李飛 馬鵬菲 楊浩 楊朝中 彭海軍

(大連理工大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化與CAE軟件全國重點實驗室, 大連 116024)

1 連續(xù)體機器人的研制

傳統(tǒng)剛性機器人因其自身存在體大笨重、自由度受限、安全性不足等缺點,已難以滿足狹窄、多障礙的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)需求.近年來,人們借鑒仿生學(xué)思想,通過模擬例如象鼻、蛇、章魚爪等生物結(jié)構(gòu)特征和運動行為,設(shè)計了各種仿生連續(xù)體機器人,它們與這些生物具有類似的驚人環(huán)境適應(yīng)能力.本團(tuán)隊借鑒張拉整體結(jié)構(gòu)的概念,設(shè)計了一種繩索驅(qū)動的張拉連續(xù)體機器人,它是由一組受壓構(gòu)件和受拉繩索組成的自平衡系統(tǒng).張拉連續(xù)體機器人結(jié)構(gòu)中的剛性構(gòu)件模擬生物骨骼,而柔性繩索模擬肌肉或韌帶,再通過外圍繩索的收縮與釋放模擬肌肉的牽引功能,最終實現(xiàn)其柔順大變形運動.

2 遠(yuǎn)距離目標(biāo)瞄準(zhǔn)跟蹤控制

目前,連續(xù)體機器人在航空發(fā)動機檢測、核反應(yīng)堆燃料棒掃查、微創(chuàng)手術(shù)輔助等重大工程中的實際應(yīng)用已成為各國競爭的科技高地.事實上,連續(xù)體機器人在執(zhí)行這些任務(wù)的背后將面臨一系列復(fù)雜的動力學(xué)與控制問題.圍繞連續(xù)體機器人的精準(zhǔn)控制技術(shù),本團(tuán)隊提出了一種基于視覺的張拉連續(xù)體機器人自主跟蹤控制方法,并通過遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)跟蹤動態(tài)目標(biāo)的場景任務(wù)來展示控制效果.為了對所提方法及所研制的機器人進(jìn)行性能驗證,團(tuán)隊向世界紀(jì)錄認(rèn)證(WRCA)發(fā)出挑戰(zhàn)申請.

2.1 挑戰(zhàn)任務(wù)

針對未知動態(tài)目標(biāo)跟蹤控制問題,以在平面內(nèi)任意移動的人形標(biāo)靶為跟蹤目標(biāo),通過在連續(xù)體機器人末端安裝激光筆,使激光點實時跟蹤標(biāo)靶中心.挑戰(zhàn)成功的依據(jù)為:(1)連續(xù)體機器人與目標(biāo)的間距≥15 m;(2)連續(xù)命中標(biāo)靶靶心的時間需≥5s.

2.2 問題分析

連續(xù)體機器人是一類高維非線性的剛-柔耦合系統(tǒng),從力學(xué)特性上看:它與傳統(tǒng)的剛性機器人不同,構(gòu)件的柔性變形不可忽略,需考慮幾何非線性,且其逆運動學(xué)解是不確定的.這種柔性機器人的動力學(xué)效應(yīng)十分突出,其本體微小的動力學(xué)抖動可能引起遠(yuǎn)處任務(wù)空間中的激光點位置的巨大偏差,且隨著目標(biāo)與機器人距離越遠(yuǎn),這種偏差將越被放大.鑒于此,目前多數(shù)研發(fā)團(tuán)隊?wèi)?yīng)用視覺伺服反饋系統(tǒng)對動態(tài)目標(biāo)追蹤時候僅限于近距離,對于遠(yuǎn)距離動態(tài)目標(biāo)跟蹤問題目前尚未提出有效的解決方案.

2.3 控制方案

針對連續(xù)體機器人采用視覺反饋跟蹤遠(yuǎn)距離動態(tài)目標(biāo)問題,如圖1所示,本團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)了一套張拉連續(xù)體機器人軟硬件系統(tǒng),并提出了一種新的高精度視覺伺服反饋動態(tài)目標(biāo)追蹤方案.該方案首先建立了基于力學(xué)模型的連續(xù)體機器人受控運動方程,然后使用連續(xù)體機器人末端位姿投影方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)視覺伺服反饋,通過在末端中心安裝的激光筆實現(xiàn)對末端姿態(tài)在目標(biāo)平面的投影,繼而構(gòu)建了二維激光點與連續(xù)體機器人三維末端姿態(tài)之間的映射關(guān)系.相機在采集圖像后實時計算當(dāng)前的跟蹤誤差并反饋給控制器,最終通過求解瞬時最優(yōu)控制輸入便可完成對動態(tài)目標(biāo)的閉環(huán)自主跟蹤.該方案既解除了對連續(xù)體機器人整體位姿信息測量要求的限制,又避免了因為連續(xù)體機器人本體柔性振動所導(dǎo)致無法對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行有效圖像采集的問題.

3 世界紀(jì)錄的現(xiàn)場認(rèn)定

如圖2所示,標(biāo)靶與連續(xù)體機器人是兩套相互獨立的設(shè)備,標(biāo)靶尺寸為20 cm×20 cm,兩者相距30.129 m.連續(xù)體機器人需通過末端攜帶激光筆擊中且持續(xù)跟隨移動標(biāo)靶靶心5秒以上.

圖2 世界紀(jì)錄的現(xiàn)場認(rèn)證Fig.2 On-site certification for the world record

最終,經(jīng)世界記錄認(rèn)證(WRCA)官方現(xiàn)場嚴(yán)格審核,所研制的機器人被認(rèn)定為“最遠(yuǎn)距離命中移動靶心的自主連續(xù)體機器人”,最遠(yuǎn)有效跟蹤距離為30.129 m,該距離下連續(xù)跟蹤靶心最長時間為12.81 s.此項世界紀(jì)錄的成功挑戰(zhàn)標(biāo)志著連續(xù)體機器人技術(shù)不再受限于實驗室等近距離應(yīng)用場景,對于推動未來連續(xù)體機器人技術(shù)走向?qū)嶋H工程應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義.世界記錄認(rèn)證(WRCA)與大連理工大學(xué)官方媒體報道鏈接如下:

https://www.worldrecordcertification.com/record-holders/1117.html;

https://news.dlut.edu.cn/info/1011/84474.htm