群體機(jī)器人研究的現(xiàn)狀和發(fā)展
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(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。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(xiàn)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)。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(xiàn)，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(lài)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)
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