基于群體智能的群體機(jī)器人研究

趙　建

摘 要：本文首先對(duì)群體機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹以及群體智能理論進(jìn)行了闡述，討論了群體機(jī)器人技術(shù)中的群體通信、群體控制、系統(tǒng)沖突等主要研究?jī)?nèi)容，并對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的幾個(gè)應(yīng)用進(jìn)行了介紹，最后提出了未來(lái)幾個(gè)群體機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：群體機(jī)器人；群體智能；通信；控制；沖突

1 引言

近幾十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。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，并且對(duì)人類的社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，有許多學(xué)者致力于分布式結(jié)構(gòu)的多機(jī)器人系統(tǒng)研究，如ACTRESS,CEBOT。但要求機(jī)器人個(gè)體具有復(fù)雜的通信和決策系統(tǒng)，這就使得機(jī)器人非常復(fù)雜，從而大大提高了制造難度和制造成本。將從生物群體所具有的群體智能的特性應(yīng)用到多機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常有意義。我國(guó)對(duì)群體機(jī)器人的研究起步較晚，中科院、上海交大、哈工大、東北大學(xué)已開(kāi)發(fā)出各種形式的群體機(jī)器人，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所以制造環(huán)境應(yīng)用多機(jī)器人裝配為背景，建立了一個(gè)多機(jī)器人協(xié)作裝配系統(tǒng) 。

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:群體機(jī)器人更容易設(shè)計(jì)也可降低成本，可以分享訊息并提高效率，并可以增加系統(tǒng)的強(qiáng)健性和擴(kuò)大整體系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。例如當(dāng)機(jī)器人遭受地形阻礙時(shí)，可以設(shè)計(jì)許多簡(jiǎn)單機(jī)器人在不同的分區(qū)工作，并妥善設(shè)計(jì)其工作分配和交接，即可免去設(shè)計(jì)繁復(fù)的障礙跨越機(jī)構(gòu)，既增加設(shè)計(jì)的難度，也增加機(jī)器人的重量，衍生許多電源和驅(qū)動(dòng)能力的問(wèn)題，或是單一機(jī)器人以試誤的方式去探索環(huán)境并跨越障礙，可以將這樣試誤過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)，分享給機(jī)器人伙伴，以節(jié)省其他機(jī)器人試誤所需花費(fèi)時(shí)間，人類文明的發(fā)展，即是這樣通過(guò)資訊的分享和分工合作，把偉大的文明和科技水準(zhǔn)創(chuàng)造出來(lái)。許多有社會(huì)結(jié)構(gòu)的昆蟲(chóng)和動(dòng)物，也是利用分工和分享的行為，來(lái)完成共同的目的，像是蟻群、蜂群、狼群、象群等，甚至可以犧牲個(gè)體的生存，來(lái)成就整體的目標(biāo)或是群體的生存。

2 生物系統(tǒng)中群體智能的介紹

在自然界中，一些動(dòng)物群體單個(gè)個(gè)體智能并不高，然而通過(guò)交互、協(xié)作表現(xiàn)出來(lái)復(fù)雜的群體行為。群體中沒(méi)有統(tǒng)一的指揮，每個(gè)個(gè)體必須在環(huán)境中表現(xiàn)出自主性、反應(yīng)性、學(xué)習(xí)性和自適應(yīng)性等智能特性。如魚(yú)群、大雁、螞蟻等生物。魚(yú)群中每個(gè)個(gè)體通過(guò)靠近、避免碰撞、對(duì)齊三條規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)群體有秩序的游動(dòng) 。在的蟻群社會(huì)中,決策更多的是一種分布式的群體行為,而不是主從行為。生物學(xué)家格拉西(Grassé)通過(guò)觀察白蟻的筑巢過(guò)程發(fā)現(xiàn):激勵(lì)白蟻產(chǎn)生建筑動(dòng)作的原因不是來(lái)自于個(gè)體自身,而是來(lái)自于巢穴的結(jié)構(gòu)。在筑巢過(guò)程中,雖然整個(gè)群體看起來(lái)非常有組織和協(xié)調(diào),但是每一個(gè)個(gè)體只是各行其是,并不關(guān)心同伴的工作。格拉西將白蟻的這種由于工作環(huán)境的改變而激勵(lì)個(gè)體行為的機(jī)制稱為Stigmergy。

群體智能的思想是從群體性生物的群體行為出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)算法或分布式問(wèn)題的求解過(guò)程。這些群體活動(dòng)的動(dòng)物或昆蟲(chóng)，它們的特點(diǎn)之一就是雖然不像人類有明確的指揮中心，但是它們運(yùn)動(dòng)起來(lái)劫可以步調(diào)一致，整齊劃一如一個(gè)人一般。比如蝗蟲(chóng)群、蜂群，飛行、降落時(shí)彼此之間的距離非常近，但在高速的轉(zhuǎn)向、起降中絕對(duì)不會(huì)發(fā)生碰撞。

3 群體機(jī)器人研究?jī)?nèi)容

所謂群體機(jī)器人技術(shù)，就是利用仿生學(xué)原理，模仿群體活動(dòng)的動(dòng)物或昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，來(lái)制造可以運(yùn)用于工程、醫(yī)學(xué)以及軍事領(lǐng)域的機(jī)器人。

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。

群體機(jī)器人的通信問(wèn)題是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。缺乏了彼此間的溝通和資訊傳播，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)所謂的群體效果。群體在完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，個(gè)體必須掌握局部范圍內(nèi)環(huán)境信息以及其它個(gè)體的狀態(tài)等信息，通過(guò)直接或間接的通信來(lái)了解感知范圍內(nèi)其它機(jī)器人的意圖、目標(biāo)和動(dòng)作以及環(huán)境信息，然后通過(guò)協(xié)商機(jī)制協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)。群體機(jī)器人系統(tǒng)通信包括顯式和隱式通信兩種方式。顯式通信是通過(guò)特殊介質(zhì)，直接高效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人間的通信，但在通信的實(shí)時(shí)性方面有一些要求，針對(duì)適用于多機(jī)器人系統(tǒng)分布式控制結(jié)構(gòu)的特定環(huán)境的通信機(jī)制的研究是有重要意義。隱式通信是如同螞蟻覓食一樣，個(gè)體在所經(jīng)過(guò)的路徑上留下信息素，其它個(gè)體通過(guò)該個(gè)體留下的信息素快速的尋找食物源。機(jī)器人也可以在環(huán)境中留下特定的信息，通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境信息以及其它機(jī)器人留下的信息，機(jī)器人之間通過(guò)非直接交互來(lái)獲取信息，但對(duì)復(fù)雜任務(wù)完成能力要差些，若能將兩者很好的結(jié)合起來(lái)，則群體機(jī)器人系統(tǒng)將能靈活地應(yīng)對(duì)各種動(dòng)態(tài)的環(huán)境以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決。

群體機(jī)器人的沖突包含，任務(wù)的沖突、路徑的沖突和空間的沖突等，群體系統(tǒng)的沖突會(huì)造成系統(tǒng)的混亂，影響群體系統(tǒng)的效能，解決沖突除了要有妥善的控制機(jī)制和訊息溝通，還需要專屬的解決策略。最直接的方式就是以集中控制的方式來(lái)解決，另外則是設(shè)計(jì)主從架構(gòu)來(lái)施行控制。

4 群體機(jī)器人的應(yīng)用

在一些人類難以到達(dá)的區(qū)域，群體機(jī)器人可以得到應(yīng)用。例如礦難事故中的人員搜救、軍事上應(yīng)用、消防上用于代替消防人員滅火和營(yíng)救受困人員和地震救援等。搜救任務(wù)是群體機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用比較多的一個(gè)領(lǐng)域，比如在事故比較頻繁的煤礦事故搜救工作中，目前主要依靠專業(yè)和非專業(yè)救援隊(duì)來(lái)搜救，在瓦斯?jié)舛却蠡蛘哂刑ｋU(xiǎn)的環(huán)境中，救援人員和被救援人員隨時(shí)都有生命危險(xiǎn)，使得搜救的難度非常大，但是機(jī)器人可以勝任這些工作。但是用于礦井下探測(cè)和救護(hù)的群體機(jī)器人，目前由于制造成本以及技術(shù)水平，還難以投入使用，主要集中在試驗(yàn)研究中。美國(guó)加州大學(xué)的機(jī)器人輔助搜救系統(tǒng)曾經(jīng)參與了災(zāi)難搜救工作，其中仍然需要工程師的干預(yù)和操作，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全自主。

軍事上有波音公司研發(fā)出第一個(gè)運(yùn)用群體仿生學(xué)技術(shù)的無(wú)人駕駛軍用試驗(yàn)飛機(jī)。在該型試驗(yàn)機(jī)取得成功后，Atair的智慧降落傘又得到了美國(guó)陸軍和特種部隊(duì)的青睞，這種降落傘也成為美軍第一種使用群算技術(shù)的先進(jìn)裝備。該型降落傘以5個(gè)一組，可以在極近的間距內(nèi)一起投放，而互相不發(fā)生纏繞，為美軍空降師和特種部隊(duì)在狹小區(qū)域內(nèi)投送大量兵力提供了可能。美軍方還計(jì)劃與Atair公司合作，進(jìn)一步研制用于地面感測(cè)器、聲納系統(tǒng)，以及精確指導(dǎo)炸彈投放等領(lǐng)域的系統(tǒng)。而Atair公司的總裁普雷斯頓則表示，這項(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于固定翼的無(wú)人偵察機(jī)。

消防機(jī)器人在應(yīng)用層面可以區(qū)分為以下幾種： 遙控消防機(jī)器人-當(dāng)消防人員難以接近火場(chǎng)，或是有爆炸危險(xiǎn)時(shí)，可以使用這類型的消防機(jī)器人，可以是履帶車或是輪型車拖行消防水管，接近火源時(shí)噴出大量的水和滅火泡沫，以達(dá)到滅火的效果。消防偵察機(jī)器人——可以巡邏，以感測(cè)裝置察覺(jué)火災(zāi)的發(fā)生，可通知消防人員前往滅火，并且可以使用機(jī)器人所附加之滅火設(shè)備先行滅火。攀登營(yíng)救機(jī)器人——主要在大樓或險(xiǎn)峻環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，可以攀爬大樓墻面并自由移動(dòng)，可執(zhí)行滅火行動(dòng)或是營(yíng)救受困的災(zāi)民。救護(hù)機(jī)器人-在火場(chǎng)中營(yíng)救受困的災(zāi)民，除了有感測(cè)器以收集環(huán)境資訊之外，尚具備機(jī)器手臂，可以將受傷昏迷的災(zāi)民抬移到機(jī)器人上的救護(hù)平臺(tái)，以免繼續(xù)遭受火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之災(zāi)害侵?jǐn)_，并施與新鮮空氣，以保持災(zāi)民的健康狀態(tài)。

5 總結(jié)與展望

隨著全世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，群體機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用逐漸推廣到工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。群體機(jī)器人的出現(xiàn)，使得人類在沒(méi)有任何危險(xiǎn)的狀況下，順利的完成以前艱苦或者危險(xiǎn)領(lǐng)域的作業(yè)。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中會(huì)出現(xiàn)的群體無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)相互配合完成作戰(zhàn)任務(wù)，以及攜帶炸彈或偵察設(shè)備的機(jī)械蟑螂、機(jī)械蜜蜂也將出現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)之上，力求最大限度的減少人員傷亡?？梢哉雇痪玫膶?lái)群體機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，改變?nèi)祟惖纳罘绞健Ｄ壳?，群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究還集中于理論研究，只有極少數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，作為一個(gè)全新的領(lǐng)域，如何將理論應(yīng)用于實(shí)際，還富有很大的挑戰(zhàn)性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉柞時(shí),張海英,林桂娟.群體機(jī)器人研究的現(xiàn)狀和發(fā)展.RTA,2004(1),38-41.

[2]趙建,曾建潮.魚(yú)群集群行為的建模與仿真.太原科技大學(xué)學(xué)[J].2009(1),31-35.

作者簡(jiǎn)介：趙建,男 （1978-）,助教,研究方向：群體智能，現(xiàn)就職于太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。