徐 達(dá)，帥 元，韓振飛，夏 祥

XU Da,SHUAI Yuan,HAN Zhen-fei,XIA Xiang

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

0 引言

智能體機(jī)器人（Agent）是機(jī)器人領(lǐng)域近年來十分熱點的問題，它以高度的靈活性、容錯性和魯棒性克服了以往集中式控制理念的不足，成為對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計的強(qiáng)有力的一種方法。在一個復(fù)雜系統(tǒng)中，系統(tǒng)整體往往可由許多個智能體按一定規(guī)則結(jié)合而成，通過采用基于協(xié)商的決策這就是多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS），它能夠在相同環(huán)境中得到多種的解決問題方法，具有并行性、智能性和柔性。對于具有高智能特性的7自由度彈藥裝填機(jī)器人來講由于對機(jī)器人的魯棒性要求較高，所以運動控制的過程十分復(fù)雜。本文運用MAS方法，通過軟件對七自由度彈藥裝填機(jī)器人運動軌跡進(jìn)行了研究，得出了單關(guān)節(jié)失效時的運動軌跡。

1 彈藥裝填機(jī)器人運動控制結(jié)構(gòu)

研究彈藥裝填機(jī)器人運動控制最為主要的工作是關(guān)節(jié)空間位置、速度、加速度以及所形成的運行軌跡。彈藥裝填機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜普通關(guān)節(jié)空間地解算不利于快速和有效地克服關(guān)節(jié)故障產(chǎn)生的運動退化，而MAS系統(tǒng)具備高度的錯容性，可以有針對性地對彈藥裝填機(jī)器人進(jìn)行運動控制。

1.1 任務(wù)區(qū)分

對于彈藥裝填機(jī)器人的MAS系統(tǒng)來講，設(shè)計的根本意義就是簡化數(shù)學(xué)的模型，增加關(guān)節(jié)協(xié)作的次數(shù)從而達(dá)到克服故障的目的。這就要求將任務(wù)的目標(biāo)作為實時解算的根本依據(jù)，所以首先要將任務(wù)進(jìn)行有效的區(qū)分。

1）協(xié)調(diào)任務(wù)目標(biāo)：在整個協(xié)作過程中，除了必須存在多個參與協(xié)作實現(xiàn)協(xié)作目標(biāo)的參與者外，還存在負(fù)責(zé)MAS協(xié)作的協(xié)調(diào)者。協(xié)作協(xié)調(diào)者的任務(wù)主要是一方面提出協(xié)作需求，并對協(xié)作目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃；另一方面，協(xié)調(diào)者還負(fù)責(zé)根據(jù)競爭者的條件挑選恰當(dāng)?shù)膮f(xié)作伙伴。

2）控制任務(wù)目標(biāo)：由協(xié)調(diào)Agent在特定的情況下產(chǎn)生。本文假設(shè)特定的情況為無法達(dá)到預(yù)定的裝填位置而采用保持空間中兩個坐標(biāo)不變，第三個坐標(biāo)微調(diào)適應(yīng)的原則。

3）實時任務(wù)目標(biāo)：預(yù)定任務(wù)目標(biāo)是依賴于前面協(xié)調(diào)任務(wù)的結(jié)果而由產(chǎn)生的新的能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的實施方案，其具有實時的特性。

4）子任務(wù)目標(biāo)：實時任務(wù)目標(biāo)體系內(nèi)獨立的Agent應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)，以及當(dāng)完成的關(guān)聯(lián)協(xié)作。

5）預(yù)定目標(biāo)：最終應(yīng)當(dāng)完成的裝填任務(wù)。

圖1 MAS設(shè)置方案

設(shè)計該模型主要的思路是功能和目標(biāo)分離，以目標(biāo)為主；規(guī)劃和目標(biāo)實時交互，突出規(guī)劃對于目標(biāo)的影響和指導(dǎo)，體現(xiàn)目標(biāo)對于規(guī)劃的補(bǔ)充和延伸。

1.2 彈藥裝填機(jī)器人智能體設(shè)置方案

將整個彈藥裝填機(jī)器人臂手結(jié)構(gòu)設(shè)計成五個智能體和一個協(xié)調(diào)智能體，如圖1所示。

分別將各個智能的關(guān)節(jié)設(shè)計為簡單的反應(yīng)式Agent，分別是：

表1 智能體設(shè)置方案

圖2 控制體系

1.3 彈藥裝填機(jī)器人控制體系

本文采用分布式的控制體系如圖2所示，主要思想就是：在協(xié)調(diào)SAgent收到工作的任務(wù)目標(biāo)的時候，通過知識庫得出各個Agent的子任務(wù)目標(biāo)，以及各個Agent協(xié)調(diào)工作順序的相關(guān)信息，并立即將其傳遞給每一個Agent；然后單個Agent在自己的知識目標(biāo)中找到子任務(wù)目標(biāo)，以及相關(guān)的規(guī)劃信息，根據(jù)當(dāng)前所有信息得出完成方案并執(zhí)行。執(zhí)行過程中實時的將信息傳遞到每個Agent以及SAgent處，實時的優(yōu)化運動方案。

2 面向任務(wù)域完全協(xié)作設(shè)計

各Agent在工作的過程中需要進(jìn)行實時協(xié)作，本文根據(jù)彈藥裝填機(jī)器人MAS系統(tǒng)各個智能體之間相互獨立，但是卻又共享協(xié)作的工作模式設(shè)計出基本的面向任務(wù)預(yù)的協(xié)作函數(shù)，以及應(yīng)當(dāng)具備的協(xié)作策略。

協(xié)作方式可以分為兩類：單Agent協(xié)作方式以及MAS在SAgent協(xié)調(diào)下的聯(lián)合協(xié)作方式。單Agent協(xié)作主要是指進(jìn)行單個Agent之間的通信與協(xié)調(diào)，而其他不相關(guān)Agent保持原來的狀態(tài)。MAS在SAgent協(xié)調(diào)下的聯(lián)合協(xié)作方式是指，SAgent進(jìn)行多個Agent同時協(xié)調(diào)控制。兩種控制方式具體通信過程如下：

1）單Agent協(xié)作方式：單個Agent和Agent之間的協(xié)作。首先由任務(wù)Agent向協(xié)作Agent發(fā)送指令，設(shè)置新的目標(biāo)位置或者查詢當(dāng)前位置，之后等待。協(xié)作Agent收到指令后必須應(yīng)答，任務(wù)Agent在收到應(yīng)答信息后才能發(fā)送新的指令或重發(fā)上一次的指令。任務(wù)Agent等待應(yīng)答的時間為1ms上限為，若超過此上限，則主計算機(jī)將發(fā)送新的指令或重發(fā)上一次的指令。

2）MAS在SAgent協(xié)調(diào)下的聯(lián)合協(xié)作方式是指：進(jìn)行位置控制時，SAgent首先依次對單獨的Agent控制器設(shè)置任務(wù)，每一次只和某個Agent通信，當(dāng)確認(rèn)所有應(yīng)答無誤時，主計算機(jī)采用廣播方式發(fā)送一條啟動指令，命令所有Agent按預(yù)定指示開始工作。

3 基于MAS彈藥裝填機(jī)器人運動控制魯棒性試驗

3.1 程序設(shè)計

7自由度彈藥裝填機(jī)器人如圖3所示，之間的關(guān)節(jié)角為θp(p=1,2,......,n)記末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)為E(xe,ye,ze)末端執(zhí)行器期望軌跡上任意一個點T(xd,yd,zd)利用齊次變換矩陣的方法可以得出關(guān)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)和各個關(guān)節(jié)角之間的關(guān)系：

圖3 彈藥裝填機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖

我們?nèi)∠鄬Φ奈灰撇畹玫剑?/p>

理論上是當(dāng)D(δx,δy,δz)=0時彈藥裝填機(jī)器人的任務(wù)才算是完成，即末端執(zhí)行器已經(jīng)到達(dá)了指定的位置。假設(shè)三個坐標(biāo)軸的方向上的相對距離θp的梯度分別為Gxp(θp)、Gyp(θp)和Gzp(θp)。在迭代求解過程中，采用的決策應(yīng)保證D(δx,δy,δz)沿其梯度方向減小，否則θp應(yīng)保持靜止。

在研究的過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的工作過程中受到了空間和關(guān)節(jié)角度的影響，其運動能力應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)一定的退化所以本文構(gòu)造簡易的車內(nèi)空間假設(shè)在裝填彈藥的過程中只要能夠滿足z坐標(biāo)，x和y坐標(biāo)能有微小的變化就能完成彈藥的裝填。

采用簡單的控制策略為：

式中：θp,max和θp,min分別為機(jī)器人的第p個關(guān)節(jié)角動作范圍上、下限；αp為動態(tài)步進(jìn)角，即：

λp為定常的正值比例系數(shù)，用以將：

3.2 實現(xiàn)過程

設(shè)計時鐘變量timer()進(jìn)行實時的跟蹤可設(shè)時間間隔為1s，在SAgent變量中設(shè)計多種規(guī)劃為裝填位置沿y軸方向上的每隔5mm的一個目標(biāo)集合G={g0,g1,g2,...,gn}優(yōu)選順序為：

其中g(shù)0是預(yù)定的無故障平臺時候的裝填機(jī)器人軌跡。然后通信各個Agent接收到SAgent發(fā)送的gi信號后得出自己的子任務(wù)，然后按照預(yù)定的計劃完成任務(wù)。通過仿真得出一下結(jié)果如圖4所示

圖4 無故障平臺時的位置軌跡

圖5 軌道失效退化后的位置軌跡

圖6 基座失效后的位置軌跡

從圖5軌道Agent失效后彈藥裝填機(jī)器人的退化后的軌跡和實時姿態(tài)可以看出軌道故障后彈藥裝填機(jī)器人仍然能夠到達(dá)預(yù)定的裝填位置完成裝填的任務(wù)。

基座Agent失效后彈藥裝填機(jī)器人退化后無法達(dá)到預(yù)定的位置，此時SAgent在收到信息后根據(jù)算法給出另外的目標(biāo)Si，然后各個子Agent得出運行軌跡如圖6所示。

圖7 大臂失效后位置軌跡

根據(jù)圖像顯示根據(jù)，基于MAS的運動控制方法能夠簡單的進(jìn)行柔性控制達(dá)到機(jī)器人整體魯棒性能的提高。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于MAS的具有較高錯容性的彈藥裝填機(jī)器人運動控制方法，將彈藥裝填機(jī)器人看成是由MAS系統(tǒng)組成，同時由一個協(xié)調(diào)SAgent進(jìn)行協(xié)調(diào)控制運動。彈藥裝填機(jī)器人完成預(yù)定的裝填目標(biāo)時，將裝填任務(wù)分解各個Agent的子任務(wù)，而各個Agent又獨立完成子任務(wù)并由SAgent進(jìn)行時鐘協(xié)調(diào)運動控制最終完成預(yù)定目標(biāo)。這種方法的好處有以下四點：

1）彈藥裝填系統(tǒng)的工作能力可以通過增加預(yù)定的規(guī)劃數(shù)量，就可以在彈藥裝填機(jī)器人可達(dá)空間內(nèi)增加工作方案；

2）在MAS系統(tǒng)內(nèi)，可以有效的進(jìn)行規(guī)避障礙物和克服關(guān)節(jié)故障帶來工作難題，提高彈藥裝填機(jī)器人的柔性和魯棒性；

3）該方法比較過去的并行控制的模式具有更高的靈活性和可靠性；

4）通過仿真實驗，MAS系統(tǒng)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力，魯棒性較好，能夠保證在動態(tài)、不確定環(huán)境下實時地進(jìn)行運動控制。

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