運(yùn)作協(xié)調(diào)的重要性

多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)是指在一個(gè)多機(jī)器人系統(tǒng)中，每一個(gè)機(jī)器人要采取行動(dòng)時(shí)，要考慮系統(tǒng)中其它機(jī)器人的行動(dòng)，以達(dá)到機(jī)器人間協(xié)調(diào)一致地高性能地完成任務(wù)。也就是說(shuō)，多機(jī)器人協(xié)調(diào)是指針對(duì)某一事件，各機(jī)器人采取的響應(yīng)行動(dòng)的同步化。要發(fā)揮多智能體系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵就是處理好智能體之間的協(xié)作問(wèn)題，先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)作機(jī)制能夠使智能體系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)大的任務(wù)處理能力。多機(jī)器人系統(tǒng)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)協(xié)作研究工作的目標(biāo)就是盡量發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，解決系統(tǒng)中存在的問(wèn)題或降低其不利影響，使系統(tǒng)能夠靈活、快速的響應(yīng)環(huán)境和任務(wù)的變化，從而在復(fù)雜的環(huán)境中高效、可靠地完成任務(wù)[11]。

多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)作為多機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是研究多機(jī)器人技術(shù)較為活躍的課題。多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)與合作將大大提高機(jī)器人行為的智能化程度，完成很多單機(jī)器人無(wú)法完成的工作，進(jìn)一步將人類從危險(xiǎn)和繁重的工作中解放出來(lái)。進(jìn)行多機(jī)器人協(xié)作任務(wù)的研究是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，必將對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展起著重要作用。

運(yùn)作協(xié)調(diào)過(guò)程由多個(gè)不同的階段組成，且不同階段的對(duì)通訊協(xié)商能力的要求各異。在考慮多個(gè)自主機(jī)器人的運(yùn)作協(xié)調(diào)時(shí)，一般將運(yùn)作協(xié)調(diào)劃分為五個(gè)階段：理解分析環(huán)境；運(yùn)動(dòng)避碰規(guī)劃；任務(wù)分配；協(xié)商與合作控制；任務(wù)執(zhí)行。運(yùn)作協(xié)調(diào)的五個(gè)階段未必是固定不變的，隨著對(duì)環(huán)境理解的深入，知識(shí)的增加，或意外事件的發(fā)生，機(jī)器人系統(tǒng)可能隨時(shí)調(diào)配其中的任一階段[12]。

對(duì)多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)的研究起源于80年代初期，正是由于運(yùn)作協(xié)調(diào)的不同階段構(gòu)成以及不同階段的對(duì)通訊協(xié)商能力的要求各異，加之近二十年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)問(wèn)題研究工作主要集中于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、載荷分配、運(yùn)動(dòng)分解及軌跡規(guī)劃、操作柔性體或大型物體等表面問(wèn)題，很少真正涉及運(yùn)作協(xié)調(diào)的各個(gè)階段的主要問(wèn)題。尤其是多機(jī)器人通信技術(shù)的限制，使多機(jī)器人系統(tǒng)通訊協(xié)商能力停滯不前，也就限制了多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)的發(fā)展。另外，多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)也是體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配和控制這一發(fā)展方向的分支。結(jié)合多機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)、通信技術(shù)等支持領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展前景，使得多機(jī)器人運(yùn)作協(xié)調(diào)技術(shù)還遠(yuǎn)沒(méi)有成熟。

生物靈感的起源

生物在經(jīng)過(guò)了千百年的進(jìn)化和長(zhǎng)期的自然選擇，已經(jīng)形成了從執(zhí)行方式、感知方式、控制方式，到信息處理方式、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性。正是在自然界生物的啟示下，多機(jī)器人系統(tǒng)的大部分現(xiàn)有的工作都是在模擬和利用生物系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。許多學(xué)者**對(duì)自然界生物行為的模擬來(lái)構(gòu)建機(jī)器入系統(tǒng)，并取得了很好的成績(jī)。這一方面**為普遍的應(yīng)用是將如魚群、蟻群、蜂群等一些生物社會(huì)中的協(xié)作策略應(yīng)用到多機(jī)器人系統(tǒng)中。在這一思想的基礎(chǔ)上，具有一定基本行為能力的多機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了諸如聚集、分散、搜索和跟蹤的能力?；谏锾匦缘亩鄼C(jī)器人系統(tǒng)，還被證實(shí)在考慮自身利益工作的時(shí)候能夠具有協(xié)作狀態(tài)的涌現(xiàn)性。除此之外，模擬高級(jí)動(dòng)物和人類行為的更為復(fù)雜的協(xié)作策略也被引入多機(jī)器人系統(tǒng)領(lǐng)域，如捕食者一逃跑者系統(tǒng)表現(xiàn)出了競(jìng)爭(zhēng)性協(xié)同行為。

隨著環(huán)境的未知性、動(dòng)態(tài)性，以及任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性的增加，新的需求對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求。在幾十億年的進(jìn)化過(guò)程中，自然界的生物體(包括人類)形成和發(fā)展的各種靈活的形態(tài)、動(dòng)作和生存模式，成為機(jī)器人發(fā)展的知識(shí)源泉。20世紀(jì)60年代誕生的仿生學(xué)，是生物科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科，生物系統(tǒng)精巧的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理和控制機(jī)制等，成為機(jī)器人模擬的對(duì)象。**學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)，創(chuàng)造出高性能的仿生機(jī)器人。仿生學(xué)在機(jī)器人科學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)提高機(jī)器人對(duì)非結(jié)構(gòu)化、未知變化的環(huán)境適應(yīng)性等能力做出了重大的貢獻(xiàn)。仿生機(jī)器人就是模擬自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。仿生機(jī)器人的類型很多，如仿人的機(jī)器人操作臂、多指靈巧手；仿人雙足步行機(jī)器人；蛇形機(jī)器人、水下魚形機(jī)器人；模仿昆蟲行進(jìn)方式的爬行機(jī)器人等。

仿生學(xué)在機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用，譬如：從運(yùn)動(dòng)學(xué)上進(jìn)行仿生的蛇形機(jī)器人、機(jī)器魚、直立行走機(jī)器人；從感知上進(jìn)行仿生的立體視覺(jué)、觸覺(jué)和紋理

傳感器；用電致聚合材料制成的人工肌肉；基于進(jìn)化算法的規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制器等。這些研究已經(jīng)處于起步階段并取得初步成果。但是從智能的角度來(lái)看，還有一種重要的仿生來(lái)自于動(dòng)物的行為以及群居性生物的群體智能。研究生物的個(gè)體行為以及群居性生物所表現(xiàn)出來(lái)的群體智能特性，并將這種發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到多機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是生物靈感的核心所在，但目前該項(xiàng)技術(shù)只是在討論和設(shè)計(jì)階段，并未在技術(shù)上取得進(jìn)展和突破。

在機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的行為一般可以分為兩類：一類是生存和運(yùn)動(dòng)所必須的基本行為，如：避障、跟隨、轉(zhuǎn)彎、漫游、返回等；另外一類是實(shí)現(xiàn)任務(wù)目的所需要的特殊行為，如：揀取和丟棄行為、推拉行為、信號(hào)釋放行為等。目前大部分研究都主要集中在基本行為，而特殊行為還存在許多技術(shù)問(wèn)題。但基本問(wèn)的解決不能體現(xiàn)生物靈感的優(yōu)勢(shì)所在，所以特殊行為的研究是未來(lái)努力的方向。對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)講，不可能全部也不能完全模仿生物的行為。如何選擇模仿生物行為，并對(duì)其進(jìn)行適合機(jī)器人系統(tǒng)的建模是一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容。根據(jù)生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)和多機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境的要求，**分析一些特殊生物體的個(gè)體行為和群體行為，建立適合群體機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人個(gè)體和群體的普適性行為模型，以及面向任務(wù)的機(jī)器人特定行為模型是生物靈感主要攻克的難關(guān)，而目前的模型研究只停留在仿真階段，加上邊緣學(xué)科的限制導(dǎo)致生物靈感不可能成為多機(jī)器人系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。

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