多机器人系统的研究现状及发展

多机器人系统的研究现状及发展

摘要：随着机器人的应用方式正在由部件式单元应用向系统式应用方向发展, 提出了由多机器人构成的群体的控制问题。说明了多机器人系统的研究进展及现状，对该领域内目前研究内容作了分析和介绍，并且阐述了多机器系统未来的研究方向。

关键词：多机器人系统研究现状发展

正文：机器人技术的发展使机器人的能力不断提高, 机器人应用的领域和范围正不断扩展。从自动化工厂的装配工作到深海作业乃至核工业的故障处理、太空中操作任务等都迫切需要机器人进入角色。一方面, 由于任务的复杂性, 在单机器人难以完成任务时, 人们希望通过多机器人之间的协调与合作来完成。另一方面, 人们也希望通过多机器人间的协调与合作, 来提高机器人系统在作业过程中的效率, 进而当机器人工作环境发生变化或系统局部发生故障时, 多机器人之间仍可通过本身具有的协调与合作关系完成预定的任务。多机器人协调与合作作为一种新的机器人应用形式日益引起国内外学术界的兴趣与关注。

机器人群体协作系统的应用领域是很广阔的.具有潜在的巨大的技术市场.如(l)工业领域:未来自动化生产线中，机器人群体系统可以担负起人类的作用，如组织物料运输，生产加工和其它一些复杂的任务.在一些危险环境或恶劣环境中可以代替人类自主完成一些复杂作业。(2)医学领域:大量的微机器人进入场道、胃或血管等人体内狭窄部位进行校查、发现和修补病变;(3)军事领域:使用机器人群体进行侦察、巡逻，排雷等;(4)航天领域:利用机器人群体进行卫星和空间站的内外维护以及星球探索等。

经过二十几年的发展，多机器人系统的研究已在理论和实践方面取得很大进展，并建立了一些多机器人的仿真系统和实验系统.目前，国内的多机器人系统的研究刚刚起步.而国外的研究则比较活跃.欧盟设立专门进行多机器人系统研究的做RTHA课题—“用于搬运的多自主机器人系统(multipleautonomousrobotfortransportandhandlingapplieation)“。美国海军研究部和能源部也对多机器人系统的研究进行了资助。但从总体上讲，目前多机器人系统的研究还处于发展的初期阶段，离实用化还有很远的距离。

多机器人系统的主要研究内容。目前多机器人领域的研究内容主要有控制结构(或体系结构)，通信相冲突的解决等问题。其中，控制结构和通信问题屑于多机器人系统中的高级控制任务，而冲突的解决(包括防止死锁和避磁及路径规划等问题)则属于多机器人系统中的低级控制任务。下面我们将对这三方面的研究内容进行简要的介绍:

多机器人系统的控制结构。多机器人系统是由大量具有环境观察、任务规划和操作功能的智能机器人组成。随着科技的发展，这些智能机器人的智能、秉性和自主性变得越来越高。为了把这些智能机器人组织起来构成一个复杂系统，就需要一个控制结构。控制结构是描述为实现预定的行为必须如何把这些智能机器人连系到一起的，从而有效地完成某些任务。多智能体的控制结构可分为集中式和分散式，而分散式又分为分层式相分布式，分布式结构中所有的智能体相对于控制是平等的，分层式结构在局部则是集中的。普遍认为分散式结构比集中式结构在可靠性相鲁棒性方面具有较高的性能。控制结构的主要研究问题是设计出正确而合理的局部控制方案，以能够使多机器人系统能高效率地解决给定的问题。主要内容包括相应的任务选择(任务分配)、通信、冲突的解决等。经过十几年的

研究，科研工作者已经提出了一些控制结构方案，但是由于多种原因，大多数控制结构只适用于特定的系统，不具有推广和普及性，同时由于大多数研究者汉有考虑系统实际应用中的需要，因此控制结构缺乏实用性。一个通用性好的多机器人控制结构需要包括以下方面:

a)功如何在多机器人系统中用公式表示、描述、分解和分配问题;

b)如何使机器人进行通信和相互作用:

c)如何使机器人在行动中保持一致性;

d)如何使机器人意识到和解决彼此的冲突。

除了满足上述要求，开发一个多机器人控制结构的主要目标是使多机器人系统具有鲁棒性，可靠性和柔性。

多机器人系统在执行某项任务时，为了实现协调与合作，个体机器人的传感器必须提供足够的环境描述及其他机器人的信息。由于目前使用的各种传感器还不能达到这个要求，因此机器人之间或上层控制和下层合作之间的通信是必不可少的。机器人间的通信方式主要有两种，即直接通信和间接通信。直接通信要求发送和接收信息时能保持一致性，因此在机器人之间就需要一种通信协议。直接通信的最重要特征是通信时发送者和接收者同时“在线上”，而间接通信不需要发送和接收信息之间保持一致性。例如，广播是一种间接通信方式，它不要求一定有接收者，也没有必要保证信息正确地传送到其他机器人，换句话说，发送的信息有可能被忽略，广播通信的重点在发送者。观察是另一种间接通信方式，它的重点在接收者(观察者)。尽管不是有意识地交换信息，但是无论信息是通过何种方式获得的，间接通信总是起作用。一般来讲，直接通信存在于有智能的机器人之间，而间接通信存在的范围就比较广，可存在于个体和个体通信，个体和群体通信，个体和环境通信等。目前，移动机器人系统的通信主要采取直接通信与广播相结合的混合方式。通常个体机器人与主控机器人(或控制中心)的信息交互(主要是工作信息和任务分配)通过直接通信实现，这样减少了其余机器人的网络负载:而主控机器人通常将机器人群中各机器人的当前位置和状态以广播形式发出，供个体机器人参考，简化了发送方的工作。由于工业机器人一般位置固定，因此系统中多采取直接通信的方式，通过以太网(Ethemet)等通信网将多台工业机器人连接在一起，根据某种协议进行有线通信。选择通信方式的基本要求是保证通信的有效性和实时性。但由于目前通信还存在许多瓶颈问题，如负载量大则通信速度下降等，在应用中直接通信过多会导致系统的动态性下降等。

在多机器人系统中还有一个很重要的问题就是解决系统中的冲突。系统中冲突的形式是多种多样的，主要有任务冲突、路径冲突和空间冲突等。多机器人系统中的冲突很容易造成系统的混乱，严重地影响系统的总体性能。解决冲突除了要有合理的控制结构和通信方式外，也需要相应的解决策略。在多机器人系统中，每个机器人都把其他机器人当成障碍物来处理，并通过传感器探测障碍物的有无。同时机器人也根据定期接收到的信息来处理传感器的不确定性，并区分机器人障碍物和非机器人障碍物，由此选择不同的处理方法。多机器人系统的冲突解决办法很多，最直接的方法是采用集中控制器来决定所有机器人的无冲突路径，但这种方法在实用性方面具有一定的缺陷。另一种方法就是冲突的机器人中有一个做主控，指挥其他机器人以解决冲突问题。另外有学者提出了基于交通规则的分散式方法，但它适应于结构化的网络环境。近来提出的分布式方法将工作空间分成由离散的空间资源表示的公路网，如通道、十字路口和单元等。机器人沿预定的路径前进并互相通信，采用互相排斥的方法共享资源和协调彼此的运动。