基于群體智能的群體機器人研究

趙　建

摘 要：本文首先對群體機器人的發展狀況進行了介紹以及群體智能理論進行了闡述，討論了群體機器人技術中的群體通信、群體控制、系統沖突等主要研究內容，并對該領域內的幾個應用進行了介紹，最后提出了未來幾個群體機器人系統的應用方向。

關鍵詞：群體機器人；群體智能；通信；控制；沖突

1 引言

近幾十年來，機器人技術得到了迅猛的發展。機器人技術的出現和發展，不但使傳統的工業生產面貌發生根本性變化，并且對人類的社會產生深遠的影響。從二十世紀八十年代開始，有許多學者致力于分布式結構的多機器人系統研究，如ACTRESS,CEBOT。但要求機器人個體具有復雜的通信和決策系統，這就使得機器人非常復雜，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用到多機器人系統的設計非常有意義。我國對群體機器人的研究起步較晚，中科院、上海交大、哈工大、東北大學已開發出各種形式的群體機器人，中科院沈陽自動化所以制造環境應用多機器人裝配為背景，建立了一個多機器人協作裝配系統 。

群體機器人系統比單機器人系統具有更強的優越性，主要表現在以下幾個方面:群體機器人更容易設計也可降低成本，可以分享訊息并提高效率，并可以增加系統的強健性和擴大整體系統的性能表現。例如當機器人遭受地形阻礙時，可以設計許多簡單機器人在不同的分區工作，并妥善設計其工作分配和交接，即可免去設計繁復的障礙跨越機構，既增加設計的難度，也增加機器人的重量，衍生許多電源和驅動能力的問題，或是單一機器人以試誤的方式去探索環境并跨越障礙，可以將這樣試誤過程的經驗，分享給機器人伙伴，以節省其他機器人試誤所需花費時間，人類文明的發展，即是這樣通過資訊的分享和分工合作，把偉大的文明和科技水準創造出來。許多有社會結構的昆蟲和動物，也是利用分工和分享的行為，來完成共同的目的，像是蟻群、蜂群、狼群、象群等，甚至可以犧牲個體的生存，來成就整體的目標或是群體的生存。

2 生物系統中群體智能的介紹

在自然界中，一些動物群體單個個體智能并不高，然而通過交互、協作表現出來復雜的群體行為。群體中沒有統一的指揮，每個個體必須在環境中表現出自主性、反應性、學習性和自適應性等智能特性。如魚群、大雁、螞蟻等生物。魚群中每個個體通過靠近、避免碰撞、對齊三條規則來實現群體有秩序的游動 。在的蟻群社會中,決策更多的是一種分布式的群體行為,而不是主從行為。生物學家格拉西(Grassé)通過觀察白蟻的筑巢過程發現:激勵白蟻產生建筑動作的原因不是來自于個體自身,而是來自于巢穴的結構。在筑巢過程中,雖然整個群體看起來非常有組織和協調,但是每一個個體只是各行其是,并不關心同伴的工作。格拉西將白蟻的這種由于工作環境的改變而激勵個體行為的機制稱為Stigmergy。

群體智能的思想是從群體性生物的群體行為出發來設計算法或分布式問題的求解過程。這些群體活動的動物或昆蟲，它們的特點之一就是雖然不像人類有明確的指揮中心，但是它們運動起來劫可以步調一致，整齊劃一如一個人一般。比如蝗蟲群、蜂群，飛行、降落時彼此之間的距離非常近，但在高速的轉向、起降中絕對不會發生碰撞。

3 群體機器人研究內容

所謂群體機器人技術，就是利用仿生學原理，模仿群體活動的動物或昆蟲運動的特點，來制造可以運用于工程、醫學以及軍事領域的機器人。

群體機器人系統的主要研究內容為：群體機器人系統的通信，群體機器人系統的協作與控制，群體機器人系統沖突問題的解決。

群體機器人的通信問題是整個系統的關鍵。缺乏了彼此間的溝通和資訊傳播，就無法實現所謂的群體效果。群體在完成某項任務時，個體必須掌握局部范圍內環境信息以及其它個體的狀態等信息，通過直接或間接的通信來了解感知范圍內其它機器人的意圖、目標和動作以及環境信息，然后通過協商機制協作完成復雜的任務。群體機器人系統通信包括顯式和隱式通信兩種方式。顯式通信是通過特殊介質，直接高效地實現機器人間的通信，但在通信的實時性方面有一些要求，針對適用于多機器人系統分布式控制結構的特定環境的通信機制的研究是有重要意義。隱式通信是如同螞蟻覓食一樣，個體在所經過的路徑上留下信息素，其它個體通過該個體留下的信息素快速的尋找食物源。機器人也可以在環境中留下特定的信息，通過傳感器感知外界環境信息以及其它機器人留下的信息，機器人之間通過非直接交互來獲取信息，但對復雜任務完成能力要差些，若能將兩者很好的結合起來，則群體機器人系統將能靈活地應對各種動態的環境以實現對復雜問題的解決。

群體機器人的沖突包含，任務的沖突、路徑的沖突和空間的沖突等，群體系統的沖突會造成系統的混亂，影響群體系統的效能，解決沖突除了要有妥善的控制機制和訊息溝通，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解決，另外則是設計主從架構來施行控制。

4 群體機器人的應用

在一些人類難以到達的區域，群體機器人可以得到應用。例如礦難事故中的人員搜救、軍事上應用、消防上用于代替消防人員滅火和營救受困人員和地震救援等。搜救任務是群體機器人系統應用比較多的一個領域，比如在事故比較頻繁的煤礦事故搜救工作中，目前主要依靠專業和非專業救援隊來搜救，在瓦斯濃度大或者有坍塌危險的環境中，救援人員和被救援人員隨時都有生命危險，使得搜救的難度非常大，但是機器人可以勝任這些工作。但是用于礦井下探測和救護的群體機器人，目前由于制造成本以及技術水平，還難以投入使用，主要集中在試驗研究中。美國加州大學的機器人輔助搜救系統曾經參與了災難搜救工作，其中仍然需要工程師的干預和操作，沒有實現完全自主。

軍事上有波音公司研發出第一個運用群體仿生學技術的無人駕駛軍用試驗飛機。在該型試驗機取得成功后，Atair的智慧降落傘又得到了美國陸軍和特種部隊的青睞，這種降落傘也成為美軍第一種使用群算技術的先進裝備。該型降落傘以5個一組，可以在極近的間距內一起投放，而互相不發生纏繞，為美軍空降師和特種部隊在狹小區域內投送大量兵力提供了可能。美軍方還計劃與Atair公司合作，進一步研制用于地面感測器、聲納系統，以及精確指導炸彈投放等領域的系統。而Atair公司的總裁普雷斯頓則表示，這項技術還可應用于固定翼的無人偵察機。

消防機器人在應用層面可以區分為以下幾種： 遙控消防機器人-當消防人員難以接近火場，或是有爆炸危險時，可以使用這類型的消防機器人，可以是履帶車或是輪型車拖行消防水管，接近火源時噴出大量的水和滅火泡沫，以達到滅火的效果。消防偵察機器人——可以巡邏，以感測裝置察覺火災的發生，可通知消防人員前往滅火，并且可以使用機器人所附加之滅火設備先行滅火。攀登營救機器人——主要在大樓或險峻環境執行任務，可以攀爬大樓墻面并自由移動，可執行滅火行動或是營救受困的災民。救護機器人-在火場中營救受困的災民，除了有感測器以收集環境資訊之外，尚具備機器手臂，可以將受傷昏迷的災民抬移到機器人上的救護平臺，以免繼續遭受火災現場之災害侵擾，并施與新鮮空氣，以保持災民的健康狀態。

5 總結與展望

隨著全世界科學技術的發展，群體機器人系統應用逐漸推廣到工業、軍事、醫學等各個領域。群體機器人的出現，使得人類在沒有任何危險的狀況下，順利的完成以前艱苦或者危險領域的作業。未來戰爭中會出現的群體無人戰斗機相互配合完成作戰任務，以及攜帶炸彈或偵察設備的機械蟑螂、機械蜜蜂也將出現在戰場之上，力求最大限度的減少人員傷亡。可以展望不久的將來群體機器人系統的應用對社會產生巨大的影響，改變人類的生活方式。目前，群體機器人系統的研究還集中于理論研究，只有極少數轉化為實際應用，作為一個全新的領域，如何將理論應用于實際，還富有很大的挑戰性。

參考文獻

[1]劉柞時,張海英,林桂娟.群體機器人研究的現狀和發展.RTA,2004(1),38-41.

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

作者簡介：趙建,男 （1978-）,助教,研究方向：群體智能，現就職于太原科技大學計算機科學與技術學院。