机器人向智能化的发展和多移动机器人协作系统

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1、二十周年纪念文集 而今迈步从头越，再铸辉煌！ 149专 论机器人向智能化的发展 和多移动机器人协作系统 （上海交通大学自动化研究所，上海 200030） 席裕庚，陈卫东 1 机器人向智能化的发展 在信息、生物和纳米技术被列为三大高科技的今天，智能机器人作为一种高科技竞争技术， 始终受到各国的高度重视和研究。虽然在上世纪 90 年代，随着工业机器人技术的成熟和市场需求的趋缓，人们对机器人技术的研究热情一度有所减退，但这不过是短暂的一瞬，并没有在本质上改变机器人研究领域的勃勃生机。机器人是多学科交叉的产物，集成了运动学与动力学、机械设计与制造、计算机硬件与软件、控制与传感器、模式识别与人工智能等学

2、科领域的先进理论与技术。同时，它又是一类典型的自动化机器，是专用自动机器、数控机器的延伸与发展。在本世纪，机器人将向智能化方向发展，在自动化领域中的作用和地位将进一步提高，这从下面几点可 收稿日期：20030804 作者简介：席裕庚（1946） ，男，上海交通大学教授、所长。第七届中国 自动化学会副理事长，上海市自动化学会理事长，亚洲控制教授协会 （ACPA）主席，第九届全国政协委员。研究方向为控制理论及应用，在 预测控制、 大系统理论及智能机器人控制方向从事基础性研究，出版教材、 专著 4 本，主编国内外会议论文集 3本，发表论文 200 余篇，获国家教委、 上海市、国防科技进步奖 7项，国

3、家优秀教材奖2 项，全国优秀科技图书 奖 1 项，并授予国家有突出贡献中青年专家，全国优秀教师，上海市科技 精英，高教精英，全国优秀科技工作者等荣誉表彰。 以看出： 1.1 自动化应用领域的扩展对智能机器人及系统提出了新的需求 随着社会进步的步伐日益加快，对自动化的需求正在从制造业向工程、社会、生活等广泛领域扩展。原来在工厂结构化环境下工作的自动机器或工业机器人，适合于大规模、较少柔性和变动的生产环境，对智能程度并无过高要求，而在广泛领域内所需要的自动机器，则要满足不同的非结构环境下的不同需求，必须具有综合集成和自主的能力，向以技术集成为特征的智能机器人发展。 1.2 信息技术与机器人的互动发

4、展提升了机器人的高技术含量 信息技术需要载体，用信息化改造传统工业和各行各业，最后都要落实到用自动机器去完成信息的物化， 机器人就是其载体之一。而另一方面，信息技术的发展，特别是高性能计算机、通讯网络和电子器件、模式识别和信号处理、软件等技术的 进 展 ， 又 可 促 进 机 器 人 本 身 “ 智 力 ” 和 “ 体 质 ” 型化将有新的突破。 战斗化 无人作战系统已经脱离了侦察、运输等作战保障的概念，战斗化已成必然的趋势。战斗化将是无人作战系统发展的最终目标。 通用化 通用化将使无人作战系统的可维护性和发展速度大大提高，这一点已引起美国军事专家和科学家的重视。美军已着手利用神经网络技术研制

5、通用的无人控制系统， 神经网络控制系统依赖复杂的神经网络技术和能记忆与适应网络环境的软件， 使智能系统在战场上受到损伤或出现故障时仍能保持稳定的状态。这将使无人作战系统的通用化程度大大提高，改善各军种目前各自为战的情况。 隐形化 采用隐身技术提高生存能力，是无人作战平台发展的重要方向。 随着自动化技术、人工智能、计算机技术、微电子技术和新材料技术的进一步发展， 它不仅将使美军建设方向发生重大变化，而且将带动世界范围内的一次军事大变革。有专家估计，到 2005 年左右，战斗机器人将全方位地走上战场，而到2010 年左右，将有 100 多种不同性能的智能机器人用于军事行动。国外军事专家估计，到 2

6、030 年，无人化兵器将主宰战场，届时的“无人军”将不再是战争的“配角” ，而将一跃成为战场上厮杀搏斗的“主角” 。看来，未来信息化战场的一支生力军机器人军队异军突起的时代已为期不远。 未来的战场将极可能会成为一个无人化的战场。 中国自动化学术界的著名领导者之一宋健同志曾说过：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化” 。中国机器人事业目前面临着机遇与挑战。 军用机器人是机器人的极为重要的分支， 因此，亦不能置之度外。笔者衷心期望，从事自动化学科领域的我国广大的学者们能够对“作战系统的无人化”给予重视，并以自身的积极工作，来努力完成江泽民同志在党的“十六

7、大”报告中指出的“努力完成机械化和信息化建设的双重历史任务” ，实现我军现代化的跨越式发展。 在机器人向智能化的发展中，多机器 人协作系统是一类具有覆盖性的技术集 成平台。 如果说单个机器人的智能化还只 是使个体的人变得更聪明， 那么多机器人 协作系统则不但要有一批聪明的人， 还要 求他们能有效地合作。所以它不仅反映了 个体智能，而且反映了群体智能，是对人 类社会生产活动的想象和创新探索。 二十周年纪念文集 与你在一起，走出自己的一片天 150的增强，为机器人向智能化、多样化发展创造条件，机器人技术与信息技术的这种互动发展在信息技术飞速发展的今天更为突出，这使机器人的高技术含量不断得到提升，始

8、终处于高技术研究的前沿。 1.3 围绕机器人的概念创新、技术创新是国际科技竞争的重要方面 机器人由于本身具有无限的想象空间，历来是概念创新、技术创新的源泉，无论是在空间、水下、救灾、服务、医疗、娱乐等领域，都可根据需要设想出具有对应功能的智能机器人，而且这种想象空间由低到高，永无止境。当前，由于自动化的概念正在急速向广泛领域扩展， 而信息技术的发展又极大地提高了机器人的智能程度， 使这种想象空间的扩展有了需求和实现的可能， 从而会更加激励围绕机器人的概念创新和技术创新，并蕴含着产生各种竞争前核心技术的可能性，从而必然是国际科技创新的重要竞争点。 1.4 机器人是自动化领域中富有代表性和生命力的

9、亮点 机器人是多学科交叉的产物，但随着机器人应用环境和任务的复杂化，在非结构复杂环境下的信息综合与处理、针对复杂任务的规划和协调的难度和影响变得突出， 需要采用信息反馈、优化控制、协调集成的理论、方法与技术去解决，控制学科在系统优化和综合集成方面的优势， 将越来越在智能机器人中发挥主导作用。而智能机器人作为一种自动化系统，无论在理论与技术的覆盖面与前沿性、 与各种先进信息技术的结合以及物理实现的多样性方面， 都是其它任何一类自动化系统所不能比拟的。因此，机器人在自动化科学技术中的代表性和地位将随着其应用范围的拓宽、 所采用信息技术的更新和智能程度的提高，得到进一步的认可。 2 多机器人协作系统

10、 在机器人向智能化的发展中，多机器人协作系统是一类具有覆盖性的技术集成平台。 如果说单个机器人的智能化还只是使个体的人变得更聪明， 那么多机器人协作系统则不但要有一批聪明的人，还要求他们能有效地合作。所以它不仅反映了个体智能，而且反映了群体智能，是对人类社会生产活动的想象和创新探索。 多机器人协作系统有着广泛的应用背景，它与自动化向非制造领域的扩展有着密切的联系， 由于应用环境转向非结构化，首先在机器人本体上需要研究适合于任务的特种机器人，特别是能柔性改变多机器人系统几何模式的具有移动功能的机器人， 其次是多机器人的团队作业应改变工业生产线上机器人的刚性组合模式， 而向特种机器人的柔性组合发展

11、。 近年来，非结构环境下的移动机器人已成为机器人研究和开发领域中新的热点1。在这些环境中使用的多移动机器人系统应能适应任务的变化以及环境的非结构性与不确定性， 必须具有高度的决策智能，因而，对多移动机器人协作的研究已不单纯是控制的协调，而是整个系统的协调与合作。 要使多机器人系统能有效地运行，就必须对多机器人构成的群体加以组织，并有适当的运行控制机制。多机器人系统的组织与控制方式在很大程度上决定了系统的有效性。 如何组织由多个机器人构成的群体， 以及在这样的群体中如何实现协调与合作，是多机器人协作系统的主要研究内容。 80 年代末，受到分布式人工智能、分布式系统等研究的启发， 一些从事机器人学

12、研究的学者提出了多种有关机器人群体合作组织的策略、方法及协调机制，其基本思想是将多机器人视为一个群体，一个社会，从社会学的组织和系统的角度研究机器人群体的协作机制， 充分发挥多机器人系统中各个机器人的智能，以求实现能根据环境和任务的变化，灵活、快速地组织多机器人系统。这些研究正在逐渐形成“协作机器人学（Cooperative Robotics）2。 近年来，在协作机器人学研究中，基于分布式人工智能中的多智能体概念研究多机器人协作问题正受到越来越多的注意。多智能体系统理论是一种抽象层次较高的普遍理论，它可追溯到 70 年代的分布式人工智能及以后的分布式问题求解，其概念、体系结构、协调与协作方式和

13、策略等的研究已取得了大量成果，但大部分都是在抽象层次上。尽管如此，多智能体系统理论的核心是把整个系统分成若干智能、 自治的子系统，它们在物理和地理上分散，可独立地执行任务，同时又可通过通信交换信息，相互协调，从而共同完成整体任务，这无疑对完成大规模和复杂的任务是富有吸引力的， 因而很快在军事、通信及其他应用领域得到了广泛的重视。用多智能体系统理论研究多机器人协作， 其要点就是把系统中的每一机器人都看作是独立的智能体， 这样的多机器人系统称为多智能体机器人系统 MARS（Multi-Agent Robotic Systems）1。在 MARS系统中，每个机器人都被视为一个具有自主能力的 Agen

14、t，各机器人可根据系统总任务目标，动态地规划各自的运动序列，而不是由集中规划器进行规划， 各机器人可充分发挥其智能和自主行为与其它机器人进行合作。 上述基于多智能体理论的多机器人协调现已成为机器人学中一个新的研究热点， 从 1995 年起，在著名的 IEEE 机器人和自动化国际年会上，已越来越多地涌现出这方面的论文。在美国、欧洲、日本、韩国、中国香港等地的许多研究机构，几乎同时起步开展了类似研究， 并且针对一些典型的多机器人系统进行了深入研究。比较有代表性的典型系统包括：自重构机器人系统（Self-Reconfigurable Robotic Systems） 、群智能机器人系统（Swarm

15、Robotic Systems） 、足球机器人系统（Soccer Robots）等3。虽然目前这些研究还都在实验室阶段，而且任务的复杂度还不够高，但通过这些研究，探索多机器人系统从任务分配、规划到控制层次协调的普遍模式和包括通信、传感检测等的具体实现方法， 对于不久的将来非结构化环境下完成复杂任务的智能机器人系统的应用是有重要意义的。 3 多移动机器人协作系统的关键技术 多移动机器人系统由于具有移动功能，能在非结构环境下完成复杂任务， 是多机器人协作系统中最具典型意义和应用前景、也是得到最广泛研究的一类系统。以下就以多移动机器人系统为代表，介绍多机器人协作系统的主要关键技术： 二十周年纪念文集

16、 而今迈步从头越，再铸辉煌！ 151图 1 多移动机器人实验平台结构图 3.1 体系结构 群体的体系结构是系统中机器人之间逻辑上和物理上的信息关系和控制关系，以及问题求解能力的分布模式。它是多移动机器人协作行为的基础， 决定了系统的整体行为能力和运行效率。因此，体系结构研究对整个多移动机器人协作系统的研究具有重要意义。 一般地，多移动机器人协作系统的体系结构分为集中式（Centralized）和分散式（Decentralized）两种。在分散式结构中，又可分为分层的（Hierarchical）和分布的（Distributed） 。集中式体系结构可用一个单一的主控机器人 （Leader） 来规划，该机器人具有关于系统活动的所有信息。 而分布式体系结构则没有这样一个机器人， 分布式结构中所有的机器人相对于控制是平等的。尽管集中式体系结构具有可能得到最优规划的优点，但普遍的看法是分散式结