仿生蜘蛛救援機器人運動控制關鍵技術研究

宋詞 王超 呂詩晴 周子瑞 常月

摘 要：文章主要針對救援類機器人關鍵技術開展研究與設計。機器人一般配備彩色攝像機、熱成像儀、通信系統及急救包等設備，能夠替代救援人員深入情況危險、時間緊迫、環境復雜的場所實施快速、精準、高效的救援工作。文章重點研究仿生蜘蛛救援機器人系統的設計方案，并對部分核心進行系統闡述。

關鍵詞：仿生;救援機器人;運動規劃;神經網絡

0 ? 引言

救援機器人是為救援而采取先進科學技術研制的機器系統，該系統可以由單體機器人獨立完成工作任務，也可以實現群體機器人的協同合作救援。救援機器人種類繁多，主要包括軍用救援機器人，災后救援機器人，水下救援機器人、災難偵察機器人等。

1 ? 國內外研究現狀

20世紀80年代，美國、德國、日本等發達國家就開始了對救援機器人的研究和應用，針對不同用途研發出具有不同功能的救援機器人。我國救援機器人的研究工作開展較晚，但發展速度很快[1]。“十一五”期間，我國已將“救援機器人”項目列入國家863重點項目，包括沈陽自動化所、西安科技大學、哈爾濱工業大學等知名研究所和高校積極開展研究，設計并研發了廢墟可變形搜救機器人、機器人化生命探測儀、旋翼無人機救援機器人等性能優越的救援系統[2]。

2 ? 主要研究內容

仿生蜘蛛救援機器人系統研究主要包括救援機器人軟硬件系統框架設計、高爆發液壓驅動及驅動-傳動系統設計、復雜環境下救援機器人群體運動規劃與控制理論、多態勢救援機器人群體神經網絡系統模型、虛擬力場法路徑規劃與障礙物規避算法5個部分內容。

以六足式蜘蛛機器人硬件框架為依托，對蜘蛛的各類運動情況進行建模仿真，包括常規前進、后退、爬行、攻擊、躲避等。設計中采用高爆液壓驅動傳動系統障機器人的高機動性和高爆發性。重點探討分布式蜘蛛機器人的群體協同控制與路徑規劃，并模擬救援場景下復雜環境中群體神經網絡模型，實現虛擬力場與傳感網絡相結合的規避算法[3]。

2.1 ?救援機器人軟硬件系統框架設計

對比國內外救援機器人系統性能，比較雙足式、四足式、車輪式、履帶式機器人特點，探討系統應用環境因素與復雜性特點，研究機器人機械架構、主控制系統、服務器監測界面、移動監測終端界面4個方面設計內容，擬合搜救路徑規劃與障礙規避算法，結合群體仿生理論制定一套較完備的分布式救援機器人系統模型方案。

2.2 ?高爆發液壓驅動及驅動-傳動系統設計

救援機器人驅動系統設計中擬采用缸閥一體、空腔推桿和薄壁缸體的驅動關節模塊功能結構一體化設計方法，以提高功率密度;研究儲能與增壓模塊、儲能與爆發時空狀態精準轉換方法，研究強沖擊與重載荷下的液壓驅動單元高速力/位混合伺服控制技術;針對高爆發驅動對元部件的不利影響，研究密封/潤滑失效分析與優化方法，研究關節傳動機構迭代優化設計方法，以集成多連桿傳動機構。

2.3 ?復雜環境下救援機器人群體運動規劃與控制理論

擬基于多元仿生耦合模型，分析蟻群等生物群體復雜運動過程中的運動學參數，提取與定義運動模式特征參數和描述運動性能的指標參數，建立模式參數與運動性能之間的直觀映射。根據群體機器人運動時獲得的狀態反饋信息，研究運動軌跡在線調節與優化方法，由此導出直接作用于群體機器人高機動運動控制的伺服控制指令。

2.4 ?多態勢救援機器人群體神經網絡系統模型

建立群體機器人神經網絡模型，使其具備基本的應激反應。從信息處理角度對人腦神經元網絡進行抽象并建立某種模型，按不同的連接方式組成不同的類神經網絡，組建大量神經節點（或神經元）并進行相互連接，并使每個節點代表一種特定的激勵函數，以節點間的連接作為該連接信號的加權值（權重），形成人工神經網絡的記憶功能，網絡的輸出則依網絡的連接方式、權重值和激勵函數的不同而有所調整，提高單體與群體的協同控制與反應能力。

2.5 ?虛擬力場法路徑規劃與障礙物規避算法

構造目標方位引力場和障礙物周圍斥力場共同作用的虛擬人工力場，搜索勢函數下降方向找尋無碰撞路徑，使群體機器人沿虛擬排斥力和虛擬引力合力方向運動，結合人工勢場法和柵格法分析移動機器人實時避障及最優路徑規劃。構建虛擬力場環境，統計并分析救援場所環境因素并提出風險評估，優化算法實現類人神經系統自激反應及自主學習功能。

系統利用采集的數據進行平衡性預判，集合超聲波測距獲取的周邊距離信息，實現六足機器人的平穩行進與智能避障功能。蜘蛛類六足仿生中采用L298N驅動8路舵機實現機器人的穩態步進，利用 PWM 波形進行系統調速，控制做出前進、后退、轉彎等動作。無線控制方式集合紅外編碼及藍牙技術，實現移動終端與紅外線預設指令相結合的控制方式，設計中可利用無線設備進行直接干預與控制，也可根據智能化程序進行自我控制，豐富了蜘蛛類仿生機器人的控制方式以達到最佳的控制效果。仿生機器人系統硬件框架如圖1所示。

3 技術難點和關鍵技術

3.1 復雜環境下救援機器人系統設計與適應性研究

救援機器人主要在極端復雜環境下開展工作，系統設計及功能對環境的適應性要求很高，項目前期主要針對復雜環境適應能力開展項目的軟硬件系統設計，包括硬件機械機構、機器人驅動系統、遠程服務器控制端、移動控制端等，針對行進路徑規劃、無線信號傳輸質量、高爆發機動性等問題開展研究。

3.2 仿群體生物應激反應的救援機器人神經網絡模型構建與算法優化

救援機器人群體高機動運動過程中的反應行為具有形態多樣、動作復雜等特點，而做出反應的依據是來自神經系統對外界環境因素的感知，構建救援機器人群體神經系統網絡系統模型，使其具備可學習性和可訓練性，能夠在復雜環境下開展單體救援與群體協同救援工作。

3.3 人工勢場因素與分散控制方法相結合的多智能體控制律

項目研究過程中集合群體生物運動及行為數據和人工勢場模型，分析救援機器人群體行為反應及決策方式，構建具有心跳、應激、自組織運動模式等肢體特征的虛擬中樞-肢體代理模型和支持群組能夠基本維持生存、防御危險和探索世界的“本能式運動協調”功能模型，開展面向智能群體系統的群體救援系統在不同作業和模式下協作仿生策略與控制技術研究。仿生機器人系統研究方案如圖2所示。

4 ? 結語

希望通過針對救援機器人關鍵技術的研究助推智能機器人產業升級發展，為經濟發展貢獻力量。通過和高科技產業的無縫對接，形成產品設計和開發能力，吸引風險投資，構建仿生機器人產學研結合的局面。

[參考文獻]

[1]王超，張東杰，賈春磊，等.靈長類仿生機器人高機動運動與控制關鍵技術研究[J].無線互聯科技，2019（18）：107-108.

[2]程紅太，萬登科，郝麗娜.靈長類仿生機器人飛躍軌跡規劃及控制策略[J].東北大學學報（自然科學版），2017（2）：168-173.

[3]趙旖旎，程紅太，張曉華.基于能量的欠驅動雙臂機器人懸擺動態伺服控制[J].西南交通大學學報，2009（3）：380-384.

（編輯 何 琳）