器人或者PC機對任務進行調協規劃并集中調度;分散式控制中任務分配是通過機器人之間的交互來實現的,每個機器人基于自己的傳感器信息和內部狀態規劃各自的行為,通過協商等手段消解沖突。?

??? 為研究機器人群體的協作機制,以提高群體的協作能力,目前多采用下述控制機制,包括:?

??? (1)基于信息資源庫共享;?

??? (2)基于傳感器信息共享的控制:依靠通信裝置,每個機器人上的傳感器不再是私有享用,其他機器人通過通信也可享用;?

??? (3)基于資源競爭規則的調度機制:資源包括作業空間、作業順序、作業工具等,該控制策略最基本的目標是解決死鎖問題;?

??? (4)基于任務與能量最佳匹配原則的動態組成、重構控制;?

??? (5)并行規劃算法。?

1.3 群體機器人系統沖突的解決?

??? 在群體機器人系統中還有一個很重要的問題就是系統中沖突問題的解決。在群體機器人系統中沖突的形式是多種多樣的,主要有任務沖突、路徑沖突和空間沖突等。群體機器人系統中的沖突很容易造成系統的混亂,嚴重影響了系統的總體性能。解決沖突除了要有合理的控制結構和通信方式外,也需要相應的解決策略。在群體機器人系統中,每個機器人都把其他機器人當作障礙物來處理,并通過傳感器探測障礙物的有無。同時機器人也根據定期接收到的信息來處理傳感器的不確定性,并區分機器人障礙物和非機器人障礙物,由此選擇不同的處理方法。群體機器人系統沖突問題的解決辦法有很多,最直接的方法是采用集中控制器來決定所有機器人的無沖突路徑,但是這種方法在實用性方面具有一定的缺陷。另一種方法是主從控制法,在沖突的機器人中有一個作為主控,指揮別的機器人以解決沖突問題。?

??? 對于群體機器人系統的研究除了上述幾個主要的方面外還有群體機器人系統的學習問題、系統的組織結構問題和環境的觀察問題等。?

2 國內外群體機器人研究現狀?

??? 經過二十幾年的發展,群體機器人系統的研究已在理論和實踐方面取得很大的進展,并建立了多機" title="多機">多機器人仿真系統和實驗系統。目前,國內關于群體機器人系統的研究剛剛起步,而國外的研究則比較活躍。歐盟專門設立了一個進行多機器人系統研究的MARTHA課題——“用于搬運的多自主機器人系統(multiple autonomous robots system for transport and handing application)”。日本對群體機器人系統的研究開展得比較早,著名的研究有ACTRESS系統和CEBOT系統。ACTRESS系統是由日本H.Asama等人提出的通過設計底層的通訊結構而把機器人、周邊設備和計算機等連接起來的自治多機器人智能系統,這個系統的主要特點是系統的單個動作和合作動作的并存。日本名古屋大學的Fukuda教授提出的CEBOT系統,每個機器人可以自主地運動,沒有全局的世界模型,整個系統沒有集中控制,可以根據任務和環境動態重構、可以具有學習和適應的群體智能,具有分布式的體系結構。美國學者K.Jin和G.Beni等研究了SWARM系統。SWARM系統是有大量自治機器人組成的分布式系統,其主要特點是機器人本身被認為無智能,它們在組成系統后,將表現出群體的智能。在國內已開發出在車輛擁擠時自行移動的全方位移動結構,還開發了使用帶有桶型自由輥的車輪,用3個傳動裝置驅動可自由地前后左右移動或旋轉的遞補結構。?

??? 我國群體機器人的研究相對于國外起步較晚,目前已逐漸引起人們的重視,上海交通大學,中國科學院,哈爾濱工業大學機器人研究所,東北大學等已先后開發出各種形式的群體機器人系統。

??? 總體上說,國內外對群體機器人的研究已取得了令人矚目的進展,但與工業機器人相比,實用性尚有很大的差距,需要解決以下幾個方面的問題:?

??? (1)如何使機器人個體之間相互通信和相互作用;?

??? (2)如何在各機器人間表達、描述問題,分解和分配任務;?

??? (3)如何保證機器人在行動中的行為協調一致;?

??? (4)機器人彼此之間如何識別和解決沖突。?

3 群體機器人系統未來主要研究方向?

3.1 高度自動化的命令接口?

??? 目前,盡管機器人群體作為一個人工制造的智能群體,還處在比較初級的階段,但是作為一個復雜系統,已能實實在在地體現人類的智慧和人類社會的形態。但人們創造機器人的主要目的是利用機器人協助或代替人類從事不便、危險或無法完成的任務,這就決定了機器人遵從人的指令。因此機器人如何更有效的理解人類的意圖,讓人類更方便、有效的向機器人發號施令,將是未來很重要的一個研究方向。?

3.2 機器人整體模型?

??? 機器人實際上是仿生學的產物。作為一個參與群體活動的個體,如何對其能力進行刻畫,也就是如何對機器人進行形式化描述,定義機器人整體模型,是評價和組成一個機器人系統的必要手段。?

3.3 機器人社會學?

??? 機器人根據作用的不同存在很多不同的種類,就典型的軍用機器人來說,可分為航天、航空、地面、水下等多種類型。對于現代化戰爭,未來的戰場一定是立體化、全方位、人機混雜的形態,因此,各類具有自主能力的機器人群,在執行任務時將會是一個較為復雜的機器人社會。在某些無人參與的場合,這些機器人群體的協同工作,實際上形成了一個短暫的社會活動。如何使這個社會正常有序、經濟有效的運行,如何使不同類型的機器人構成合理的運行組織,并如何使受到破壞的組織迅速恢復,這將是機器人社會學研究的內容。而對于人機混合活動的人機社會學更是亟待深入研究發展的方向。?

3.4 機器人群體活動的評價方法和準則?

??? 在群體機器人系統中,最集中和關鍵的問題表現在群體機器人系統的體系結構以及相應的協調和機制上。因此,如何定義和評價機器人群體的活動和準則,是群體機器人系統面臨和需要解決的首要問題。?

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