移動(dòng)機(jī)器人跨域躍質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)綜述

蘇波, 江磊, 劉宇飛*, 邢伯陽, 李泳耀, 譚森起, 王志瑞

(1.中國北方車輛研究所 無人中心, 北京 100072; 2.中兵智能創(chuàng)新研究院有限公司, 北京 100072;3.群體協(xié)同與自主實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072)

0 引言

近年來,人類探索陸、海、空、天等領(lǐng)域的腳步從未停止,新域新質(zhì)力量是被寄予厚望的“游戲規(guī)則改變者”。移動(dòng)機(jī)器人在高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用,例如進(jìn)行多地形觀測、多介質(zhì)作業(yè)、多環(huán)境探查等,對其跨域躍質(zhì)能力有著廣泛的潛在需求。移動(dòng)機(jī)器人的跨域躍質(zhì)能力即在多域-多介質(zhì)環(huán)境下的移動(dòng)能力,使移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜多域環(huán)境下保持高通過性和高機(jī)動(dòng)行為,是其跨域躍質(zhì)能力的綜合體現(xiàn)。目前,移動(dòng)機(jī)器人在跨域機(jī)動(dòng)能力方面存在諸多挑戰(zhàn),亟需進(jìn)一步提升機(jī)器人在多域環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力。

近年來,祝融號火星車、玉兔號月球車正行駛在廣闊無垠的深空環(huán)境;軟體機(jī)器人深入到海底 10 km 的馬里亞納海溝;撲翼仿生飛鳥一次次突破飛行續(xù)航極限;仿生四足機(jī)器人像牦牛一樣爬上5 km海拔的高原環(huán)境;還有更多的機(jī)器人與自主系統(tǒng)走向更廣的陸面、更高的藍(lán)天、更遠(yuǎn)的深空、更深的海底,在探索新域新質(zhì)的路上發(fā)揮著越來越重要的作用。

在深空勘探方面,Ling等[1]研究了玉兔號對嫦娥三號著陸點(diǎn)附近的地質(zhì)勘探情況,發(fā)現(xiàn)了一種新型巖石;Balaram等[2]開發(fā)了一架用于火星飛行的小型直升機(jī),該機(jī)質(zhì)量約850 g,預(yù)期被用于攜帶或取回小型樣品以及對目的地的偵察。在海域場景中,Picardi等[3]受海洋底棲動(dòng)物啟發(fā),研制了一種名為SILVER2的水下仿生足式機(jī)器人,該機(jī)器人可以穿越海底的不規(guī)則地形,能夠做到精確定位,在低環(huán)境干擾下運(yùn)行,并且低噪聲、低能耗,可以在 0.5～12 m深度范圍內(nèi)的真實(shí)海情條件下完成任務(wù)。Li等[4]受深海獅子魚結(jié)構(gòu)的啟發(fā),開發(fā)了一種用于深海勘探的無纜軟體機(jī)器人,該機(jī)器人的拍動(dòng)鰭所用的介電彈性體材料經(jīng)過精心設(shè)計(jì),使機(jī)器人能夠在馬里亞納海溝10 900 m深的實(shí)地測試中成功啟動(dòng),并在南中國海3 224 m深的海域自由游泳。An等[5]設(shè)計(jì)了一種仿生父子水下機(jī)器人(FURS),用于水下目標(biāo)物體的圖像采集與識別,球形水下機(jī)器人作為FURS的父級水下機(jī)器人,具有較強(qiáng)的動(dòng)平衡能力和良好的機(jī)動(dòng)性,能夠?qū)崿F(xiàn)快速接近目標(biāo)區(qū)域,并對目標(biāo)物體進(jìn)行巡航和環(huán)繞,子水下機(jī)器人具有多自由度,實(shí)現(xiàn)了游泳和步行兩種運(yùn)動(dòng)模式,該子水下機(jī)器人可以向水下目標(biāo)物體移動(dòng),安裝視覺系統(tǒng),使FURS能夠在攝像機(jī)的幫助下獲取目標(biāo)物體的圖像信息,并能夠識別目標(biāo)物體。

在空域場景中,Ajanic等[6]通過觀察蒼鷹在捕食與巡航時(shí)不同的飛行姿態(tài),設(shè)計(jì)了一種可折疊機(jī)翼與尾翼的無人機(jī),通過改變不同的飛行姿態(tài)來更好地應(yīng)對多種復(fù)雜場景;Phan等[7]通過研究雙叉犀金龜在飛行碰撞中的多種生物力學(xué)策略,設(shè)計(jì)了一種通過使用被動(dòng)折疊翼來使懸停撲翼機(jī)器人在碰撞后快速恢復(fù)飛行的方案,為解決碰撞問題提供了一種有效的方法;Helps等[8]設(shè)計(jì)了一種高性能的靜電撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——液體放大拉鏈制動(dòng)器,消除了以往必須添加在制動(dòng)器和機(jī)翼之間的傳動(dòng)系統(tǒng),大大減少了能量的損失。

面對最常見且復(fù)雜多變的地面介質(zhì)時(shí),Baines等[9]設(shè)計(jì)了一種使機(jī)器人能夠重新配置身體形態(tài)(體型)和相應(yīng)地調(diào)整它們的行為策略,以便其能夠在不同環(huán)境中運(yùn)動(dòng);Galati等[10]介紹了一種用于工業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人設(shè)計(jì)和測試方法,由于使用了麥克納姆輪,該機(jī)器人具有全方位性;Ruppert等[11]設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人Morti,它有被動(dòng)彈性腿,實(shí)現(xiàn)了靈活的運(yùn)動(dòng)性能,減少了控制工作量和能源效率;Shin等[12]開發(fā)了基于三輪的爬樓梯機(jī)器人,并設(shè)計(jì)了5個(gè)尾部機(jī)制用于解決基于三輪的爬樓梯機(jī)器人的局限性;Ze等[13]設(shè)計(jì)了一種具有平面內(nèi)收縮的磁驅(qū)動(dòng)小型折紙爬行器,收縮機(jī)制通過由兩個(gè)具有兩級對稱性的Kresling偶極子組成的四單元Kresling折紙組件實(shí)現(xiàn),該磁性折紙爬行器可以作為一種微創(chuàng)設(shè)備用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

本文介紹基于上述場景和研究的機(jī)器人跨域躍質(zhì)最新進(jìn)展,沿著科學(xué)目標(biāo)、基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用展望構(gòu)成全文的組織結(jié)構(gòu),同時(shí)綜述與跨域躍質(zhì)移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)的代表研究成果。當(dāng)前機(jī)器人跨域躍質(zhì)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在:1)機(jī)器人的移動(dòng)性能顯著依賴于其同接觸介質(zhì)之間的能量交換關(guān)系,特別是對輪式、履帶式、足式、飛行、游泳、飛躍等類型機(jī)器人有著明顯的影響;2)機(jī)器人的控制性能受到來自于復(fù)雜時(shí)空擾動(dòng)而帶來的穩(wěn)定性影響,穩(wěn)定性能越好其控制性能越佳;3)機(jī)器人的智能化水平顯著依賴于Boyd循環(huán)(觀察-調(diào)整-決策-行動(dòng),即OODA)理論,且機(jī)器人能夠通過大量OODA的循環(huán)迭代獲得經(jīng)驗(yàn),并實(shí)現(xiàn)一定程度上的技能涌現(xiàn)。

對上述問題的進(jìn)一步延伸,或闡明其背后科學(xué)問題、基礎(chǔ)理論和重大關(guān)鍵技術(shù),有利于體系化地優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人,可以對移動(dòng)機(jī)器人學(xué)科重點(diǎn)解決多域-多介質(zhì)機(jī)器人既有機(jī)動(dòng)性和作業(yè)智能性問題提出建議,形成原創(chuàng)性和顛覆性機(jī)器人概念,進(jìn)而為加速無人智能化力量提供理論和實(shí)踐指引。

1 跨域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

陸域的介質(zhì)包括硬質(zhì)/松軟表層路面,輪/履/足與土壤的相互作用力關(guān)系是研究移動(dòng)機(jī)器人越野性的基礎(chǔ)。地面力學(xué)理論于1913年第一次提出,用模型評估地面沉陷量與垂直載荷之間的關(guān)系,從而促進(jìn)提升輪/履/足機(jī)構(gòu)的地形通過能力。陸域移動(dòng)機(jī)器人通常包括輪式機(jī)器人[14]、履帶機(jī)器人[15-16]、輪-履機(jī)器人、足式機(jī)器人[17]以及地下空間的仿生蛇[18]等?；诘孛媪W(xué)的認(rèn)知,陸域越野環(huán)境對機(jī)器人存在以下3個(gè)挑戰(zhàn):1)三維表面、種類繁多的障礙物類別;2)有限的地圖數(shù)據(jù)和不精確的定位信息;3)沒有明確的道路網(wǎng)絡(luò)或共駕規(guī)則。

稀薄的大氣和常年的風(fēng)化作用使星球表面土壤呈現(xiàn)沙質(zhì)化,由于星球的重力加速度低于地球的重力加速度,使得星球表面土壤呈現(xiàn)松軟的特質(zhì),與地球陸域相比在介質(zhì)上也有所不同。玉兔號星球車[19]已經(jīng)在月球遠(yuǎn)側(cè)的惡劣地外環(huán)境下展開了地質(zhì)探測,在月面風(fēng)化、隕石坑、巖石硬/軟質(zhì)突變的環(huán)境下,克服了月面環(huán)境下的土壤凝聚力突變、承載力不均、月面輪-地打滑等,高效地完成了對月球背面環(huán)境的理解。星球車的深空探測也是天域的典型代表。

空域的介質(zhì)同樣會帶來機(jī)構(gòu)和介質(zhì)相互作用的問題,仿生撲翼飛行器囊括了面向飛行的柔性機(jī)翼和折翼理念,獲得更加高效的飛行效能[20];旋翼飛行機(jī)器人可以在高度混亂的野外環(huán)境中避開障礙,集群飛行[21]穿過低矮的灌木、傾斜的竹竿、起伏的地面、稠密的樹枝,依靠的是飛行機(jī)器人與低空介質(zhì)之間的交互作用。深海極端壓力、浪涌等介質(zhì)條件的影響同樣導(dǎo)致機(jī)器人性能的躍變,深海獅子魚“頭部骨骼分散融合在軟組織中”的生理特征揭示了深海極端壓力條件下軟機(jī)器人功能器件破壞及驅(qū)動(dòng)失效的內(nèi)在機(jī)制[22],而實(shí)現(xiàn)10 km以下的低溫、高壓海底深潛和驅(qū)動(dòng),依靠的是軟體機(jī)器人與海底介質(zhì)間的交互作用。同理,在外太空和大氣層內(nèi)運(yùn)行的飛行器面臨的天/空介質(zhì)約束,并通過有效的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)跨域飛行。

如圖1所示,研究跨域和跨介質(zhì)移動(dòng)技術(shù)的實(shí)際價(jià)值在于:1)未來機(jī)器人是在多樣化的介質(zhì)中并存、并用、并行,通過自身多維度、多介質(zhì)融合,實(shí)現(xiàn)廣域的完備性,該特征越顯著,機(jī)器人與人的能力越接近;2)陸、海、空、天各物理介質(zhì)與移動(dòng)機(jī)器人之間的作用關(guān)系存在共性機(jī)理,融合研究有助于促進(jìn)某個(gè)單一物理域問題的快速解決;3)信息域、電磁域和認(rèn)知域?qū)Ω魑锢碛蛞苿?dòng)機(jī)器人影響具有共存和趨同的特點(diǎn),未來必將開展整體性融合研究,主要涉及機(jī)器人跨域躍質(zhì)自主作業(yè)、機(jī)器人跨域躍質(zhì)協(xié)同作業(yè)兩方面。

圖1 跨域躍質(zhì)機(jī)器人

1.1 機(jī)器人跨域躍質(zhì)自主作業(yè)

目前,國內(nèi)外對機(jī)器人跨域躍質(zhì)自主作業(yè)的研究尚處于初始探索階段,主要涉及水空跨域機(jī)器人、水陸兩棲機(jī)器人、陸空跨域機(jī)器人等,如圖1所示。水空跨域機(jī)器人兼具水下航行高隱蔽性和空中飛行高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)[23],逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。例如,Li等[24]受魚吸盤形態(tài)啟發(fā),開發(fā)一種空中-水上搭便車的機(jī)器人,可在粗糙、不完整的空中或水下物體表面快速附著和脫離,跨越空氣-水邊界的時(shí)間為0.35 s,并以最小振蕩實(shí)現(xiàn)長時(shí)間附著。水空跨域機(jī)器人的跨域方式通?？煞譃橹苯涌缬蚴胶头植娇缬蚴?前者通過機(jī)器人俯沖或滑行在水面降落入水,并以噴射方式獲取動(dòng)能而脫離水面,后者以旋翼構(gòu)型機(jī)器人方式實(shí)現(xiàn)水面起飛和降落,并通過浮力調(diào)節(jié)等方式實(shí)現(xiàn)水空之間的跨域作業(yè)。水陸兩棲機(jī)器人擁有陸上、水下作業(yè)能力,可廣泛應(yīng)用于各類高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù),如海底采樣、污染探測等[25]。目前,水陸兩棲機(jī)器人在水中的主要推進(jìn)方式包括平板漿推進(jìn)、仿魚鰭推進(jìn)、波動(dòng)推進(jìn)等,陸地上的推進(jìn)方式主要有腿式推進(jìn)、輪腿復(fù)合推進(jìn)、蛇形蜿蜒推進(jìn)、球形推進(jìn)等,例如,Karakasiliotis等[26]設(shè)計(jì)一種仿生蠑螈兩棲機(jī)器人PleuRobot,可實(shí)現(xiàn)游泳、爬行和走路等功能。受陸生和水生龜?shù)膯l(fā),Baines等[27]通過“形態(tài)自適應(yīng)”設(shè)計(jì)一種可在多棲環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人,該機(jī)器人通過改變四肢形狀、剛度和行為來適應(yīng)不同的環(huán)境。陸空跨域機(jī)器人具備靈活的機(jī)動(dòng)能力,越來越多的國家將陸空機(jī)器人應(yīng)用到軍事偵察方面。由于在偵查過程中很難對機(jī)器人進(jìn)行跟蹤控制,對機(jī)器人的自主運(yùn)行能力提出了挑戰(zhàn)。為了更好地發(fā)揮陸空機(jī)器人的跨域越障特性,王建中等[28]針對變結(jié)構(gòu)陸空機(jī)器人平臺,提出一種基于深度圖像檢測的自主跨域越障策略。此外,為了提高機(jī)器人的續(xù)航能力,平臺工作時(shí)以地面模式為主、空中機(jī)動(dòng)為輔。

1.2 機(jī)器人跨域躍質(zhì)協(xié)同作業(yè)

在美國的MARS2020項(xiàng)目中,實(shí)現(xiàn)了空地跨域協(xié)同作戰(zhàn)的雛形。如圖2(a)所示,該項(xiàng)目首先利用空中無人系統(tǒng)(無人機(jī))對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探尋,在發(fā)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)坐標(biāo)之后,將定位信息、目標(biāo)周圍環(huán)境信息等相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到地面控制中心。地面控制中心在確認(rèn)信息后將信息發(fā)送至地面無人系統(tǒng),最終由地面無人系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)的目標(biāo)探測、目標(biāo)鎖定等任務(wù)[29]。

圖2 國內(nèi)外跨域協(xié)同研究項(xiàng)目

此外,空地跨域協(xié)同還可以應(yīng)用于災(zāi)難救援領(lǐng)域。例如,歐洲的SHERPA項(xiàng)目利用地面和空中無人平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同救援。首先,可以利用空中無人平臺的機(jī)動(dòng)性,在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)需要被營救的目標(biāo)(登山失蹤人員和雪崩掩埋人員等)。隨后,派出負(fù)載能力及可操作能力更強(qiáng)的地面無人平臺進(jìn)行挖掘和救援等具體任務(wù),如圖2(b)[30]所示。

研究人員還將空地跨域協(xié)同拓展到環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。例如,葡萄牙的ROBOSAMPLER項(xiàng)目,利用地面和空中無人平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對人類難以到達(dá)環(huán)境的樣本采集和指標(biāo)監(jiān)測。如圖2(c)所示,在實(shí)際應(yīng)用中,首先利用空中無人平臺系統(tǒng)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測掃描,在發(fā)現(xiàn)待采集樣本后由地面無人系統(tǒng)進(jìn)行樣本的精確采集和運(yùn)輸[31]。

近年來,隨著全球化進(jìn)程的不斷加速,海洋安全得到重視。歐盟提出OCEAN2020無人海上態(tài)勢感知項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在廣闊海域上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)目標(biāo)監(jiān)測,包括可預(yù)見的軍事目標(biāo),以方便提前下達(dá)部署攔截任務(wù)并展開相應(yīng)的干預(yù)措施。在具體的實(shí)施過程中,首先利用空中無人平臺系統(tǒng)對大范圍海域進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)發(fā)現(xiàn)敵情時(shí)調(diào)動(dòng)更多的海上防御力量進(jìn)行有效應(yīng)對[32]。

國內(nèi)目前也已開展了一些空地跨域協(xié)同項(xiàng)目。例如,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所針對群眾活動(dòng)的安全保障提出系列解決方案,其主要分為事前勘測、事中巡邏、異常監(jiān)測等實(shí)施步驟。如圖2(d)所示,首先,采用固定翼和多旋翼空中無人平臺系統(tǒng)對空間環(huán)境進(jìn)行重新建模,從3D空間對現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)全方位的理解,為指揮提供便利。隨后利用無人車趕往現(xiàn)場進(jìn)行操作處理、攔截阻擊等具體任務(wù)[33]。

2 科學(xué)目標(biāo)與技術(shù)體系

從新質(zhì)新域出發(fā),機(jī)器人在全域介質(zhì)中的行動(dòng)能力,其科學(xué)目標(biāo)就是“快”和“遠(yuǎn)”?！翱臁笔侵敢苿?dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)越來越快的機(jī)動(dòng)速度,因此快速機(jī)動(dòng)是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要科學(xué)目標(biāo);“遠(yuǎn)”是指超越極限、跨越介質(zhì)、真正實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人跨域躍質(zhì)的無所不至,這也是跨域機(jī)器人研究的另一個(gè)科學(xué)目標(biāo)。

綜上,跨域躍質(zhì)的移動(dòng)機(jī)器人研究主要面向以下三類共同的基礎(chǔ)性科學(xué)問題。

1)能量域:支撐與牽引問題

在能量域下,其關(guān)鍵問題是如何將動(dòng)力系統(tǒng)的能量通過支撐、摩擦、形變和剪切轉(zhuǎn)化為牽引力,因此關(guān)于機(jī)器人與新材料、新原理、增材制造、地面力學(xué)、接觸面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛-柔-軟耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等成為該方向的關(guān)鍵技術(shù)。

2)時(shí)空域:速度與穩(wěn)定問題

在時(shí)空域下,移動(dòng)機(jī)器人面臨著異常復(fù)雜、大擾動(dòng)或突變的環(huán)境,需要在緊密的、連續(xù)的時(shí)間和空間約束下,實(shí)現(xiàn)高速、高效并保持身體的基本穩(wěn)定。這一問題的難點(diǎn)在于高維度的全身力矩模型、行為與視覺的高速反饋、行為范式與類人或仿生控制等。研究學(xué)者在這一領(lǐng)域的研究持續(xù)探索,期望解決諸如人類或動(dòng)物的腿足式行走、飛鳥的長距離遷徙、深海的遨游等問題。

3)信息域:交互與協(xié)同問題

在信息域下,移動(dòng)機(jī)器人是一種具有高動(dòng)態(tài)性的移動(dòng)物體,面臨著機(jī)器人個(gè)體在復(fù)雜環(huán)境中的高自主適應(yīng)性問題,以及在信息不完全、動(dòng)態(tài)環(huán)境和角色可變條件下的機(jī)器人與機(jī)器人之間的默契協(xié)同問題。如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的OODA環(huán)的學(xué)習(xí)與智能發(fā)育,是目前不同介質(zhì)下移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)演進(jìn)演化的重點(diǎn)方向。

移動(dòng)機(jī)器人在能量域-時(shí)空域-信息域的耦合關(guān)系如圖3所示。

圖3 移動(dòng)機(jī)器人跨域耦合關(guān)系

3 基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 支撐與牽引技術(shù)

機(jī)器人的移動(dòng)性能顯著依賴于接觸介質(zhì)之間的能量交換關(guān)系,無論是何種介質(zhì),機(jī)器人與介質(zhì)之間的能量交換方式都可抽象為支撐和牽引作用。其中,支撐作用使機(jī)器人獲得空間Z軸上的力,并通常保持平衡;牽引作用使機(jī)器人獲得空間X軸和Y軸上的運(yùn)動(dòng)能力,可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、靜止和轉(zhuǎn)向。

機(jī)器人移動(dòng)行為是典型的能量按需轉(zhuǎn)化問題及過程。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中,通過控制能量轉(zhuǎn)化方向、能量轉(zhuǎn)化效率、能量轉(zhuǎn)化進(jìn)程,使機(jī)器人完成指定行為動(dòng)作。主要技術(shù)包括:1)能量-機(jī)構(gòu)-動(dòng)作轉(zhuǎn)化與輸出技術(shù);2)驅(qū)動(dòng)力傳遞與多點(diǎn)分布技術(shù);3)機(jī)器人與介質(zhì)接觸作用力控制技術(shù);4)附著與減阻控制技術(shù);5)動(dòng)態(tài)儲能、釋能、緩沖技術(shù)。

研究機(jī)器人與介質(zhì)之間的能量交換機(jī)理,可以獲得優(yōu)化和改善機(jī)器人機(jī)構(gòu)的方法,增加作動(dòng)執(zhí)行器的爆發(fā)力和順應(yīng)性,提高能量的轉(zhuǎn)換效率,加快能量轉(zhuǎn)換進(jìn)程,使機(jī)器人能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)改變速度、高度(深度)等行為,進(jìn)而增加對移動(dòng)介質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)能力。此外,機(jī)構(gòu)優(yōu)化攜帶可使機(jī)器人在必要的運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行自身動(dòng)能與勢能的相互轉(zhuǎn)化,以適應(yīng)不同的介質(zhì)條件與運(yùn)動(dòng)需求,從而減少電能等能量的消耗,提升運(yùn)動(dòng)效率和續(xù)航歷程。

研究地面域環(huán)境下的能量-機(jī)構(gòu)方面,以美國波士頓動(dòng)力公司的Bigdog四足機(jī)器人為代表,意大利技術(shù)研究院的HyQ、瑞士蘇黎世理工大學(xué)(ETH)的ANYmal、中國北方車輛研究所的“牦?！焙汀熬?、山東大學(xué)的Scalf、宇樹科技公司的B1、云深處科技公司的“絕影”等一系列四足仿生機(jī)器人[34-35],基于犬類原型的串聯(lián)式腿足機(jī)構(gòu),研制了12自由度或16自由度的四足機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了自然路面的穩(wěn)定行走。為了提高機(jī)器人的行走速度和敏捷性,國內(nèi)外學(xué)者開展了仿生軀干的探索:美國麻省理工學(xué)院(MIT)在Cheetah四足機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了柔性軀干,為高速奔跑提供了爆發(fā)式的能量,但柔性結(jié)構(gòu)降低了機(jī)器人的穩(wěn)定性和承載力[36];美國波士頓動(dòng)力公司在Cheetah和WildCat機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了多連桿軀干,通過主動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿釋放能量,平坦路面的奔跑速度達(dá)到25 km/h,但連桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)物軀干的生理結(jié)構(gòu)差別較大,柔順度欠缺。上述研究通過能量釋放提升了奔跑速度,但奔跑時(shí)穩(wěn)定性和靈活性受到地形和機(jī)構(gòu)制約,易發(fā)生摔倒和碰撞。因此,研究地面域機(jī)器人高速越野時(shí)機(jī)器人與地面之間的時(shí)空特性,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爆發(fā)性、穩(wěn)定性和敏捷性協(xié)調(diào)問題,是提升支撐與牽引技術(shù)中的關(guān)鍵能力。

在驅(qū)動(dòng)與控制方面,地面域機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)具有響應(yīng)快、爆發(fā)力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但存在系統(tǒng)復(fù)雜、效率低、噪音大的問題。針對液壓驅(qū)動(dòng)的問題,瑞士ETH的ANYmal、美國波士頓動(dòng)力公司的SpotMini、美國MIT的Cheetah、中國北方車輛研究所的“警犬”、宇樹科技公司的B1、云深處科技公司的“絕影”等機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)了低噪音、輕量化腿部機(jī)構(gòu),如圖4所示,但由于電機(jī)功率密度和扭矩不足,動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和爆發(fā)力不足,僅能在輕小型機(jī)器人上應(yīng)用,且越野速度不高。為解決上述問題,機(jī)器人領(lǐng)域提出了大扭矩、高功率密度空心電機(jī)和驅(qū)動(dòng)的需求[36-37],但目前在驅(qū)動(dòng)力傳遞方面尚未形成有效的應(yīng)用成果。因此,高爆發(fā)力的軀干與大扭矩的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),以及該類機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)的一體化融合問題,是當(dāng)前地面域高機(jī)動(dòng)機(jī)器人關(guān)注的重點(diǎn)問題。

圖4 Cheetah前腿的肩部模塊截面圖

在機(jī)器人行為控制方面,美國MIT提出了基于動(dòng)力學(xué)模型的全身控制算法,在Cheetah四足機(jī)器人上開展了應(yīng)用[38],實(shí)現(xiàn)了自主移動(dòng)中的軌跡優(yōu)化與穩(wěn)定平衡結(jié)合,但復(fù)雜地形下高速奔跑時(shí)的魯棒性不足;英國愛丁堡大學(xué)與浙江大學(xué)聯(lián)合提出了基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多專家體系結(jié)構(gòu)控制方法,實(shí)現(xiàn)了未知環(huán)境下足式機(jī)器人的自主行走控制[39];瑞士ETH提出了無模型的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法,并在ANYmal四足機(jī)器人上應(yīng)用[40-41],實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形的自適應(yīng)行走,如圖5所示。上述研究雖然實(shí)現(xiàn)了足式移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜地形上的穩(wěn)定行走和避障,但僅限于單一節(jié)律和步幅的行走方式,無法在高速奔跑時(shí)靈活選擇步頻和步幅,故僅限于低速行走的穩(wěn)定性,在高速奔跑時(shí)容易失穩(wěn)和碰撞,因此針對越野域機(jī)器人奔跑中的加速、制動(dòng)、跳躍、躲閃等基本行為能力,亟待提高不受固定頻率和步幅限制的自由行走控制能力。

圖5 足式機(jī)器人復(fù)雜地形下的自適應(yīng)行走

3.2 速度與穩(wěn)定技術(shù)

時(shí)空域下機(jī)器人速度與穩(wěn)定研究包含3個(gè)層次的問題:首先是確定時(shí)刻下解的確定性問題,即在先驗(yàn)的環(huán)境靜態(tài)信息下,或不存在時(shí)間約束條件時(shí)最優(yōu)控制量的求解問題;其次是廣域時(shí)空維度下全局一致最優(yōu)解的搜索問題,自然環(huán)境種類復(fù)雜多樣,引入環(huán)境約束后的控制模型非常復(fù)雜,機(jī)器人既要穩(wěn)定又要規(guī)避障礙物,還需要滿足時(shí)間約束條件;最后是未來時(shí)間段的狀態(tài)預(yù)測問題,即需要以系統(tǒng)的歷史狀態(tài)以及環(huán)境歷史狀態(tài)序列為基礎(chǔ),構(gòu)建未來時(shí)間維度上的狀態(tài)軌跡跟蹤模型,解決高動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)控制與擾動(dòng)控制的問題。

針對移動(dòng)機(jī)器人速度與穩(wěn)定研究的核心問題,重點(diǎn)開展以下3方面研究:1)移動(dòng)機(jī)器人在開放環(huán)境的局部自治控制研究,運(yùn)用視覺、力覺、觸覺融合的狹窄通道、非連續(xù)路徑等移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃;2)開放動(dòng)態(tài)環(huán)境下的增強(qiáng)態(tài)勢感知研究,實(shí)現(xiàn)實(shí)施環(huán)境信息的多屬性多尺度多層級構(gòu)建與關(guān)聯(lián)增強(qiáng)研究,實(shí)現(xiàn)多維態(tài)勢構(gòu)建及動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整;3)基于知識引導(dǎo)和環(huán)境驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃建模方法研究,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下長距離時(shí)空任務(wù)級指令的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

動(dòng)態(tài)地面域環(huán)境下遮擋嚴(yán)重,機(jī)器人個(gè)體之間通訊困難,機(jī)器人群體只能利用自身傳感器獲得外部信息;在越野環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起伏性大、穩(wěn)定需求高,更加依賴群體的協(xié)同感知、交互與融合途徑。因此,國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注多機(jī)器人協(xié)同感知、信息交互、多源感知信息融合等方向。

圖6 多機(jī)器人協(xié)同感知

Hinostroza等[45]提出了多機(jī)器人感知融合的復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)的認(rèn)知方法,形成更精細(xì)劃分的認(rèn)知結(jié)果;Xiao等[46]提出了空中-水面協(xié)同環(huán)境感知和輔助導(dǎo)航方法,實(shí)現(xiàn)了協(xié)同海上救援。

當(dāng)前在機(jī)器人群體協(xié)同感知、信息交互和信息融合研究領(lǐng)域,側(cè)重于通過協(xié)同多源融合和組網(wǎng)重構(gòu)等方式進(jìn)行信息補(bǔ)償,未涉及不完備感知的多源信息關(guān)聯(lián)機(jī)制與群體聯(lián)合建模、基于集群自組織機(jī)制的信息交互、環(huán)境變化的協(xié)同感知與信息關(guān)聯(lián)推理等方面的研究,因此尚未解決信息缺失條件下未知情境的協(xié)同感知、交互與認(rèn)知推理問題。

開放動(dòng)態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化特性,給移動(dòng)機(jī)器人高速機(jī)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性帶來極大挑戰(zhàn):盡管當(dāng)前相關(guān)機(jī)器人研究取得了重大進(jìn)展,但仍處在程式化的跳躍翻騰、飛行游泳等初級水平。研究機(jī)器人的時(shí)空與控制技術(shù),其目的是為了解決機(jī)器人對環(huán)境的動(dòng)態(tài)順應(yīng)問題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人個(gè)體性能強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)問題。

3.3 交互與協(xié)同技術(shù)

移動(dòng)機(jī)器人信息與智能控制在群體協(xié)作中面臨特有的挑戰(zhàn):一是復(fù)雜的地形地貌下,群體內(nèi)機(jī)器人難以獲得持續(xù)精準(zhǔn)的定位信息,特殊的情況下(如森林、涵洞等),甚至整個(gè)集群定位和通信受阻,使群體面臨突出的不確定性決策問題;二是開放的作業(yè)場景中,伴有隨機(jī)的人員、動(dòng)物、車輛等合作或非合作動(dòng)態(tài)目標(biāo),難以保證群體在全局狀態(tài)空間和操作空間的魯棒性和敏捷性;三是協(xié)作任務(wù)的持續(xù)延伸帶來群體內(nèi)機(jī)器人角色的不斷轉(zhuǎn)變,進(jìn)而帶來群體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與靈活性之間的矛盾。上述問題是“環(huán)境-任務(wù)-角色”三元素耦合作用帶來的挑戰(zhàn),本質(zhì)上要建立一種默契協(xié)同與智能合作的機(jī)制,需要從能量域、時(shí)空域和信息域?qū)W交叉融合角度尋求突破。

針對移動(dòng)機(jī)器人交互與協(xié)同研究中的核心問題,重點(diǎn)開展:1)基于知識引導(dǎo)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的對手決策建模方法研究,實(shí)現(xiàn)任務(wù)級指令實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃;2)基于融合規(guī)劃調(diào)度與深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)自主執(zhí)行的分層決策框架研究,完成分層智能體的群體智能自主決策訓(xùn)練;3)復(fù)雜對抗條件下面向人機(jī)交互指令的結(jié)構(gòu)化指令搜索優(yōu)化問題研究,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化指令搜索優(yōu)化;4)基于反事實(shí)推理的決策指令策略持續(xù)演進(jìn)方法研究,實(shí)現(xiàn)群體智能體在任務(wù)決策指令間的實(shí)時(shí)調(diào)度;5)面向場景窗口的強(qiáng)化學(xué)習(xí)的群體決策執(zhí)行方法研究,提升群體智能策略的魯棒性和適應(yīng)性。

李德毅院士在第九屆中國指揮控制大會上用腦和認(rèn)知科學(xué)將指揮與控制科學(xué)帶到新高度,感知智能、行為智能和認(rèn)知智能的發(fā)展帶動(dòng)了智能化時(shí)代的到來。如圖7所示,通過對OODA環(huán)的解讀,觀察和行動(dòng)在物理空間,判斷和決策在認(rèn)知空間,箭頭代表時(shí)間t的螺旋,反映了時(shí)間、物理空間、認(rèn)知空間之間的關(guān)系。

圖7 OODA環(huán)的物理空間和認(rèn)知空間關(guān)系

在認(rèn)知與交互方面,李德毅院士認(rèn)為應(yīng)該把人腦的認(rèn)知和整個(gè)腦科學(xué)適當(dāng)區(qū)分開,把智能和意識區(qū)分開,做一個(gè)有感知、有認(rèn)知、有行動(dòng)、可交互、能訓(xùn)練、自生長的移動(dòng)機(jī)器人,其中最重要的是研究清楚駕駛腦、駕駛認(rèn)知中的OODA環(huán)。在新一代人工智能中提出感知智能、認(rèn)知智能和行為智能,感知智能和認(rèn)知智能也可稱為交互智能,行為智能、認(rèn)知智能中含有計(jì)算智能、記憶智能,高階認(rèn)知產(chǎn)生記憶智能和計(jì)算智能。

群體協(xié)同運(yùn)動(dòng)方面,Reynolds[47]提出了模擬鳥群協(xié)同運(yùn)動(dòng)的理論模型,該模型給出了個(gè)體遵循的3個(gè)簡單規(guī)則:碰撞避免、速度匹配和向群體中心運(yùn)動(dòng),如圖8所示。為模擬仿真結(jié)果,Couzin等[48]進(jìn)一步構(gòu)建了3層規(guī)則模型,以排斥、吸引、對齊為基本相互作用重現(xiàn)了魚群的多種協(xié)同運(yùn)動(dòng)行為;Vicsek等[49]從統(tǒng)計(jì)物理的角度提出了基于鄰居間相互作用建立個(gè)體運(yùn)動(dòng)方向的方法,實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)粒子的一致性運(yùn)動(dòng);Cucker等[50]研究了三維空間內(nèi)群聚現(xiàn)象,提出通過其他單體作用調(diào)整自身速度,解決了群體內(nèi)速度不統(tǒng)一問題。針對個(gè)體之間不具備互動(dòng)與協(xié)作能力問題,Spears等[51]提出了一種基于勢能和力平衡方程的物理學(xué)分析方法,建立了自然物理定律驅(qū)動(dòng)的虛擬力預(yù)測模型,用于集群內(nèi)大量移動(dòng)物理代理的分布式預(yù)測。2019—2020年,美國谷歌Deepmind團(tuán)隊(duì)的AlphaStar[52],國內(nèi)啟元科技團(tuán)隊(duì)的多智能體SCC[53],先后在星際爭霸比賽中戰(zhàn)勝人類,證明了多類別大規(guī)模集群實(shí)施中心化協(xié)同控制的可行性。

圖8 模擬鳥群協(xié)同運(yùn)動(dòng)仿真

在面向場景的群體決策智能協(xié)同與博弈方面,Lowe等[54]提出了多智能體深度確定性策略梯度模型,實(shí)現(xiàn)中心化訓(xùn)練,去中心化執(zhí)行;美國賓夕法尼亞大學(xué)Jadbabaie教授提出了基于群體生物行為的群智合作與競爭等激發(fā)模式,在SWARMS項(xiàng)目物理系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用;美國分布智能實(shí)驗(yàn)室Parker教授提出了運(yùn)用群智激發(fā)匯聚機(jī)理的目標(biāo)搜索方法,在智能群體機(jī)器人的室內(nèi)搜索項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了物理應(yīng)用[55]。

當(dāng)前的群體協(xié)同運(yùn)動(dòng)研究主要基于Vicsek模型和Cucker-Smale模型實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)方向和速度的協(xié)調(diào),群體動(dòng)力學(xué)研究主要基于虛擬力模型和隨機(jī)狀態(tài)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)了理想條件與簡單任務(wù)約束下的粒子群運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,均未考慮機(jī)器人多點(diǎn)接觸地面時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)影響,缺少群體與地面之間的共融關(guān)系。上述研究同樣適用于空中、水上和均勻介質(zhì)的平臺地面,難以解決開放動(dòng)態(tài)環(huán)境下快速移動(dòng)地面群體適應(yīng)復(fù)雜地面環(huán)境的問題。因此,需要針對多末端系統(tǒng)的行為特征建立機(jī)器人群體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)模型,以解決群體與地面環(huán)境之間的共融問題。

除了上述提及的技術(shù)外,跨越能量域-時(shí)空域-信息域,以及土壤、水、空氣等支承-摩擦介質(zhì)的交叉融合學(xué)科也越來越受到重視,例如:1)全維態(tài)勢感知與智能傳感技術(shù),提高移動(dòng)機(jī)器人對地形語義、材質(zhì)等細(xì)粒度特征的精確判別;2)在判斷環(huán)中融合超算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于快速、準(zhǔn)確地判斷和預(yù)測環(huán)境態(tài)勢及變化,大幅度提高海量數(shù)據(jù)的搜索、存儲、計(jì)算、挖掘的能力;3)在決策環(huán)中應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)、腦機(jī)接口等技術(shù),提高移動(dòng)機(jī)器人在未知復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的自治共駕、沉浸交互能力,真正實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)”智能交互,達(dá)到“化身級”自適應(yīng)協(xié)同一致的能力;4)在行動(dòng)環(huán)中運(yùn)用智能控制技術(shù),通過預(yù)測控制、全身動(dòng)力學(xué)控制以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新技術(shù),提高移動(dòng)機(jī)器人行為動(dòng)作執(zhí)行精度與自演化能力;5)基于OODA循環(huán)競爭機(jī)制實(shí)現(xiàn)粗粒度演進(jìn)優(yōu)化、細(xì)粒度迭代優(yōu)化,解決目前移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)演進(jìn)難、學(xué)習(xí)能力不足的問題。綜上,總結(jié)移動(dòng)機(jī)器人跨域躍質(zhì)技術(shù)體系,如圖9所示。

圖9 移動(dòng)機(jī)器人跨域躍質(zhì)技術(shù)體系

4 跨域典型成果分析

為提升任務(wù)效能,國內(nèi)涌現(xiàn)出很多跨域移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。下面圍繞機(jī)器人跨域躍質(zhì)自主作業(yè)、機(jī)器人跨域躍質(zhì)協(xié)同作業(yè)兩大方面,以某單位近期開展的陸-空跨域移動(dòng)機(jī)器人任務(wù)作業(yè)產(chǎn)生的應(yīng)用效果展開介紹。

為了提升陸域城市攻防能力,開展陸-空跨域一體機(jī)器人研制,如圖10所示。面向街巷縱橫、高樓林立的建筑物群場景,開展集成陸域-空域一體的機(jī)器人研究,集地面行走與空中飛行功能為一體,突破跨域機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行走控制、四旋翼飛行控制、機(jī)器人失穩(wěn)姿態(tài)控制、定位導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù),具備復(fù)雜地面機(jī)動(dòng)、低空飛行與懸停以及目標(biāo)搜索等性能,實(shí)現(xiàn)陸-空跨域機(jī)器人緊耦合機(jī)動(dòng)控制,提升跨域足式機(jī)器人平臺在復(fù)雜城市環(huán)境下的跨域機(jī)動(dòng)能力。

圖10 跨域足式機(jī)器人移動(dòng)平臺

針對越野非結(jié)構(gòu)環(huán)境下兼容動(dòng)力學(xué)差異性的跨域異構(gòu)平臺實(shí)時(shí)協(xié)同控制問題,如圖11所示,在異構(gòu)平臺的協(xié)同運(yùn)動(dòng)分析過程中引入虛擬關(guān)節(jié),產(chǎn)生虛擬作用力,對異構(gòu)平臺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行約束。圖11中,Oxyz為機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系,θx、θy、θz分別為相對于關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的角度。結(jié)合異構(gòu)平臺的協(xié)作模式,通過單支鏈串聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析,將地空異構(gòu)平臺的行為關(guān)系映射到協(xié)同狀態(tài)模型構(gòu)建中,構(gòu)建基于動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制的協(xié)同平臺集成動(dòng)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)地空異構(gòu)協(xié)同平臺緊耦合越野機(jī)動(dòng)控制,提升跨域異構(gòu)平臺在越野環(huán)境下的協(xié)同機(jī)動(dòng)能力。

未來跨域機(jī)器人的方向可以分為三個(gè)方面,一是跨域空間拓展,深空探測的美國宇航局火星車和嫦娥月球車,為了保證機(jī)器人在外星球上的機(jī)動(dòng),首先需要完成很多對于月球地形、地質(zhì)、土壤力學(xué)特點(diǎn)的分析,這樣才能對在地球上設(shè)計(jì)的控制和導(dǎo)航策略進(jìn)行針對性調(diào)整;二是群體協(xié)作,揭示多構(gòu)型機(jī)器人與復(fù)雜跨域環(huán)境的共融機(jī)理和群體協(xié)作,完成變化任務(wù)的群體共融機(jī)理,推動(dòng)機(jī)器人多領(lǐng)域、多學(xué)科“融”的研究;三是仿生/仿人機(jī)動(dòng),仿生機(jī)器人在地面力學(xué)特征多變、傳感器受限、外界通信拒止極域環(huán)境中,能夠進(jìn)行越野環(huán)境下高速機(jī)動(dòng)、靈活探索亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。在陸/空跨域介質(zhì)下,未來通過對仿人機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn),實(shí)現(xiàn)穿戴式奔跑-飛行異構(gòu)仿人裝備,實(shí)現(xiàn)未來作戰(zhàn)的陸-空跨域作戰(zhàn)新質(zhì)力量,同樣適用于陸、天、空、?？缬蛉诤系男沦|(zhì)新域作戰(zhàn)力量。

5 應(yīng)用與發(fā)展展望

跨域躍質(zhì)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人作業(yè),需要增加任務(wù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同介質(zhì)環(huán)境下的推廣和實(shí)用化;同時(shí),機(jī)器人的協(xié)同應(yīng)用緊迫,不同介質(zhì)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人與人、移動(dòng)機(jī)器人之間要進(jìn)行協(xié)同,真正實(shí)現(xiàn)多域機(jī)器人在深空作業(yè)、深海探測、高原山地等環(huán)境下的應(yīng)用。

多域更是越野學(xué)未來發(fā)展的重點(diǎn),一是越野空間的拓展,由地面到深空其他星球表面的機(jī)器人、到地下空間行走和水底爬行的機(jī)器人,都在越野機(jī)器人基礎(chǔ)理論上發(fā)展;二是機(jī)器人越野技術(shù)理論和成果對于其他域的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力具有參考、借鑒和支撐作用,例如飛行:鳥既能飛又能跑,是地面越野和空中飛翔的融合;兩棲龍蝦、龜?shù)燃饶苡斡帜苌习杜芑蛩着佬?也是游和走的越野理論融合。

跨域躍質(zhì)機(jī)器人是應(yīng)對日益復(fù)雜環(huán)境和使命的重要技術(shù)途徑和應(yīng)用手段,將為無人系統(tǒng)的發(fā)展提供更廣闊的空間,同時(shí)也為無人系統(tǒng)本身的發(fā)展提出了更多更高的要求,有望進(jìn)一步促進(jìn)無人系統(tǒng)本身的多樣化發(fā)展。可以預(yù)見,未來一些面向跨域應(yīng)用的新概念平臺和技術(shù)勢必大量涌現(xiàn)。

6 結(jié)論

本文沿著跨域躍質(zhì)的陸-海-空-天機(jī)器人研究路線進(jìn)行了總體闡述,歸納了跨域躍質(zhì)移動(dòng)機(jī)器人的支撐與牽引技術(shù)、速度與穩(wěn)定技術(shù)、交互與協(xié)同技術(shù)路線,分類總結(jié)了移動(dòng)機(jī)器人在多域環(huán)境的科學(xué)目標(biāo)與關(guān)鍵技術(shù)。針對陸-空跨域典型成果的分析,介紹了跨域足式機(jī)器人及跨域異構(gòu)平臺在真實(shí)應(yīng)用效果方面的優(yōu)勢。最后,展望了跨域躍質(zhì)移動(dòng)機(jī)器人的研究發(fā)展趨勢。

通過廣泛分析現(xiàn)階段國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,跨域躍質(zhì)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人作業(yè),需要增加任務(wù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同介質(zhì)環(huán)境下的推廣和實(shí)用化;同時(shí),機(jī)器人的協(xié)同應(yīng)用緊迫,不同介質(zhì)環(huán)境下,移動(dòng)機(jī)器人與人、移動(dòng)機(jī)器人之間要進(jìn)行協(xié)同,真正實(shí)現(xiàn)多域機(jī)器人在深空作業(yè)、深海探測、高原山地等環(huán)境下的應(yīng)用。