基于群体智能的群体机器人研究

赵　建

摘 要：本文首先对群体机器人的发展状况进行了介绍以及群体智能理论进行了阐述，讨论了群体机器人技术中的群体通信、群体控制、系统冲突等主要研究内容，并对该领域内的几个应用进行了介绍，最后提出了未来几个群体机器人系统的应用方向。

关键词：群体机器人；群体智能；通信；控制；冲突

1 引言

近几十年来，机器人技术得到了迅猛的发展。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，并且对人类的社会产生深远的影响。从二十世纪八十年代开始，有许多学者致力于分布式结构的多机器人系统研究，如ACTRESS,CEBOT。但要求机器人个体具有复杂的通信和决策系统，这就使得机器人非常复杂，从而大大提高了制造难度和制造成本。将从生物群体所具有的群体智能的特性应用到多机器人系统的设计非常有意义。我国对群体机器人的研究起步较晚，中科院、上海交大、哈工大、东北大学已开发出各种形式的群体机器人，中科院沈阳自动化所以制造环境应用多机器人装配为背景，建立了一个多机器人协作装配系统 。

群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面:群体机器人更容易设计也可降低成本，可以分享讯息并提高效率，并可以增加系统的强健性和扩大整体系统的性能表现。例如当机器人遭受地形阻碍时，可以设计许多简单机器人在不同的分区工作，并妥善设计其工作分配和交接，即可免去设计繁复的障碍跨越机构，既增加设计的难度，也增加机器人的重量，衍生许多电源和驱动能力的问题，或是单一机器人以试误的方式去探索环境并跨越障碍，可以将这样试误过程的经验，分享给机器人伙伴，以节省其他机器人试误所需花费时间，人类文明的发展，即是这样通过资讯的分享和分工合作，把伟大的文明和科技水准创造出来。许多有社会结构的昆虫和动物，也是利用分工和分享的行为，来完成共同的目的，像是蚁群、蜂群、狼群、象群等，甚至可以牺牲个体的生存，来成就整体的目标或是群体的生存。

2 生物系统中群体智能的介绍

在自然界中，一些动物群体单个个体智能并不高，然而通过交互、协作表现出来复杂的群体行为。群体中没有统一的指挥，每个个体必须在环境中表现出自主性、反应性、学习性和自适应性等智能特性。如鱼群、大雁、蚂蚁等生物。鱼群中每个个体通过靠近、避免碰撞、对齐三条规则来实现群体有秩序的游动 。在的蚁群社会中,决策更多的是一种分布式的群体行为,而不是主从行为。生物学家格拉西(Grassé)通过观察白蚁的筑巢过程发现:激励白蚁产生建筑动作的原因不是来自于个体自身,而是来自于巢穴的结构。在筑巢过程中,虽然整个群体看起来非常有组织和协调,但是每一个个体只是各行其是,并不关心同伴的工作。格拉西将白蚁的这种由于工作环境的改变而激励个体行为的机制称为Stigmergy。

群体智能的思想是从群体性生物的群体行为出发来设计算法或分布式问题的求解过程。这些群体活动的动物或昆虫，它们的特点之一就是虽然不像人类有明确的指挥中心，但是它们运动起来劫可以步调一致，整齐划一如一个人一般。比如蝗虫群、蜂群，飞行、降落时彼此之间的距离非常近，但在高速的转向、起降中绝对不会发生碰撞。

3 群体机器人研究内容

所谓群体机器人技术，就是利用仿生学原理，模仿群体活动的动物或昆虫运动的特点，来制造可以运用于工程、医学以及军事领域的机器人。

群体机器人系统的主要研究内容为：群体机器人系统的通信，群体机器人系统的协作与控制，群体机器人系统冲突问题的解决。

群体机器人的通信问题是整个系统的关键。缺乏了彼此间的沟通和资讯传播，就无法实现所谓的群体效果。群体在完成某项任务时，个体必须掌握局部范围内环境信息以及其它个体的状态等信息，通过直接或间接的通信来了解感知范围内其它机器人的意图、目标和动作以及环境信息，然后通过协商机制协作完成复杂的任务。群体机器人系统通信包括显式和隐式通信两种方式。显式通信是通过特殊介质，直接高效地实现机器人间的通信，但在通信的实时性方面有一些要求，针对适用于多机器人系统分布式控制结构的特定环境的通信机制的研究是有重要意义。隐式通信是如同蚂蚁觅食一样，个体在所经过的路径上留下信息素，其它个体通过该个体留下的信息素快速的寻找食物源。机器人也可以在环境中留下特定的信息，通过传感器感知外界环境信息以及其它机器人留下的信息，机器人之间通过非直接交互来获取信息，但对复杂任务完成能力要差些，若能将两者很好的结合起来，则群体机器人系统将能灵活地应对各种动态的环境以实现对复杂问题的解决。

群体机器人的冲突包含，任务的冲突、路径的冲突和空间的冲突等，群体系统的冲突会造成系统的混乱，影响群体系统的效能，解决冲突除了要有妥善的控制机制和讯息沟通，还需要专属的解决策略。最直接的方式就是以集中控制的方式来解决，另外则是设计主从架构来施行控制。

4 群体机器人的应用

在一些人类难以到达的区域，群体机器人可以得到应用。例如矿难事故中的人员搜救、军事上应用、消防上用于代替消防人员灭火和营救受困人员和地震救援等。搜救任务是群体机器人系统应用比较多的一个领域，比如在事故比较频繁的煤矿事故搜救工作中，目前主要依靠专业和非专业救援队来搜救，在瓦斯浓度大或者有坍塌危险的环境中，救援人员和被救援人员随时都有生命危险，使得搜救的难度非常大，但是机器人可以胜任这些工作。但是用于矿井下探测和救护的群体机器人，目前由于制造成本以及技术水平，还难以投入使用，主要集中在试验研究中。美国加州大学的机器人辅助搜救系统曾经参与了灾难搜救工作，其中仍然需要工程师的干预和操作，没有实现完全自主。

军事上有波音公司研发出第一个运用群体仿生学技术的无人驾驶军用试验飞机。在该型试验机取得成功后，Atair的智慧降落伞又得到了美国陆军和特种部队的青睐，这种降落伞也成为美军第一种使用群算技术的先进装备。该型降落伞以5个一组，可以在极近的间距内一起投放，而互相不发生缠绕，为美军空降师和特种部队在狭小区域内投送大量兵力提供了可能。美军方还计划与Atair公司合作，进一步研制用于地面感测器、声纳系统，以及精确指导炸弹投放等领域的系统。而Atair公司的总裁普雷斯顿则表示，这项技术还可应用于固定翼的无人侦察机。

消防机器人在应用层面可以区分为以下几种： 遥控消防机器人-当消防人员难以接近火场，或是有爆炸危险时，可以使用这类型的消防机器人，可以是履带车或是轮型车拖行消防水管，接近火源时喷出大量的水和灭火泡沫，以达到灭火的效果。消防侦察机器人——可以巡逻，以感测装置察觉火灾的发生，可通知消防人员前往灭火，并且可以使用机器人所附加之灭火设备先行灭火。攀登营救机器人——主要在大楼或险峻环境执行任务，可以攀爬大楼墙面并自由移动，可执行灭火行动或是营救受困的灾民。救护机器人-在火场中营救受困的灾民，除了有感测器以收集环境资讯之外，尚具备机器手臂，可以将受伤昏迷的灾民抬移到机器人上的救护平台，以免继续遭受火灾现场之灾害侵扰，并施与新鲜空气，以保持灾民的健康状态。

5 总结与展望

随着全世界科学技术的发展，群体机器人系统应用逐渐推广到工业、军事、医学等各个领域。群体机器人的出现，使得人类在没有任何危险的状况下，顺利的完成以前艰苦或者危险领域的作业。未来战争中会出现的群体无人战斗机相互配合完成作战任务，以及携带炸弹或侦察设备的机械蟑螂、机械蜜蜂也将出现在战场之上，力求最大限度的减少人员伤亡。可以展望不久的将来群体机器人系统的应用对社会产生巨大的影响，改变人类的生活方式。目前，群体机器人系统的研究还集中于理论研究，只有极少数转化为实际应用，作为一个全新的领域，如何将理论应用于实际，还富有很大的挑战性。

参考文献

[1]刘柞时,张海英,林桂娟.群体机器人研究的现状和发展.RTA,2004(1),38-41.

[2]赵建,曾建潮.鱼群集群行为的建模与仿真.太原科技大学学[J].2009(1),31-35.

作者简介：赵建,男 （1978-）,助教,研究方向：群体智能，现就职于太原科技大学计算机科学与技术学院。