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机器人课程系列:群体机器人的应用情境

之前的课程中介绍群体机器人相较于单体机器人有着功能更强大、设计及制造成本更低、效率更高和环境适应力更厉害等优点。如果仔细观察,我们会发现到群体机器人的核心优势就是「透过团队合作,以低成本、高效率来达成任务」,目前已有许多研究群体机器人的实验室或机构,皆围绕着这个特点发展出一个个精彩的研究主题。

今天,我们将进一步来聊聊群体机器人适合做哪些类型的工作,和目前有哪些领域的应用让研究人员感到兴趣。

群体机器人适合哪些工作?

群体机器人有着团队合作的特质,他们非常适合被应用在符合下述需求的场合:

1. 任务需要涵盖大范围

群体机器人非常适合工作范围涵盖大面积的项目使用。一群机器人散布在各自负责的范围,监控整个区域的动态变化,例如:实时监控被有害物质污染的区域。

除了群体机器人之外,固定式的污染源感知器这类的装置也可以达到监控的功能,然而,相较之下,群体机器人会比感知器更适合用来执行这一类的任务,因为每一个群体机器人的个体,都可以在各自负责的区域内动态巡逻,而不只是维持在固定的位置不动。换句话说,群体机器人可以用更少的装置来达到实时区域监控的目的。

除了实时监控,群体机器人也可以用来搜寻和定位污染源头,向目标区域移动并采取快速实时的反应。在紧急情况下,机器人甚至可以聚集在一起,形成一个类似补丁的功能,来暂时阻止因源头所造成的影响,作为临时解决方案。

2. 工作可能造成机器人故障

在某些任务中,任务执行过程或是完成后,机器人会受到损伤,甚至无法修复。因此,如果使用复杂且昂贵的机器人是非常不划算的。这时,价格相对低廉的群体机器人则可以提供划算的解决方案。群体机器人价格低廉的优点,让机器人在执行任务的过程中,能够承受部分个体遭受破坏的损失,而不至于付出太昂贵的代价。

这也让机器人在执行任务时有了很大的自由度。这种不怕撞坏,勇往直前的勇气,尤其适合被应用在作业执行过程中可能对工作人员可能造成伤害的工作。

3. 工作量需随时调整

某些任务,可能需要随着工作完成度,弹性地调整参与任务机器人的数量,来因应现场环境变化的状况。群体机器人就具备了这样的能力,他们能够根据当前工作负载量,来调整参与任务的机器人数量,这样的规划既经济又省时。

以油罐车翻覆发生漏油事故为例,在发生石油泄漏初期,可以先集中所有的机器人参与漏油源头的防堵任务。随着源头漏油状况缓解,系统可以逐步减少参与处理漏油源头任务的机器人,将更多的资源投入污染清除工作;同时,也可以在不同污染程度的地区之间,调整投入任务机器人的比例,平衡各个区域清洁进度,以期待能够最有效率的协力完成任务。

4. 需有备用救援系统

群体机器人系统的另外一个优势,就是能够规划足够的备用救援系统。因为能弹性地安排机器人数量,因此在系统规画时,即可以加入备用支持系统,也就是多准备几只备用的机器人加入团队。使得整个机器人系统在执行任务时,即使因故损失了几台机器人,也不至于对系统的整体效能产生太大的影响,可以更确保任务得以顺利可靠的完成。

群体机器人的应用情境

群体机器人的应用主要着重于两个方向:一是怎么让一群机器人合作执行任务,其二是怎么将他们应用在真实的世界中。由于群体器人拥有团队合作的特性,他们非常适合应用在目标搜寻,合作搬运、协同维修和障碍物或污染物清除等领域。尤其是危险的场域(如:灾后现场或战场),或是人类无法到达的地方(如:深海或外层空间)。一起来看看一些应用情境:

1. 合力执行任务

在合力执行任务上,像是协力将物体搬运到指定的位置,过程中可能需要配合环境,自行编排队伍和避开障碍物;或是一群机器人同时在一个区域内,收集所处位置相关的讯息,并绘制出区域地图。有机器人研究单位提出了一种非常便宜、精巧,并能够自主运作的微型体积机器人,可以用来检测喷射涡轮机的叶片是否有破损而需要维修。

2. 灾区搜救

群体机器人可以深入人类或大型机具无法进入的灾难现场搜寻生还者。进入灾难现场的第一时间可让机器人分散到各处,尽可能地覆盖到最大搜索面积;当其中任一只机器人寻找到待救援者时,可以实时通知其他机器人前来协助,共同将待援者移动至安全的地点安置。透过机器人来执行搜救任务,还可以排除因为天候或昼夜等对搜救进度造成的影响,因为机器人可以在任何天候和光照条件下执行作业。

另外,在搜救初期,对搜救人员来说,灾难现场通常是危机四伏,像是掉落物、有毒泄漏气体、火焰?等,搜救人员在搜救过程中发生意外的消息时有所闻,需要小心谨慎以避开危害。这些来自环境的干扰也会造成搜救进度延宕。如果可以利用群体机器人的备援优势,就算几只机器人在搜救过程中意外损坏,其他的机器人仍可以及时接替并继续执行任务,把握黄金救援时间。

3. 污染物清除

群体机器人能大面积的收集并清除污染物,而且还可以随着污染物清除的进度,调整工作范围和密度,让清除工作得以更快速且有效率地进行。群体机器人也可以扮演先遣部队的角色,在人类进入该区域前,预先进入被污染区并清除污染物。待有害物质清除后,人员再行进入污染区执行后续处置作业。同时,若是待清除污染物的数量过大,机器人也可以要其他机器人的支持,协助完成清理和搬运等任务。

低成本吸油机器人 Seaswarm

麻省理工学院的实验室就开发了一系列低成本,可用来吸收石油名为 Seaswarm 的机器人。机器人本体应用奈米材料,能够吸收的超过他体重20倍的油脂。他们可被应用于海洋洋面的油污清除,提供了海洋环境保护一个低成本的又有效的解决方案。

小结

围绕着如何让群体机器人有效率的团队合作并完成任务为发展主轴,群体机器人衍生出许多有趣的相关研究主题,例如机器人的合作及定位逻辑架构、机器人如何同步进行环境探索、机器人协同清洁大范围污染物等。伴随这些研究主题的进步发展,希望群体机器人能够在短时间内,走出实验室,进入人群中协助人类解决许多当前棘手的问题。

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