一个多智能体机器人协作装配系统

一个多智能体机器人协作装配系统①

(1997年11月3日收到,1998年1月9日修回)

王越超②　谈大龙　黄　闪　栾　天　赵忆文

(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放实验室　沈阳110015)

摘 要

介绍了一个基于多智能体概念实现的多机器人协作装配系统——M RCA S(M u lti2 Robo t Coop erative A ss m b ly System)。该系统由组织级计算机、三台工业机器人和一台

全方位移动小车(ODV)组成,采用分层递阶体系结构。利用M RCA S系统进行了多机

器人协作装配的实验:在ODV装配平台上,四台机器人合作装配一个大型桁架式工件。

该工件具有多种装配构型,但任何一台机器人不能独立完成装配。

关键词:智能体、多机器人系统、装配

一、引 言

近年来,人们对机器人学领域中多机器人系统的研究极为关注,对这种系统所具有的适应性、柔性、可扩展性、可靠性等产生了浓厚的兴趣。多机器人系统在自动装配作业、危险环境下材料处理以及外层空间作业等有着广泛应用前景。多机器人系统研究主要有两个问题:多机器人协调和多机器人合作。协调是研究如何控制多个机器人的运动和谐一致;而合作是研究如何组织多个机器人共同完成一个任务,即给定处于某一环境中的一组机器人一个任务时,合作行为将如何产生。

目前,基于分布式人工智能(DA I)中多智能体系统概念研究机器人协作问题十分活跃。DA I 主要包括两个研究领域:分布式问题求解(D PS)和多智能体系统(M A S)。DA I理论与协作机器人学密切相关,许多研究者将M A S概念应用于多机器人系统,对多智能体机器人系统进行了研究[1-3]。多智能体机器人系统(M A R S)中的每个机器人具有自治和协作能力,自治是指每个智能体机器人具有自我控制与决策的能力,协作则是指能与其它机器人一起完成某个任务。为促进多机器人系统和机器人智能的研究,国际机器人界还组织了微机器人足球比赛[4],这对协作机器人学及相关技术的研究提出了新的挑战。

基于多智能体思想,我们在多年从事多机器人协调研究的基础上[5,6]实现了一个多机器人协作装配系统——M RCA S。这项研究的主要目的是实现一个能适应使命变化、可重构的多智能体机器人实验系统。本文介绍了M RCA S系统的体系结构,以及利用M RCA S系统的四台机器人合作装配大型桁架工件的实验。

二、M RCA S系统的体系结构

为实现多机器人协作系统,必须建立合适的体系结构。群体结构不仅提供了合作行为的基础,

①

863计划资助项目(8632512222203)。

②男,1960年生,研究生,研究员;研究方向:机器人控制;联系人。

而且对系统的能力有重要影响。多机器人系统基本上有两种体系结构,一种是集中式的,另一种是分散式的。集中式体系结构的特征是系统中存在一个单一的控制智能体。与此相对的分散式体系结构,则没有这样的智能体。一般认为,分散式结构较之集中式结构有很多优点。但目前的技术条件常常限制了全分散式多机器人系统的实现,特别是使用商品化机器人系统时更是如此。因此,在建立M RCA S 系统时,我们将两种结构进行了结合,以分层递阶体系结构进行组织。图1是M RCA S 系统的结构图,它具有两层结构,顶层是合作组织级,下层是协调运动级。

图1　M RCA S 系统体系结构11硬件结构

M RCA S 的合作组织级由一个组织智能体——

HO ST 构成,其硬件是一台A cerPow er PT 100PC 机。该

机CPU 采用100兆奔腾芯片。

协调作业级由四台机器人组成:一台PUM A 562机

器人、一台PUM A 760机器人、一台A dep t I 机器人和一台全方位移动车(ODV )。底层的体系结构是一个分散式

结构,每个机器人由其自己的控制器控制。A dep t I 由V +系统控制,PUM A 562由VAL 2 系统控制,PUM A 760和ODV 分别由SVAL 系统控制。SVAL 系统是中国科学院机器人学实验室开发的[6]。五个智能体之间的相互通信采用串行通信方式,其中ODV 控制器与HO ST 和A dep t 通信是通过无线串口进行的。

21软件系统

对于具有两层的M RCA S 系统来说,HO ST 是一个中心智能体。它负责整个系统的任务组织、确定机器人间的合作关系以及进行任务的规划与调度等。基于W indow s 平台和C ++语言,开发了M RCA S 系统合作组织级的软件系统。该系统包括图形用户接口(GU I )、系统模型、装配序列规划器、作业规划器和任务监控器等模块。组织级软件系统结构如图2所示。

图2　合作组织级软件系统结构框图其中,图形用户接口GU I 在W indow s 环境下运

行,提供了以图形方式代替文字方式对装配任务进行

建模的手段。在屏幕上,操作者通过图形的拖放操作

可指定工件的最终装配构型。系统模型包括机器人能

力及状态模型、环境模型和装配规则等。装配序列规

划器用于自动产生装配顺序。值得指出的是,装配序列规划是面向被装配工件,而不是面向机器人的。因

此,规划是独立于机器人的。作业规划器根据机器人能力及状态模型将装配序列分解为一系列的命令代码,并将它们送往各个机器人。命令代码不是文本程序,而是一系列内部代码。这样,实现了任务级形式描述的装配作业。通过任务监控器,HO ST 实施对装配过程的实时监控,并以图形和文本两种方式显示每个装配步骤的状态。如果发生异常,HO ST 能迅速停止装配,并检查装配能否继续进行。如果能进行,HO ST 将重新规划后续的装配序列,并再次启动装配过程。反之,HO ST 将在屏幕上显示故障原因。

协调运动级采用分散型的体系结构,每个机器人受自身控制器的控制。协调级的作业编程是面向内部命令代码的。系统工作时,各机器人接收来自顶层HO ST 的装配操作命令代码,然后将命令代码变换为自身语言形式的运动程序。装配操作是并行进行的。当某个机器人不能独立完成一个操作时,它将与其它机器人进行通信联系,请求帮助。如果有机器人响应请求,它们将协调运动。由于底层采用分散式体系结构,当系统中机器人数量发生变化时,系统的结构不受影响。此