仿生蜘蛛救援机器人运动控制关键技术研究

宋词 王超 吕诗晴 周子瑞 常月

摘 要：文章主要针对救援类机器人关键技术开展研究与设计。机器人一般配备彩色摄像机、热成像仪、通信系统及急救包等设备，能够替代救援人员深入情况危险、时间紧迫、环境复杂的场所实施快速、精准、高效的救援工作。文章重点研究仿生蜘蛛救援机器人系统的设计方案，并对部分核心进行系统阐述。

关键词：仿生;救援机器人;运动规划;神经网络

0   引言

救援机器人是为救援而采取先进科学技术研制的机器系统，该系统可以由单体机器人独立完成工作任务，也可以实现群体机器人的协同合作救援。救援机器人种类繁多，主要包括军用救援机器人，灾后救援机器人，水下救援机器人、灾难侦察机器人等。

1   国内外研究现状

20世纪80年代，美国、德国、日本等发达国家就开始了对救援机器人的研究和应用，针对不同用途研发出具有不同功能的救援机器人。我国救援机器人的研究工作开展较晚，但发展速度很快[1]。“十一五”期间，我国已将“救援机器人”项目列入国家863重点项目，包括沈阳自动化所、西安科技大学、哈尔滨工业大学等知名研究所和高校积极开展研究，设计并研发了废墟可变形搜救机器人、机器人化生命探测仪、旋翼无人机救援机器人等性能优越的救援系统[2]。

2   主要研究内容

仿生蜘蛛救援机器人系統研究主要包括救援机器人软硬件系统框架设计、高爆发液压驱动及驱动-传动系统设计、复杂环境下救援机器人群体运动规划与控制理论、多态势救援机器人群体神经网络系统模型、虚拟力场法路径规划与障碍物规避算法5个部分内容。

以六足式蜘蛛机器人硬件框架为依托，对蜘蛛的各类运动情况进行建模仿真，包括常规前进、后退、爬行、攻击、躲避等。设计中采用高爆液压驱动传动系统障机器人的高机动性和高爆发性。重点探讨分布式蜘蛛机器人的群体协同控制与路径规划，并模拟救援场景下复杂环境中群体神经网络模型，实现虚拟力场与传感网络相结合的规避算法[3]。

2.1  救援机器人软硬件系统框架设计

对比国内外救援机器人系统性能，比较双足式、四足式、车轮式、履带式机器人特点，探讨系统应用环境因素与复杂性特点，研究机器人机械架构、主控制系统、服务器监测界面、移动监测终端界面4个方面设计内容，拟合搜救路径规划与障碍规避算法，结合群体仿生理论制定一套较完备的分布式救援机器人系统模型方案。

2.2  高爆发液压驱动及驱动-传动系统设计

救援机器人驱动系统设计中拟采用缸阀一体、空腔推杆和薄壁缸体的驱动关节模块功能结构一体化设计方法，以提高功率密度;研究储能与增压模块、储能与爆发时空状态精准转换方法，研究强冲击与重载荷下的液压驱动单元高速力/位混合伺服控制技术;针对高爆发驱动对元部件的不利影响，研究密封/润滑失效分析与优化方法，研究关节传动机构迭代优化设计方法，以集成多连杆传动机构。

2.3  复杂环境下救援机器人群体运动规划与控制理论

拟基于多元仿生耦合模型，分析蚁群等生物群体复杂运动过程中的运动学参数，提取与定义运动模式特征参数和描述运动性能的指标参数，建立模式参数与运动性能之间的直观映射。根据群体机器人运动时获得的状态反馈信息，研究运动轨迹在线调节与优化方法，由此导出直接作用于群体机器人高机动运动控制的伺服控制指令。

2.4  多态势救援机器人群体神经网络系统模型

建立群体机器人神经网络模型，使其具备基本的应激反应。从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象并建立某种模型，按不同的连接方式组成不同的类神经网络，组建大量神经节点（或神经元）并进行相互连接，并使每个节点代表一种特定的激励函数，以节点间的连接作为该连接信号的加权值（权重），形成人工神经网络的记忆功能，网络的输出则依网络的连接方式、权重值和激励函数的不同而有所调整，提高单体与群体的协同控制与反应能力。

2.5  虚拟力场法路径规划与障碍物规避算法

构造目标方位引力场和障碍物周围斥力场共同作用的虚拟人工力场，搜索势函数下降方向找寻无碰撞路径，使群体机器人沿虚拟排斥力和虚拟引力合力方向运动，结合人工势场法和栅格法分析移动机器人实时避障及最优路径规划。构建虚拟力场环境，统计并分析救援场所环境因素并提出风险评估，优化算法实现类人神经系统自激反应及自主学习功能。

系统利用采集的数据进行平衡性预判，集合超声波测距获取的周边距离信息，实现六足机器人的平稳行进与智能避障功能。蜘蛛类六足仿生中采用L298N驱动8路舵机实现机器人的稳态步进，利用 PWM 波形进行系统调速，控制做出前进、后退、转弯等动作。无线控制方式集合红外编码及蓝牙技术，实现移动终端与红外线预设指令相结合的控制方式，设计中可利用无线设备进行直接干预与控制，也可根据智能化程序进行自我控制，丰富了蜘蛛类仿生机器人的控制方式以达到最佳的控制效果。仿生机器人系统硬件框架如图1所示。

3 技术难点和关键技术

3.1 复杂环境下救援机器人系统设计与适应性研究

救援机器人主要在极端复杂环境下开展工作，系统设计及功能对环境的适应性要求很高，项目前期主要针对复杂环境适应能力开展项目的软硬件系统设计，包括硬件机械机构、机器人驱动系统、远程服务器控制端、移动控制端等，针对行进路径规划、无线信号传输质量、高爆发机动性等问题开展研究。

3.2 仿群体生物应激反应的救援机器人神经网络模型构建与算法优化

救援机器人群体高机动运动过程中的反应行为具有形态多样、动作复杂等特点，而做出反应的依据是来自神经系统对外界环境因素的感知，构建救援机器人群体神经系统网络系统模型，使其具备可学习性和可训练性，能够在复杂环境下开展单体救援与群体协同救援工作。

3.3 人工势场因素与分散控制方法相结合的多智能体控制律

项目研究过程中集合群体生物运动及行为数据和人工势场模型，分析救援机器人群体行为反应及决策方式，构建具有心跳、应激、自组织运动模式等肢体特征的虚拟中枢-肢体代理模型和支持群组能够基本维持生存、防御危险和探索世界的“本能式运动协调”功能模型，开展面向智能群体系统的群体救援系统在不同作业和模式下协作仿生策略与控制技术研究。仿生机器人系统研究方案如图2所示。

4   结语

希望通过针对救援机器人关键技术的研究助推智能机器人产业升级发展，为经济发展贡献力量。通过和高科技产业的无缝对接，形成产品设计和开发能力，吸引风险投资，构建仿生机器人产学研结合的局面。

[参考文献]

[1]王超，张东杰，贾春磊，等.灵长类仿生机器人高机动运动与控制关键技术研究[J].无线互联科技，2019（18）：107-108.

[2]程红太，万登科，郝丽娜.灵长类仿生机器人飞跃轨迹规划及控制策略[J].东北大学学报（自然科学版），2017（2）：168-173.

[3]赵旖旎，程红太，张晓华.基于能量的欠驱动双臂机器人悬摆动态伺服控制[J].西南交通大学学报，2009（3）：380-384.

（编辑 何 琳）