靈長類仿生機器人高機動運動與控制關鍵技術研究

王超 張東杰 賈春磊 郝悅

摘 ? 要：靈長類仿生機器人具有高爆發性、高適應性、高平衡性等特點，既能夠完成基本行走式機器人的工作職能，又能適用于復雜環境下的協同配合工作。文章主要探討靈長類仿生機器人高機動運動與控制關鍵技術及主要研究方案，以黑猩猩等典型靈長類動物為仿生對象，開展機器人仿生關鍵技術研究，針對機器人運動高機動性的多運動模式和高爆發性特點開展研究，重點探討靈長類高機動運動的生物學及運動力學信息提取與表征、高爆液壓驅動和傳動系統構建、多模式運動的靈長類機構優化、多模式運動統一建模及最優模式選擇與切換4項內容。

關鍵詞：仿生機器人;靈長類;多運動模式;高爆發性

仿生機器人應用范圍廣泛，除工業生產、民用服務、醫療應用等常規領域外，在軍事、生物、航空等特殊行業也得到快速發展。仿生機器人的應用對于工業生產力提高、服務效率優化具有顯著效果，彌補了人力的局限性，對于環境復雜、危險性較高、時空要求嚴格的領域，實現高效、持久、精準的工作模式。“人工智能仿生機器人”研究已納入我國中長期發展規劃，工作報告指出，人工智能應以《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》和《中國制造2025》為指引，助推智能機器人產業升級和實現跨越發展，為國家經濟發展作出應有的貢獻。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新局面[1]。

1 ? ?國內外研究現狀

20世紀70年代，美國著名科學家明斯基等提出“人工智能”理論，它是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新科學技術。機器人學是人工智能領域的重要研究方向，結合現代仿生學理論逐步形成的仿生機器人研究領域成為重要的學科方向[2]。

結合仿生學研究和設計的機器人種類繁多，美國麻省理工學院的布魯克斯教授師生團隊研究和設計的蚊型機器人，可通過程序對其進行控制，但并不具備思考能力。德國科學家制造的機器鳥可以任意飛行，并模擬母鷹按時給幼鷹喂食。日本學者針對海洋生物仿真機器人開展研究，設計出一款電子機器蟹，用于深海探測、采樣和生物樣本捕捉等功能。美國科學家研究的仿生機器金槍魚可通過身體、尾巴和魚鰭的擺動游動，行進速度可達7.2 km/h，憑借其低功耗特點可持續工作數月，主要用于水下拍攝、海洋地圖繪制等。

我國開展仿生機器人技術研究較晚，研究部門和單位主要集中在高校和研究所，包括沈陽自動化所、西安科技大學、哈爾濱工業大學等知名研究部門，比較有代表性的包括：譚民教授團隊的人工智能機器人控制理論及復雜科學研究，汪小帆教授的基于Vicsek模型分析和個體速率變化對蜂擁控制影響的研究[3]。鑒于仿生機器人應用場景情況多變、環境復雜、時效性極強等特點，依然需開展深入的研究，探討和制定更高協同效率、更強適應力、更快反應速度的仿生機器人高機動運動與控制策略，而靈長類動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，也可以通過四肢協同執行攀爬、攻擊、防護等復雜動作，具有較高的機動性和爆發性，特別適合復雜特殊環境下的協同工作。

2 ? ?主要研究內容

靈長類動物在運動過程中具有豐富多樣的運動模式，特別適合復雜環境和地形中的高機動運動，如在平緩環境下采用雙足行走、奔跑、跳躍等運動以達到最佳運動效果，在復雜地面環境下采用四足方式走、跑、跳，保障運動過程中的機動性和穩定性。如何針對不同環境和地形形成特定的運動模式，是該項研究的首要問題。為保證靈長類仿生機器人在不同地形環境下運動的平穩性和連續性，須重點研究運動模式中的平滑過渡和穩定切換問題，如雙足和四足運動狀態的切換、運動模式如何過渡等。本文主要分析了靈長類機器人運行模式系統化模型特點，重點探討仿靈長類機器人高機動運動的規劃與控制理論問題。研究采用基于多元仿生耦合模型方式，分析運動過程中的各項參數，提取運動特征數值和指標，最終建立運動性能與模型參數的對應關系映射，并利用感知系統的反饋信息，調節和優化運動軌跡與運動模式。以運動模式性能最優為依據，以基本平衡為約束，設定離線自保護功能，根據多傳感器信息融合對運動過程的平穩性進行判定，實現靈長類機器人的高機動多模式運動。

2.1 ?高機動運動的生物學及運動力學信息提取與表征

靈長類動物運動過程中的生物耦合機制和仿生設計理論是本文研究的基礎，特別是運動生物學與生物力學信息的獲取和采集是生物耦合系統模型構建的前提條件。針對該項研究內容，團隊采用微觀信息采集、宏觀觀測、醫學斷層掃描等方式，利用圖像分析與處理手段獲取生物學特性信息，利用計算機仿真輔助搭建骨骼、關節、肌肉、韌帶等生物模型，模擬并分析運動過程的協調參數、運動力分布，構建運動力學調節的步態、運動學、力學等數學模型。通過測量獲取靈長類動物協調運動參數、足爪動態力學分布與變化、肌肉力等重要運動力學信息，并進行生物運動力學信息的特征提取和數據信息融合，對多運動模式下的運動形態和步態規律以及足/爪地面力學特性進行多參數的系統化表征。

2.2 ?高爆液壓驅動和傳動系統構建

驅動單元是機器人系統設計的重要組成部分，是機器人運動的基本條件，主要采用電機驅動、氣壓驅動、液壓驅動3種方式。電機驅動是機器人設計中最常見的驅動方式，但無法滿足高爆發和快速切換功能;氣壓驅動方式存在延遲較大、穩定性不足、信號失真等問題，不能適應靈長類高機動運動機器人的設計目標;液壓驅動方式具有較好的抗沖擊性和可控制性，具備過載保護功能，特別適合靈長類機器人高機動運動過程中的跑、跳等高爆發運動模式[4]。針對該項研究內容，團隊采用薄壁缸體、空腔推桿、缸閥一體的驅動框架結構，該結構有助于提高功率密度，重點分析儲能與增壓關系參數，實現儲能與爆發時空精準轉換功能。針對高爆發驅動裝置對器件的不利影響，調節沖擊力與重負載的高速力/位混合控制方式，采用關節傳動迭代設計方法構建多元連桿推進模型。

2.3 ?多模式運動的靈長類機構優化

靈長類仿生機器人的高機動運動與多模式轉換主要包括走、跑、跳、爬等多種運動模式的切換，雙足運動與四足運動的平穩切換，要求具備較強的奔跑、跳躍、避障、攀爬等方面的運動能力。重點研究有限自重下的多模式構型設計、大運動范圍關節設計、構件剛柔性設計、構件輕量化設計、加工裝配工藝復雜性設計等諸多環節中進行協調，以滿足仿靈長類高機動運動機器人對機構的要求。針對該項研究內容，團隊采用多模式拓撲構件、多功能柔性足爪及前后肢設計，通過多剛柔系統傳遞矩陣法的機器人動力學模型和機械、液壓、控制一體化模型進行仿真和優化。

2.4 ?多模式運動統一建模及最優模式選擇與切換

靈長類仿生機器人高機動運行過程中具備動作復雜、形態多樣等特點，各種運動模式的建模和調節方法不同，導致復雜環境中的運動連續性難以保持。針對該項研究內容，團隊分別對靈長類仿生機器人的對節律運動（如跳躍、攀爬、自保護）和非節律運動（行走、奔跑）進行建模和分析，對非節律運動進行運動模式的離線學習，對節律運動進行參數化統一建模，建立運動過程的最優化模式選擇策略，通過非線性振蕩器網絡和多維空間網絡參數搜索方法實現運動在線平滑切換功能[5]。

3 ? ?應用前景

本文以仿靈長類高機動運動機器人的耦合仿生設計理論、仿靈長類機器人高機動運動的規劃與控制理論為基礎，研究靈長類動物高機動運動的生物學及運動力學信息提取與表征，小型化高爆發液壓驅動及驅動—傳動一體化設計，可多模式運動的仿靈長類機器人機構優化設計，仿靈長類機器人多模式運動統一建模及最優模式選擇與切換等4項關鍵技術，研究形成的技術成果與方法也可應用于其他精密機械、機器人系統及機械工程領域，成為具有高爆發特性高密度作動系統、多自由度輕量化機構設計以及腿足仿生平臺高機動運動控制的理論與工程實現基礎。

4 ? ?結語

本文主要探討仿靈長類機器人高機動運動生物耦合理論，重點分析高機動運動規劃與控制策略，研究靈長類動物高機動運動的生物學及運動力學信息提取與表征、小型化高爆發液壓驅動及驅動—傳動一體化設計、可多模式運動的仿靈長類機器人機構優化設計、仿靈長類機器人多模式運動統一建模及最優模式選擇與切換4項關鍵技術，希望在國內仿生機器人研究領域起到積極作用，促進對靈長類動物運動規律以及協調機理的理解和認識，助力于耦合仿生理論與技術在工程中的應用，提高仿生學的影響和地位。

[參考文獻]

[1]程紅太，萬登科，郝麗娜.仿靈長類動物機械肢體結構設計與分析[J].東北大學學報（自然科學版），2017（2）：55-56.

[2]張曉華，趙旖旎，程紅太.靈長類仿生機器人懸臂運動仿生控制綜述[J].控制工程，2011（2）：161-165.

[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].機器人，2009（4）：289-295.

[4]王超，楊曉輝.基于無線傳感網絡的魚類培育環境監測系統設計[J].無線互聯科技，2018（10）：122-123.

[5]王超，楊曉輝.智慧實驗室監控系統研究[J].科學技術創新，2018（10）：81-82.