2.793

                    2018影響因子

                    (CJCR)

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                    智能體Petri網融合的多機器人?多任務協調框架

                    李勇 李坤成 孫柏青 張秋豪 王義娜 楊俊友

                    李勇,  李坤成,  孫柏青,  張秋豪,  王義娜,  楊俊友.  智能體Petri網融合的多機器人?多任務協調框架.  自動化學報,  2021,  47(8): 2029?2049 doi: 10.16383/j.aas.c190400
                    引用本文: 李勇,  李坤成,  孫柏青,  張秋豪,  王義娜,  楊俊友.  智能體Petri網融合的多機器人?多任務協調框架.  自動化學報,  2021,  47(8): 2029?2049 doi: 10.16383/j.aas.c190400
                    Li Yong,  Li Kun-Cheng,  Sun Bai-Qing,  Zhang Qiu-Hao,  Wang Yi-Na,  Yang Jun-You.  Multi-robot-multi-task coordination framework based on the integration of intelligent agent and Petri net.  Acta Automatica Sinica,  2021,  47(8): 2029?2049 doi: 10.16383/j.aas.c190400
                    Citation: Li Yong,  Li Kun-Cheng,  Sun Bai-Qing,  Zhang Qiu-Hao,  Wang Yi-Na,  Yang Jun-You.  Multi-robot-multi-task coordination framework based on the integration of intelligent agent and Petri net.  Acta Automatica Sinica,  2021,  47(8): 2029?2049 doi: 10.16383/j.aas.c190400

                    智能體Petri網融合的多機器人?多任務協調框架

                    doi: 10.16383/j.aas.c190400
                    基金項目: 國家自然科學基金(61906125), 遼寧省自然科學基金(2019-ZD-0205, 20180550596), 遼寧基金資助
                    詳細信息
                      作者簡介:

                      李勇:沈陽工業大學電氣工程學院副教授. 2010年獲得東北大學控制理論與控制工程博士學位. 主要研究方向為系統建模與多目標優化和機器學習. E-mail: liyong@sut.edu.cn

                      李坤成:沈陽工業大學電氣工程學院碩士研究生. 主要研究方向為多機器人 ? 多任務協調. E-mail: likuncheng94@aliyun.com

                      孫柏青:沈陽工業大學電氣工程學院副教授. 2006年獲得日本高知工科大學智能機械系統工程專業工學博士學位. 主要研究方向為智能康復機器人和人機交互. 本文通信作者. E-mail: sunbaiqing@sut.edu.cn

                      張秋豪:沈陽工業大學電氣工程學院副教授. 2005年獲得北京郵電大學信號與信息處理博士學位. 主要研究方向為康復機器人. E-mail: zhangqhao@sina.com

                      王義娜:沈陽工業大學電氣工程學院副教授. 2014年獲得日本高知工科大學基礎工學系博士學位. 主要研究方向為智能康復機器人, 運動控制, 智能算法. E-mail: wang.yina@sut.edu.cn

                      楊俊友:沈陽工業大學電氣工程學院教授. 1993年獲得哈爾濱工業大學電氣工程博士學位. 主要研究方向為智能福祉機器人, 智能電網, 特種電機及其控制. E-mail: junyouyang@sut.edu.cn

                    Multi-robot-multi-task Coordination Framework Based on the Integration of Intelligent Agent and Petri Net

                    Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (61906125), Natural Science Foundation of Liaoning Province (2019-ZD-0205, 20180550596), Natural Science of Liaoning Province
                    More Information
                      Author Bio:

                      LI Yong Associate professor at the School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology. He received his Ph. D. degree in control theory and control engineering from Northeastern University in 2010. His research interest covers system modeling and multi-objective optimization, machine learning

                      LI Kun-Cheng Master student at the School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology. His main research interest is multi-robot-multi-task coordination

                      SUN Bai-Qing Associate professor at the School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology. He received his Ph. D. degree in intelligent mechanical system engineering from Kochi University of Technology, Japan, in 2006. His research interest covers intelligent rehabilitation robots and human-robot interaction. Corresponding author of this paper

                      ZHANG Qiu-Hao Associate professor at the School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology. He received his Ph. D. degree in signal and information processing from Beijing University of Posts and Telecommunications in 2005. His research interest covers rehabilitation robots

                      WANG Yi-Na Associate professor at the School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology. She received her Ph. D. degree in engineering from Kochi University of Technology, Japan, in 2014. Her research interest covers intelligent rehabilitation robots, motion control, intelligent algorithm

                      YANG Jun-You Professor at the School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology. He received his Ph. D. degree in electrical engineering from Harbin Institute of Technology in 1993. His research interest covers intelligent welfare robot, smart grid, special motors and their control

                    • 摘要:

                      為解決異構的服務機器人團隊為多位老人服務時的協調問題以及在此過程中如何最大化老人的總體滿意度, 提出了一種服務于多人的多機器人?多任務協調框架. 首先, 結合時延Petri網和顏色Petri網提出了可擴展時延?顏色Petri網(Scalable timed-colored Petri net, STdCPN)對養老院情境下服務機器人照顧老人的過程進行建模. 然后, 將老人的感受和情緒作為機器人照顧老人時的重要指標, 構建了服務對象滿意度模型. 最后, 設計智能體來實現該協調框架的調度, 該智能體通過考慮老人“個人因素” 和機器人的實時狀態、位置等信息來對任務進行合理的規劃調度, 使機器人幫助老人完成任務的同時, 最大化老人總體滿意度.

                    • 圖  1  送老人去衛生間及送回過程中使用的機器人

                      Fig.  1  Robots for send the elderly to the toilet and return

                      圖  2  SR和CR協同送老人去衛生間及送回STdCPN模型

                      Fig.  2  STdCPN model for SR and CR work together to send the elderly to the toilet and return

                      圖  3  基于智能體的考慮人的因素的協調框架結構示意圖

                      Fig.  3  Diagram of coordination framework considering human factors based on intelligent agent

                      圖  4  基于智能體的考慮人的因素的協調框架算法流程圖

                      Fig.  4  Algorithm flow chart of coordination framework considering human factors based on intelligent agent

                      圖  5  養老院模擬場景平面圖

                      Fig.  5  Nursing home simulation scene plan

                      圖  6  機器人初始位置

                      Fig.  6  Initial position of the robots

                      圖  7  養老院運行情況STdCPN模型

                      Fig.  7  STdCPN model of nursing home situation

                      圖  8  案例1中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  8  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 1

                      圖  9  案例1中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  9  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 1

                      圖  11  案例2中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  11  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 2

                      圖  13  案例3中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  13  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 3

                      圖  10  案例2中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  10  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 2

                      圖  12  案例3中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  12  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 3

                      圖  14  案例4中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  14  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 4

                      圖  15  案例4中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  15  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 4

                      圖  16  案例5中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  16  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 5

                      圖  17  案例5中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  17  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 5

                      圖  19  案例6中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  19  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 6

                      圖  18  案例6中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  18  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 6

                      圖  20  案例7中機器人初始位置

                      Fig.  20  Initial position of the robots in case 7

                      圖  22  案例7中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  22  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 7

                      圖  21  案例7中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  21  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 7

                      圖  23  案例8中機器人初始位置

                      Fig.  23  Initial position of the robots in case 8

                      圖  25  案例8中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  25  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 8

                      圖  26  案例9中機器人初始位置

                      Fig.  26  Initial position of the robots in case 9

                      圖  28  案例9中不同任務執行順序下老人的總體滿意度

                      Fig.  28  Overall satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 9

                      圖  24  案例8中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  24  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 8

                      圖  27  案例9中不同任務執行順序下老人的個人滿意度

                      Fig.  27  Personal satisfaction of the elderly under different task execution sequences in case 9

                      表  1  送老人去衛生間及送回STdCPN模型中庫所含義

                      Table  1  The mean of spaces in the STdCPN model of send the elderly to the toilet and return

                      庫所含義
                      $p_1$老人在自己的床位上
                      $p_2$SR 處于空閑狀態
                      $p_3$CR 處于空閑狀態
                      $p_4$老人在虛擬的“等待區” 內等待,智能體進行任務規劃和資源分配
                      $p_5$老人等待 SR 和 CR 到來
                      $p_6$老人被拉起前的準備過程
                      $p_7$老人在 SR 幫助下的站起過程
                      $p_8$SR 與 CR 的對接過程
                      $p_9$老人在 SR 幫助下的下坐過程
                      $p_{10}$老人坐在 CR 上
                      $p_{11}$CR 載著老人前往衛生間
                      $p_{12}$老人被拉起前的準備過程
                      $p_{13}$老人在 SR 幫助下的站起過程
                      $p_{14}$SR 與馬桶的對接過程
                      $p_{15}$老人在 SR 幫助下的下坐過程
                      $p_{16}$老人坐在衛生間內的馬桶上
                      $p_{17}$老人在虛擬的“等待區” 內等待, 智能體進行任務規劃和資源分配
                      $p_{18}$老人等待 SR 和 CR 到來
                      $p_{19}$老人被拉起前的準備過程
                      $p_{20}$老人在 SR 幫助下的站起過程
                      $p_{21}$SR 與 CR 的對接過程
                      $p_{22}$老人在 SR 幫助下的下坐過程
                      $p_{23}$老人坐在 CR 上
                      $p_{24}$CR 載著老人前往老人的床位
                      $p_{25}$老人被拉起前的準備過程
                      $p_{26}$老人在 SR 幫助下的站起過程
                      $p_{27}$SR 與床位的對接過程
                      $p_{28}$老人在 SR 幫助下的下坐過程
                      下載: 導出CSV

                      表  2  送老人去衛生間及送回STdCPN模型中變遷含義

                      Table  2  The mean of transitions in the STdCPN model of send the elderly to the toilet and return

                      變遷含義
                      $t_1$老人提出去衛生間的需求
                      $t_2$SR 和 CR 開始前往老人的床位
                      $t_3$SR 和 CR 到達老人的床位
                      $t_4$老人已做好站起準備
                      $t_5$老人站起動作完成
                      $t_6$SR 與 CR 對接完成
                      $t_7$老人下坐動作完成
                      $t_8$CR 開始運載老人前往衛生間
                      $t_9$CR 載著老人到達衛生間
                      $t_{10}$老人已做好站起準備
                      $t_{11}$老人站起動作完成
                      $t_{12}$SR 與馬桶對接完成
                      $t_{13}$老人下坐動作完成
                      $t_{14}$老人提出返回床位的需求
                      $t_{15}$SR 和 CR 開始前往老人所在位置
                      $t_{16}$SR 和 CR 到達老人所在位置
                      $t_{17}$老人已做好站起準備
                      $t_{18}$老人站起動作完成
                      $t_{19}$SR 與 CR 對接完成
                      $t_{20}$老人下坐動作完成
                      $t_{21}$CR 開始運載老人前往老人的床位
                      $t_{22}$CR 載著老人到達老人的床位
                      $t_{23}$老人已做好站起準備
                      $t_{24}$老人站起動作完成
                      $t_{25}$SR 與床位對接完成
                      $t_{26}$老人下坐動作完成
                      下載: 導出CSV

                      表  3  任務信息

                      Table  3  Task information

                      任務優先級拉起次數放下次數所需機器人
                      去衛生間4221 臺 SR, 1 臺 CR
                      去餐廳2221 臺 SR, 1 臺 CR
                      站起1101 臺 SR
                      下載: 導出CSV

                      表  5  案例2中老人的個人信息

                      Table  5  Personal information of the elders in case 2

                      人員性格急躁
                      程度
                      舒適運載
                      速度 (m/s)
                      舒適拉起
                      時間 (s)
                      舒適下坐
                      時間 (s)
                      已等待
                      時間 (s)
                      老人 A1.10.5330
                      老人 B1.10.9330
                      老人 C1.10.5330
                      下載: 導出CSV

                      表  6  案例3中老人的個人信息

                      Table  6  Personal information of the elders in case 3

                      人員性格急躁
                      程度
                      舒適運載
                      速度 (m/s)
                      舒適拉起
                      時間 (s)
                      舒適下坐
                      時間 (s)
                      已等待
                      時間 (s)
                      老人 A1.41.21115
                      老人 B1.10.9330
                      老人 C1.10.5330
                      下載: 導出CSV

                      表  4  案例1中老人的個人信息

                      Table  4  Personal information of the elders in case 1

                      人員性格急躁
                      程度
                      舒適運載
                      速度 (m/s)
                      舒適拉起
                      時間 (s)
                      舒適下坐
                      時間 (s)
                      已等待
                      時間 (s)
                      老人 A1.10.5330
                      老人 B1.10.5330
                      老人 C1.10.5330
                      下載: 導出CSV

                      表  7  案例4中老人的任務信息

                      Table  7  Task information of the elders in case 4

                      人員所執行任務
                      老人 A站起
                      老人 B去餐廳
                      老人 C去衛生間
                      下載: 導出CSV

                      表  8  案例5中老人的任務信息

                      Table  8  Task information of the elders in case 5

                      人員所執行任務
                      老人 A去餐廳
                      老人 B去衛生間
                      老人 C站起
                      下載: 導出CSV

                      表  9  案例6中老人的任務信息

                      Table  9  Task information of the elders in case 6

                      人員所執行任務
                      老人 A去衛生間
                      老人 B站起
                      老人 C去餐廳
                      下載: 導出CSV

                      表  10  案例7中老人的個人信息

                      Table  10  Personal information of the elders in case 7

                      人員性格急躁
                      程度
                      舒適運載
                      速度 (m/s)
                      舒適拉起
                      時間 (s)
                      舒適下坐
                      時間 (s)
                      已等待
                      時間 (s)
                      老人 A1.00.42.53.50
                      老人 B1.30.32.32.60
                      老人 C1.10.51.71.72
                      下載: 導出CSV

                      表  11  案例7中老人的任務信息

                      Table  11  Task information of the elders in case 7

                      人員所執行任務
                      老人 A去衛生間
                      老人 B去餐廳
                      老人 C去衛生間
                      下載: 導出CSV

                      表  12  案例8中老人的個人信息

                      Table  12  Personal information of the elders in case 8

                      人員性格急躁
                      程度
                      舒適運載
                      速度 (m/s)
                      舒適拉起
                      時間 (s)
                      舒適下坐
                      時間 (s)
                      已等待
                      時間 (s)
                      老人 A1.10.252.43.57
                      老人 B1.00.382.02.33
                      老人 C1.20.423.12.50
                      下載: 導出CSV

                      表  13  案例8中老人的任務信息

                      Table  13  Task information of the elders in case 8

                      人員所執行任務
                      老人 A去餐廳
                      老人 B站起
                      老人 C去衛生間
                      下載: 導出CSV

                      表  14  案例9中老人的個人信息

                      Table  14  Personal information of the elders in case 9

                      人員性格急躁
                      程度
                      舒適運載
                      速度 (m/s)
                      舒適拉起
                      時間 (s)
                      舒適下坐
                      時間 (s)
                      已等待
                      時間 (s)
                      老人 A1.00.655.24.615
                      老人 B1.30.884.83.00
                      老人 C1.20.514.34.410
                      下載: 導出CSV

                      表  15  案例9中老人的任務信息

                      Table  15  Task information of the elders in case 9

                      人員所執行任務
                      老人 A去衛生間
                      老人 B站起
                      老人 C去餐廳
                      下載: 導出CSV
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                    • 加載中
                    圖(28) / 表(15)
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                    出版歷程
                    • 收稿日期:  2019-05-22
                    • 錄用日期:  2019-10-21
                    • 網絡出版日期:  2019-12-20
                    • 刊出日期:  2021-08-20

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