面向智能工厂的分布式多机器人协作任务分配机制

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随着“中国制造2025”的不断深入发展,通过紧密的围绕重点制造领域的关键环节,我国展开了对新一代信息技术和智能制造装备的融合发展以及创新。当前,各行各业纷纷进行智能工厂的建设,如一大批智能制造高端企业、车企、生产设备制造商等。随着传统工厂中制造加工环节的全面自动化、智能化,各类机器人被引入制造环节,共同协作完成制造加工任务,智能工厂中执行生产制造任务的多机器人系统(Multi-robot System,MRS)也将越来越复杂。如何有效的分配生产制造的任务,使得智能工厂多机器人系统高效运作成为亟待解决的问题。本文对静态环境下智能工厂中多机器人协作任务分配问题展开了研究,首先研究了多机器人任务分配(Multi-robot Task Allocation,MRTA)的国内外研究现状,以及多机器人任务分解的相关理论。使用任务分类法对各类多机器人系统进行MRTA问题分类,并依次分析各类MRTA问题对应的解决方案。然后分别对智能工厂中的两种MRTA问题类型进行研究。针对智能工厂中简单类型的MRTA问题,建立了分布式的多机器人通信网络,考虑协作任务的需求和机器人的执行能力约束,定义了多机器人任务分配问题。在对任务进行分解后的基础上,基于改进后的分布式拍卖算法对该问题进行求解,该算法不需要控制中心存储相关拍卖信息,每个机器人通过多机器人网络中的邻接节点通信,并进行算法的分析和仿真实验。然后,本文研究了在智能工厂中另一类较为复杂类型的MRTA问题,根据其任务复杂不可分解、多机器人相互依赖的特点,采用形成多机器人联盟的方法对此类问题进行简化。通过建立组合能量剩余函数,任务代价函数以及容错率函数等多机器人联盟的评价函数,基于改进后的二进制粒子群优化算法(Improved Binary Particle Swarm Optimization,IBPSO)设计一种单任务目标下的联盟形成算法。在联盟形成的基础上,设计了单任务的分布式任务分配机制,并对联盟形成算法进行算法分析和实验仿真。最后,本文开发了基于WEB的多机器人协作任务分配系统,该系统具有生产计划,机器人管理和机器人监控等模块,通过各类模块完成了生产计划和机器人协作任务分配的映射关系。最终,通过该系统对本文提出的基于联盟形成的多机器人协作任务分配机制进行模拟实验。
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