群机器人学 -- 机器人海战术

机器人 2017年11月02日

无论在产业界,在研究开发领域,还是在传媒,日本都是机器人大国。不少年纪稍大的人会想起铁臂阿童木,还有索尼的机器狗AIBO,年轻一点的人有很多是高达的粉丝,对本田的ASIMO应该也很熟悉。

照片/ 本田的ASIMO, 转自日本科学未来馆主页
照片/ 本田的ASIMO, 转自日本科学未来馆主页
照片/ 本田的ASIMO, 转自日本科学未来馆主页

照片/ 本田的ASIMO, 转自日本科学未来馆主页

早些年影视图书中的机器人大多形象高大,智慧超人,动作迅猛,敏捷且力大无穷。此类机器人作为人类追求的理想目标,性能自然是没说的,可惜难以现世。现实中,产业机器人作为工厂自动化的主力军,主要致力于实现人类的部分功能,但并不追求类似于人类的外形。最具有代表性的应属机器手。这是一种具有多关节的单臂机器人,可以承担类似于人类手臂的工作,象喷漆,搬运物品,焊接等。另一类则是外形象人的机器人。其目标是尽可能实现人的全部功能,包括象人一样用两腿行走,有双手可以工作,也可以生成各种手势,有双眼,耳朵,能跟人对话交流,察颜观色,并会做出各种表情。具体实例有Honda的ASIMO,Softbank的Pepper等。ASIMO不但在人群中行走,还能跑步,单脚或手脚在原地跳跃。它能完成迎接客人,带路,端茶倒水等工作。Pepper的强项是人机交流,可以跟人对话,猜谜,和人一起表演等。这些机器人外形,功能各不相同,但它们都是独立工作,活动的。一台机器人在工作时并不需要其他机器人的帮助,它只是根据自身以及周围的环境进行判断选择最佳方案独立完成任务,不会配合其他机器人一起合作完成一项单个机器人难以完成的作业。

俗话说,“人多力量大”, “三个臭皮匠赛过诸葛亮”。还有一些反面的说法,比如,“猛虎难敌群狼”。这些句话表达的都是一个意思:想干大事业得靠团队。单个个体,不管是人,动物还是机器,就算其本领再强大,也难以成大事。众所周知,一只蚂蚁,蜜蜂并没多大本领,但是一个蚁群或蜂群则可以 形成一个社会,其捕食,筑巢,育子,清扫等工作井井有条,用很短的时间就能建立起一个独立王国。

我们生产制造机器人,主要为的是让它们代替我们完成那些繁重,危险,复杂,重复性的枯燥的劳动和作业。如果为完成此目的而使用那些结构复杂,功能齐全机器人,不仅在制造它们时需要众多的人力物力和财力,在使用和维护时也需要具有专业知识的技术人员的支持,也需要相当多的资源。这样一来,结果不免有些本末倒置,跟我们最初意愿背道而驰。如果我们能够用低廉的费用生产大量功能简单的机器人,并且能将它们做成一个具有社会性的,有集体精神的团队,那么只要向它们发一个指令,它们就会互相协作,共同完成一项巨大而复杂的任务,即是其中有部分偷懒怠工,出故障,也不影响大局。这样一来,不仅可以降低制造,使用的费用,减少维修管理的负担,还能完成单个机器人难以胜任的大型复杂作业。

在机器人的研究中有一个叫做“群机器人学”(Swarm Robotics)的分支,研究方向是通过调查,解析具有社会性的生物群的结构,理解其组织的形成,互相通讯的手段,每个个体如何决定自身的行动,如何形成协调行为等,来开发出具有类似功能的机器人群。日本机器人学会期刊今年7月号刊登了“群机器人学和昆虫生态学”的特集。与群机器人学有密切关系的重要研究之一是宏观生物学。它的研究内容就是要弄清楚社会性动物的集体活动的过程和原理,比如蚂蚁的採食活动。1987年研究人员发明了一个叫做Bird-oid的再现鸟群飞翔的仿真算法。通过观察鸟群的行为,研究人员在这个算法中植入了三条简单的规则,第一条是分离规则,即任意两个个体间的距离必须大于许可的最小值,以免相撞;第二条是排队规则,即每个个体应保持与其他个体大致相近的速度和方向;第三条是结合规则,即每个个体应向群体的中心方向飞行。Bird-oid算法依据这三条简单的规则成功地逼真地再现了大规模的鸟群的复杂的飞行行为。

宏观生物学的关于群体行为的研究对机器人的研究具有多方面的影响。第一个是关于机器人的通讯。众所周知,机器人的通讯大多通过无线电波进行。一旦无线电波无法利用,机器人就会停止工作,甚至会发生误动作。反观生物,他们之间往往用多种手段进行通讯,肉体接触,舞蹈,发光,发生声音,嗅觉,味觉等,都是它们用来交换信息的方法。第二个是利他行为和自我组织化。蚂蚁在遇到深沟是,一些蚂蚁会用它们自己的身体搭桥供其他蚂蚁通行。蜜蜂会用自己的身体堵住蜂窝的进出口以抵御外敌的侵入。这些利他行为使总体的性能提高。第三是机器人群系统。作为一个群体,应该首先具有坚固性,也就是一部分的欠缺不影响整体的机能。其次应具有柔软性。当环境或任务发生变化时,群体应具有随机应变的功能。最后还应有扩张性,即规模变大时,群体依然能保持原有的机能,不发生崩溃。

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照片/ 英特尔公司在其他的地方表演的无人机群照片。提供英特尔公司

现在在日本,美国,欧洲,以及其他国家地区的研究机关,进行着许许多多的关于群机器人的研究。比如哈弗大学做了一个有1000台小型移动机器人的群。京都大学的松野文俊教授领导的研究室也进行着有关全机器人的通讯,控制,对环境的自适应的研究。2017年夏天英特尔公司,hapi-robots公司与豪斯登堡公司合作在九州长崎县豪斯登堡举行了300架无人机群的表演,在夜空中映出各种立体灯光的运动图案,展示了群机器人的风采。

群机器人的研究目前还处于可能性的探索的阶段,距离成熟和在产业界的广泛应用还比较遥远。但它的基本思想方法和研究方向无疑是非常有价值的,因为人类自身的成功及足以证明社会和集体的重要性。机器人的发展也将会如此。

文/ 陈谦 (和歌山大学系统工学部)

作者简介

陈谦

陈谦
出生于中国北京市,在日本居住32年。现任和歌山大学系统工学部准教授。在西安交通大学信息与控制工程专业获得学士后,渡日后在大阪大学基础工学研究科物理系控制工学领域获得硕士,工学博士学位。1992年进入财团法人图像技术科学研究所任研究员,1994年开始在大阪大学任助教,1995年转入奈良先端科学技术大学院大学任助教,1997年转入和歌山大学任讲师,2000年升任副教授至今。渡日后从事机器人,计算机视觉,计算机图形学,虚拟现实以及三维计测方面的研究。网页介绍: http://www.wakayama-u.ac.jp/~chen/

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