一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架技术方案

本发明专利技术公开了一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，主要采用了损失检测机制、声誉机制、区块链技术等。基于此框架设计的中心化群体机器人系统能够兼容不同类型的机器人，拥有稳定快速的执行效率以及抵抗各类攻击的能力，且能很好地保护数据交互隐私，同时提供全局信息，从而使系统中的机器人更好地做出决策。本发明专利技术提出的技术方案与现有的去中心化群体机器人框架相比更安全、更稳定，更适合在实际生产中落地应用。在实际生产中落地应用。在实际生产中落地应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架


[0001]本专利技术涉及群体机器人
，尤其涉及一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架。

技术介绍

[0002]群体机器人系统(Swarm Robotic System)的主要目标是通过大量的简单机器人，在机器人与机器人之间、机器人与环境之间完成系统使用者期望得到的集体行为。同时，群体机器人系统拥有扩展性好、灵活性强、容错率高等特点。
[0003]现有的群体机器人系统根据架构设计的不同，可分为两大类：中心化群体机器人系统与去中心化群体机器人系统。中心化群体机器人系统中常拥有一个到多个中央指挥的角色，其主要职责是收集来自各个机器人的数据进行计算并指定群体的全局行为；而这一特点使得中心化群体机器人系统对中央指挥的存活状态高度敏感，一旦中央指挥丢失，则系统将陷入瘫痪；此外，受系统控制策略以及系统通讯能力所限，系统无法支撑机器人数量不断增加的应用场景，进而无法完成更为复杂的任务。在去中心化群体机器人系统中，由于不需要中心化决策角色，同时采取分布式的通讯及控制方式，可以有效地避免数据处理中心化带来的延迟，并使整个系统的计算复杂度不再受限于群体大小。但现有的去中心化群体机器人系统仍面临着许多挑战，比如：无法将群体收集到的传感数据整合为全局知识；即使机器人间通过局部互动来分享全局知识，也无法使机器人很好地根据全局知识做出决策；随着机器人个体数量的不断增长以及机器人个体分布的越发广泛，现有的系统难以保证全局知识在传播过程中的安全性与稳定性。
[0004]Ferrer[The blockchain:a new framework for robotic swarm systems[C]//Proceedings of the future technologies conference.Springer,Cham,2018:1037
‑
1058.]提出将区块链技术与去中心化群体机器人系统进行结合，并讨论了区块链在系统中的应用场景，强调了全局知识的重要性，但未能提供详细的理论基础去指导实现基于区块链的群体机器人系统。Ozyilmaz等人[Ozyilmaz K R,Yurdakul A.Designing a Blockchain
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based IoT with Ethereum,swarm,and LoRa:the software solution to create high availability with minimal security risks[J].IEEE Consumer Electronics Magazine,2019,8(2):28
‑
34.]提出并初步实现了基于区块链的物联网基础设施框架(Blockchain
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based Internet of Things Infrastructure)，结合了区块链技术后，使得系统中的机器人能够根据全局知识完成决策，但仍然存在安全性与鲁棒性不足，不能有效地应对恶意攻击、机器人个体损失的问题。这说明现有研究的成果难以投入实际应用，而现有系统又缺乏泛化能力，无法提供充分的安全分析、完善的测试机制、更优秀的安全协议。
[0005]上述问题都阻碍着群体机器人系统的进一步发展。
[0006]专利文献CN110597905A公开了一种基于区块链实现的去中心化集群控制系统及工作方法，该系统由不少于2个的机器人集群单元构成；每个机器人单体即为集群控制系统
内的一个节点；机器人集群单元是由不少于n个的区块组成LORA区块链网络；机器人单体是由LORA通信模块、运动装置模块、传感器模块、状态评估模块和智能合约模块组成；传感器连接在状态评估模块上，应用协同控制算法，对传感器的原始数据进行处理、融合形成状态码发送给智能合约模块，然后根据当前状态码进行投票，当集群达成共识后，就采用对应策略作为行动指示。该方案针对无人机集群利用区块链技术构成了去中心化控制系统，在解决拜占庭将军问题、军事集群应用安全领域，具有非常强的实用性与可研究性。但是该方案仍然不可兼容不同类型机器人、不可适应不同应用场景。

技术实现思路

[0007]为了解决上述
技术介绍
所存在的至少一个技术问题，本专利技术提供一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，该系统框架可兼容不同类型机器人、可适应不同应用场景、可满足实际中生产安全需求。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0009]一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，包括：
[0010]机器人层，包括机器人注册管理器和机器人任务管理器；所述机器人注册管理器用于负责完成机器人注册流程并管理所有机器人的信息，为机器人提供查询特定机器人信息的服务；所述机器人任务管理器用于为机器人提供任务操作相关的服务，包括发布任务、接收任务、完成任务；
[0011]机构层，包括机构注册管理器和全局知识管理器；所述机构注册管理器用于负责完成机构注册流程并管理所有机构的注册信息，为机构提供查询其他机构信息的服务；所述全局知识管理器用于负责执行全局知识的保存与更新操作；
[0012]损失检测机制，通过结合区块链技术与心跳信息机制，使群体机器人系统中的个体判断其他机器人是否丢失；
[0013]信誉机制，通过记录群体机器人系统中各个体的声誉分数，并根据个体行为对其声誉分数进行更新。
[0014]进一步地，所述机构注册管理器和全局知识管理器皆通过机构合约来实现。
[0015]进一步地，所述损失检测机制通过结合区块链技术与心跳信息机制，使机器人层和机构层中的个体判断其他机器人是否丢失包括：
[0016]心跳包生成：机器人首先需要选取一个随机数并根据自身身份i、区块链上最新区块的哈希值Hv
L
、以及当前时间戳Ct生成心跳包(符号||指字符串拼接操作，下同)，其中为机器人将通过私钥进行签名的结果；
[0017]心跳包发送：机器人在新区块生成时必须发送心跳包到联盟区块链；如机器人出于某种原因未能完成发送，则心跳增大；
[0018]心跳包验证：各机构从联盟区块链上获取机器人R
i
的公钥用于验证心跳包中的数据字段如果符合比例要求的机构认同心跳包有效且心跳包的签名合法性得到验证，则重置机器人R
i
在链上的心跳状态为0，否则机构应丢弃心跳包若机器人R
j
需要确定机器人R
i
是否丢失，R
j
先发送请求到联盟区块链获取R
i
的心跳状态当
时，则认为机器人R
j
仍然存活，反之则认为机器人R
j
丢失；其中μ为判定机器人是否丢失的阈值；
[0019]损失补救：若检测到任务发布者R
i
在任务执行过程中丢失，将取消任务并且告知已经接收任务的所有协助者若作为任务协助者R
j
在任务执行过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，其特征在于，包括：机器人层，包括机器人注册管理器和机器人任务管理器；所述机器人注册管理器用于负责完成机器人注册流程并管理所有机器人的信息，为机器人提供查询特定机器人信息的服务；所述机器人任务管理器用于为机器人提供任务操作相关的服务，包括发布任务、接收任务、完成任务；机构层，包括机构注册管理器和全局知识管理器；所述机构注册管理器用于负责完成机构注册流程并管理所有机构的注册信息，为机构提供查询其他机构信息的服务；所述全局知识管理器用于负责执行全局知识的保存与更新操作；损失检测机制，通过结合区块链技术与心跳信息机制，使群体机器人系统中的个体判断其他机器人是否丢失；信誉机制，通过记录群体机器人系统中各个体的声誉分数，并根据个体行为对其声誉分数进行更新。2.如权利要求1所述的基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，其特征在于，所述机构注册管理器和全局知识管理器皆通过机构合约来实现。3.如权利要求1所述的基于区块链的去中心化群体机器人框架，其特征在于，所述损失检测机制通过结合区块链技术与心跳信息机制，使机器人层和机构层中的个体判断其他机器人是否丢失包括：心跳包生成：机器人首先需要选取一个随机数并根据自身身份i、区块链上最新区块的哈希值Hv
L
、以及当前时间戳Ct生成心跳包其中为机器人将通过私钥进行签名的结果；心跳包发送：机器人在新区块生成时必须发送心跳包到联盟区块链；如机器人出于某种原因未能完成发送，则心跳增大；心跳包验证：各机构从联盟区块链上获取机器人R
i
的公钥用于验证心跳包中的数据字段如果符合比例要求的机构认同心跳包有效且心跳包的签名合法性得到验证，则重置机器人R
i
在链上的心跳状态为0，否则机构应丢弃心跳包若机器人R
j
需要确定机器人R
i
是否丢失，R
j
先发送请求到联盟区块链获取R
i
的心跳状态当时，则认为机器人R
j
仍然存活，反之则认为机器人R
j
丢失；其中μ为判定机器人是否丢失的阈值；损失补救：若检测到任务发布者R
i
在任务执行过程中丢失，将取消任务并且告知已经接收任务的所有协助者若作为任务协助者R
j
在任务执行过程中丢失，将通知系统中其他处于空闲状态且符合任务要求的机器人代替R
j
，保证任务的正常执行。4.如权利要求1所述的基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，其特征在于，所述信誉机制用于通过记录群体机器人系统中各个体的声誉分数，并根据个体行为对其声誉分数进行更新包括：机器人声誉初始化：每个新注册机器人的声誉分数都初始化为设定值；
机器人声誉更新：若机器人R
i
发起非法任务攻击或拒绝工作攻击，则更新声誉分数发起非法任务攻击或拒绝工作攻击，则更新声誉分数若机器人正常接收并完成任务，则更新声誉分数其中α与β是常量，且α＞β；当时，v作为判定机器人是否为恶意的阈值，则机器人R
i
将被其他个体视为恶意的。5.如权利要求4所述的基于区块链的去中心化群体机器人系统框架，其特征在于，所述机器人注册管理器用于负责完成机器人注册流程并管理所有机器人的信息包括：新机器人首先需通过机器人客户端将公钥Pk
r
、机器人类型Rt
r
、机器人描述Dp
r
提交给机器人注册管理器，机器人注册管理器会基于机器人公钥Pk
r
生成地址As
r
，随后检查...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立波，范文杰，黄昱铭，宋凌，郭穗鸣，刘志全，许诺，彭泳翔，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：