基于MAS的彈藥裝填機器人運動控制研究

徐 達，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

智能體機器人（Agent）是機器人領(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，成為對機器人系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析和設(shè)計的強有力的一種方法。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自由度彈藥裝填機器人來講由于對機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器人運動軌跡進行了研究，得出了單關(guān)節(jié)失效時的運動軌跡。

1 彈藥裝填機器人運動控制結(jié)構(gòu)

研究彈藥裝填機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器人進行運動控制。

1.1 任務(wù)區(qū)分

對于彈藥裝填機器人的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)從而達到克服故障的目的。這就要求將任務(wù)的目標作為實時解算的根本依據(jù)，所以首先要將任務(wù)進行有效的區(qū)分。

1）協(xié)調(diào)任務(wù)目標：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)作目標的參與者外，還存在負責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)作目標進行規(guī)劃；另一方面，協(xié)調(diào)者還負責根據(jù)競爭者的條件挑選恰當?shù)膮f(xié)作伙伴。

2）控制任務(wù)目標：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到預(yù)定的裝填位置而采用保持空間中兩個坐標不變，第三個坐標微調(diào)適應(yīng)的原則。

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

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

5）預(yù)定目標：最終應(yīng)當完成的裝填任務(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分離，以目標為主；規(guī)劃和目標實時交互，突出規(guī)劃對于目標的影響和指導(dǎo)，體現(xiàn)目標對于規(guī)劃的補充和延伸。

1.2 彈藥裝填機器人智能體設(shè)置方案

將整個彈藥裝填機器人臂手結(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)目標的時候，通過知識庫得出各個Agent的子任務(wù)目標，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在自己的知識目標中找到子任務(wù)目標，以及相關(guān)的規(guī)劃信息，根據(jù)當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行實時協(xié)作，本文根據(jù)彈藥裝填機器人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)置新的目標位置或者查詢當前位置，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，當確認所有應(yīng)答無誤時，主計算機采用廣播方式發(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)行機構(gòu)的坐標為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)行機構(gòu)的坐標和各個關(guān)節(jié)角之間的關(guān)系：

圖3 彈藥裝填機器人機構(gòu)簡圖

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理論上是當D(δx,δy,δz)=0時彈藥裝填機器人的任務(wù)才算是完成，即末端執(zhí)行器已經(jīng)到達了指定的位置。假設(shè)三個坐標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，x和y坐標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器人仍然能夠到達預(yù)定的裝填位置完成裝填的任務(wù)。

基座Agent失效后彈藥裝填機器人退化后無法達到預(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行柔性控制達到機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器人運動控制方法，將彈藥裝填機器人看成是由MAS系統(tǒng)組成，同時由一個協(xié)調(diào)SAgent進行協(xié)調(diào)控制運動。彈藥裝填機器人完成預(yù)定的裝填目標時，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進行時鐘協(xié)調(diào)運動控制最終完成預(yù)定目標。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器人可達空間內(nèi)增加工作方案；

2）在MAS系統(tǒng)內(nèi)，可以有效的進行規(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)境下實時地進行運動控制。

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