尚 宇，劉艷強(qiáng)，延現(xiàn)有，張德遠(yuǎn)

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

1 表征現(xiàn)象觀察與描述

鴿子的生活習(xí)性為群居生活，個(gè)體在群體中有一定的生存壓力并且個(gè)體之間會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)，為了能夠獲取更多的食物，在成長(zhǎng)過(guò)程中的長(zhǎng)時(shí)間鍛煉學(xué)習(xí)以及物種進(jìn)化的影響，使其能夠在不同環(huán)境下根據(jù)食物的不同位置進(jìn)行頭頸姿態(tài)的靈活調(diào)整，僅通過(guò)快速的“點(diǎn)頭”動(dòng)作就能快速準(zhǔn)確地啄食。

研究最初，通過(guò)慢鏡頭記錄了鴿子的一個(gè)完整啄食過(guò)程，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，在啄食時(shí)，鴿子的頭頸部在向目標(biāo)食物靠近的過(guò)程中，并不是一次到位啄取食物，而是身體通過(guò)雙腿的運(yùn)動(dòng)向目標(biāo)靠近到一定程度時(shí)，頭頸部發(fā)生一次“暫?！?，之后身體靜止，并且會(huì)伴隨著頭頸部的角度與方位的調(diào)整來(lái)向食物靠近，在靠近的過(guò)程中間會(huì)再進(jìn)入一次“暫停”狀態(tài)，接著繼續(xù)向食物靠近，最后通過(guò)一個(gè)瞬間地“點(diǎn)頭”動(dòng)作啄取食物。而且，鴿子在啄取后續(xù)的食物時(shí)，不再移動(dòng)身體，僅通過(guò)頭頸的方位調(diào)整就可以啄取在其能接觸到的范圍內(nèi)的多個(gè)食物，即可以“一次定位，多次啄取”。

2 分析與假設(shè)

1975年弗萊得曼（Mark B.Friedman）教授通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出結(jié)論：鴿子頭部的前后擺動(dòng)行為與保持視野穩(wěn)定有很大關(guān)系，鴿子頭部的暫時(shí)靜止，可以使清晰的視野穩(wěn)定在視網(wǎng)膜上，頭部的前伸，可以在深度上對(duì)圖像進(jìn)行感知[1]。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以認(rèn)為，鴿子在啄食過(guò)程中的頭頸運(yùn)動(dòng)是在視覺(jué)反饋的控制下進(jìn)行的。鴿子的視錐細(xì)胞（視網(wǎng)膜的感光神經(jīng)元具有辨別顏色的能量）均勻地分布在視網(wǎng)膜的表層，因而鴿子可以看清視野內(nèi)幾乎所有的物體[2]。就橫向位置而言，單只鴿眼不移動(dòng)時(shí)，視野范圍約160°，由于鴿眼可以轉(zhuǎn)動(dòng)，每只眼睛可以增加約20°視野，在中間的區(qū)域，雙眼視野交疊約25°（即雙眼能夠同時(shí)看到這個(gè)角度內(nèi)的物體，稱(chēng)為“雙目視野”），此外鴿子頭部后方存在一片20°～25°范圍的“盲點(diǎn)”不在視野范圍內(nèi)（如圖1所示）。鴿子由于雙目視野較小，不易于識(shí)別圖像深度，即立體視覺(jué)較弱，因此鴿子需要不斷地通過(guò)“頭部前伸”與“頭部暫?！钡慕惶鎭?lái)獲取圖像上的深度信息，從而實(shí)現(xiàn)視覺(jué)反饋定位。

2016年，加拿大女王大學(xué)（Queens University）的學(xué)者Leslie M. Theunissen通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鴿子啄食時(shí)，頭頸在進(jìn)入第二次暫停狀態(tài)之后，鴿子的眼睛幾乎處于閉合狀態(tài)，此時(shí)可以認(rèn)為視覺(jué)不發(fā)揮作用或視覺(jué)反饋效果已經(jīng)大大削弱[3]。

根據(jù)所觀察到的現(xiàn)象以及現(xiàn)有的研究成果，對(duì)鴿子單次啄食的動(dòng)作進(jìn)行階段的劃分，并提出一種控制假設(shè)：鴿子的運(yùn)動(dòng)控制模式在不同時(shí)期進(jìn)行切換。頭部第一次進(jìn)入暫停狀態(tài)之前，身體不斷向食物方向靠近，此時(shí)運(yùn)動(dòng)處于視覺(jué)反饋下的半閉環(huán)控制，稱(chēng)為粗略定位階段；第一次暫停，確定要啄食的目標(biāo)所處的區(qū)域位置，之后開(kāi)始調(diào)整頭頸部的角度方位再次向食物靠近，此時(shí)運(yùn)動(dòng)仍處于視覺(jué)反饋下的半閉環(huán)控制，稱(chēng)為精確定位階段；第二次暫停后，通過(guò)“點(diǎn)頭”動(dòng)作啄取食物，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制處于開(kāi)環(huán)控制，稱(chēng)為最終啄食階段。這一階段可以認(rèn)為是其頭頸部在長(zhǎng)期訓(xùn)練中形成的一種固化，通過(guò)生物體本身的感覺(jué)估計(jì)或慣性來(lái)完成對(duì)最后動(dòng)作的配置，可以稱(chēng)之為身體智能（Embodied Intelligence）或形態(tài)學(xué)控制（Morphology control）。

鴿子進(jìn)行啄食主要通過(guò)頭頸骨骼的運(yùn)動(dòng)，鴿子的頸椎關(guān)節(jié)有12節(jié)并且關(guān)節(jié)面呈馬鞍形，由于氣管、食道等組織沒(méi)有頸椎關(guān)節(jié)長(zhǎng)，所以鴿子的頸部關(guān)節(jié)呈S型并且具有高可動(dòng)性和高柔韌性[4]， 可以靈活的接觸到一定范圍內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，因此，鴿子可以高效的進(jìn)行“一次定位，多次啄食”。

圖1 鴿子視野范圍

3 控制模型建立與仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)控制模型建立

鴿子的雙腿運(yùn)動(dòng)和頭頸運(yùn)動(dòng)之間是獨(dú)立發(fā)生的，鴿子可以在無(wú)視覺(jué)變化情況下進(jìn)行無(wú)頭頸動(dòng)作的雙腿移動(dòng)，也可以在雙腿靜止時(shí)單獨(dú)進(jìn)行頭頸動(dòng)作[5]。因此，可以認(rèn)為在鴿子啄食時(shí)，控制身體跟進(jìn)和頭頸運(yùn)動(dòng)的大腦對(duì)身體的運(yùn)動(dòng)和頭頸定位運(yùn)動(dòng)的控制指令是單獨(dú)發(fā)出的。

頭頸運(yùn)動(dòng)控制與視網(wǎng)膜信息處理、視覺(jué)神經(jīng)通路及腦部活動(dòng)有關(guān)，基于視覺(jué)生理學(xué)的概念，我們把頭頸運(yùn)動(dòng)分成兩個(gè)基本層次：Higher Level和Lower Level——視覺(jué)感知層和運(yùn)動(dòng)控制層（如圖2所示）。

圖2 鴿子頭頸運(yùn)動(dòng)層次劃分

上層部分主要是生物視覺(jué)圖像算法與處理，通過(guò)環(huán)境建模、目標(biāo)特征提取、目標(biāo)檢測(cè)與定位實(shí)現(xiàn)，下層部分主要頭頸運(yùn)動(dòng)部分，通過(guò)視覺(jué)的定位與肌肉骨骼的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)提出的控制假設(shè)，建立鴿子頭頸定位和運(yùn)動(dòng)控制模型如圖3所示。

圖3 視覺(jué)定位與運(yùn)動(dòng)控制模型

頭頸運(yùn)動(dòng)模型中的運(yùn)動(dòng)控制由兩部分組成，分別為視覺(jué)反饋的半閉環(huán)運(yùn)動(dòng)和頭頸部的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)模式由控制器進(jìn)行切換，最后完成定位。

3.2 控制模型仿真

鴿子啄食是基于形態(tài)智能與估計(jì)的一種控制方式，依賴(lài)于長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，誤差的隨機(jī)性使得在控制上有很大的難度。模糊控制完全是根據(jù)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，具有較強(qiáng)的魯棒性，不依賴(lài)于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并且對(duì)被控對(duì)象參數(shù)的變化不明顯。

通過(guò)MATLAB設(shè)計(jì)模糊控制器和仿真模型，本文中選取誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，模糊化為E和EC，選取u為輸出變量，模糊化為U，輸入輸出的輪域均設(shè)計(jì)為[-5,5]，輸入輸出模糊子集均取{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，模糊子集對(duì)應(yīng)的隸屬度曲線(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 變量E、EC、U的隸屬度曲線(xiàn)

根據(jù)控制規(guī)律，建立49條模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

模糊推理采用Mamdani法，解模糊利用重心法centroid。在Simulink中建立定位與運(yùn)動(dòng)控制模型并仿真運(yùn)行。

圖5 Simulink模糊控制模型

圖6 仿真運(yùn)行結(jié)果

通過(guò)仿真運(yùn)行結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入為正弦曲線(xiàn)時(shí)，輸出也為正弦曲線(xiàn)，誤差較小且運(yùn)行平穩(wěn)，可以驗(yàn)證假設(shè)及控制模型的正確性。

4 工程啟發(fā)與應(yīng)用

在航空裝備領(lǐng)域，用于飛機(jī)進(jìn)氣道制孔的爬壁機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)中。但是由于飛機(jī)S型進(jìn)氣道的特殊結(jié)構(gòu)，車(chē)輪在與導(dǎo)軌的直接接觸時(shí)處于純滾動(dòng)狀態(tài)，加上摩擦力的影響等原因，爬壁機(jī)器人在沿著導(dǎo)軌移動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)打滑的現(xiàn)象，會(huì)帶來(lái)較大的定位誤差，對(duì)制孔的效率和制孔的質(zhì)量帶來(lái)較大的影響。

借鑒鴿子的視覺(jué)反饋定位機(jī)制，以及前文提出的控制模式在不同時(shí)期進(jìn)行半閉環(huán)與開(kāi)環(huán)不斷切換的控制模式，在工程應(yīng)用中，使用非接觸式視覺(jué)定位技術(shù)，在機(jī)器人鉆頭旁邊安裝內(nèi)窺鏡，將圖像反饋引入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)反饋下的半閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制；借鑒鴿子的身體智能和形態(tài)控制機(jī)理對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使用膨脹套筒與柔性氣鉆進(jìn)行配合，膨脹套筒由內(nèi)套和外套組成，并且內(nèi)套與外套錐面配合，由支撐架帶動(dòng)向鉆模板的標(biāo)記孔運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步保證定位精度，靠柔性機(jī)構(gòu)之間的約束實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制。

制孔機(jī)器人在加工過(guò)程中的尋孔定位和制孔操作與鴿子啄食時(shí)的運(yùn)動(dòng)有相似之處，包括車(chē)輪在內(nèi)的機(jī)器人主體相當(dāng)于鴿子身體，用于識(shí)別標(biāo)記孔的內(nèi)窺鏡相當(dāng)于鴿子的眼睛，制孔操作相當(dāng)于鴿子的啄食動(dòng)作。

爬壁制孔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 爬壁制孔機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

建立爬壁制孔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型如圖8所示。

圖8 爬壁制孔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型

在鉆頭進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的過(guò)程中，內(nèi)窺鏡對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的位置圖像進(jìn)行采集和特征提取，將誤差值作為反饋量用于定位補(bǔ)償，直至加工鉆頭在目標(biāo)點(diǎn)位置處于一種正確的姿態(tài)，此時(shí)的控制過(guò)程為視覺(jué)反饋下的半閉環(huán)控制；定位完成之后，柔性加工鉆頭通過(guò)與膨脹套筒之間的約束，進(jìn)行后續(xù)的制孔加工，此時(shí)的控制過(guò)程為開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)控制模式的不斷切換，能夠提高定位精度和制孔效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)鴿子啄食時(shí)頭頸運(yùn)動(dòng)及鴿眼視野進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)控制中視覺(jué)反饋發(fā)揮著關(guān)鍵作用，視覺(jué)的反饋有助于鴿子啄食時(shí)的姿態(tài)調(diào)整以及準(zhǔn)確地啄取食物。根據(jù)自動(dòng)控制原理，對(duì)鴿子啄食運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，可以建立其啄食過(guò)程的視覺(jué)定位與運(yùn)動(dòng)控制模型，將視覺(jué)反饋的運(yùn)動(dòng)控制模型應(yīng)用到爬壁制孔機(jī)器人中，使用半閉環(huán)與開(kāi)環(huán)方式不斷切換的控制方式，提高定位精度和效率，提出了一種由自然生物表征到工程實(shí)際的仿生控制應(yīng)用方案。