??? 摘? 要: 隨著機(jī)器人" title="器人">器人的應(yīng)用方式由部件式單元應(yīng)用向系統(tǒng)式應(yīng)用方向發(fā)展,群體機(jī)器人系統(tǒng)" title="機(jī)器人系統(tǒng)">機(jī)器人系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到更多學(xué)者的重視。本文概述了群體機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程,并對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的主要研究?jī)?nèi)容作了簡(jiǎn)單的分析和介紹,提出了未來(lái)群體機(jī)器人系統(tǒng)的幾個(gè)重要研究方向。?

??? 關(guān)鍵詞: 群體機(jī)器人系統(tǒng)? 通信? 協(xié)作與控制? 沖突

?

??? 機(jī)器人作為人類(lèi)20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,在短短的40年內(nèi)發(fā)生了日新月異的變化。近幾年機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化,而且將對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展,機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。從自動(dòng)化生產(chǎn)線到海洋資源的探索,乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域,機(jī)器人可謂是無(wú)處不在。然而就目前的機(jī)器人技術(shù)水平而言,單機(jī)器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的,對(duì)于復(fù)雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)境,單機(jī)器人的能力更顯不足。于是人們考慮由多個(gè)機(jī)器人組成的群體系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)、協(xié)作來(lái)完成單機(jī)器人無(wú)法或難以完成的工作。群體機(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:?

??? ·相互協(xié)調(diào)的n個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的能力可以遠(yuǎn)大于一個(gè)單機(jī)器人系統(tǒng)的n倍,群體機(jī)器人系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù);?

??? ·設(shè)計(jì)和制造多個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)器人比單個(gè)復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低;?

??? ·使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時(shí)間,提高效率;?

??? ·群體機(jī)器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和魯棒性等。?

??? 此外因?yàn)槿后w機(jī)器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時(shí)間分布等特點(diǎn),利用這些特點(diǎn)可以達(dá)到以下目的:?

??? ·通過(guò)群體機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)在特性提高完成任務(wù)的效率;?

??? ·通過(guò)共享資源(信息、知識(shí)等)彌補(bǔ)單機(jī)器人能力的不足,擴(kuò)大完成任務(wù)的能力范圍;?

??? ·利用系統(tǒng)內(nèi)機(jī)器人資源的冗余性提高完成任務(wù)的可能性,增加系統(tǒng)的性能。?

??? 因此,進(jìn)行群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),必將對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)劃時(shí)代的變革。?

1 群體機(jī)器人研究的主要內(nèi)容?

??? 群體機(jī)器人系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容為:群體機(jī)器人系統(tǒng)的通信,群體機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作與控制,群體機(jī)器人系統(tǒng)沖突問(wèn)題的解決。?

??? 根據(jù)系統(tǒng)中機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)的不同,可將群體機(jī)器人系統(tǒng)分為同構(gòu)系統(tǒng)和異構(gòu)系統(tǒng)" title="異構(gòu)系統(tǒng)">異構(gòu)系統(tǒng)。同構(gòu)系統(tǒng)就是系統(tǒng)中每個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相同、功能相同;異構(gòu)系統(tǒng)中每個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能不盡相同。對(duì)于同構(gòu)群體機(jī)器人系統(tǒng)研究的主要問(wèn)題是設(shè)計(jì)正確的控制方案和通信機(jī)制,使之能正確完成給定的任務(wù);而對(duì)于異構(gòu)群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要是解決如何在它們之間進(jìn)行有意識(shí)的合作問(wèn)題,另外還有動(dòng)作選擇問(wèn)題、通信沖突問(wèn)題的解決。不論是同構(gòu)系統(tǒng)還是異構(gòu)系統(tǒng)的研究對(duì)群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究都起著重要作用,下面以同構(gòu)系統(tǒng)為主來(lái)討論群體機(jī)器人的研究。?

1.1 群體機(jī)器人系統(tǒng)的通信?

??? 群體機(jī)器人系統(tǒng)的通信是研究群體機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ),由各個(gè)個(gè)體機(jī)器人組成一個(gè)群體系統(tǒng),通信是必不可少的。?

??? 群體機(jī)器人系統(tǒng)在執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí),為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與合作,個(gè)體機(jī)器人的傳感器必須提供足夠的環(huán)境描述信息和其他機(jī)器人的信息,因此機(jī)器人個(gè)體之間或者上層控制和下層合作之間的通信是必要的。機(jī)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(fā)送和接收信息能保持一致性,因此機(jī)器人之間需要一種通信協(xié)議,而且直接通信時(shí)發(fā)送方和接收方必須同時(shí)在線,間接通信沒(méi)有此項(xiàng)要求。一般來(lái)說(shuō),直接通信存在于有智能的機(jī)器人之間,而間接通信存在的范圍就比較大,如個(gè)體和個(gè)體通信、個(gè)體和群體通信、個(gè)體和環(huán)境通信等。目前,大部分關(guān)于群體機(jī)器人的通信主要采用廣播的方式,即個(gè)體機(jī)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(gè)體機(jī)器人可以按自己的需要選擇信息,或主控機(jī)器人通過(guò)廣播分配任務(wù)等。

??? 通信方式的選擇是保證通信的有效性和實(shí)時(shí)性的基本要求,在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和任務(wù)要求來(lái)選擇,目前群體機(jī)器人的通信還存在許多瓶頸問(wèn)題,如機(jī)器人數(shù)目增加時(shí),通信速度和效率將下降。?

1.2 群體機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作與控制?

??? 機(jī)器人之間的協(xié)作與控制問(wèn)題屬于群體機(jī)器人系統(tǒng)中的高級(jí)控制任務(wù),是研究群體機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。?

??? 機(jī)器人群體系統(tǒng)是由機(jī)器人個(gè)體按照一定關(guān)系聯(lián)系起來(lái),并具有自我調(diào)整的功能,系統(tǒng)中機(jī)器人個(gè)體和機(jī)器人群體都要協(xié)作動(dòng)作,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群體的功能。借鑒組織行為學(xué)的理論,群體機(jī)器人系統(tǒng)研究對(duì)象包括機(jī)器人個(gè)體、機(jī)器人群體兩個(gè)層次,即機(jī)器人個(gè)體行為和機(jī)器人群體行為。機(jī)器人個(gè)體行為主要包括機(jī)器人個(gè)體對(duì)環(huán)境的感知、學(xué)習(xí)、響應(yīng)以及自適應(yīng)動(dòng)作的協(xié)調(diào)。機(jī)器人個(gè)體控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)個(gè)體行為的基礎(chǔ),機(jī)器人個(gè)體控制系統(tǒng)要求能使個(gè)體表現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)作性和自主性。協(xié)作性是指機(jī)器人能協(xié)調(diào)合作的能力;自主性是指機(jī)器人具有一定的自主能力、能感知環(huán)境的變化并能作用于環(huán)境。系統(tǒng)的協(xié)調(diào)行為在很大程度上依賴于如何處理機(jī)器人的自主和協(xié)作之間的關(guān)系;機(jī)器人群體行為是機(jī)器人個(gè)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(duì)行為等。根據(jù)機(jī)器人群體結(jié)構(gòu)分布的不同相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)也不同,可分為集中式和分布式兩種。集中式控制由一個(gè)機(jī)器人或者PC機(jī)對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)協(xié)規(guī)劃并集中調(diào)度;分散式控制中任務(wù)分配是通過(guò)機(jī)器人之間的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)的,每個(gè)機(jī)器人基于自己的傳感器信息和內(nèi)部狀態(tài)規(guī)劃各自的行為,通過(guò)協(xié)商等手段消解沖突。?

??? 為研究機(jī)器人群體的協(xié)作機(jī)制,以提高群體的協(xié)作能力,目前多采用下述控制機(jī)制,包括:?

??? (1)基于信息資源庫(kù)共享;?

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

??? (3)基于資源競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則的調(diào)度機(jī)制:資源包括作業(yè)空間、作業(yè)順序、作業(yè)工具等,該控制策略最基本的目標(biāo)是解決死鎖問(wèn)題;?

??? (4)基于任務(wù)與能量最佳匹配原則的動(dòng)態(tài)組成、重構(gòu)控制;?

??? (5)并行規(guī)劃算法。?

1.3 群體機(jī)器人系統(tǒng)沖突的解決?

??? 在群體機(jī)器人系統(tǒng)中還有一個(gè)很重要的問(wèn)題就是系統(tǒng)中沖突問(wèn)題的解決。在群體機(jī)器人系統(tǒng)中沖突的形式是多種多樣的,主要有任務(wù)沖突、路徑?jīng)_突和空間沖突等。群體機(jī)器人系統(tǒng)中的沖突很容易造成系統(tǒng)的混亂,嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的總體性能。解決沖突除了要有合理的控制結(jié)構(gòu)和通信方式外,也需要相應(yīng)的解決策略。在群體機(jī)器人系統(tǒng)中,每個(gè)機(jī)器人都把其他機(jī)器人當(dāng)作障礙物來(lái)處理,并通過(guò)傳感器探測(cè)障礙物的有無(wú)。同時(shí)機(jī)器人也根據(jù)定期接收到的信息來(lái)處理傳感器的不確定性,并區(qū)分機(jī)器人障礙物和非機(jī)器人障礙物,由此選擇不同的處理方法。群體機(jī)器人系統(tǒng)沖突問(wèn)題的解決辦法有很多,最直接的方法是采用集中控制器來(lái)決定所有機(jī)器人的無(wú)沖突路徑,但是這種方法在實(shí)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(jī)器人中有一個(gè)作為主控,指揮別的機(jī)器人以解決沖突問(wèn)題。?

??? 對(duì)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究除了上述幾個(gè)主要的方面外還有群體機(jī)器人系統(tǒng)的學(xué)習(xí)問(wèn)題、系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)問(wèn)題和環(huán)境的觀察問(wèn)題等。?

2 國(guó)內(nèi)外群體機(jī)器人研究現(xiàn)狀?

??? 經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展,群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究已在理論和實(shí)踐方面取得很大的進(jìn)展,并建立了多機(jī)" title="多機(jī)">多機(jī)器人仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究剛剛起步,而國(guó)外的研究則比較活躍。歐盟專(zhuān)門(mén)設(shè)立了一個(gè)進(jìn)行多機(jī)器人系統(tǒng)研究的MARTHA課題——“用于搬運(yùn)的多自主機(jī)器人系統(tǒng)(multiple autonomous robots system for transport and handing application)”。日本對(duì)群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究開(kāi)展得比較早,著名的研究有ACTRESS系統(tǒng)和CEBOT系統(tǒng)。ACTRESS系統(tǒng)是由日本H.Asama等人提出的通過(guò)設(shè)計(jì)底層的通訊結(jié)構(gòu)而把機(jī)器人、周邊設(shè)備和計(jì)算機(jī)等連接起來(lái)的自治多機(jī)器人智能系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)的單個(gè)動(dòng)作和合作動(dòng)作的并存。日本名古屋大學(xué)的Fukuda教授提出的CEBOT系統(tǒng),每個(gè)機(jī)器人可以自主地運(yùn)動(dòng),沒(méi)有全局的世界模型,整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有集中控制,可以根據(jù)任務(wù)和環(huán)境動(dòng)態(tài)重構(gòu)、可以具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)的群體智能,具有分布式的體系結(jié)構(gòu)。美國(guó)學(xué)者K.Jin和G.Beni等研究了SWARM系統(tǒng)。SWARM系統(tǒng)是有大量自治機(jī)器人組成的分布式系統(tǒng),其主要特點(diǎn)是機(jī)器人本身被認(rèn)為無(wú)智能,它們?cè)诮M成系統(tǒng)后,將表現(xiàn)出群體的智能。在國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出在車(chē)輛擁擠時(shí)自行移動(dòng)的全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu),還開(kāi)發(fā)了使用帶有桶型自由輥的車(chē)輪,用3個(gè)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)可自由地前后左右移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的遞補(bǔ)結(jié)構(gòu)。?

??? 我國(guó)群體機(jī)器人的研究相對(duì)于國(guó)外起步較晚,目前已逐漸引起人們的重視,上海交通大學(xué),中國(guó)科學(xué)院,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所,東北大學(xué)等已先后開(kāi)發(fā)出各種形式的群體機(jī)器人系統(tǒng)。

??? 總體上說(shuō),國(guó)內(nèi)外對(duì)群體機(jī)器人的研究已取得了令人矚目的進(jìn)展,但與工業(yè)機(jī)器人相比,實(shí)用性尚有很大的差距,需要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:?

??? (1)如何使機(jī)器人個(gè)體之間相互通信和相互作用;?

??? (2)如何在各機(jī)器人間表達(dá)、描述問(wèn)題,分解和分配任務(wù);?

??? (3)如何保證機(jī)器人在行動(dòng)中的行為協(xié)調(diào)一致;?

??? (4)機(jī)器人彼此之間如何識(shí)別和解決沖突。?

3 群體機(jī)器人系統(tǒng)未來(lái)主要研究方向?

3.1 高度自動(dòng)化的命令接口?

??? 目前,盡管機(jī)器人群體作為一個(gè)人工制造的智能群體,還處在比較初級(jí)的階段,但是作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),已能實(shí)實(shí)在在地體現(xiàn)人類(lèi)的智慧和人類(lèi)社會(huì)的形態(tài)。但人們創(chuàng)造機(jī)器人的主要目的是利用機(jī)器人協(xié)助或代替人類(lèi)從事不便、危險(xiǎn)或無(wú)法完成的任務(wù),這就決定了機(jī)器人遵從人的指令。因此機(jī)器人如何更有效的理解人類(lèi)的意圖,讓人類(lèi)更方便、有效的向機(jī)器人發(fā)號(hào)施令,將是未來(lái)很重要的一個(gè)研究方向。?

3.2 機(jī)器人整體模型?

??? 機(jī)器人實(shí)際上是仿生學(xué)的產(chǎn)物。作為一個(gè)參與群體活動(dòng)的個(gè)體,如何對(duì)其能力進(jìn)行刻畫(huà),也就是如何對(duì)機(jī)器人進(jìn)行形式化描述,定義機(jī)器人整體模型,是評(píng)價(jià)和組成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的必要手段。?

3.3 機(jī)器人社會(huì)學(xué)?

??? 機(jī)器人根據(jù)作用的不同存在很多不同的種類(lèi),就典型的軍用機(jī)器人來(lái)說(shuō),可分為航天、航空、地面、水下等多種類(lèi)型。對(duì)于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng),未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)一定是立體化、全方位、人機(jī)混雜的形態(tài),因此,各類(lèi)具有自主能力的機(jī)器人群,在執(zhí)行任務(wù)時(shí)將會(huì)是一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)器人社會(huì)。在某些無(wú)人參與的場(chǎng)合,這些機(jī)器人群體的協(xié)同工作,實(shí)際上形成了一個(gè)短暫的社會(huì)活動(dòng)。如何使這個(gè)社會(huì)正常有序、經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)行,如何使不同類(lèi)型的機(jī)器人構(gòu)成合理的運(yùn)行組織,并如何使受到破壞的組織迅速恢復(fù),這將是機(jī)器人社會(huì)學(xué)研究的內(nèi)容。而對(duì)于人機(jī)混合活動(dòng)的人機(jī)社會(huì)學(xué)更是亟待深入研究發(fā)展的方向。?

3.4 機(jī)器人群體活動(dòng)的評(píng)價(jià)方法和準(zhǔn)則?

??? 在群體機(jī)器人系統(tǒng)中,最集中和關(guān)鍵的問(wèn)題表現(xiàn)在群體機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)和機(jī)制上。因此,如何定義和評(píng)價(jià)機(jī)器人群體的活動(dòng)和準(zhǔn)則,是群體機(jī)器人系統(tǒng)面臨和需要解決的首要問(wèn)題。?

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