第4卷第5期 智能系统学报 Vol.4 No.5 2009年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2009 doi:10.3969/i.isgn.1673-4785.2009.05.001 异构多机器人协作系统研究进展 石志国，王志良，刘冀伟 (北京科技大学信息工程学院，北京100083) 摘要：异构多机器人系统可以发挥单一结构机器人在某个领域的优点而达到整体的最优配置，机器人的功能和接 口协议对协作系统影响很大.IGS协议是我国在信息设备协作领域中惟一的国际标准，为异构多机器人协作提供了 有效的支持.对国内外相关研究进行系统地归纳和总结，找出需要解决的问题，并在课题组研制的多种机器人平台 上，从3个方面阐述了基于IGS协议的异构多机器人协作系统：异构机器人的定位、通信以及感知方案；异构机器 人协商策略和分组方案；机器人的功能分类和规划，提出了细粒度可控的任务委托分配方案. 关键词：多机器人；异构；IGRS协议；协作 中图分类号：TP12文献标识码：A文章编号：16734785(2009)050377-15 Developments in heterogeneous multi-robot cooperation systems SHI Zhi-guo,WANG Zhi-liang,LIU Ji-wei (School of Information Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China) Abstract:Heterogeneous multi-robot cooperation systems can create globally optimal configurations by taking full advantage of single-structure robots in some areas.The capabilities and protocols available for robot interaction have significant effects on their ability to act cooperatively.The integrated GPS radio system (IGRS)protocol is an inter- national standard used for positional data in China.It provides effective communication for heterogeneous multi-ro- bot cooperation systems.The current research and development situation was systematically reviewed and summa- rized,allowing problems remaining to be solved to be outlined.On the basis of several robot platforms made by our research group,the advantages of heterogeneous multi-robot cooperation systems based on the IGRS protocol were elaborated.This shows up in three areas:locating robots through an IGRS communication and spatial perception scheme;dynamic grouping and negotiation strategies;functional classification and planning.A scheme for grain control of the tasks of a principal-agent was then developed. Keywords:multi-robot;heterogeneous;IGRS protocol;cooperation 多机器人研究始于20世纪80年代末，之前的 协作是多机器人系统的一个重要特征，也是评 研究主要集中在单机器人系统或者分布式多任务系 价多机器人系统的一个关键指标4.多机器人系统 统，内容主要包括3个方面：1)可装配机器人系 通过协作，可以完成单个机器人无法实现的功能；并 统；2)多机器人运动规划；3)多机器人协作框架.近 且不再是物理意义上的单机器人作用的线性求和， 年来，多机器人系统研究取得了很大进展，在很多领 还包括一个“线性和”之外的基于个体交互的增 域取得了不错的研究成果21.例如：多机器人的体 量5]，从而提高了系统的整体性能。 系结构、感知与多传感器的信息融合、通信与协商、 本文对国内外相关研究进行系统地归纳和总 学习、运动规划、任务分配、冲突消解、碰撞规划以及 结，找出需要解决的问题，并在课题组研制的多种机 系统实现3]等等。 器人平台上，从3个方面对基于IGRS协议的异构 多机器人协作系统进行阐述.第1节介绍IGRS协 收稿日期：2009-0403. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60903067)：国家“863”计划 议；第2节从总体上分析面临的困难与挑战；第3节 资助项目(2007AA01Z160,2007AA04Z218). 对国内外相关研究进行归类与比较：第4节从3方 通信作者：石志国.E-mail:5g@is.usth.edu.cm. 面提出一些研究方案；第5节归纳总结全文
·378 智能系统学报 第4卷 1 IGRS协议 落后于世界的发展水平，大多采用由国外制定的协 议和标准.如果实行规模化商业应用，要花费高额的 在多机器人研究领域，异构机器人协作技术特 专利使用费，从而影响了民族自主产业的发展.闪联 别受关注「6.从实际应用的角度来讲，构成一个机 (intelligent grouping and resource sharing,IGRS) 器人团队的单个机器人往往存在设计上、结构上、传 议[的诞生填补了我国在协同领域的标准空白， 感器配置上乃至智能上的差异，因此多机器人系统 2003年7月17日，由原信息产业部科技司批准， 不可能是同构系统，工业生产线上的机器人更是如 “信息设备资源共享协同服务(IGRS)”工作组正式 此·异构机器人可以发挥单一结构机器人在某个领 成立，并制定相应的标准规范.2005年6月，IGRS 域的优点而达到整体的最优配置].对于异构机器 标准正式获得批准成为国家推荐性行业标准，成为 人，目前的研究主要包括8]：个体机器人测度的差 我国第一个3C协同技术标准.2008年7月《信息设 异性、个体机器人对异构体的兼容程度、异构机器人 备资源共享协同服务测试验证》(IS0/IEC14543-5- 之间的通讯问题、异构机器人硬件系统的快速配置、 4)通过IS0/EC JTC1SC25的FDIS阶段投票，正式 个体机器人的定位等。 成为国际标准.2008年10月，IGRS基础协议 机电一体化领域和控制领域已经开发了一些通 (IS0/EC14543-5-1)和应用框架协议(IS0/EC 用的接口设备作为机器人的控制器和执行机构，但 14543-5-22)通过了IS0/EC草案阶段的投票 是仍然缺乏一种更柔性、更方便的开放接口设备.目 IGRS体系是未来信息产业发展的一项基础和关键 前绝大部分的机器人伺服系统还使用专用的伺服控 性标准，也是我国自主研发的并具有自主知识产权 制器和伺服接口板)，在设计制造这种封闭式结构 的技术标准体系，也是我国在协同技术领域惟一的 系统时，一般不会考虑系统的柔性和开放性，也不会 国际标准 考虑多机器人的集成协作问题，因此要进行多机器 IGRS协议的目的是实现各种信息设备在办公 人协作将会非常复杂.随着对高质量的集成机电系 室、家庭和公共区域环境中的自动组网、资源共享及 统的需求不断增加，目前已经出现许多柔性非常好、 协同服务中的应用.通过定义一系列的协议标准，支 性能也非常高的机电一体化设备，如数据采集和信 持多种异构智能信息设备、家用电器和通讯设备之 号处理板、伺服控制器、多轴控制器和位置控制器等 间的自动发现、动态组网、资源共享和协同服务；从 设备，这些设备以及它们所提供的设备驱动程序，使 而提高设备的互操作性和易用性，发挥不同设备的 得在使用这些设备时非常直接和简单.但是，不同的 功能特点并创造新的应用模式.IGRS协议为异构多 控制器由于缺少统一的接口协议，协作系统的可扩 机器人协作提供了有效的途径，同时还支持机器人、 展性受到了很大的限制9 电子设备和通信设备之间协作，如图1所示。 在协作系统接口协议以及标准方面，我国一直 机器人A 电子 电子 设备 机器人A 设备 机器人B 机器人B 富 品 3 IGRS协议 机器人C 通信 机器人C 通信 设备 设备 图1 基于IGRS协议的协作系统 Fig.1 Cooperation system based on IGRS protocol IGRS协议可以为异构多机器人系统提供一致 众多问题，尤其是异构机器人的协作问题.例如：如 的通信规范，提高了资源和计算能力在异构系统中 何对多机器人进行有效地组织、对不同功能的机器 的可扩展性.在IGRS协议基础上研究异构多机器 人进行区分、按照异构机器人的特长进行相应的资 人系统，有利于促进异构多机器人协作系统的发展 源和任务分配.系统需要解决如下问题：系统的可扩 展性]、通信协议异构性问题、功能异构性问题、异 2面临的问题与挑战 构多机器人协作问题、空间感知和任务分配问题] 经历了20多年的研究，多机器人协作依然面临 等等
第5期 石志国，等：异构多机器人协作系统研究进展 ·379· 2.1异构性问题 不够丰富，实现多机器人之间的数据校准比较困难， 传统的机器人通常根据封闭结构系统的原则来 随着网络技术的发展，无线传感器网络技术开 构建，根据需求或者机器人本身的基本功能配置来制 始在机器人系统中获得了较为广泛的应用.机器人 造机器人系统.通信协议异同和机器人功能异同使 可以比较容易地实现相互之间的数据校准，进而较 得异构机器人系统存在以下问题4：1)机器人系统 易实现多机器人的全局空间感知，并且无线传感器 柔性不足；2)机器人工作对象改变时需要太多的准备 网络节点组还可以用作机器人的空间定位.然 和系统时间的重新设置：3)机器人在复杂的制造系统 而，目前依然面临的挑战主要有：1)无线传感器数 中使用困难；4)非开放的系统与通信结构. 据通信带宽很窄；2)位精度与传感器节点个数选取 IGRS协议定义了设备协同服务的规范，适用于 问题，需要在精度、计算量与通信量之间寻找平衡； 在一定范围内通过有线或无线的方式进行协作，可 3)空间感知的协作模型等， 以解决传统异构机器人系统中的柔性不足和非开放 2.3任务规划问题 结构的问题.但是，协作系统依然面临新的挑战：1) 任务规划问题是异构多机器人协作系统研究的 如何设计IGRS协议的机器人接口模块；2)如何规 一个重要内容1)，根据机器人的不同功能，进行合 划异构多机器人的体系结构和协作模型；3)如何建 理的任务规划.它应考虑一些指标，例如：实时性、鲁 立验证与测试平台 棒性、可靠性、性能优化、通信需求、计算需求和规模 2.2 空间感知问题 能力等1.规划系统面临的挑战包括201：1)如何分 协作系统中的机器人应当能够根据空间的变 类定义异构机器人的功能；2)任务控制问题，例如： 化，应用某种策略做出相应的行为决策].若没有 在某机器人出现了故障、被障碍物阻挡或者电能不 空间感知能力，机器人的行为就会失去基础和依靠. 足的情况下，需要及时回收任务，如果超出了完成期 机器人的空间感知问题包括“感觉”和“知道与理 限，任务需要延迟或撤销；3)任务再分配问题，机器 解”2个方面.其中：与“感觉”对应的研究涉及灵 人接受的任务，如果不在能力范围之内，可以依据 敏、快速和可靠的传感器系统；与“知道与理解”对 定的规则进行再分配等等 应的研究是如何更有效融合、利用传感器信息以及 3 国内外研究现状与发展趋势 将传感器信息与控制系统相结合的问题.早期机器 人装备的传感器主要采用声呐仪、红外传感器、里程 文献[21]把多机器人系统前期的研究分成7 计和激光测距仪等，这些传感器获得的信息都比较 个方面，如图2所示。 单一，应用这些传感器信息建立的模型，其信息内容 多机器人系统研究内容 牛物学启示 通信 结构、任务 未知坏境 搬运和操作 分配与控制 物体 运彳协调 可装配 探索 图2多机器人系统研究内容 Fig.2 The research content of multi-robot system 同时指出了研究中存在的一些问题21：1)如何 位探索以及合作搬运等方面2].研究分为两大类： 识别和验证多机器人系统的优点和缺点：2)如何让 系统规划与调控制，层次如图3所示.然而还有很 人更容易地控制多机器人组；3)如何规划几十到上 多问题有待解决，主要包括2]：1)基于多机器人信 百个机器人；4)如何让多机器人在有严格实时性限 息融合的环境感知与任务规划；2)非完整运动约束 制的系统中工作；5)环境任务复杂性如何影响多机 对运动规划的影响；3)协调控制策略的选择；4)多 器人系统的设计. 机器人系统的远程操作控制；5)降低系统对通信速 近5年来，多机器人系统研究有了很大的进展， 度的依赖：6)基于实际系统的协调控制策略验证， 例如：任务规划、运行规划、规划策略、队形保持、定
380 智能系统学报 第4卷 多机器人系统研究层次 入 系统规划 协调控制 任务规划 运动规划 规划策略 队形保持 定位探索 合作搬运 图3研究的层次结构 Fig.3 The hierarchy of the research 3.1多机器人协作研究进展 机器人，在没有外部特定干预的情况下，通过个体的 通过多机器人协作可以提高系统的总体性能。 工作系统涌现出的合作行为或智能行为.在有意识 除了在性能方面的要求外，多机器人协作系统应当 协作的系统中，个体智能水平相对比较高，所掌握的 满足4个基本要求[m1:1)鲁棒性和容错性，出现局 环境、任务以及机器人的知识也比较全面，机器人的 部差错和失误时，系统性能不会剧烈降低，系统能够 行为更优，同时个体会有一个全局目标，并能根据目 辨别这些失误并做出补偿；2)可靠性，如果机器人 标规划自己的行为，因此，有意识协作也称为基于规 多次运行同一任务，能保证绝大多数情况下完成的 划的协作 效果接近；3)灵活性和适应性，根据外部环境的动 有意识协作研究方法包括2类5)：协商反应式 态变化，系统能够实时地调整自身的行为选择和协 方法和多智能体(muli-Agent system,MAS)方法.协 调模式；4)一致性，系统作为一个整体运作。 商反应式方法针对多机器人的协作问题，设计控制 根据协作机制不同，多机器人协作包括2 算法，并将算法在真实或模拟机器人系统上加以实 类5,21：无意识协作和有意识协作.无意识协作是 现.MAS方法源自分布式人工智能和多智能体系统 指一群同构机器人，通常是功能简单而数量众多的 理论.它们的优缺点比较如表1所示 表1无意识协作和有意识协作的优缺点比较 Table 1 The comparison of intentional and unintentional cooperation system 异构机制 方法 优点 缺点 配置简单，多机器人之间不需要只能做简单重复的工作，不能适 无意识协作 通信，机器人设计简单， 应复杂的工作环境， 有意识协作协商反应式方法 对通信量要求相对较高，只适用 控制器简单分明，设计简单。 简单任务 MAS方法 理论比较成熟，体系统结构、组受到传统多Agent理论约束，发 织方式和策略的理论基础好. 展受限。 协商反应式方法包括基于协商的方法和基于行。 联系，多机器人系统与MAS系统有非常类似的拓扑 为的方法.基于协商的方法借鉴传统人工智能的理 结构、组织方式和运行机制，两者只是在行为方式和 论模型]，将机器人控制器划分为感知、世界建模、 生存环境上不一样[8]，用多智能体系统理论进行多 规划和动作4个模块，例如最早的分布式多机器人 机器人协作研究，特点是把系统中的每个机器人看 系统ACTRESS2a],另外还有大量文献[247都进行 成独立的智能体，这样的多机器人系统就成为多智 了相关研究.基于行为的多机器人协作代表性架构 能体机器人系统，可以借鉴多智能体的体系结构、组 是ALLIANCE2],它通过协调不同激励行为的输 织方式和协商策略等方面的研究成果，并将它们应 出，实现对多机器人系统的容错控制以及顺序任务 用到多机器人系统中5]. 分配.基于行为的方法对环境变化有快速的反应能 3.2异构多机器人系统研究进展 力，但只适合比较简单的任务 针对异构多机器人的代表性研究是L.E.Par MAS方法理论比较成熟，体系结构、组织方式 ker的工作.1994年她在MT的博士论文[2]中对异 和策略的理论基础好；但受到传统多Agent理论约 构多机器人协作做了深入的研究，随后Parker一直 束，发展受限.MAS系统与多机器人系统之间虽然 在University of Tennessee从事异构多机器人系统的 在研究对象上存在一定的差别，但两者有着本质的 研究工作，并继续她博士期间对ALLIANCE异构多
第5期 石志国，等：异构多机器人协作系统研究进展 ·381· 机器人协作的研究 持异构机器人组在紧密的协作任务中共享传感器信 近几年来，Parker设计的异构多机器人协作系 息，它基于图式理论(schema theory),拥有不同能力 统包括SDR[]、ASyMTRet3o3I)和ASyMTRe-D[32]. 的机器人组可以产生不同的策略来完成同样的任 SDR(software for distributed robotics)DARPA/IP- 务[3].ASyMTRe--D2在ASyMTRe2机制上增加了分 T0的异构多机器人项目2，实现了100+的异构机 布式系统的支持.它们的优缺点如表2所示 器人组执行室内可控制的任务.ASyMTRe(系统支 表2几种异构机制的优缺点比较 Table 2 The comparison of heterogeneous mechanisms 异构机制 优点 缺点 使用机器人小组提高执行任务的效率，并由缺少形式化验证，而且SDR是一个软件项 SDR异构协作机制 小组领导控制成员机器人.小组领导的功能 目，对其在实际环境系统中的性能评估，并 较强，例如有“看”的功能. 没有过多的涉及. 有形式化模型、融合了各类传感器信息，有 SyMTRe异构协作机制 没有运动限制，工作环境在室内 良好的可靠性和快速解决问题的能力 SyMTRe-D异构协作机制 运算复杂度低，鲁棒性高，需要维护少 只作了局部的优化处理，对全局优化不够： Parker在异构多机器人定位探索领域也做了大 态定位 量的研究工作.例如，她的课题组设计了80个异构 3.3空间感知研究进展 机器人[31，在600m2的室内环境中进行实验，机器 支持多机器人空间感知的协作环境研究包括定 人能够发现和追踪入侵者，并能够将信息传递给远 位技术、数据融合、空间信息建模和时空事件订阅与 方的操作者；对于室外未知环境，她设计了一组自主 发布等6] 移动异构机器人[4]，通过差分GPS进行机器人组定 1)定位技术的研究.由于应用领域、系统环境 位，使用产生的地图信息来规划多机器人的路径并 和精度需求不同，这就需要研究不同类型的定位技 完成任务. 术以便满足不同的需求.根据定位的位置划分， 此外，针对异构多机器人的研究，还有大量的工 分为室外定位（基于GPS和雷达2]等）与室内定位 作成果.文献[35]提出了一种基于知识模型的方法构 (基于WLAN、传感器和声音[]等)；根据定位的方 建异构多机器人系统，这种方法作为自主机器人系统 式划分，分为绝对定位和相对定位，目前大部分定位 的一个原型，能够使用人类的特点对异构机器人进行 系统都采用绝对定位技术.为了提高定位精度，还需 知识建模.文献[36]提出异构多机器人系统高效通信 要研究各种误差补偿技术[]，常用的定位方法比较 动态任务分配算法，为了实现不同机器人组的可伸缩 如表3所示. 性，设计了分布式“共享全局单元”的通信机制.文献 2)多数据源融合研究6].从多种定位设备获取 [37]针对轮子滑行机器人、四足机器人等软硬件不同 的对某个目标的定位数据进行综合处理，以便得到 的异构机器人设计方案，使机器人系统能够在未知环 更高精度的定位信息， 境下针对自身的特性进行导航协作.文献[38]提出一 3)空间信息建模彻].主要研究如何表示和计 种基于“层”架构的多机器人运动协调系统，设计了集 算空间信息，即如何提供一个与定位技术无关的统 中控制系统框架，该系统由一名领导机器人规划其他 一的空间信息模型，使得应用不用关心具体的定位 机器人的运动，并使它们同步。 技术 针对异构机器人的三维空间定位的研究相对较 4)事件的订阅发布[50.在支持空间位置感知的 少，文献[3940]提出了异构多机器人组的三维定位 协作环境中，协作者之间空间位置的变化会产生一 策略，对地上移动机器人和爬墙机器人安装各种传 些时空事件，时空事件对协作的进行有重要影响，这 感器，核心目标是让包含4个机器人的小组在一个 就需要让用户能够订阅时空事件，系统能够分析、计 三维环境中协同工作，例如：在地上移动、爬墙或者 算和发布时空事件给用户。 粘在屋顶上，机器人之间通过协作视觉技术进行动