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《中国人工智能学会通讯》——2.10 存在的问题

简介: 本节书摘来自CCAI《中国人工智能学会通讯》一书中的第2章,第2.10节, 更多章节内容可以访问云栖社区“CCAI”公众号查看。

2.10 存在的问题

虽然研究人员在降低腿式机器人能耗方面已经做了许多探索,但是尚缺乏有效的理论和方法系统性解决腿式机器人高能效快速稳定运动的问题。被动行走等理论方法以能效为目标,但对机器人的结构、负载能力、行走性能以及环境均有严格要求。因此,现有腿式机器人研究中,往往以速度性和稳定性为目标,但无法兼顾能效性。从根本原因来看,现有理论和方法对腿式动物运动高能效的内在机理与特性、腿式机器人系统能量损耗环节与原因均缺乏深入细致的分析和表征,对满足快速性和稳定性等功能目标下的能耗控制缺乏有效的方法与手段,对这些研究中所涉及的关键科学与技术问题缺乏系统性归纳、凝练与研究。具体问题如下所述。

(1)腿式机器人的运动能量流缺乏分析和表征。自然界中的腿式动物具有天生的高能效特性,因此提高腿式机器人能效的一个有效途径是从机理上深入研究分析,进而仿生腿式动物的高能效运动。但是目前大多数腿式机器人,只是简单地模仿腿式动物的腿部结构和行走方式等简单的外在特征,未能深入研究形成腿式动物运动高能效的内在机理与特性。动物学、解剖学和运动生物力学等领域研究成果发现,腿式动物运动的高能效特点受到腿部组织结构、柔性关节驱动、行走方式和协调运动等因素影响。但这些研究更多的还是从各自分散的角度分析各因素对动物运动能效的影响,尚缺少系统性地从能量流的角度来完整揭示腿足动物高能效运动的内在规律与特性,包括能量传递、耗散、吸收机制,以及运动动势能的转化机制、与地面交互作用时的能量耗散机制、关节能量储存与释放的机制和不同时间刻度下各因素对腿足动物高能效运动的影响作用等,对这些机制的分析和表征也缺乏有效的理论和方法。从腿式机器人角度来看,研究人员尽管对机器人运动能效进行了评估,但却鲜见对腿式机器人能量流进行系统细致的分析。只有完整了解腿足,区分其中有效的做功和无效的耗散,才能有针对性地提出完整的能效解决方案,从系统层面解决腿式机器人的能效问题。而系统性分析的匮乏也与能效的分析、表征等理论与方法的缺少相关。

(2) 腿式机器人高能效快速稳定运动缺乏有效的方法与手段。基于对腿足动物能量流的初步分析,动物高能效运动的实现主要依赖于其自身刚柔并济的身体物理特性和灵活协调的运动能力。

从物理特性来看,腿式动物结构和关节的刚柔并济,及其周期式往返运动中结合运动有效实现能量的存储与释放,是高能效运动实现的关键。同样,足部柔性组织对冲击能量的被动吸收和耗散,对提高能效亦至关重要。而现有腿式机器人在结构的柔性方面与腿式动物相比差距甚远,更缺乏兼具储能和柔性机制的仿生驱动和构件,其低能效特征不可避免。为了准确跟踪规划的运动轨迹,现有的腿式机器人大多采用电机、液压等高刚性驱动方式,但这些驱动内部无储能元件,在关节的往返运动过程中缺少有效的储能和释能装置,导致能量的大量损耗。在着地控制中,尽管蹄足的被动柔顺能减少一定的地面反作用力,但为了实现柔顺着地,机器人仍需通过主动控制支撑腿各关节的位置变化来模拟阻抗控制,从而大大增加机器人的能耗。为完成能量的转移释放和被动耗散,减少驱动器的主动做功,在结构和驱动设计中引入弹性元件是一种有效手段。但是,如何在刚性结构和主动控制中融入弹性单元,如何评估建模弹性单元引入后对系统柔性特性的影响及对机器人整体性能的影响,如何选择与调节结构与驱动的刚柔特性都尚未被深入研究。此外也亟需开展弹性单元储能与释放机制,以及融合柔性与储能的精确驱动控制方法和算法研究。

从运动能力来看,腿式动物在行走、奔跑、跳跃等运动中,通过充分协调运用身体的各个部分确保了运动的速度、力度和高能效。其协调运动主要包括两方面。一方面是支撑腿以外的其他部位(如摆动腿、手臂、尾巴等)与支撑腿之间的协调运动。研究表明,摆动腿在着地之前的回摆运动可以有效减小碰撞的能量损耗,并可以提高运动的稳定性 ;另一方面是支撑腿着地时各关节之间的协调运动。但是,目前腿式机器人研究在支撑腿着地时,各关节的协调驱动和摆动腿空中运动时各关节的刚度变化对能效的影响、最优控制序列和能量分布缺乏深入研究,更缺乏多足同时支撑瞬态过程中最优化能量效率的协同理论与方法的研究,包括协同运动与能效之间的关系模型、对目标运动性能的影响、协调运动参数的可控性等。

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