群體機(jī)器人研究論文

導(dǎo)語：群體機(jī)器人研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著機(jī)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)的研究越來越受到更多學(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，并對該領(lǐng)域內(nèi)的主要研究內(nèi)容作了簡單的分析和介紹，提出了未來群體機(jī)器人系統(tǒng)的幾個重要研究方向。

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，而且將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著社會生產(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機(jī)器人組成的群體系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)、協(xié)作來完成單機(jī)器人無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)在以下幾個方面：

·相互協(xié)調(diào)的n個機(jī)器人系統(tǒng)的能力可以遠(yuǎn)大于一個單機(jī)器人系統(tǒng)的n倍，群體機(jī)器人系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)；

·設(shè)計和制造多個簡單機(jī)器人比單個復(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。

此外因為群體機(jī)器人系統(tǒng)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(dá)到以下目的：

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

·通過共享資源（信息、知識等）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，必將對機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶來劃時代的變革。

1群體機(jī)器人研究的主要內(nèi)容

群體機(jī)器人系統(tǒng)的主要研究內(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)。同構(gòu)系統(tǒng)就是系統(tǒng)中每個機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相同、功能相同；異構(gòu)系統(tǒng)中每個機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能不盡相同。對于同構(gòu)群體機(jī)器人系統(tǒng)研究的主要問題是設(shè)計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(gòu)系統(tǒng)還是異構(gòu)系統(tǒng)的研究對群體機(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)，由各個個體機(jī)器人組成一個群體系統(tǒng)，通信是必不可少的。

群體機(jī)器人系統(tǒng)在執(zhí)行某項任務(wù)時，為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)與合作，個體機(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，而且直接通信時發(fā)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(jī)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(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時性的基本要求，在實際應(yīng)用中根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和任務(wù)要求來選擇，目前群體機(jī)器人的通信還存在許多瓶頸問題，如機(jī)器人數(shù)目增加時，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)作與控制問題屬于群體機(jī)器人系統(tǒng)中的高級控制任務(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)器人個體按照一定關(guān)系聯(lián)系起來，并具有自我調(diào)整的功能，系統(tǒng)中機(jī)器人個體和機(jī)器人群體都要協(xié)作動作，以實現(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)研究對象包括機(jī)器人個體、機(jī)器人群體兩個層次，即機(jī)器人個體行為和機(jī)器人群體行為。機(jī)器人個體行為主要包括機(jī)器人個體對環(huán)境的感知、學(xué)習(xí)、響應(yīng)以及自適應(yīng)動作的協(xié)調(diào)。機(jī)器人個體控制系統(tǒng)是實現(xiàn)個體行為的基礎(chǔ)，機(jī)器人個體控制系統(tǒng)要求能使個體表現(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(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。集中式控制由一個機(jī)器人或者PC機(jī)對任務(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)分配是通過機(jī)器人之間的交互來實現(xiàn)的，每個機(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）基于信息資源庫共享；

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

（3）基于資源競爭規(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)是解決死鎖問題；

（4）基于任務(wù)與能量最佳匹配原則的動態(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)中還有一個很重要的問題就是系統(tǒng)中沖突問題的解決。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，每個機(jī)器人都把其他機(jī)器人當(dāng)作障礙物來處理，并通過傳感器探測障礙物的有無。同時機(jī)器人也根據(jù)定期接收到的信息來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(jī)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(jī)器人中有一個作為主控，指揮別的機(jī)器人以解決沖突問題。

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

2國內(nèi)外群體機(jī)器人研究現(xiàn)狀

經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究已在理論和實踐方面取得很大的進(jìn)展，并建立了多機(jī)器人仿真系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)。目前，國內(nèi)關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究剛剛起步，而國外的研究則比較活躍。歐盟專門設(shè)立了一個進(jìn)行多機(jī)器人系統(tǒng)研究的MARTHA課題——“用于搬運的多自主機(jī)器人系統(tǒng)（multipleautonomousrobotssystemfortransportandhandingapplication）″。日本對群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究開展得比較早，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等人提出的通過設(shè)計底層的通訊結(jié)構(gòu)而把機(jī)器人、周邊設(shè)備和計算機(jī)等連接起來的自治多機(jī)器人智能系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)的單個動作和合作動作的并存。日本名古屋大學(xué)的Fukuda教授提出的CEBOT系統(tǒng)，每個機(jī)器人可以自主地運動，沒有全局的世界模型，整個系統(tǒng)沒有集中控制，可以根據(jù)任務(wù)和環(huán)境動態(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)，其主要特點是機(jī)器人本身被認(rèn)為無智能，它們在組成系統(tǒng)后，將表現(xiàn)出群體的智能。在國內(nèi)已開發(fā)出在車輛擁擠時自行移動的全方位移動結(jié)構(gòu)，還開發(fā)了使用帶有桶型自由輥的車輪，用3個傳動裝置驅(qū)動可自由地前后左右移動或旋轉(zhuǎn)的遞補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

我國群體機(jī)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(xué)，中國科學(xué)院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所，東北大學(xué)等已先后開發(fā)出各種形式的群體機(jī)器人系統(tǒng)。

總體上說，國內(nèi)外對群體機(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(jī)器人個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)、描述問題，分解和分配任務(wù)；

（3）如何保證機(jī)器人在行動中的行為協(xié)調(diào)一致；

（4）機(jī)器人彼此之間如何識別和解決沖突。

3群體機(jī)器人系統(tǒng)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(jī)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(fù)雜系統(tǒng)，已能實實在在地體現(xiàn)人類的智慧和人類社會的形態(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)助或代替人類從事不便、危險或無法完成的任務(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的意圖，讓人類更方便、有效的向機(jī)器人發(fā)號施令，將是未來很重要的一個研究方向。

3．2機(jī)器人整體模型

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

3．3機(jī)器人社會學(xué)

機(jī)器人根據(jù)作用的不同存在很多不同的種類，就典型的軍用機(jī)器人來說，可分為航天、航空、地面、水下等多種類型。對于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，未來的戰(zhàn)場一定是立體化、全方位、人機(jī)混雜的形態(tài)，因此，各類具有自主能力的機(jī)器人群，在執(zhí)行任務(wù)時將會是一個較為復(fù)雜的機(jī)器人社會。在某些無人參與的場合，這些機(jī)器人群體的協(xié)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(jīng)濟(jì)有效的運行，如何使不同類型的機(jī)器人構(gòu)成合理的運行組織，并如何使受到破壞的組織迅速恢復(fù)，這將是機(jī)器人社會學(xué)研究的內(nèi)容。而對于人機(jī)混合活動的人機(jī)社會學(xué)更是亟待深入研究發(fā)展的方向。

3．4機(jī)器人群體活動的評價方法和準(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，如何定義和評價機(jī)器人群體的活動和準(zhǔn)則，是群體機(jī)器人系統(tǒng)面臨和需要解決的首要問題。