2. 实验机器人系统组成与任务抽象

实验机器人不是一台“会动的仪器”，而是一套由多个可独立描述、又必须协同工作的子系统构成的执行体。要把实验流程交给机器人自动完成，第一步不是写调度算法，而是把物理系统拆成清晰的组成单元，再把实验意图翻译成调度器能理解的任务、操作、资源与约束。本节先建立系统组成的对象视图，再给出任务抽象的方法。

一、五个核心子系统及其职责边界

典型的实验机器人系统可划分为五类组成对象，它们各自承担不同的物理职责，也对应不同的调度资源类型。

• 机械臂：提供空间定位与姿态调整能力，负责在仪器、料架、工位之间搬运样品、耗材或工具。关键参数包括自由度、工作空间、重复定位精度、负载与末端接口类型。它通常是多任务共享的稀缺资源。
• 移动平台：扩展机器人的可达范围，负责在实验台、仪器区、存储区之间转移。关键参数包括定位方式（激光/视觉/磁条）、停靠精度、载重与续航。移动平台与机械臂常构成“底盘+臂”的复合体。
• 末端执行器：直接与实验对象接触的部件，如夹爪、吸盘、移液枪、旋盖头、扫码器等。它决定了机器人“能做什么操作”，是操作类型与工具资源绑定的关键。
• 实验仪器：完成真实实验过程的设备，如天平、离心机、PCR仪、光谱仪、培养箱。它们有各自的就绪条件、运行时长和占用状态，是典型的独占型资源。
• 感知系统：包括相机、力传感器、条码/RFID、温度与液位传感器等，用于确认对象身份、位置与状态，为任务执行提供反馈与校验依据。

这五类对象并非并列堆叠，而是通过“任务”被组织起来：机械臂与移动平台提供运动能力，末端执行器提供操作能力，仪器提供实验能力，感知系统提供确认能力。调度器真正管理的，是这些能力在时间上的占用与释放。

二、从实验流程到任务抽象的四步方法

把一段实验流程变成调度输入，需要经过“分解—绑定—约束—成图”四个动作。下面以一个教学示例说明：某实验要求“从料架取一支离心管，加入2 mL缓冲液，放入离心机以3000 rpm离心5分钟，取出后放到检测台”。

第一步，任务分解。把实验目标拆成有明确起止条件的操作序列。上述流程可分解为：取管、开盖、移液加液、关盖、装载入离心机、设置并启动离心、等待完成、取出、放置到检测台。每个操作应能对应到一个可执行动作，而不是“处理样品”这类模糊描述。

第二步，资源绑定。为每个操作指定所需资源。取管需要机械臂+夹爪+料架位；移液需要移液末端+缓冲液容器；离心需要离心机；放置需要检测台工位。绑定后即可看出哪些操作会争用同一资源，例如多支样品都要用同一台离心机。

第三步，约束标注。约束分为四类：时序约束（开盖必须在加液前）、空间约束（机械臂不能同时占用两个工位）、状态约束（离心机门关闭才能启动）、安全与精度约束（移液前需确认管到位）。约束是调度可行性的边界，缺一条就可能导致碰撞或实验失败。

第四步，生成任务图。把操作作为节点，把时序与资源依赖作为有向边，形成有向无环图。调度器在此基础上做资源分配与排序。

三、任务、操作、资源、约束的字段化描述

为了让调度器可计算，抽象结果需要落到结构化字段。以下是一份可直接参考的任务描述示例（参数为教学假设值，非实测结果）：

task_id: T01
goal: 完成样品离心前处理
operations:
  - op_id: OP1  type: pick_tube
    resource: arm01 + gripper_A + rack_slot_03
    duration: 8s   precondition: tube_present
  - op_id: OP2  type: open_cap
    resource: arm01 + gripper_B
    duration: 5s   precondition: OP1.done
  - op_id: OP3  type: pipette
    resource: arm01 + pipette_tip + buffer_bottle
    volume: 2.0 mL  duration: 12s  precondition: OP2.done
  - op_id: OP4  type: load_centrifuge
    resource: arm01 + centrifuge_01
    duration: 10s  precondition: OP3.done and centrifuge_01.door_open
  - op_id: OP5  type: run_centrifuge
    resource: centrifuge_01
    params: {speed: 3000 rpm, time: 300 s}
    precondition: OP4.done and door_closed
constraints:
  - OP1 before OP2 before OP3 before OP4 before OP5
  - centrifuge_01 exclusive
  - arm01 exclusive
  - buffer_bottle capacity >= 2.0 mL

这份描述的价值在于：调度器不需要理解“离心”的化学含义，只需读取资源名、时长、前置条件和互斥关系，就能判断能否并行、何时启动、冲突如何消解。例如 OP5 占用离心机300秒，期间机械臂可去执行另一支样品的 OP1～OP3，这就是并行机会的来源。

四、抽象质量如何影响调度结果

抽象不是一次性翻译，而是决定调度上限的设计动作。若把“取管—加液—离心—取出”整体写成一个不可分割的任务，调度器只能串行执行，多支样品无法重叠，吞吐量被锁死。反之，若拆得过细，例如把“移动机械臂到料架上方”也作为独立操作，节点数量膨胀，约束图复杂，调度开销反而上升。

合理的做法是：以“资源占用边界”为拆分依据。资源切换点、仪器启动点、感知确认点，都是天然的拆分位置。同时，感知系统的校验结果应作为操作的后置条件写入约束，例如“扫码确认管号正确”通过后，才允许进入加液操作，这样任务抽象不仅描述动作，也描述可信状态。