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群體機器人研究的現(xiàn)狀和發(fā)展
摘要：隨著機器人的應(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，提出了未來群體機器人系統(tǒng)的幾個重要研究方向。關(guān)鍵詞：群體機器人系統(tǒng) 通信 協(xié)作與控制 沖突
機器人作為人類２０世紀最偉大的發(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。機器人技術(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)生深遠的影響。隨著社會生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。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，機器人可謂是無處不在。然而就目前的機器人技術(shù)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(fù)雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)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(tǒng)通過協(xié)調(diào)、協(xié)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(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
·相互協(xié)調(diào)的ｎ個機器人系統(tǒng)的能力可以遠大于一個單機器人系統(tǒng)的ｎ倍，群體機器人系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)；
·設(shè)計和制造多個簡單機器人比單個復(fù)雜機器人更容易、成本更低；
·使用群體機器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間，提高效率；
·群體機器人系統(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到以下目的：
·通過群體機器人系統(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）彌補單機器人能力的不足，擴大完成任務(wù)的能力范圍；
·利用系統(tǒng)內(nèi)機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，進行群體機器人系統(tǒng)的研究是機器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，必將對機器人技術(shù)的發(fā)展帶來劃時代的變革。
１ 群體機器人研究的主要內(nèi)容
群體機器人系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容為：群體機器人系統(tǒng)的通信，群體機器人系統(tǒng)的協(xié)作與控制，群體機器人系統(tǒng)沖突問題的解決。
根據(jù)系統(tǒng)中機器人功能結(jié)構(gòu)的不同，可將群體機器人系統(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)中每個機器人的結(jié)構(gòu)相同、功能相同；異構(gòu)系統(tǒng)中每個機器人的結(jié)構(gòu)和功能不盡相同。對于同構(gòu)群體機器人系統(tǒng)研究的主要問題是設(shè)計正確的控制方案和通信機制，使之能正確完成給定的任務(wù)；而對于異構(gòu)群體機器人系統(tǒng)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(gòu)系統(tǒng)還是異構(gòu)系統(tǒng)的研究對群體機器人系統(tǒng)的研究都起著重要作用，下面以同構(gòu)系統(tǒng)為主來討論群體機器人的研究。
１．１ 群體機器人系統(tǒng)的通信
群體機器人系統(tǒng)的通信是研究群體機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由各個個體機器人組成一個群體系統(tǒng)，通信是必不可少的。
群體機器人系統(tǒng)在執(zhí)行某項任務(wù)時，為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)與合作，個體機器人的傳感器必須提供足夠的環(huán)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(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)機器人的結(jié)構(gòu)和任務(wù)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(shù)目增加時，通信速度和效率將下降。
１．２ 群體機器人系統(tǒng)的協(xié)作與控制
機器人之間的協(xié)作與控制問題屬于群體機器人系統(tǒng)中的高級控制任務(wù)，是研究群體機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
機器人群體系統(tǒng)是由機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)中機器人個體和機器人群體都要協(xié)作動作，以實現(xiàn)機器人群體的功能。借鑒組織行為學(xué)的理論，群體機器人系統(tǒng)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(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)。機器人個體控制系統(tǒng)是實現(xiàn)個體行為的基礎(chǔ)，機器人個體控制系統(tǒng)要求能使個體表現(xiàn)出較強的協(xié)作性和自主性。協(xié)作性是指機器人能協(xié)調(diào)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(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器人的自主和協(xié)作之間的關(guān)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(jù)機器人群體結(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器人或者ＰＣ機對任務(wù)進行調(diào)協(xié)規(guī)劃并集中調(diào)度；分散式控制中任務(wù)分配是通過機器人之間的交互來實現(xiàn)的，每個機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。
為研究機器人群體的協(xié)作機制，以提高群體的協(xié)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(guī)則的調(diào)度機制：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 群體機器人系統(tǒng)沖突的解決
在群體機器人系統(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。群體機器人系統(tǒng)中的沖突很容易造成系統(tǒng)的混亂，嚴重影響了系統(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。在群體機器人系統(tǒng)中，每個機器人都把其他機器人當(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(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(tǒng)的研究除了上述幾個主要的方面外還有群體機器人系統(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)外群體機器人研究現(xiàn)狀
經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，群體機器人系統(tǒng)的研究已在理論和實踐方面取得很大的進展，并建立了多機器人仿真系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)。目前，國內(nèi)關(guān)于群體機器人系統(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)立了一個進行多機器人系統(tǒng)研究的ＭＡＲＴＨＡ課題——“用于搬運的多自主機器人系統(tǒng)（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｒｏｂｏｔｓ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｈａｎｄｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）″。日本對群體機器人系統(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)而把機器人、周邊設(shè)備和計算機等連接起來的自治多機器人智能系統(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)是有大量自治機器人組成的分布式系統(tǒng)，其主要特點是機器人本身被認為無智能，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)的遞補結(jié)構(gòu)。
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(xué)，中國科學(xué)院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所，東北大學(xué)等已先后開發(fā)出各種形式的群體機器人系統(tǒng)。
總體上說，國內(nèi)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(yè)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(wù)；
（３）如何保證機器人在行動中的行為協(xié)調(diào)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(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)造機器人的主要目的是利用機器人協(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(fā)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(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(tǒng)的必要手段。
３．３ 機器人社會學(xué)
機器人根據(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、人機混雜的形態(tài)，因此，各類具有自主能力的機器人群，在執(zhí)行任務(wù)時將會是一個較為復(fù)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(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)濟有效的運行，如何使不同類型的機器
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)，這將是機器人社會學(xué)研究的內(nèi)容。而對于人機混合活動的人機社會學(xué)更是亟待深入研究發(fā)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(tǒng)中，最集中和關(guān)鍵的問題表現(xiàn)在群體機器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)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(tǒng)面臨和需要解決的首要問題。
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