靈長類仿生機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與控制關(guān)鍵技術(shù)研究

王超 張東杰 賈春磊 郝悅

摘 ? 要：靈長類仿生機(jī)器人具有高爆發(fā)性、高適應(yīng)性、高平衡性等特點(diǎn)，既能夠完成基本行走式機(jī)器人的工作職能，又能適用于復(fù)雜環(huán)境下的協(xié)同配合工作。文章主要探討靈長類仿生機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與控制關(guān)鍵技術(shù)及主要研究方案，以黑猩猩等典型靈長類動(dòng)物為仿生對(duì)象，開展機(jī)器人仿生關(guān)鍵技術(shù)研究，針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)高機(jī)動(dòng)性的多運(yùn)動(dòng)模式和高爆發(fā)性特點(diǎn)開展研究，重點(diǎn)探討靈長類高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息提取與表征、高爆液壓驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建、多模式運(yùn)動(dòng)的靈長類機(jī)構(gòu)優(yōu)化、多模式運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一建模及最優(yōu)模式選擇與切換4項(xiàng)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人;靈長類;多運(yùn)動(dòng)模式;高爆發(fā)性

仿生機(jī)器人應(yīng)用范圍廣泛，除工業(yè)生產(chǎn)、民用服務(wù)、醫(yī)療應(yīng)用等常規(guī)領(lǐng)域外，在軍事、生物、航空等特殊行業(yè)也得到快速發(fā)展。仿生機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)力提高、服務(wù)效率優(yōu)化具有顯著效果，彌補(bǔ)了人力的局限性，對(duì)于環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)性較高、時(shí)空要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高效、持久、精準(zhǔn)的工作模式?！叭斯ぶ悄芊律鷻C(jī)器人”研究已納入我國中長期發(fā)展規(guī)劃，工作報(bào)告指出，人工智能應(yīng)以《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》和《中國制造2025》為指引，助推智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)升級(jí)和實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。通過和高科技產(chǎn)業(yè)的無縫對(duì)接，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)能力，吸引風(fēng)險(xiǎn)投資，構(gòu)建仿生機(jī)器人產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的新局面[1]。

1 ? ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，美國著名科學(xué)家明斯基等提出“人工智能”理論，它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新科學(xué)技術(shù)。機(jī)器人學(xué)是人工智能領(lǐng)域的重要研究方向，結(jié)合現(xiàn)代仿生學(xué)理論逐步形成的仿生機(jī)器人研究領(lǐng)域成為重要的學(xué)科方向[2]。

結(jié)合仿生學(xué)研究和設(shè)計(jì)的機(jī)器人種類繁多，美國麻省理工學(xué)院的布魯克斯教授師生團(tuán)隊(duì)研究和設(shè)計(jì)的蚊型機(jī)器人，可通過程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，但并不具備思考能力。德國科學(xué)家制造的機(jī)器鳥可以任意飛行，并模擬母鷹按時(shí)給幼鷹喂食。日本學(xué)者針對(duì)海洋生物仿真機(jī)器人開展研究，設(shè)計(jì)出一款電子機(jī)器蟹，用于深海探測、采樣和生物樣本捕捉等功能。美國科學(xué)家研究的仿生機(jī)器金槍魚可通過身體、尾巴和魚鰭的擺動(dòng)游動(dòng)，行進(jìn)速度可達(dá)7.2 km/h，憑借其低功耗特點(diǎn)可持續(xù)工作數(shù)月，主要用于水下拍攝、海洋地圖繪制等。

我國開展仿生機(jī)器人技術(shù)研究較晚，研究部門和單位主要集中在高校和研究所，包括沈陽自動(dòng)化所、西安科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名研究部門，比較有代表性的包括：譚民教授團(tuán)隊(duì)的人工智能機(jī)器人控制理論及復(fù)雜科學(xué)研究，汪小帆教授的基于Vicsek模型分析和個(gè)體速率變化對(duì)蜂擁控制影響的研究[3]。鑒于仿生機(jī)器人應(yīng)用場景情況多變、環(huán)境復(fù)雜、時(shí)效性極強(qiáng)等特點(diǎn)，依然需開展深入的研究，探討和制定更高協(xié)同效率、更強(qiáng)適應(yīng)力、更快反應(yīng)速度的仿生機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與控制策略，而靈長類動(dòng)物具有和人類相似的身體物理特性，既可雙足行走、奔跑、跳躍，也可以通過四肢協(xié)同執(zhí)行攀爬、攻擊、防護(hù)等復(fù)雜動(dòng)作，具有較高的機(jī)動(dòng)性和爆發(fā)性，特別適合復(fù)雜特殊環(huán)境下的協(xié)同工作。

2 ? ?主要研究內(nèi)容

靈長類動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中具有豐富多樣的運(yùn)動(dòng)模式，特別適合復(fù)雜環(huán)境和地形中的高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如在平緩環(huán)境下采用雙足行走、奔跑、跳躍等運(yùn)動(dòng)以達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)效果，在復(fù)雜地面環(huán)境下采用四足方式走、跑、跳，保障運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。如何針對(duì)不同環(huán)境和地形形成特定的運(yùn)動(dòng)模式，是該項(xiàng)研究的首要問題。為保證靈長類仿生機(jī)器人在不同地形環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和連續(xù)性，須重點(diǎn)研究運(yùn)動(dòng)模式中的平滑過渡和穩(wěn)定切換問題，如雙足和四足運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的切換、運(yùn)動(dòng)模式如何過渡等。本文主要分析了靈長類機(jī)器人運(yùn)行模式系統(tǒng)化模型特點(diǎn)，重點(diǎn)探討仿靈長類機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃與控制理論問題。研究采用基于多元仿生耦合模型方式，分析運(yùn)動(dòng)過程中的各項(xiàng)參數(shù)，提取運(yùn)動(dòng)特征數(shù)值和指標(biāo)，最終建立運(yùn)動(dòng)性能與模型參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系映射，并利用感知系統(tǒng)的反饋信息，調(diào)節(jié)和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)模式。以運(yùn)動(dòng)模式性能最優(yōu)為依據(jù)，以基本平衡為約束，設(shè)定離線自保護(hù)功能，根據(jù)多傳感器信息融合對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性進(jìn)行判定，實(shí)現(xiàn)靈長類機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)多模式運(yùn)動(dòng)。

2.1 ?高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息提取與表征

靈長類動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中的生物耦合機(jī)制和仿生設(shè)計(jì)理論是本文研究的基礎(chǔ)，特別是運(yùn)動(dòng)生物學(xué)與生物力學(xué)信息的獲取和采集是生物耦合系統(tǒng)模型構(gòu)建的前提條件。針對(duì)該項(xiàng)研究內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)采用微觀信息采集、宏觀觀測、醫(yī)學(xué)斷層掃描等方式，利用圖像分析與處理手段獲取生物學(xué)特性信息，利用計(jì)算機(jī)仿真輔助搭建骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶等生物模型，模擬并分析運(yùn)動(dòng)過程的協(xié)調(diào)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)力分布，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的步態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)等數(shù)學(xué)模型。通過測量獲取靈長類動(dòng)物協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、足爪動(dòng)態(tài)力學(xué)分布與變化、肌肉力等重要運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息，并進(jìn)行生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息的特征提取和數(shù)據(jù)信息融合，對(duì)多運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和步態(tài)規(guī)律以及足/爪地面力學(xué)特性進(jìn)行多參數(shù)的系統(tǒng)化表征。

2.2 ?高爆液壓驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建

驅(qū)動(dòng)單元是機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基本條件，主要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)3種方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人設(shè)計(jì)中最常見的驅(qū)動(dòng)方式，但無法滿足高爆發(fā)和快速切換功能;氣壓驅(qū)動(dòng)方式存在延遲較大、穩(wěn)定性不足、信號(hào)失真等問題，不能適應(yīng)靈長類高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo);液壓驅(qū)動(dòng)方式具有較好的抗沖擊性和可控制性，具備過載保護(hù)功能，特別適合靈長類機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中的跑、跳等高爆發(fā)運(yùn)動(dòng)模式[4]。針對(duì)該項(xiàng)研究內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)采用薄壁缸體、空腔推桿、缸閥一體的驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有助于提高功率密度，重點(diǎn)分析儲(chǔ)能與增壓關(guān)系參數(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與爆發(fā)時(shí)空精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換功能。針對(duì)高爆發(fā)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)器件的不利影響，調(diào)節(jié)沖擊力與重負(fù)載的高速力/位混合控制方式，采用關(guān)節(jié)傳動(dòng)迭代設(shè)計(jì)方法構(gòu)建多元連桿推進(jìn)模型。

2.3 ?多模式運(yùn)動(dòng)的靈長類機(jī)構(gòu)優(yōu)化

靈長類仿生機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與多模式轉(zhuǎn)換主要包括走、跑、跳、爬等多種運(yùn)動(dòng)模式的切換，雙足運(yùn)動(dòng)與四足運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)切換，要求具備較強(qiáng)的奔跑、跳躍、避障、攀爬等方面的運(yùn)動(dòng)能力。重點(diǎn)研究有限自重下的多模式構(gòu)型設(shè)計(jì)、大運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、構(gòu)件剛?cè)嵝栽O(shè)計(jì)、構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)、加工裝配工藝復(fù)雜性設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)中進(jìn)行協(xié)調(diào)，以滿足仿靈長類高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人對(duì)機(jī)構(gòu)的要求。針對(duì)該項(xiàng)研究內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)采用多模式拓?fù)錁?gòu)件、多功能柔性足爪及前后肢設(shè)計(jì)，通過多剛?cè)嵯到y(tǒng)傳遞矩陣法的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和機(jī)械、液壓、控制一體化模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

2.4 ?多模式運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一建模及最優(yōu)模式選擇與切換

靈長類仿生機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)行過程中具備動(dòng)作復(fù)雜、形態(tài)多樣等特點(diǎn)，各種運(yùn)動(dòng)模式的建模和調(diào)節(jié)方法不同，導(dǎo)致復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性難以保持。針對(duì)該項(xiàng)研究內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)分別對(duì)靈長類仿生機(jī)器人的對(duì)節(jié)律運(yùn)動(dòng)（如跳躍、攀爬、自保護(hù)）和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)（行走、奔跑）進(jìn)行建模和分析，對(duì)非節(jié)律運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式的離線學(xué)習(xí)，對(duì)節(jié)律運(yùn)動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化統(tǒng)一建模，建立運(yùn)動(dòng)過程的最優(yōu)化模式選擇策略，通過非線性振蕩器網(wǎng)絡(luò)和多維空間網(wǎng)絡(luò)參數(shù)搜索方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)在線平滑切換功能[5]。

3 ? ?應(yīng)用前景

本文以仿靈長類高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的耦合仿生設(shè)計(jì)理論、仿靈長類機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃與控制理論為基礎(chǔ)，研究靈長類動(dòng)物高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息提取與表征，小型化高爆發(fā)液壓驅(qū)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)一體化設(shè)計(jì)，可多模式運(yùn)動(dòng)的仿靈長類機(jī)器人機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿靈長類機(jī)器人多模式運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一建模及最優(yōu)模式選擇與切換等4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研究形成的技術(shù)成果與方法也可應(yīng)用于其他精密機(jī)械、機(jī)器人系統(tǒng)及機(jī)械工程領(lǐng)域，成為具有高爆發(fā)特性高密度作動(dòng)系統(tǒng)、多自由度輕量化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及腿足仿生平臺(tái)高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制的理論與工程實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

4 ? ?結(jié)語

本文主要探討仿靈長類機(jī)器人高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)生物耦合理論，重點(diǎn)分析高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制策略，研究靈長類動(dòng)物高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息提取與表征、小型化高爆發(fā)液壓驅(qū)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)一體化設(shè)計(jì)、可多模式運(yùn)動(dòng)的仿靈長類機(jī)器人機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿靈長類機(jī)器人多模式運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一建模及最優(yōu)模式選擇與切換4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，希望在國內(nèi)仿生機(jī)器人研究領(lǐng)域起到積極作用，促進(jìn)對(duì)靈長類動(dòng)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及協(xié)調(diào)機(jī)理的理解和認(rèn)識(shí)，助力于耦合仿生理論與技術(shù)在工程中的應(yīng)用，提高仿生學(xué)的影響和地位。

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