受生物群体智能启发的多机器人系统研究
优秀青年基金项目研究内容
2．拟开展的研究工作着重阐述拟开展的研究工作的科学意义和创新性，技术路线、研究方案等的可行性（不超过4000 字）2.1 研究意义随着计算技术、传感器技术、通讯技术、控制理论、人工智能理论等的不断发展与成熟，由多个学科交叉而形成的机器人学研究也进入了一个崭新的阶段，其成果可应用于工业控制、交通、航空航天等多个领域。
但是单个机器人在信息获取、信息处理等方面的能力有限，为了高效地完成任务，对于复杂动态的工作环境，人们往往利用多机器人之间的协同工作来完成单个机器人难以完成的工作。
从20 世纪80 年代以来，分布式人工智能和复杂系统的研究工作逐渐开展并活跃起来，这些研究将分布式人工智能、复杂系统、社会学等其他领域中的理论和方法引入到机器人学的研究中，丰富了机器人学的研究内容。
这方面的研究往往从系统角度出发，探讨机器人群体乃至机器人社会的各种组织方式、信息交互方式、进化机制的基本问题，为机器人学的发展提供了一条新的思路。
然而，随着应用领域的推广，多机器人系统的规模也急剧扩大，系统的控制机制和通信机制也更为复杂，这为机器人学的研究带来了更大的挑战。
近年以来，研究者从自然界中存在一些生物群体现象收到启发，如大雁的编队飞行、鱼群的聚集以及蜜火虫闪光的同步现象等等。
通过对这些生物群体现象的分析可以看出，这些群体在没有集中控制和全局信息交互的情况下，只是通过自身与周边个体的局部协作和交互，完成了所有个体的聚集和同步，表现出了整体的一致性，这一生物现象不仅吸引了生物学专家的浓厚兴趣，同时也激发了计算机科学和控制科学等领域学者的研究热情，如何通过模拟生物学领域的群集和同步现象，分析和研究群体中的协同机制，成为了当前许多学者的研究热点。
受到生物系统所表现出的适应性、自组织性和灵活性的启发，比如蚂蚁可以利用自组织机制来灵活地解决觅食、搬运及队形等问题，可将生物系统的这种特性扩展延伸到多机器人系统中，使得机器人群体具备生物群体的智能性。
基于多智能体系统的机器人协同研究
基于多智能体系统的机器人协同研究在当今科技飞速发展的时代，机器人技术的进步令人瞩目。
其中，基于多智能体系统的机器人协同研究正逐渐成为一个热门的研究领域，为解决复杂任务和提高工作效率带来了新的可能性。
多智能体系统是由多个具有一定自主能力和交互能力的智能体组成的系统。
在机器人领域，这些智能体可以是不同类型、不同功能的机器人，它们通过相互协作来共同完成一个目标。
机器人协同工作的优势是显而易见的。
首先，它能够实现单个机器人无法完成的复杂任务。
例如，在大型货物的搬运中，一个机器人的力量和功能可能有限，但多个机器人协同作业，可以通过合理的分工和协作，高效地完成搬运任务。
其次，协同工作可以提高工作的效率和可靠性。
当一个机器人出现故障时，其他机器人可以及时补位，继续完成任务，从而减少因单个机器人故障导致的工作中断。
然而，要实现机器人的协同并非易事，需要解决许多关键问题。
其中之一就是通信问题。
在多智能体系统中，机器人之间需要及时、准确地交换信息，以协调彼此的动作。
这就要求有高效、可靠的通信机制。
目前，常见的通信方式包括无线通信、蓝牙通信等，但在复杂的环境中，信号干扰、延迟等问题可能会影响通信的质量，从而影响机器人的协同效果。
另外，任务分配也是一个重要的问题。
如何将一个复杂的任务合理地分解为多个子任务，并分配给不同的机器人，需要考虑到机器人的能力、资源和当前的状态等因素。
如果任务分配不合理，可能会导致某些机器人工作负荷过重，而其他机器人闲置，从而影响整个系统的效率。
为了解决这些问题，研究者们提出了许多方法和技术。
在通信方面，采用优化的通信协议和算法，提高通信的效率和可靠性。
同时，利用传感器融合技术，使机器人能够更准确地感知周围环境和其他机器人的状态，从而为通信提供更准确的信息。
在任务分配方面，基于智能算法的任务分配方法得到了广泛的应用。
例如，遗传算法、蚁群算法等可以在考虑多种因素的情况下，找到最优的任务分配方案。
此外，强化学习也被用于机器人的协同学习，使机器人能够通过不断的尝试和学习，逐渐优化自己的协同策略。
群体机器人研究综述
９６
化 工 自 动 化 及 仪 表
第 ４５卷
是从 自然群 中受 到 的启 发 ，可 以为 分 析 自然 群 体 的 特点 做好 的参考 。
开 始 的假设 相 当人 性 化 ，即 假 设 每 个 个 体 为 了合作 和交 流具 有 唯一 身份 。群体 里 的信 息交 换 被 当作 一个 集 中式 网络 。 由近 半 个世 纪 的研 究 ， 生 物学 家现 在 断 言 ，没 有 唯一 身 份 或 在 网络 中其 他 全局 存储 信 息 的存 在 。
的 应 用 范 围 ，并 列举 群 体 机 器 人 的 建 模 方 法 和 仿 真 平 台 。
关 键 词 群 体 机 器人 群 智 能 定 义 特 点 建模 仿 真
中 图分 类 号 ＴＰ２４
文 献 标 识 码 Ａ
文 章 编 号 １０００．３９３２（２０１８）０２－００９５－０５
群 居 昆 虫 的 集 体 行 为 （如 蜜 蜂 舞 蹈 、黄 蜂 巢 穴建 造 、鸟 类 迁 徙 和蚂 蚁 觅 食 ）长 期 以来 被 认 为 是 奇 怪 而神秘 的 。大 多数 群体 智 能启发 于 自然群 体 （如 昆 虫 、鱼 或 哺乳 类 ），研 究 这 些 群 体 中个 体 间 的相互 交 流意 义重 大 。这些 群体 是 由小 区域 的少数 个 体 到 超 过 百 万 个 体 组 成 的 高 度 组 织 部 落 ，出现 在群 体 里 的 团 队行 为 展 现 出强 大 的灵 活 性 和鲁 棒 性 ，如路 线规 划 、建 巢 、任务 分 配 以及 在 众多 自然 群体 中的其他 复 杂行 为 。虽然 在 自然群 体 中 的个 体 能力 较 弱 ，但 群 体 中存 在 复 杂 的 团 队 行为 ，例 如 ：鱼 群 能 够 以训 练 有 素 的 方 阵 高 速 游 走 ，能 在群 体 队形 里 做 出令 人 吃 惊 的 变化 而 不 会 发 生碰 撞 ，就好 像它 们 的运动 被设 计 过 了 ；蚂蚁 通 过信 息 素 、声 音及 触碰 等方 式进 行 交流 ；鸟群 在 迁徙 过 程 中 聚集 成 特 殊 的 形 态 并 在 各 种 感 觉 （如太 阳罗 盘 、磁 场 、视 觉 地 标 和 嗅 觉 ）的 帮 助 下 定 位方 向 。在 多 数 情 况 下 ，一 群 个体 确 实 有 能 力 容易 地解 决 复 杂 问 题 ，然 而 同 样 物种 的一 个 个 体 却不 能 ，因为 每 个 个 体 在行 为 之 中均 担 负 着 各 自的重 要角 色 。
基于多智能体系统的群体智能优化算法研究
基于多智能体系统的群体智能优化算法研究近年来，随着互联网和大数据技术的快速发展，人们对数据处理和分析能力的需求日益增长。
群体智能优化算法作为一种有效的数据处理和优化手段，逐渐得到广泛应用。
本文将从多智能体系统的角度出发，对群体智能优化算法进行探讨。
一、群体智能优化算法的概述群体智能优化算法是指一类基于自然生态系统中群体智能行为规律的优化方法。
它包括多种优化算法，如粒子群算法、蚁群算法、人工鱼群算法等。
这些算法不同于传统的优化方法，它们利用群体智能的协同作用，在寻找最优解的过程中实现优化目标。
群体智能优化算法的优点是可以在不依赖先验知识的情况下，对复杂多变的问题进行优化和求解。
同时，这些算法也有一些缺点，比如传统的算法需要大量的计算和存储资源，而且在大规模问题上效率较低。
为了弥补这些局限，科学家们提出了多智能体系统思想。
二、多智能体系统的基本特点和应用多智能体系统是指一组具有自我决策、自我适应和自组织性质的个体，它们通过相互交互和合作来协同解决问题的系统。
多智能体系统的个体具有以下特点：1. 自我决策性：个体具有自我决策的能力，可以根据所处环境和目标进行自适应调整。
2. 自我适应性：个体可以对自身状态和所处环境进行感知和反馈，从而实现自适应和动态调整。
3. 自组织性：个体可以自发地进行组织和分工，通过掌握信息和资源协作完成任务，实现系统整体的优化。
多智能体系统的应用非常广泛，涉及机器人、智能交通、环境监测、军事模拟等领域。
在群体智能优化算法研究中，多智能体系统的应用可以使算法更加高效和准确，提高求解效率和精度。
三、在群体智能优化算法中应用多智能体系统的方法及优化效果在群体智能优化算法中，引入多智能体系统的思想可以提高算法的效率和优化精度。
具体而言，多智能体系统引入了以下两种方法：1. 个体间协作：在群体智能优化算法中，个体之间的协作可以通过共享信息、资源和任务来实现。
这种协作方式利用个体之间的相互协助和协调，可以加速求解，提高优化效果。
基于群体智能的机器人路径规划研究
基于群体智能的机器人路径规划研究近年来，机器人技术得到了飞速的发展，尤其是在自动驾驶、机器人导航等领域，有着越来越广泛的应用。
机器人路径规划是机器人导航的核心问题之一，合理的路径规划可以提高机器人的效率和精度，改进机器人的导航能力。
本文将围绕基于群体智能的机器人路径规划进行研究，探讨其意义、现状和研究方向。
一、群体智能与机器人路径规划群体智能是指集合所有个体的智能，通过交流和合作，形成共同的智慧表现。
与传统的人工智能相比，群体智能更注重个体之间的协同共进，更接近于自然界中生物种群的行为。
机器人路径规划是基于机器人的任务和环境，寻找一条最短、最安全、最优的路径，使机器人实现任务的过程。
针对机器人路径规划中存在的难题，基于群体智能的算法被提出并得到广泛应用。
这类算法可以充分考虑环境的复杂性和不确定性，利用群体个体之间的信息共享，寻找最优的路径方案。
目前，国际学术界对基于群体智能的机器人路径规划进行了深入研究，不断提出了新的算法和模型，并在各个领域取得了丰硕的成果。
二、基于群体智能的机器人路径规划算法研究（一）蚁群算法蚁群算法利用蚂蚁所遵循的信息素标记、接触和记忆等行为规律，模拟了蚂蚁在寻找食物时的行为方式。
不断地更新信息素浓度、探索新的路径，并利用反馈机制和启发式规则，不断优化路径规划方案。
（二）遗传算法遗传算法是一种通过模拟自然界生物进化过程进行寻优的计算方法，其优化策略是通过基于群体个体的遗传学进行设计和搜索。
该算法可以在搜索空间中遍历不同位置，并根据每个位置的适应度来选择合适的路径方案。
（三）粒子群算法粒子群算法模拟了鸟群、鱼群等动物个体之间的协同行为。
在路径规划中，利用个体的位置和信息素来更新速度和位置，寻找当前状态下的最优路径。
该算法可以在无法获取环境极端情况下，实现最优路径的搜索。
三、基于群体智能的机器人路径规划应用当前，基于群体智能的机器人路径规划正在广泛应用于物流仓储、自动驾驶、巡检、救援等领域。
多机器人系统与群体机器人的研究
多机器人系统与群体机器人的研究摘要：随着科技的进步和机器人技术的不断发展，多机器人系统与群体机器人的研究日益成为人工智能和机器人学领域的热点。
本文主要探讨了多机器人系统和群体机器人的基本概念、系统构成、协调与协作机制以及应用场景等方面。
通过对群体机器人系统的深入剖析，分析了其系统架构、感知与决策、群体行为等关键技术。
同时，本文还讨论了多机器人系统和群体机器人在工业制造、医疗健康、救援救援、公共服务等领域的应用，并阐述了相关技术的挑战与未来发展趋势。
关键词：多机器人系统；群体机器人；协调；协作；应用场景一、引言多机器人系统与群体机器人的研究是当前机器人领域的重要研究方向，具有广泛的应用前景和实际需求。
随着机器人技术的不断发展，多机器人系统和群体机器人在工业制造、医疗健康、灾难救援、公共服务等领域的应用越来越受到关注。
本文将综述多机器人系统和群体机器人的研究现状、主要技术挑战以及未来发展趋势。
多机器人系统和群体机器人技术是实现自动化、智能化、高效化的重要手段，可以大幅提高生产效率、降低成本、提高产品质量，也可以在危险、复杂的环境下替代人类完成各种任务，具有重要的社会和经济价值。
二、多机器人系统概述多机器人系统是由两个或更多机器人组成的一个协同系统，这些机器人可以相互协作，以实现共同的目标。
多机器人系统的产生与发展，是适应复杂环境和复杂任务的需求，也是提高机器人性能和降低成本的需要。
多机器人系统的特点包括：可以完成单个机器人无法完成的任务，提高系统的可靠性和鲁棒性；可以实现功能和性能的扩展和提升；可以降低成本和提高效率，因为多个机器人可以分摊任务和共享资源。
多机器人系统的应用领域非常广泛，例如在工业制造中，可以实现自动化生产、智能制造等；在医疗健康领域，可以实现手术协助、护理等；在灾难救援领域，可以进行现场勘查、救援等；在公共服务领域，可以进行安全巡逻、交通管制等。
然而，多机器人系统也面临一些挑战和问题，例如如何实现多个机器人之间的协调和协作、如何保证系统的安全性和稳定性、如何进行有效的任务规划和路径规划等。
复杂环境下多机器人觅食路径规划与控制
下系统的稳定性 ， 群体在有限的时间内实现收敛 ， 并
第 ２期
杨茂 ， 等： 复杂环境下多机器人觅食路径规划与控制
给 出 了基 于模 型 参 数 的 内 聚 性 分 析． Ｌ ｉ ｕ等 考 虑 了噪 声环境 下 多机 器 人 系 统 的稳定 觅食 控 制 策 略 ． 但 以上 问题 的研究 都是 在外 部环 境相 对简 单 的基础
行为 ．
关键词 ： 多机器人 ； 分布式控制 ； 觅食 ； 路径规划 ； 内聚性
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｐ １ ８ 文献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ ４７ ８ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ １ ６ ２ － ０ ６
Ｆｏ ｒ ａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｔ ｈ ｐ ｌ ａ ｎ ｎｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ｏ ｒ
在相应 目标下 的最优光滑路径． 在此基础上设计 了相应的分布式控制策 略 ， 并对该 控制策略 下多机器人 系统运动 的 稳定性和 内聚性进行 了分析 ， 证明 了群体 内部平均动能能够收敛至给定值 ， 进 而保证 了多机 器人系统运 动规模 的可 控性 ， 且 不发 生碰撞 ． 仿真试验结果表 明， 在该 控制策略下 ， 多机器人 系统能够在 复杂的环境 下有效地实现 稳定觅食
光滑路径 ， 在此基础上使群体 中心跟踪该路径 ， 并设 计基于内部平均动能的分布式控制策略保证群体的
内聚性 ， 来 实 现避 障． 最 后利 用仿 真试 验验 证上 述控 制 策 略 的可行 性 ．
Ｊ Ｐ （ ｔ ）＋Ｐ （ ｆ ）＋Ｐ （ ｔ ）＋Ｐ （ ｔ ） ．
式中： Ｐ 。 、 Ｐ 、 Ｐ 、 Ｐ： 为 样 条 参 数 向量 ， （ ｔ ） （ ｔ ） 、
多智能体系统和智能群体行为的研究
多智能体系统和智能群体行为的研究随着人工智能技术的发展，多智能体系统和智能群体行为的研究逐渐成为了热点。
多智能体系统是由多个智能体组成的系统，每个智能体在系统中具有一定的独立性和自主性，同时又与其他智能体相互协作，以实现系统整体的目标。
而智能群体行为则是指在一定的环境下，多个智能体通过相互作用形成的集体行为。
多智能体系统和智能群体行为的研究有望广泛应用于无人机编队、自主车辆以及机器人等领域。
一、多智能体系统多智能体系统是由多个智能体组成的系统，每个智能体在系统中具有一定的独立性和自主性，同时又与其他智能体相互协作，以实现系统整体的目标。
多智能体系统有以下几个特点：1.多智能体系统具有分布式控制：多智能体系统中的每个智能体都具备一定的决策能力，能够根据自身的感知和信息处理和其他智能体协作实现系统目标。
2.多智能体系统中的智能体是异构的：多智能体系统中不同的智能体之间可能存在着不同的特征、能力和状态。
因此，在系统协作时需要考虑每个智能体的特点，分配任务和资源。
3.多智能体系统中的智能体是相互交互的：智能体之间可以通过通信、合作和竞争等方式进行交互，从而实现系统目标。
4.多智能体系统具有适应性：多智能体系统中的智能体可以根据不同的环境和任务，调整自身策略和行为，以适应不同的情况。
二、智能群体行为智能群体行为是指在一定的环境下，多个智能体通过相互作用形成的集体行为。
智能群体行为的研究涉及多个学科，包括生物学、物理学、计算机科学等。
智能群体行为不仅具有科学研究价值，同时还有广泛的应用前景，如灾难救援、物流配送、交通调度等领域。
1.智能群体行为的预测和建模：智能群体行为的预测和建模是智能群体行为研究的重要方向之一，通过对智能群体行为的分析和建模，可以更好地理解智能群体行为背后的机理，并为智能群体行为的控制和调配提供技术支持。
2.智能群体行为的仿真与实验：智能群体行为的仿真与实验是智能群体行为研究的重要手段之一，通过仿真和实验，可以更好地模拟和观察智能群体行为，并获得大量实验数据，以支持理论研究和实际应用。
多机器人系统
同样受蜂群和蚁群的启发，哈佛大学发明了一组由1024个微 型机器人 Kilobot组成的机器人群组，这组机器人可以在没 有中央智能控制系统协调和组织的情况下，自行协作完成指 定的任务。理论上讲，这个(zhè ge)机器人群组的大小、规 模和复杂度是没有限制的，可以根据需要进行调整。甚至可 以自行组合出另一个全新的机器人。Kilobot 机器人可以在 帮助石油泄漏理、深海冒险等领域。
目前已完成Sambot机器人之间的自主对接(duì jiē)与给定构型机器人结构的运动控 制等实验。群体系统通过个体机器人之间的相互连接与分离，构建能够自动适应空间和 其它复杂非结构化环境的变化的“形态”和“神经”可协同进化的机器人结构。
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产品展示
Robi是由东京大学与丰田汽车共同研制的智能机 器人，外形酷似“阿童木”，具有面部识别功能 ，眼睛会根据情绪的变化而改变颜色，并可通过 语音识别与人和机器人进行(jìnxíng)简单的对话 。上图是日本东京DIY机械展览上100个robi机器 人通过语音控制大跳“广场舞”。
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多机器人系统 (xìtǒng)
05
04
06
03
07
02
08
01
09
01 Bionic-Robot 分类？
02 什么是多机器人系统？ 03 多机器人系统(xìtǒng)的灵感来源
04 为什么要研究多机器人系统？
05 多机器人系统的特点？
06 多机器人系统适合执行的任务？ 07 多机器人系统的社会/个体特征？ 08 多机器人系统的主要研究内容？
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产品展示
这些机器人由比利时布鲁塞尔自由大学的Marco Dorigo牵头，由来自意大利、瑞士的研究人员共同 开发。基于蚁群原理但并没有互相通信的能力，仅 仅依据周围的情况自行判断。在任务场景中它们会 搜索红色目标，并用钳子抓住它，这时机器人就会 把自己的颜色(yánsè)从蓝转为红，最终所有的机器 人都连成了一串，整个场景中已经没有蓝色物体， 这时它们就开始齐心合力的拖动目标了。
机器人技术在生物科学研究中的应用
机器人技术在生物科学研究中的应用生物科学是一门研究生命现象的学科，涉及到生物学、生态学、遗传学、动物学、植物学等多个领域。
随着科学技术的不断发展，机器人技术在生物科学研究中的应用也越来越广泛。
本文将从机器人技术在生物学、遗传学、生态学、动物学、植物学等方面的应用入手，介绍机器人在生物科学领域的一些研究进展，以及未来的发展方向。
机器人技术在生物学中的应用1. 基因编辑机器人：CRISPR-Cas9已经被用来编辑人类基因，但是手工操作极其困难。
为了解决这个问题，科学家们研制出了基因编辑机器人。
这些机器人能够快速准确地编辑细胞中的基因，从而得出更加精确的实验结果。
此外，基因编辑机器人还可以用于研究癌症、神经系统疾病等多个领域。
2. 细胞分类机器人：为了能够更加准确地分析细胞，科学家们研制出了细胞分类机器人。
这些机器人可以根据细胞的形状、大小等特征对其进行分类。
这对于细胞生物学、生物医学等领域的研究都有着重要的意义。
3. 自主学习机器人：生物学研究中需要进行海量的数据处理，使用自主学习机器人可以大大提高数据分析的效率。
这些机器人可以通过学习、探索不断提高自己的能力，可以更加准确地识别、分析、分类细胞等基本生物单元。
机器人技术在遗传学中的应用1. 基因测序机器人：人类基因组组成过于复杂，基因测序需要花费大量时间和精力。
为了提高效率，研究者们开发了基因测序机器人。
这些机器人可以快速测序、分析基因组，为基因组学、遗传学等领域的研究提供了很大的便利。
2. 基因家系结构机器人：基因家系结构机器人可以通过对基因群体之间的联系进行分析，推断出某一基因群体以及与其相关的基因。
这些机器人可以用于研究遗传病、基因突变等问题。
3. 基因编辑机器人：CRISPR-Cas9被广泛应用于基因编辑。
在遗传学研究中，基因编辑机器人可以用于研究遗传病、基因缺失、基因表达等问题。
机器人技术在生态学中的应用1. 生态监测机器人：陆地和海洋生态系统对于我们的生活具有重要意义。