羅 欣， 丁曉軍

( 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))， 武漢 430074)

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是在輪式、履帶式或足式移動(dòng)平臺(tái)上加裝一個(gè)或多個(gè)操作手臂所構(gòu)成的具有主動(dòng)作業(yè)能力的新型智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，它結(jié)合了操作手臂和移動(dòng)平臺(tái)雙方的優(yōu)點(diǎn)，兩者相互融合，相互補(bǔ)充，被認(rèn)為是“兩全其美(best-of-both-worlds)”的方案[1]. 與傳統(tǒng)的固定基座操作臂相比，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人有諸多優(yōu)勢(shì). 安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的操作臂具有更大的操作空間，可以在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)操作；加裝操作臂極大地增強(qiáng)了移動(dòng)平臺(tái)本身的地形通過能力，操作臂可以輔助提高移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性，還可以清除障礙或提供輔助支撐/拖拽，從而越過單靠移動(dòng)平臺(tái)不能通行的地形，極大地?cái)U(kuò)大移動(dòng)平臺(tái)的通行范圍；當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)到達(dá)指定目標(biāo)位置時(shí)，可以使用操作臂進(jìn)行抓取或操作作業(yè)，使得移動(dòng)平臺(tái)不再單純的是載荷運(yùn)送工具. 上述特點(diǎn)使地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)害救援、科學(xué)探索、倉儲(chǔ)物流、家政服務(wù)等眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景.

然而，移動(dòng)平臺(tái)與操作臂的結(jié)合也帶來了新的問題. 移動(dòng)作業(yè)過程中，移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間存在強(qiáng)烈的相互作用，兩者相互影響. 一方面，移動(dòng)平臺(tái)是操作臂的安裝基座，與固定基座的操作臂相比，移動(dòng)作業(yè)操作臂的基座實(shí)際上是一個(gè)浮動(dòng)基，操作臂的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)需要與其基座——移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行相協(xié)調(diào)，才能獲得整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)準(zhǔn)確性；另一方面，操作臂的運(yùn)動(dòng)以及其與外部環(huán)境的強(qiáng)相互作用也會(huì)反作用到移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)需要與操作臂的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，才能為操作臂的作業(yè)提供所需的支撐力，同時(shí)保持整個(gè)系統(tǒng)全局動(dòng)態(tài)穩(wěn)定. 這種相互影響使得地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和作業(yè)控制上面臨諸多挑戰(zhàn). 傳統(tǒng)方法常常采用“分而治之”的簡(jiǎn)化方法，將兩者分離開來，從靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)的視角，將一方的能力包絡(luò)作為另一方的約束，分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，或者僅考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的整體規(guī)劃和控制. 由于這些方法往往趨于保守，不能充分發(fā)揮移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)作業(yè)能力.

近年來，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制問題引起了機(jī)器人研究領(lǐng)域的極大關(guān)注，成為當(dāng)前機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制研究的一個(gè)熱點(diǎn)，如IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)(IEEE RAS)將“移動(dòng)操作”作為通向智能制造的重要技術(shù)途徑[1]，于2010年成立了“移動(dòng)操作”專業(yè)技術(shù)委員會(huì)[2-3]. IEEE Robotics & Automation Magazine、Autonomous Robots等機(jī)器人權(quán)威期刊，ICRA[4]、IROS[5]、RSS[6]等頗具廣泛影響力的機(jī)器人國際會(huì)議[7-9]紛紛以“移動(dòng)操作”、“自主移動(dòng)操作”“協(xié)作機(jī)器人”等為專題對(duì)移動(dòng)操作研究方面的最新成果進(jìn)行持續(xù)報(bào)導(dǎo). 一些專門討論移動(dòng)操作機(jī)器人的著作和學(xué)位論文[10-15]也如雨后春筍般地出現(xiàn).

地面移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及諸多方面，本文將從運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制的角度，分別從地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人平臺(tái)構(gòu)建、系統(tǒng)建模、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、穩(wěn)定性和作業(yè)控制等方面，詳細(xì)梳理與綜述近年來國內(nèi)外對(duì)于地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的研究成果，并對(duì)目前尚存在的基礎(chǔ)問題進(jìn)行分析與展望.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和平臺(tái)

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人由移動(dòng)平臺(tái)和操作臂兩個(gè)部分構(gòu)成，按照移動(dòng)平臺(tái)的不同結(jié)構(gòu)形式，可將其分為履帶式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人、輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人和足式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人；而按照操作臂的數(shù)量，可以將其分成單臂移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人、雙臂移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人和多臂移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人.

輪式、履帶式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其移動(dòng)平臺(tái)可以以較快的速度移動(dòng)，但對(duì)道路條件的依賴性較強(qiáng)，復(fù)雜地形適應(yīng)性較差. 由于移動(dòng)平臺(tái)的位姿難以調(diào)整，平臺(tái)能為操作臂提供的靜態(tài)防傾覆力矩強(qiáng)烈地依賴于平臺(tái)接地點(diǎn)所構(gòu)成的凸包的幾何形狀以及平臺(tái)自身的質(zhì)量，所以這類移動(dòng)操作機(jī)器人主要用來在較平坦環(huán)境下執(zhí)行“移動(dòng)-輕量物體取放/樣品采集”類型的準(zhǔn)靜態(tài)接觸作業(yè)任務(wù). 要提高與環(huán)境交互的強(qiáng)度，往往需要給移動(dòng)平臺(tái)附加支撐機(jī)構(gòu)或增大移動(dòng)平臺(tái)的自重，這使得移動(dòng)操作機(jī)器人的靈活性和作業(yè)效率受到極大限制.

目前，具有代表性的輪式和履帶式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人分別如圖 1和表1所示. 圖1(a) 是加拿大瑞爾森大學(xué)設(shè)計(jì)的履帶式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，它能夠通過在線重構(gòu)履帶式移動(dòng)平臺(tái)或調(diào)整操作臂位姿越過斜坡[16]；圖1(b)是中科院沈陽自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的一款履帶式反恐防暴機(jī)器人“靈蜥-A”，該機(jī)器人集計(jì)算機(jī)、傳感器、車體驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)程通信以及武器控制等技術(shù)為一體，已裝備公安、武警部隊(duì)的反恐一線[17]；圖1(c)為西班牙馬拉加大學(xué)設(shè)計(jì)的自主履帶式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人Alacrane，可實(shí)現(xiàn)如梯田等不平地形下的搬運(yùn)作業(yè)任務(wù). 當(dāng)機(jī)器人越過斜坡時(shí)，不僅可以通過調(diào)節(jié)手臂位置來改變機(jī)器人重心，而且可以將手臂作為腿用，通過與地面作用，來提供支撐，輔助機(jī)器人成功越障[18]. 此外，日本千葉工業(yè)大學(xué)[19]、國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)[20]、東南大學(xué)[21]也搭建了相關(guān)平臺(tái).

(a)瑞爾森大學(xué)設(shè)計(jì)[16] (b)中科院沈陽自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)[17] (c)馬拉加大學(xué)設(shè)計(jì)[18]

表1 國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)研究?jī)?nèi)容匯總

圖2(a) 是Intel和卡耐基梅隆大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的輪式服務(wù)機(jī)器人HERB，可清掃桌子、迷宮拼圖和搬運(yùn)重物等[23]；圖2(b)是德國航空航天中心開發(fā)類人機(jī)器人Rollin’ Justin，該機(jī)器人可在低維規(guī)劃的空間里實(shí)現(xiàn)擦玻璃等復(fù)雜作業(yè)任務(wù)[28]；圖2(c)是KUKA機(jī)器人公司生產(chǎn)的LBR iiwa，可用于生產(chǎn)車間的移動(dòng)搬運(yùn)和裝配[40]；圖2(d) 是波士頓動(dòng)力公司推出的新一代Handle，該機(jī)器人由一個(gè)兩輪移動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)操作臂組成，可實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)管理與搬運(yùn)[41]. 圖2(e)是上海交通大學(xué)在電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上加裝一個(gè)6自由度操作臂，構(gòu)成了輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，可完成開門動(dòng)作[35]；圖2(f)是新松機(jī)器人自動(dòng)化公司新推出的復(fù)合機(jī)器人HSCR5，該機(jī)器人由一個(gè)全方位移動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)7自由度柔性操作臂組成，并配備了激光、視覺以及磁條導(dǎo)航，可實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)抓取、物料分揀等精細(xì)作業(yè)任務(wù)[42]. 此外，國內(nèi)外其他學(xué)者也搭建了相關(guān)平臺(tái)[22,30-31,34,39].

足式移動(dòng)平臺(tái)由于其僅需離散立足點(diǎn)的行走特性，在復(fù)雜地形下具有天然的地形通過性優(yōu)勢(shì)，而且其結(jié)構(gòu)固有的懸架特性，也使得其在接觸作業(yè)中，可以通過調(diào)整身體姿態(tài)來有效地調(diào)整施力方向，提高關(guān)節(jié)力/力矩的有效機(jī)械增益(EMA)，獲得更大的承力能力、作業(yè)速度和作業(yè)效率，因而足式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人可以更好地適應(yīng)高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)環(huán)境交互作用的場(chǎng)合，但是其自由度冗余高、控制難度大. 針對(duì)足式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人研究的主要文獻(xiàn)如圖3所示，其中代表性的工作有川田機(jī)器人公司和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(Advanced Industrial Science and Technology)合作開發(fā)的HRP-4[43](電驅(qū)動(dòng)人形作業(yè)機(jī)器人，可抓取0.5 kg質(zhì)量的物體，如圖3(a)所示)； 波士頓動(dòng)力(BD)公司發(fā)布的Spotmini[25, 44](高速、電驅(qū)動(dòng)四足移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，如圖3(b) 所示)；意大利技術(shù)研究所(IIT)發(fā)布的HyQ2Centaur[29, 45](大載荷、全液壓驅(qū)動(dòng)的四足移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，如圖3(c)所示)以及Agility公司新發(fā)布了兩足作業(yè)機(jī)器人Digit[46](電驅(qū)動(dòng)雙足移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人).

圖2 輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人

(a)川田機(jī)器人公司HRP-4[43] (b)波士頓動(dòng)力Spotmin[25] (c)意大利理工學(xué)院 HyQ2Centaur[29]

從以上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和平臺(tái)可知，履帶式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人具備一定的地面適應(yīng)能力，可適用于碎石、洼坑等局部非平坦地面，可用于野外作業(yè)；輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人對(duì)地形要求苛刻，只能在室內(nèi)等平坦地面上作業(yè)，多用于服務(wù)機(jī)器人；足式移動(dòng)操作機(jī)器人具備復(fù)雜地形的通過能力，可適用于更為復(fù)雜的地形場(chǎng)合. 一種明顯得趨勢(shì)是，從動(dòng)態(tài)控制角度出發(fā)，將機(jī)器人看作一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)地利用移動(dòng)平臺(tái)對(duì)地面的作用，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃和控制. 如Boston動(dòng)力公司在其研制的四足機(jī)器人BigDog的頭部安裝操作臂，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)投擲磚塊任務(wù)[47]；其開發(fā)的輪足復(fù)合機(jī)器人Handle，通過協(xié)調(diào)移動(dòng)平臺(tái)和操作臂，實(shí)現(xiàn)工廠搬運(yùn)貨物任務(wù). 此外，DARPA救援挑戰(zhàn)大賽上，機(jī)器人RoboSimian[26]、DRC HUBO[48]通過移動(dòng)平臺(tái)-操作臂協(xié)調(diào)，動(dòng)態(tài)的利用地面反作用力實(shí)現(xiàn)開關(guān)安全門、打鉆等強(qiáng)環(huán)境交互作業(yè)任務(wù). 這些控制不依賴于移動(dòng)平臺(tái)與接地點(diǎn)形成凸包所能提供的最大靜態(tài)防傾覆力矩，而是動(dòng)態(tài)地利用地面作用到移動(dòng)平臺(tái)上的力/力矩，為機(jī)器人提供動(dòng)態(tài)防傾覆力矩. 這類機(jī)器人具有里程碑的意義，代表著地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的方向. 此外，針對(duì)更加復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，由多個(gè)操作臂與移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的多臂地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人可通過多臂間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)(如精細(xì)裝配作業(yè))，已成為移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)新的研究方向.

2 系統(tǒng)建模

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的推進(jìn)力依靠移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如輪、履帶或足等，與地面相互作用而產(chǎn)生，對(duì)于地面形貌和地表特性十分敏感. 移動(dòng)平臺(tái)上加裝操作臂后，操作臂與移動(dòng)平臺(tái)之間的耦合效應(yīng)將使整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為的復(fù)雜性大大增加，給系統(tǒng)的建模帶來極大困難.

地面移動(dòng)操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型涉及地面與移動(dòng)平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)與操作臂、操作臂與操作對(duì)象和環(huán)境的動(dòng)態(tài)交互，各部分之間關(guān)系如圖4所示. 其中，移動(dòng)平臺(tái)與地面間的交互作用需要地面力學(xué)來描述[49]；移動(dòng)平臺(tái)與操作臂間的交互作用需要考慮移動(dòng)平臺(tái)高動(dòng)態(tài)特性、非完整約束(對(duì)于輪式移動(dòng)平臺(tái))/欠驅(qū)動(dòng)(對(duì)于足式移動(dòng)平臺(tái))、操作臂的非線性和冗余自由度特性；操作臂與環(huán)境之間的交互作用需要考慮環(huán)境的順應(yīng)性，從而建立合理的臂-環(huán)境接觸模型[50-51].

為了方便描述，將地面對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的作用和環(huán)境對(duì)操作臂的作用都當(dāng)作約束來處理，建立移動(dòng)平臺(tái)-操作臂的動(dòng)力學(xué)模型.

圖4 地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

2.1 剛體動(dòng)力學(xué)建模

在不考慮關(guān)節(jié)變形的情況下，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人可看作一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的多剛體系統(tǒng)，因此可采用拉格朗日方程或牛頓-歐拉法來構(gòu)建系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程.

選用拉格朗日方程，參考文獻(xiàn)[15，52]采用以下3個(gè)步驟構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：1)建立3個(gè)坐標(biāo)系，即慣性坐標(biāo)系OXYZ、移動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系OmXmYmZm和操作臂坐標(biāo)系OrXrYrZr，如圖5所示；2)采用矢量法求得各個(gè)剛體質(zhì)心的位置在慣性坐標(biāo)系下的表示，并對(duì)變量求導(dǎo)，計(jì)算系統(tǒng)總的動(dòng)能和勢(shì)能，得到拉格朗日量；3)應(yīng)用拉格朗日方程求得系統(tǒng)的剛體動(dòng)力學(xué)模型.

圖5 地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系定義

為行文簡(jiǎn)潔，省略推導(dǎo)過程，本文直接給出最終的動(dòng)力學(xué)模型為[52]：

(1)

式(1) 是地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人通用動(dòng)力學(xué)模型. 對(duì)于非完整約束項(xiàng)Av(qv)，輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人如兩輪差分驅(qū)動(dòng)和類小車的移動(dòng)平臺(tái)都會(huì)引入非完整約束，而以麥克納姆輪為代表的全向移動(dòng)平臺(tái)則不會(huì)；對(duì)于由履帶式移動(dòng)平臺(tái)或足式移動(dòng)平臺(tái)組成的地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，一般要考慮非完整約束. 方程中其他項(xiàng)是地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的共有特性，不再贅述.

此外，式(1)中慣性矩陣M中的Mvr和Mrv, 科氏力、離心力矩陣C中的Cvr和Crv是耦合項(xiàng)，表征了地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間的耦合關(guān)系，前者是移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)操作臂的影響，是與移動(dòng)平臺(tái)的位置、速度相關(guān)的函數(shù)；后者是表征操作臂的運(yùn)動(dòng)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的影響，是與操作臂姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度及關(guān)節(jié)角速度相關(guān)的函數(shù).

由以上分析可知，式(1)中，關(guān)于移動(dòng)平臺(tái)與地面的交互作用以及操作臂末端與作業(yè)環(huán)境的交互作用不能被簡(jiǎn)化為純剛體碰撞，還應(yīng)該考慮地面力學(xué)和作業(yè)環(huán)境的順應(yīng)性. 針對(duì)地面力學(xué)的建模問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全院士團(tuán)隊(duì)研究并建立了月/星球車輪地作用地面力學(xué)模型[49]；對(duì)于操作臂與環(huán)境交互作用規(guī)律，前南斯拉夫?qū)W者 Vukobratovic等[50-51]撰寫了機(jī)器人與環(huán)境接觸作業(yè)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)專著. 可見，從動(dòng)力學(xué)角度做整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，不可避免地要考慮地形、地貌以及作業(yè)環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響，是當(dāng)下移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向.

由于移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，描述二者耦合作用的函數(shù)很難直接求得，為此，勢(shì)必要對(duì)相關(guān)耦合效應(yīng)進(jìn)行分析，并對(duì)模型做適當(dāng)?shù)囊?guī)約.

2.2 耦合效應(yīng)分析及面向控制器設(shè)計(jì)的模型規(guī)約

將地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人視作一個(gè)多剛體系統(tǒng)，當(dāng)操作臂在完成作業(yè)任務(wù)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)會(huì)影響移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，這就是地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的耦合效應(yīng)，其具有如下特點(diǎn)：

1)地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的耦合效應(yīng)同移動(dòng)平臺(tái)的位置、速度、加速度及操作臂的姿態(tài)、關(guān)節(jié)角速度、角加速度變化緊密相關(guān)，并且具有明顯的高維度、高動(dòng)態(tài)和強(qiáng)非線性.

2)地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的耦合程度受操作臂-移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量比影響. 質(zhì)量比越大，耦合效應(yīng)越劇烈，對(duì)系統(tǒng)控制的影響越顯著， 因此在設(shè)計(jì)實(shí)際的地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人時(shí)，在滿足作業(yè)要求的前提下，大多采用較小的操作臂-移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量比,參見表2.

表2 仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的操作臂與移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量比

由于存在耦合效應(yīng)，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有非線性，難以用來直接設(shè)計(jì)控制策略，需要對(duì)該模型進(jìn)行不同程度的規(guī)約和簡(jiǎn)化. 為了解決該問題，往往在移動(dòng)操作機(jī)器人的設(shè)計(jì)中采用較低的操作臂-移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量比，從而直接忽略這種耦合效應(yīng)[33]，但其帶來的局限是由于其移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量遠(yuǎn)大于操作臂的質(zhì)量，操作臂僅能抓取較輕的物體. 當(dāng)操作臂-移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量比不能忽略時(shí)，勢(shì)必要考慮二者間的耦合效應(yīng).

目前，面向地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的作業(yè)控制建模方法可以分為兩種，即分離建模和整體建模. 分離建模將耦合效應(yīng)當(dāng)作外部擾動(dòng)處理，分別對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和操作手臂構(gòu)建牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)方程并獨(dú)立施加控制. 雖然分離建模簡(jiǎn)化了模型，但由于擾動(dòng)的不確定性，使其控制變得困難. 如Liu等[53]提出了一種分離控制策略，將操作臂和移動(dòng)平臺(tái)視為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，分別建模和設(shè)計(jì)控制器，將二者間的動(dòng)力學(xué)耦合以及未知的不確定性都當(dāng)作外擾，并在有界條件下使系統(tǒng)漸近穩(wěn)定.

整體建模方法將移動(dòng)平臺(tái)和操作臂間的耦合作用作為內(nèi)部因素考慮. 該方法充分考慮了移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間的耦合效應(yīng)，但由于系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，以及當(dāng)操作臂運(yùn)動(dòng)、地面環(huán)境變化或是作業(yè)環(huán)境改變時(shí)，離線建立的模型準(zhǔn)確性嚴(yán)重下降，會(huì)影響控制算法性能，存在諸多不足. 如Zhong等[30]研究了輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間的耦合效應(yīng)，建立了系統(tǒng)整體的動(dòng)力學(xué)模型，并提出了一種魯棒自適應(yīng)控制算法，該方法僅適用于移動(dòng)平臺(tái)與操作臂間的質(zhì)量比在給定范圍內(nèi)的場(chǎng)合，一旦其質(zhì)量比超出給定范圍，算法的控制效果就會(huì)劣化，甚至可能失效.

由以上分析可知，分離建?？梢院?jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，便于施加控制，但這種做法極端保守，不能充分發(fā)揮移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)作業(yè)能力. 將移動(dòng)平臺(tái)和操作臂看成一個(gè)整體 ，從動(dòng)力學(xué)的角度做整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，才能凸顯出該類機(jī)器人卓越的動(dòng)態(tài)作業(yè)能力. 但是，整體建模對(duì)離線建立模型(包含地面模型、移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人模型和接觸作業(yè)模型)的精準(zhǔn)度提出了挑戰(zhàn)，并且其模型結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)作業(yè)對(duì)象和具體作業(yè)任務(wù)，進(jìn)行面向控制器設(shè)計(jì)的模型規(guī)約.

3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是根據(jù)已定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從開始到目標(biāo)位置的安全(躲避障礙物)軌跡. 單獨(dú)的操作臂或移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)已漸趨成熟，而地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃包含移動(dòng)平臺(tái)的規(guī)劃和操作臂的規(guī)劃兩部分，當(dāng)加裝主動(dòng)作業(yè)臂后，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人自由度冗余，使得作業(yè)規(guī)劃的復(fù)雜性顯著增加，多層次作業(yè)約束的加入導(dǎo)致多目標(biāo)尋優(yōu)困難. 此外，操作臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)非線性以及移動(dòng)平臺(tái)引入的非完整約束、高動(dòng)態(tài)特性等因素，使地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的操作臂-移動(dòng)平臺(tái)間的耦合作用異常復(fù)雜，這些因素造成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃異常困難. 由于地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu)，相對(duì)于其動(dòng)力學(xué)模型，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型容易建立; 因此目前地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究分為運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)層面的規(guī)劃兩類，其處理方法的發(fā)展脈絡(luò)見圖6.

圖6 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃處理方法發(fā)展脈絡(luò)

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的規(guī)劃

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的規(guī)劃是建立在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基礎(chǔ)上，其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的處理方法有4種.

第一種方法是先依據(jù)某個(gè)準(zhǔn)則使得操作臂位于較理想的位姿并保持不動(dòng)，然后再規(guī)劃移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng). 如Yamamoto等[54]提出了首選位形(preferred configuration)的概念，先規(guī)劃操作臂位于最大操作度區(qū)域，再規(guī)劃移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；Bayle等[55]在Yoshikawa[56]的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了可操作度的定義，并將它用于移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)學(xué)層面對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃；Korayem等[33]以獲取最大動(dòng)態(tài)承載能力為目標(biāo)，在配置手臂運(yùn)動(dòng)的同時(shí)考慮移動(dòng)平臺(tái)未來的位置和姿態(tài)，調(diào)節(jié)手臂的運(yùn)動(dòng)獲得一致的運(yùn)動(dòng)，避免奇異點(diǎn)，獲得了平滑的路徑規(guī)劃效果. 顯然，這樣的規(guī)劃忽略了操作臂與移動(dòng)平臺(tái)間的耦合，只將其限于移動(dòng)或抓取一種功能，沒有考慮地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人兩者間的協(xié)調(diào)[57].

針對(duì)這個(gè)問題，Seraji等[58]把移動(dòng)平臺(tái)用等自由度的操作臂來代替，從而將移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)化為冗余關(guān)節(jié)的操作臂，對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃；Nagatani等[59]將移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)看成操作臂額外的關(guān)節(jié)，并在移動(dòng)平臺(tái)規(guī)劃的同時(shí)考慮操作臂的可操作性. 這種將移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)引入的自由度與多個(gè)關(guān)節(jié)引入的自由度同等對(duì)待，將整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)冗余操作臂的處理辦法雖然兼顧了移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，但卻忽視了移動(dòng)平臺(tái)和操作臂兩者之間動(dòng)態(tài)特性的差異，沒有充分發(fā)揮地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的能力.

而將地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為通用的優(yōu)化問題，即綜合考慮操作臂的關(guān)節(jié)位置約束、速度約束以及移動(dòng)平臺(tái)引入的非完整約束，以表征地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人性能的指標(biāo)/準(zhǔn)則(如最大操作空間、最低能耗、最大載重等)為目標(biāo)，采用不同的優(yōu)化方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可以很好地解決這一問題. 如Carriker等[60]提出用準(zhǔn)則函數(shù)將移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為通用的優(yōu)化問題，利用不同的代價(jià)函數(shù)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和操作臂單獨(dú)尋優(yōu)，基于模擬退火的方法得到了近似最優(yōu)解；Zhang等[61]研究了兩輪6自由度的輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的冗余性，提出包含位置反饋的物理約束下的最小協(xié)調(diào)速度框架(PLC-MVN-C)，在路徑規(guī)劃和物理避障方面具有較好效果，另外，基于精細(xì)可操作度最大化(ReMM)框架[37]，并考慮機(jī)器人所受物理約束，將運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為了QP問題；Berenson等[23]考慮移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的約束，提出了一種雙向受限的快速搜索隨機(jī)樹(CBRRT)算法，包括約束表示、約束滿足策略和通用規(guī)劃算法3部分，并在HRP3和HERB上進(jìn)行了驗(yàn)證. 雖然上述方法考慮了地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人操作臂與移動(dòng)平臺(tái)間的耦合效應(yīng)，但是隨著關(guān)節(jié)冗余自由度的增加，優(yōu)化函數(shù)(如代價(jià)函數(shù)、權(quán)值函數(shù)等)選取困難，計(jì)算求解復(fù)雜，很難滿足實(shí)時(shí)性的要求.

采用學(xué)習(xí)算法，既考慮操作臂-移動(dòng)平臺(tái)兩者間的耦合，又兼顧實(shí)時(shí)性. 例如，Halme等[62]開發(fā)了一種輪腿復(fù)合式服務(wù)機(jī)器人WorkPartner，通過學(xué)習(xí)算法，可以將人和動(dòng)物類似的熟練動(dòng)作傳授給機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，但這一思路受制于動(dòng)物行為研究的瓶頸；Berenson等[63]提出一種從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的高維運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法框架，由規(guī)劃模塊和檢索修復(fù)存儲(chǔ)在路徑庫中的路徑模塊兩部分組成，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)和存儲(chǔ)歷史路徑來修復(fù)當(dāng)前路徑，但是路徑規(guī)劃的最終效果取決于路徑庫的完備性，所以需要通過大量學(xué)習(xí)建立完備的路徑庫.

3.2 動(dòng)力學(xué)層面的規(guī)劃

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)層面的規(guī)劃建立在動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，所以考慮了操作臂與移動(dòng)平臺(tái)兩者間的耦合. 例如，Mohri等[64]為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，在已知操作臂期望軌跡的情況下，基于梯度函數(shù)的分層迭代算法對(duì)函數(shù)尋優(yōu)；Huang等[65]考慮穩(wěn)定性和操作性的前提下對(duì)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人做了運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)規(guī)劃，基于ZMP提出了“有效穩(wěn)定區(qū)域”的概念，用來評(píng)估擾動(dòng)作用下地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的穩(wěn)定性，提出一種協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)考慮操作臂操作空間，在操作臂運(yùn)動(dòng)的同時(shí)考慮移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性；Pajak等[66]在已知移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人給定目標(biāo)位置的前提下，采用罰函數(shù)和加速度層面的冗余分解，對(duì)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了規(guī)劃. 但隨著機(jī)器人自由度的增多，系統(tǒng)狀態(tài)變量數(shù)量大幅增加，計(jì)算規(guī)模顯著增大，計(jì)算求解困難.

總之，在移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中，大部分工作僅僅局限于運(yùn)動(dòng)學(xué)層次的規(guī)劃，很少考慮機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，或僅僅只局限于移動(dòng)平臺(tái)和操作臂兩者之一的優(yōu)化. 這種處理方法對(duì)于一般地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和操作臂間弱耦合(如移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量遠(yuǎn)大于操作臂、操作臂低速運(yùn)行等)或者不需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合能夠適用，但在其兩者間耦合效應(yīng)不能忽略時(shí)(如質(zhì)量相近，操作臂高速運(yùn)行等)，勢(shì)必要建立整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)層面的規(guī)劃. 此外，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的規(guī)劃重在協(xié)調(diào)，在考慮其動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研究高維空間下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仍然是目前移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的研究難點(diǎn).

4 穩(wěn)定性

面向任務(wù)的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，無論其移動(dòng)平臺(tái)是輪式、履帶式、腿式還是其他形式，保證系統(tǒng)無傾覆是該類機(jī)器人正常工作的先決條件. 在滿足無傾覆或支撐穩(wěn)定性最優(yōu)時(shí)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)軌跡規(guī)劃，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力.

針對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的移動(dòng)機(jī)器人，學(xué)者們提出了多種傾覆穩(wěn)定性準(zhǔn)則，包括零力矩點(diǎn)(zero-moment point, ZMP)[67]、力-角穩(wěn)定測(cè)度(force-angle stability measure, FASM)[68]、力矩高度穩(wěn)定測(cè)度(moment-height stability measure, MHSM)[69-71]等. ZMP是作用在機(jī)器人上的所有力和力矩的總和，可以由一個(gè)作用于地面上的力代替[67]. 它最初是為穩(wěn)定雙足機(jī)器人而提出的，經(jīng)過多次改進(jìn)，已廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人[72-73]. Sugano等[74]將ZMP應(yīng)用于移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的傾覆穩(wěn)定判斷. Korayem等[75]提出了一種用于確定移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的最大承載能力的算法，該算法考慮了基于ZMP的障礙物環(huán)境的翻倒. 然而，由于ZMP標(biāo)準(zhǔn)最初用于擬人機(jī)器人中的步態(tài)規(guī)劃，其質(zhì)心(center of mass，COM)位置是恒定的，而對(duì)于移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人而言，尤其是在操縱重物時(shí)，COM可以是可變的. 因此，ZMP對(duì)COM位置的變化不敏感[68]. 此外，ZMP也沒有提供關(guān)于系統(tǒng)不穩(wěn)定性的任何具體指示[67,76]. 為此，Papadopoulos等[68]提出了一種名為力-角穩(wěn)定裕度測(cè)量方法，該方法使用施加在基座質(zhì)心上的合力與傾覆軸法線之間的最小角度來衡量穩(wěn)定性，對(duì)起伏敏感，可測(cè)量系統(tǒng)在不平坦的地形上運(yùn)行，并受慣性和外力作用的場(chǎng)合，廣泛用于包括挖掘機(jī)在內(nèi)的工程車輛的穩(wěn)定性判別. 但該方法需要預(yù)知質(zhì)心位置，僅能在低速大力條件下應(yīng)用，此外，該算法還忽略了操作臂施加在移動(dòng)平臺(tái)上的反作用力和力矩. Moosavian and Alipour等[69-71]提出了一種名為MHSM的方法，該方法考慮機(jī)器人關(guān)于支撐多邊形的每個(gè)軸的慣性距[77]. MHSM對(duì)整個(gè)系統(tǒng)組件高度敏感，需要預(yù)先獲取整個(gè)系統(tǒng)的重心位置，因?yàn)樾枰~外計(jì)算移動(dòng)車輛坐標(biāo)系的參考點(diǎn)到每一側(cè)的慣性矩，不適用于機(jī)器人實(shí)時(shí)翻倒穩(wěn)定性判斷的場(chǎng)合. 還有一些方法被應(yīng)用到移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的穩(wěn)定性判斷中，如直接支反力法(direct supporting force, DSF)[16]，能量平衡平面法(energy-equilibrium plane, EEP)[78]，翻轉(zhuǎn)力矩法(tip-over moment, TOM)[79]等. 其中，EEP不能及時(shí)報(bào)告不穩(wěn)定的發(fā)生[80]；DSF需要測(cè)量支反力，需要額外的力傳感器，成本高；TOM雖然考慮了操作臂運(yùn)動(dòng)對(duì)移動(dòng)操作臂整個(gè)系統(tǒng)的影響，但是卻忽略了輪地交互對(duì)整個(gè)系統(tǒng)傾覆的影響；Ding等[81]綜合考慮輪地和車臂間相互作用力，提出了一種改進(jìn)傾覆力矩穩(wěn)定判據(jù)(improved tip-over moment stability criterion, ITOM)，該判據(jù)不需要預(yù)知整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)心位置，計(jì)算簡(jiǎn)便，實(shí)時(shí)性好，可用于輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人靜、動(dòng)態(tài)下的傾覆預(yù)測(cè).

目前，研究都集中在移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人在通過斜坡或爬樓梯時(shí)的翻越穩(wěn)定性，很少有人關(guān)注由于操作臂或移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)而引起的傾覆穩(wěn)定性問題.

為了避免機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中翻倒，已經(jīng)提出了許多翻倒避免算法. 例如，Rey等[82]基于FA測(cè)量預(yù)測(cè)傾覆，并通過調(diào)整操作臂回初始配置來預(yù)防傾覆. Li等[83]基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法，利用冗余移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的自運(yùn)動(dòng)來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性. Alipour等[84]提出了穩(wěn)定裕度度量增量函數(shù)(stability margin metric-increment function，SMMIF)來增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，利用基于模糊邏輯的規(guī)劃器來設(shè)計(jì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)參數(shù). Liu等[16]提出了一種實(shí)時(shí)避翻倒傾覆算法，該算法是通過在線改變履帶車構(gòu)型或調(diào)整操作臂位姿實(shí)現(xiàn)傾覆預(yù)防. 此外，還有許多其他的傳統(tǒng)算法，如最小距離法[85]、自適應(yīng)控制法[86]、反向運(yùn)動(dòng)法[87]、遺傳算法[88]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)器法[89]等已經(jīng)被應(yīng)用于機(jī)器人的傾覆預(yù)防. 雖然對(duì)輪式移動(dòng)平臺(tái)或輪式作業(yè)機(jī)器人的研究已有較多報(bào)道，但少見有關(guān)于移動(dòng)平臺(tái)-操作臂低質(zhì)量比的輪式作業(yè)機(jī)器人傾覆預(yù)防的研究成果，中、高速下傾覆預(yù)防的研究更少. 移動(dòng)平臺(tái)與操作臂間交互作用對(duì)移動(dòng)平臺(tái)-操作臂低質(zhì)量比的輪式作業(yè)機(jī)器人影響不可避免：1)在低速情況下操作臂的位姿對(duì)機(jī)器人質(zhì)心有顯著影響，這將影響移動(dòng)平臺(tái)與地面的交互作用，機(jī)器人可能發(fā)生傾覆；2)在中、高速情況下，機(jī)器人瞬時(shí)質(zhì)心還受操作臂速度、加速度影響，這將進(jìn)一步影響車輪與地面的交互作用，機(jī)器人很容易發(fā)生傾覆. 為此，Ding等[81]基于ITOM，開發(fā)了一種通過車體速度變化或操作臂位姿調(diào)整的傾覆預(yù)防算法，將機(jī)器人從危險(xiǎn)情況恢復(fù)到足夠穩(wěn)定. 然而，實(shí)際工作過程中，還需要考慮擾動(dòng)(地面擾動(dòng)、環(huán)境擾動(dòng))的影響，隨著系統(tǒng)自由度的提升，系統(tǒng)階次增加，計(jì)算求解復(fù)雜. 為此，一方面采用優(yōu)化算法，提高實(shí)時(shí)性；另一方面通過增加輔助傳感器(如攝像頭、陀螺儀等)保證機(jī)器人安全穩(wěn)定運(yùn)行.

5 控 制

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在接近外部對(duì)象時(shí)，由于受地面環(huán)境的影響，其接觸動(dòng)力學(xué)參數(shù)可能發(fā)生變化(如發(fā)生打滑)，導(dǎo)致被操作目標(biāo)的不確定性移動(dòng)；與環(huán)境接觸時(shí)，系統(tǒng)不可避免地要持續(xù)受到外界動(dòng)態(tài)力/力矩?cái)_動(dòng)的影響，此類在位置剛性約束下的接觸力/力矩?cái)_動(dòng)對(duì)地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性將產(chǎn)生明顯影響，這些問題使得現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人控制方法難以適用. 由于操作臂的自由度冗余、摩擦引起的非線性和移動(dòng)平臺(tái)引入的非完整約束、高動(dòng)態(tài)，以及二者之間復(fù)雜的耦合效應(yīng)，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人展現(xiàn)出強(qiáng)烈的冗余性、非線性以及時(shí)變等特點(diǎn)，給其高性能作業(yè)控制帶來諸多挑戰(zhàn)，已成為移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的又一個(gè)研究熱點(diǎn).

針對(duì)地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)模型，可將其控制問題分為兩類：一是針對(duì)自由運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制問題，主要關(guān)注移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制問題；二是針對(duì)環(huán)境交互作用下的接觸作業(yè)控制問題.

5.1 非接觸模式下的協(xié)調(diào)控制

非接觸模式下的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制通過設(shè)計(jì)合適的控制策略，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)和操作臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并保證運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全性. 按照處理方式可分為分離控制和整體控制.

5.1.1 分離控制

分離控制將地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人分為操作臂和移動(dòng)平臺(tái)兩部分，分別設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行控制，其控制框架如圖7所示.

圖7 分離控制框圖

代表性的研究成果如Yamamoto等[54]以擴(kuò)大操作臂的操作空間為目的，通過控制移動(dòng)平臺(tái)使操作臂位于“首選操作”并保持最佳位姿，通過對(duì)多自由度操作臂末端的控制，實(shí)現(xiàn)了操作臂末端跟蹤一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的表面[90]; Chung等[91]基于非線性交互算法，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余度，對(duì)操作臂和移動(dòng)平臺(tái)分別設(shè)計(jì)了魯棒自適應(yīng)控制器和線性輸入輸出化控制器，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)控制器間的協(xié)調(diào); Viet等[31]將三輪式結(jié)構(gòu)的全向移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人看成全向移動(dòng)平臺(tái)和操作臂兩個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)操作臂設(shè)計(jì)了基于積分滑?？刂?sliding mode control, SMC)的運(yùn)動(dòng)控制器，對(duì)全向移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于微分SMC的動(dòng)力學(xué)控制器并考慮摩擦，實(shí)現(xiàn)了操作臂的無奇點(diǎn)跟蹤; Lin等[92]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線估計(jì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合參數(shù)和不確定性，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)空間定位控制. 分離控制可以使控制器設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，但需要考慮兩個(gè)子系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)耦合對(duì)各自的影響. 由于地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和操作臂之間的耦合關(guān)系尚不明晰，通常的做法是忽略或僅考慮移動(dòng)平臺(tái)和操作臂二者之一對(duì)另一者影響(如將操作臂對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的影響等效為擾動(dòng))，但控制精度難免會(huì)受到影響.

5.1.2 整體控制

整體控制將地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人看成一個(gè)整體來設(shè)計(jì)控制器. 整體控制的代表性研究成果有：Lew等[93]將移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人看作一個(gè)冗余操作臂，采用非線性控制方法設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定收斂；Deepaka等[94]將人工免疫系統(tǒng)應(yīng)用于移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，并在四自由度操作臂和兩輪移動(dòng)平臺(tái)組成的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行了驗(yàn)證；Xia等[95]基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fuzzy neural network, FNN)和擴(kuò)展的卡爾曼濾波(extended Kalman filter, EKF)，通過訓(xùn)練FNN產(chǎn)生前饋轉(zhuǎn)矩，利用EKF連續(xù)更新FNN輸出權(quán)值和的中心，提高計(jì)算效率，提高訓(xùn)練算法精度，有效地完成了移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人參考軌跡的跟蹤，其運(yùn)動(dòng)控制框圖如圖8所示. 整體控制可以保證控制精度，但要求建立精確的動(dòng)力學(xué)模型，求解難度大.

圖8 基于FNN和EKF的運(yùn)動(dòng)控制框架[95]

5.2 與環(huán)境交互作用下的作業(yè)控制

按照地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人同環(huán)境交互的物理接觸方式的不同，可將其分為準(zhǔn)靜態(tài)接觸作業(yè)和動(dòng)態(tài)接觸作業(yè)兩種情況.

5.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)接觸作業(yè)

準(zhǔn)靜態(tài)接觸指地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人相對(duì)交互環(huán)境是近似靜止的. 在這種情況下，如何保證操作臂同環(huán)境交互作用時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性以及接觸過程的安全性，均面臨嚴(yán)峻困難. 目前已檢索的相關(guān)文獻(xiàn)中，通常采用阻抗控制方法，典型工作有：Pholsiri等[96]提出了一種擴(kuò)展廣義阻抗控制策略，應(yīng)用于膠合板切割操作臂的控制，借助軟件包OS CAR，基于事先調(diào)好的廣義阻抗控制參數(shù)，控制操作臂完成了零空間內(nèi)的速度軌跡跟蹤；Li等[36]針對(duì)多個(gè)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人在非剛性的工作環(huán)境下抓取同一個(gè)剛性物體的協(xié)調(diào)任務(wù)，提出了互聯(lián)系統(tǒng)的分散動(dòng)力學(xué)方法，分別考慮操作臂動(dòng)力學(xué)、末端執(zhí)行器和物體間的內(nèi)力以及物體與環(huán)境的交互力3個(gè)部分，基于阻抗理論，設(shè)計(jì)了分散自適應(yīng)模糊控制器，并應(yīng)用李雅普諾夫綜合驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，仿真驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)/力跟蹤誤差可以收斂到0，內(nèi)力跟蹤誤差有界且可以任意?。籄hn等[32]基于位置的阻抗力控制方法，對(duì)兩輪式平衡服務(wù)機(jī)器人 (balancing service robot，BSR)在外力作用下進(jìn)行了平衡控制，并成功實(shí)現(xiàn)了開門的動(dòng)作；Wang等[97]針對(duì)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人穩(wěn)健抓取作業(yè)，首次提出了基于圖像視覺伺服和Q學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合式伺服控制算法，應(yīng)用該算法后的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人具有自主學(xué)習(xí)、響應(yīng)快速和精確抓取并保持平衡的能力. 此外，斯坦福大學(xué)[22]、沙斯喀徹溫大學(xué)[27]，國內(nèi)上海交通大學(xué)[35]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[98]、河北工業(yè)大學(xué)[39]、和武漢科技大學(xué)[99]等也做了相關(guān)工作.

5.2.1.1 考慮外界擾動(dòng)時(shí)的控制

由于地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是十分復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，難以得到精確的動(dòng)力學(xué)模型，而且在實(shí)際操作中要受到諸如摩擦力、外界擾動(dòng)等許多不確定性因素的影響，當(dāng)需要精細(xì)作業(yè)時(shí)，這些因素對(duì)控制器的影響不可忽視，否則會(huì)影響系統(tǒng)整體控制性能. 針對(duì)上述問題，一些學(xué)者進(jìn)行了研究. 如Zhong等[30]在考慮滑移的情況下，基于自適應(yīng)模糊控制結(jié)合反演控制建立了移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型，并采用模糊補(bǔ)償器補(bǔ)償了由于摩擦、外擾動(dòng)等引起的模型不確定性，采用魯棒自適應(yīng)控制器來減少誤差，保證穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的可行性，表明模糊自適應(yīng)反演控制可以抵消模型不確定性，實(shí)現(xiàn)軌跡精確跟蹤，其控制框圖如圖9所示. Huang等[100]研究全向輪移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人在參數(shù)變化和不確定性(導(dǎo)致摩擦和滑動(dòng))下的軌跡跟蹤問題，提出了一種嵌入式自適應(yīng)魯棒控制器，基于動(dòng)力學(xué)模型并結(jié)合反步法完成了點(diǎn)鎮(zhèn)路徑跟隨和軌跡跟蹤，成功實(shí)現(xiàn)了礦泉水瓶的抓取-放置操作. Dong等[101]對(duì)于非完整移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人存在系統(tǒng)慣性參數(shù)不精確和外界干擾不確定的問題，將其轉(zhuǎn)化成易于解決的等價(jià)控制問題，通過適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變換將機(jī)器人系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一種標(biāo)準(zhǔn)型，為非完整移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種軌跡跟蹤魯棒控制器.

圖9 模糊自適應(yīng)反演控制框圖[30]

5.2.1.2 多移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制

在移動(dòng)平臺(tái)上加裝兩個(gè)或兩個(gè)以上操作臂，構(gòu)成的多臂地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人可以通過多臂之間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的作業(yè)(如精細(xì)裝配等任務(wù))，已成為移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人研究的新的熱點(diǎn). 如Yamamoto等[102]針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)上裝有兩個(gè)操作臂的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人提出了任務(wù)空間橢球體的概念，利用橢球體來量化移動(dòng)平臺(tái)和操作臂各自在任務(wù)執(zhí)行過程中的作用，分析了平臺(tái)所受的約束和冗余解；Cheng等[103]考慮一個(gè)雙臂輪式移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的非完整約束、參數(shù)變化和有界外部擾動(dòng)，提出了SMC和FNN相結(jié)合的魯棒軌跡跟蹤控制器，證明了閉環(huán)漸進(jìn)穩(wěn)定性，驗(yàn)證了軌跡跟蹤性能；Li等[104]研究了多移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人與剛性/非剛性環(huán)境交互控制問題，提出了一種自適應(yīng)控制方法，運(yùn)用自適應(yīng)技術(shù)解決不確定的環(huán)境約束、干擾和未知系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了其力/運(yùn)動(dòng)的跟蹤控制，其控制框圖如圖10所示，內(nèi)環(huán)為自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制，外環(huán)為自適應(yīng)力控制.

圖10 多移動(dòng)操作臂的控制框圖[104]

5.2.2 動(dòng)態(tài)接觸作業(yè)

動(dòng)態(tài)接觸指移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人與環(huán)境交互作用時(shí)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng). 與準(zhǔn)靜態(tài)接觸不同，動(dòng)態(tài)接觸對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和手臂的位姿均有苛刻的要求. 目前，借助外界視覺捕捉系統(tǒng)，或者是機(jī)載單/雙目攝像機(jī)以及板載慣性測(cè)量單元(如陀螺儀、慣導(dǎo)等)協(xié)助移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人完成對(duì)環(huán)境的感知，可進(jìn)行軌跡規(guī)劃，完成一些簡(jiǎn)單的作業(yè)任務(wù).

Wu等[105]在不需要知道環(huán)境先驗(yàn)信息的條件下，基于包含吸引向量和排斥向量的人工勢(shì)場(chǎng)法，通過RGB-D相機(jī)測(cè)量操作臂與目標(biāo)以及操作臂與障礙物間的距離，生成吸引向量和排斥向量，分別實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人抓取移動(dòng)物體和動(dòng)態(tài)避障抓取兩種操作；Kim等[106]基于接近目標(biāo)的力導(dǎo)向(target approachable force-guided ,TAF)裝配算法，在立體視覺攝像機(jī)輔助下，在現(xiàn)有位置控制器的前端設(shè)計(jì)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人CENTAUR穿孔作業(yè)；在DAPAR機(jī)器人挑戰(zhàn)賽(DARPA robotic challenge，DRC)上，KAIST團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人DRC HUBO，基于隨機(jī)抽樣一致性(random sample consensus, RANSAC)算法估計(jì)鉆孔中心位置 ，并根據(jù)事先給定的作業(yè)軌跡，采用力軌跡PD控制，實(shí)現(xiàn)墻上鉆孔作業(yè)[48]，其基于計(jì)算轉(zhuǎn)矩法的力/位混合控制框圖如圖11所示，當(dāng)機(jī)器人抓取特定物體時(shí)，手的方向是固定的，因此只需要考慮手的位置，即X=[xp,yp,zp]T，忽略了慣性力，而補(bǔ)償了由于肩關(guān)節(jié)彈性變形(Kθ為肩關(guān)節(jié)剛度，qred為肩關(guān)節(jié)位置)消耗的額外力矩. 此外，波士頓動(dòng)力公司研究了基于BigDog[47]移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)抓取、動(dòng)態(tài)投擲磚塊任務(wù).

圖11 機(jī)器人DRC HUBO力/位混合控制框圖[48]

動(dòng)態(tài)接觸更注重移動(dòng)平臺(tái)和操作臂的協(xié)調(diào)控制，即通過同時(shí)控制移動(dòng)平臺(tái)位姿和操作臂位姿(位置控制)，使操作臂末端與交互環(huán)境的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(力、剛度控制)達(dá)到最小，并盡可能減小其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)重心位置變化的影響，進(jìn)而最大程度地減少交互環(huán)境對(duì)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的影響. 不論是自由狀態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)接觸作業(yè)還是動(dòng)態(tài)接觸作業(yè)，目前針對(duì)耦合效應(yīng)設(shè)計(jì)控制策略的研究較少，從處理方式上可將控制策略劃分為3類. 1)完全解耦控制，即移動(dòng)平臺(tái)和操作臂分別獨(dú)立控制，該方法建立在已知耦合效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)影響的基礎(chǔ)上，控制策略選擇稍有不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制的失效(如文獻(xiàn)[31]). 2)運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的耦合控制，此類方法是對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和操作臂的位置和速度進(jìn)行耦合(如文獻(xiàn)[53]). 3)是考慮動(dòng)力學(xué)耦合，基于移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的耦合動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)充分考慮耦合動(dòng)力學(xué)參數(shù)的控制策略；由于受傳感器測(cè)量噪聲、外界未知擾動(dòng)以及模型不確定性等因素的影響，此類方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨極大困難.

移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人兩個(gè)子系統(tǒng)間的耦合效應(yīng)與操作臂與移動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量比、速度比和操作臂位姿等因素密切相關(guān)，故其解耦復(fù)雜. 為此，根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，需要對(duì)耦合效應(yīng)做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化. 如在操作臂與移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量/速度比小的場(chǎng)合，采用完全解耦控制或運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的解耦控制方法，而在操作臂與移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量/速度比較大情況下，采用動(dòng)力學(xué)耦合控制方法會(huì)更好.

6 總結(jié)與展望

地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人使現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人具備了對(duì)外部目標(biāo)或?qū)ο蟮淖鳂I(yè)能力，甚至是精細(xì)操控能力，這些特點(diǎn)使地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人具有極其廣闊的應(yīng)用前景. 目前，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的研究尚處于初級(jí)階段，其中的作用鏈等效動(dòng)力學(xué)建模及其規(guī)約方法、高維動(dòng)態(tài)作業(yè)規(guī)劃、高性能作業(yè)控制、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建等方面仍有許多問題亟待研究.

1)作用鏈等效動(dòng)力學(xué)建模及其規(guī)約. 由于操作臂的引入，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的自由度增多，計(jì)算規(guī)模大，很難滿足計(jì)算實(shí)時(shí)性的要求，為此需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)刃Щ?jiǎn)，以降低系統(tǒng)的階次. 由于操作臂與移動(dòng)平臺(tái)間的高度耦合，加之操作臂的冗余自由度、非線性特性，移動(dòng)平臺(tái)引入的非完整約束、高動(dòng)態(tài)特性，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型具有顯著的不確定性和非線性. 因此，分析地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人耦合效應(yīng)的核心關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)適用于控制策略與在線實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，仍然是該領(lǐng)域研究面臨的首要問題.

2)高維動(dòng)態(tài)作業(yè)規(guī)劃. 由于操作臂的冗余，地面移動(dòng)機(jī)器人的非完整約束、高動(dòng)態(tài)特性，致使操作臂-地面移動(dòng)機(jī)器人間的協(xié)調(diào)規(guī)劃問題變成一個(gè)高維狀態(tài)空間的規(guī)劃問題，規(guī)劃問題實(shí)質(zhì)是高維空間的運(yùn)動(dòng)-力-剛度-能量的規(guī)劃，隨著自由度的提升，其狀態(tài)變量數(shù)量大幅增加，計(jì)算規(guī)模顯著增大，計(jì)算求解極其復(fù)雜. 所以，高維動(dòng)態(tài)作業(yè)規(guī)劃方法仍是制約其走向?qū)嵱玫钠款i.

3)高性能作業(yè)控制. 現(xiàn)有的控制策略與算法多是針對(duì)非接觸模態(tài)下或準(zhǔn)靜態(tài)模式下的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，對(duì)于更為復(fù)雜的接觸模態(tài)下的作業(yè)控制研究較少. 目前，其相關(guān)研究?jī)H限于地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人解耦以及動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償?shù)壤碚摰谋旧韱栴}，很少針對(duì)實(shí)際的作業(yè)任務(wù)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器，缺乏可實(shí)現(xiàn)性. 此外，針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中大量存在的系統(tǒng)不確定性和測(cè)量噪聲，以及在考慮地面力學(xué)和環(huán)境順應(yīng)性等因素影響下的高性能控制的研究還尚未涉及.

4)實(shí)際平臺(tái)構(gòu)建、應(yīng)用. 目前，絕大部分研究成果都只能通過仿真來驗(yàn)證. 雖然，一部分研究者已搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但該類平臺(tái)只能在平坦地面上完成非接觸或接觸下的靜態(tài)作業(yè)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)條件較理想. 此外，盡管市場(chǎng)上已出現(xiàn)地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的相關(guān)產(chǎn)品(如庫卡KMR iiwa，新松HSCR5等)，但產(chǎn)品主要側(cè)重于移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航、定位，僅可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)作業(yè)任務(wù)(如貨物分揀)，面對(duì)強(qiáng)交互環(huán)境下的接觸作業(yè)和精細(xì)操作較少. 所以，高性能地面移動(dòng)作業(yè)操作機(jī)器人實(shí)際平臺(tái)的構(gòu)建仍面臨著諸多困難.

盡管如此，可以預(yù)見，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人具有巨大的應(yīng)用前景. 未來，地面移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人必然能夠在先進(jìn)制造、災(zāi)害救援、科學(xué)探索、倉儲(chǔ)物流、家政服務(wù)，以及軍事戰(zhàn)斗等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，為解決人口老齡化問題，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”戰(zhàn)略邁出實(shí)質(zhì)性的一步.