機器人主動自組技術(shù)研究

付胡代　楊松　趙憲女　李薇薇

摘 要：文章討論了使用組裝代理，也就是機器人的主動自組技術(shù)方法。它展示了這樣一種機器人的群組機制，在群組中，機器人只需要通過很簡單的信息通訊就能夠編程產(chǎn)生整體或局部的特定結(jié)構(gòu)，在生成的過程中可能會損失一些組件或結(jié)構(gòu)。這種組裝代理只有很小的記憶和通訊要求，而且只在接觸時發(fā)生通訊。

關(guān)鍵詞：機器人；群組；主動自組

1 概述

自組技術(shù)產(chǎn)生的人造結(jié)構(gòu)大都是對稱結(jié)構(gòu)的，可是絕大多數(shù)應用都要使用非對稱結(jié)構(gòu)。比如說，一個典型的自裝配的單層結(jié)構(gòu)只能均勻地覆蓋一個給定的平面。另外，被動自裝配的組件是“硬件編程”的，換句話說，這些組件本身必須被放置在建立系統(tǒng)所需的正確連接地點。主動自組技術(shù)組件在通常意義上是可以編程控制的，這也是其優(yōu)于被動自組組件的主要方面。

2 對組裝代理的要求

為了實現(xiàn)以上的一系列算法，每個組裝代理都必須有以下的能力：（1）儲存和執(zhí)行一個有限的狀態(tài)機；（2）與結(jié)構(gòu)中鄰接的組裝代理交換當前狀態(tài)；（3）接受鄰接的組裝代理發(fā)來的信息并將其轉(zhuǎn)發(fā)至其他若干個鄰接代理；（4）維持一個記錄轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的計數(shù)器；（5）在物理層面上附加到其他組裝代理上；（6）執(zhí)行周期性行動；（7）實現(xiàn)隨機路線移動。

3 通訊

當組裝代理擁有了與鄰接代理通訊的能力之后，群組又擁有了重要的新能力。某一個組裝代理的當前狀態(tài)總能夠通過通訊與鄰接的代理進行交互。另外，組裝代理可以發(fā)送信息。這些信息被定義為非狀態(tài)信息從一個代理發(fā)送到另一個。本研究中所使用的信息是一個一系列預定義的計數(shù)值的子集，但這些包含了數(shù)據(jù)域的信息是可以得到的。

信息根據(jù)獨立的組裝代理的通訊狀態(tài)而不同，代理不會向所有方向發(fā)送同樣的信息。組裝代理通常會將信息發(fā)送到與源代理方向相反的鄰接代理。這種機制使信息有了方向性，這是文章討論的技術(shù)所必須的。

4 實驗

文章建立并測試了以下建立基本形的狀態(tài)機：方形、矩形、近似的三角形。每一個基本形的狀態(tài)機的大小取決于所生成的形狀的大小。分別如圖1、圖2和圖3所示。

生成方形的狀態(tài)機從一個角上的種子開始生成整個結(jié)構(gòu)。如圖1所示，種子所在的方形標有“S”標記。種子生成垂直的兩行組裝代理，行的長度由在代理間傳遞的消息攜帶的計數(shù)值控制。

矩形從一個末端的種子開始生成整個結(jié)構(gòu)。種子產(chǎn)生單獨的一排，這排代理構(gòu)成矩形較長的一排。一旦這一排就位，代理就一層一層地附著在上面直到矩形達到預定寬度。寬度是由從中間排的組裝代理發(fā)出的垂直于長軸的消息度量的，其方法是檢查消息攜帶的跳轉(zhuǎn)計數(shù)。每一層都是從種子末端開始的，所以最后兩個加入結(jié)構(gòu)的代理將會是離種子最遠的兩個角點。

三角形從直角頂點開始生成整個結(jié)構(gòu)。像方形一樣，一個三角形由構(gòu)造網(wǎng)狀的L形生成，但是當構(gòu)成三角形每個的臂時候每個L形比其鄰接的L少兩個組裝代理，而不像矩形那樣只少一個。消息的傳遞方式和方形的解決方案是一樣的；區(qū)別僅在于當方向改變的時候跳轉(zhuǎn)計數(shù)的編輯方法不同。

5 結(jié)束語

簡單機器人的集群可以通過編程使之自動組成目標結(jié)構(gòu)，例如給定形狀之間的連線，包括矩形、三角形。組合圖形等在內(nèi)的基本形。這些機器人擁有很小的內(nèi)存、簡單的執(zhí)行機構(gòu)，還可以在發(fā)生物理接觸的時候用非常有限的消息進行通訊。因此解決了通過主動自組技術(shù)生成復雜結(jié)構(gòu)的可能性，而這正是適合于批量生產(chǎn)的本質(zhì)上的并行過程。

參考文獻

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作者簡介：付胡代（1977-），女，漢族，吉林人，碩士，研究方向：機電工程與智能檢測。