Swarm Robotics

又稱: Multi-Robot Systems, Robot Swarms, Collective Robotics
類別: Learning & autonomy › Multi-robot
標籤: multi-robot, distributed, collective, coordination, emergence

協調許多簡單機器人，透過局部互動實現複雜的集體行為。

定義

群體機器人是協調大量簡單機器人，透過局部互動而非集中控制湧現出集體行為的研究與應用。群體機器人受到螞蟻群落、蜂巢、魚群與鳥群等生物群體的啟發，遵循簡單的個體規則，產生複雜的群體層級行為。

群體機器人的核心原則： - 去中心化：沒有任何一台機器人控制整個群體。每台機器人依據局部資訊以及與附近鄰居的互動做出決策。 - 可擴展性：無論是 10 台還是 10,000 台機器人，系統都能運作。增加或移除機器人不需要重新編寫程式。 - 穩健性：個別機器人故障時，群體仍會繼續運作。系統沒有單點故障。 - 湧現：複雜的群體行為（隊形、探索、搬運）由簡單的個體規則產生，不需要在群體層級明確編寫程式。

常見的群體行為： - 聚集：機器人在沒有指定集合點的情況下聚集到某處。 - 分散：機器人散開以涵蓋某個區域，進行搜尋或監測。 - 集體搬運：多台機器人合作搬動任何單一機器人都搬不動的物體。 - 隊形控制：機器人排成幾何圖形，或維持彼此的相對位置。 - 覓食：機器人搜尋並收集物品，靈感來自螞蟻的覓食行為。

應用包括環境監測（海洋、森林、農業調查）、搜救（涵蓋大範圍災區）、倉儲物流、營建與太空探索。Kilobot（哈佛大學）、e-puck 與各種以 Arduino 為基礎的微型機器人等開源群體平台，讓群體研究更容易進行。通訊通常是局部的（紅外線、藍牙、視覺），而不是集中式的 WiFi。

為何重要

群體機器人研究的是由相對簡單的機器人組成的大型群體，如何透過局部互動而非集中控制產生有用的集體行為。它的吸引力在於穩健性與規模：沒有任何個體是不可或缺的，因此失去部分單元只會讓性能逐漸下降，而不會讓系統停擺，而且同一套控制規則往往無論是十台還是一千台機器人都適用。困難之處在於，全域行為是從局部規則湧現出來的，這使得要保證它遠比展示它困難得多。

主要應用

大範圍的分散式環境監測與感測
搜尋與涵蓋任務，平行化的效益勝過個體能力
以許多小型單元取代一台大型機器進行農業監測
無人機表演與編隊飛行
倉儲車隊，雖然實務上通常是集中協調
集體行為與自我組織的研究

實際應用

Kilobot 與 Crazyflie 無人機群等研究平台是標準的實驗載具，而聚集、群集（flocking）、集體搬運與區域涵蓋等經典展示，全都來自以鄰居為參考的簡單規則。實際部署較少見，通常也沒那麼純粹：倉儲車隊與無人機燈光秀採用集中協調而非湧現式協調，因為中央規劃器能保證無碰撞的排程，而湧現的局部規則做不到。

常見誤解

群體沒有協調：它們透過局部互動而非中央指揮來協調
湧現行為本質上就可靠：要從局部規則保證全域結果，確實非常困難
群體就是很多機器人：決定性特徵是去中心化控制，而不是數量
群體已經可以部署：大多數實際部署的多機器人系統都是集中協調的車隊

誰需要了解

多機器人系統與集體行為的研究人員
在許多簡單機器人與一台高能力機器之間權衡的工程師
任何在評估自我組織機器人車隊相關宣稱的人
學習去中心化控制的學生
任何在設計必須在單元損失時平穩降級之系統的人

影片

What are Robotic Swarms? An Overview: United Nations Institute for Disarmament Research

Open Source Robotics

Swarm Robotics

定義

為何重要

主要應用

實際應用

常見誤解

誰需要了解

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