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(guān)鍵技術(shù)開展研究與設(shè)計。機器人一般配備彩色攝像機、熱成像儀、通信系統(tǒng)及急救包等設(shè)備，能夠替代救援人員深入情況危險、時間緊迫、環(huán)境復(fù)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(tǒng)的設(shè)計方案，并對部分核心進行系統(tǒng)闡述。

關(guān)鍵詞：仿生;救援機器人;運動規(guī)劃;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 ? 引言

救援機器人是為救援而采取先進科學(xué)技術(shù)研制的機器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以由單體機器人獨立完成工作任務(wù)，也可以實現(xiàn)群體機器人的協(xié)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(zāi)后救援機器人，水下救援機器人、災(zāi)難偵察機器人等。

1 ? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀80年代，美國、德國、日本等發(fā)達國家就開始了對救援機器人的研究和應(yīng)用，針對不同用途研發(fā)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(fā)展速度很快[1]?！笆晃濉逼陂g，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(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名研究所和高校積極開展研究，設(shè)計并研發(fā)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(yōu)越的救援系統(tǒng)[2]。

2 ? 主要研究內(nèi)容

仿生蜘蛛救援機器人系統(tǒng)研究主要包括救援機器人軟硬件系統(tǒng)框架設(shè)計、高爆發(fā)液壓驅(qū)動及驅(qū)動-傳動系統(tǒng)設(shè)計、復(fù)雜環(huán)境下救援機器人群體運動規(guī)劃與控制理論、多態(tài)勢救援機器人群體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型、虛擬力場法路徑規(guī)劃與障礙物規(guī)避算法5個部分內(nèi)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(guī)前進、后退、爬行、攻擊、躲避等。設(shè)計中采用高爆液壓驅(qū)動傳動系統(tǒng)障機器人的高機動性和高爆發(fā)性。重點探討分布式蜘蛛機器人的群體協(xié)同控制與路徑規(guī)劃，并模擬救援場景下復(fù)雜環(huán)境中群體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)虛擬力場與傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的規(guī)避算法[3]。

2.1 ?救援機器人軟硬件系統(tǒng)框架設(shè)計

對比國內(nèi)外救援機器人系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用環(huán)境因素與復(fù)雜性特點，研究機器人機械架構(gòu)、主控制系統(tǒng)、服務(wù)器監(jiān)測界面、移動監(jiān)測終端界面4個方面設(shè)計內(nèi)容，擬合搜救路徑規(guī)劃與障礙規(guī)避算法，結(jié)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(tǒng)模型方案。

2.2 ?高爆發(fā)液壓驅(qū)動及驅(qū)動-傳動系統(tǒng)設(shè)計

救援機器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中擬采用缸閥一體、空腔推桿和薄壁缸體的驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法，以提高功率密度;研究儲能與增壓模塊、儲能與爆發(fā)時空狀態(tài)精準轉(zhuǎn)換方法，研究強沖擊與重載荷下的液壓驅(qū)動單元高速力/位混合伺服控制技術(shù);針對高爆發(fā)驅(qū)動對元部件的不利影響，研究密封/潤滑失效分析與優(yōu)化方法，研究關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)迭代優(yōu)化設(shè)計方法，以集成多連桿傳動機構(gòu)。

2.3 ?復(fù)雜環(huán)境下救援機器人群體運動規(guī)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(fù)雜運動過程中的運動學(xué)參數(shù)，提取與定義運動模式特征參數(shù)和描述運動性能的指標參數(shù)，建立模式參數(shù)與運動性能之間的直觀映射。根據(jù)群體機器人運動時獲得的狀態(tài)反饋信息，研究運動軌跡在線調(diào)節(jié)與優(yōu)化方法，由此導(dǎo)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(tài)勢救援機器人群體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

建立群體機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使其具備基本的應(yīng)激反應(yīng)。從信息處理角度對人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)，組建大量神經(jīng)節(jié)點（或神經(jīng)元）并進行相互連接，并使每個節(jié)點代表一種特定的激勵函數(shù)，以節(jié)點間的連接作為該連接信號的加權(quán)值（權(quán)重），形成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶功能，網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式、權(quán)重值和激勵函數(shù)的不同而有所調(diào)整，提高單體與群體的協(xié)同控制與反應(yīng)能力。

2.5 ?虛擬力場法路徑規(guī)劃與障礙物規(guī)避算法

構(gòu)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(shù)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(jié)合人工勢場法和柵格法分析移動機器人實時避障及最優(yōu)路徑規(guī)劃。構(gòu)建虛擬力場環(huán)境，統(tǒng)計并分析救援場所環(huán)境因素并提出風(fēng)險評估，優(yōu)化算法實現(xiàn)類人神經(jīng)系統(tǒng)自激反應(yīng)及自主學(xué)習(xí)功能。

系統(tǒng)利用采集的數(shù)據(jù)進行平衡性預(yù)判，集合超聲波測距獲取的周邊距離信息，實現(xiàn)六足機器人的平穩(wěn)行進與智能避障功能。蜘蛛類六足仿生中采用L298N驅(qū)動8路舵機實現(xiàn)機器人的穩(wěn)態(tài)步進，利用 PWM 波形進行系統(tǒng)調(diào)速，控制做出前進、后退、轉(zhuǎn)彎等動作。無線控制方式集合紅外編碼及藍牙技術(shù)，實現(xiàn)移動終端與紅外線預(yù)設(shè)指令相結(jié)合的控制方式，設(shè)計中可利用無線設(shè)備進行直接干預(yù)與控制，也可根據(jù)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(tǒng)硬件框架如圖1所示。

3 技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)

3.1 復(fù)雜環(huán)境下救援機器人系統(tǒng)設(shè)計與適應(yīng)性研究

救援機器人主要在極端復(fù)雜環(huán)境下開展工作，系統(tǒng)設(shè)計及功能對環(huán)境的適應(yīng)性要求很高，項目前期主要針對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力開展項目的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計，包括硬件機械機構(gòu)、機器人驅(qū)動系統(tǒng)、遠程服務(wù)器控制端、移動控制端等，針對行進路徑規(guī)劃、無線信號傳輸質(zhì)量、高爆發(fā)機動性等問題開展研究。

3.2 仿群體生物應(yīng)激反應(yīng)的救援機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建與算法優(yōu)化

救援機器人群體高機動運動過程中的反應(yīng)行為具有形態(tài)多樣、動作復(fù)雜等特點，而做出反應(yīng)的依據(jù)是來自神經(jīng)系統(tǒng)對外界環(huán)境因素的感知，構(gòu)建救援機器人群體神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，使其具備可學(xué)習(xí)性和可訓(xùn)練性，能夠在復(fù)雜環(huán)境下開展單體救援與群體協(xié)同救援工作。

3.3 人工勢場因素與分散控制方法相結(jié)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(shù)據(jù)和人工勢場模型，分析救援機器人群體行為反應(yīng)及決策方式，構(gòu)建具有心跳、應(yīng)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(xié)調(diào)”功能模型，開展面向智能群體系統(tǒng)的群體救援系統(tǒng)在不同作業(yè)和模式下協(xié)作仿生策略與控制技術(shù)研究。仿生機器人系統(tǒng)研究方案如圖2所示。

4 ? 結(jié)語

希望通過針對救援機器人關(guān)鍵技術(shù)的研究助推智能機器人產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，為經(jīng)濟發(fā)展貢獻力量。通過和高科技產(chǎn)業(yè)的無縫對接，形成產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)能力，吸引風(fēng)險投資，構(gòu)建仿生機器人產(chǎn)學(xué)研結(jié)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(guān)鍵技術(shù)研究[J].無線互聯(lián)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(guī)劃及控制策略[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（2）：168-173.

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

（編輯 何 琳）