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　　免费在线月 控制工程 of Control China 第18卷92期 E“目…“g 2011102．0161彤 i章编号：167I-7“8I 灵长类仿生机器人悬臂运动仿生控制综述 张晓华．赵旖旎．程虹太 目*《In^{自qI#＆自am{％gtⅡ镕m*删 抽 要是**#±机g人是《过智＆“械}段模仿是长￡《自∞一女机8^．*对其 S臂《自口±¨控“H完是镕自城日#^。#mT日*i***±机；凡悬臂《自镕i控M 自研￡}女．碧女T￡f遣≈口±#目∞一般i女自基f“自女m服”g*∞0臂遗自#± 控q蕈t，*m7悬臂t#口i#“十i雉解女∞*十目题，井≈夸B是*女恬±机$凡$ 臂运自镕i＆“进行TAi， 关羹目：^*女口±机8^；悬臂t自口±；自奋H脏控“；$摆t自#“；±臂tR 273 女m标*码：^ 中目分誊号TP A BrachiationControlofPrimates—likeTobot Survey zHA0Ybni zHANGXiao-hm CHENG Hong—tai 50001 chJu) (Sch口oldEl∞m叫E唧“％“d^u∞m口¨0n．Hm-bmInm…rlkhnol嚼．HarbinI ^btral!t．Ptimt*一likebionierobotis8kind mⅡchinesmmimicthedex……“1_of bmchiation ofinlelligent prlmal_andIhe of methad mht ∞ntto]d¨Isthehmgpminthis…Pne…Ih丑chiation∞n●T“of聊I∞likeduring……is’ ofthe…】braehialionc∞IdandIhP onbHchiationonnI“JamintredueeA design眦lhods dmical…based vle一肌d for Several r ofbmehiatlonmlamdiscusredThefuturrM删hd1Ⅲl…ofconImJ D∞Men∞whi“requi*fuaheinvesliption b眦hiafion ouL ofthe啾Plike山I珊poinled mboI Key_oTdspnmtes-likeho·brachiating；dv—cd…m酬．br∞hiationcontrol；braehiateleaping 鉴于此，本文将综述灵长类仿生机器』、悬臂运动仿 1引言 生控制的晟新研究动态，以期引起国内同行们的重 师法自然是中国古代朴素的哲学思想．而人类 视与研究。 自然科学与技术的发展历史也证明其具有普遍意义 2悬臂运动仿生动力学建模 上的科学性。仿生机器^是札仿生的角度对机器人 进行研究和开发，其设计原理足提取蕴藏于生物体 灵长类仿生机器人进行的“仿牛悬摆运动”， 中、通过生物进化沉积下来的优秀的运动学、组织 模仿的是灵长类动物所特有的悬臂攀援动作。灵长 学、形态学及其综合作用效果的特性，并将这些特 类动物的生活环境(森林、树栖)复杂且不稳定，并 性相对应的结构、形态、组织以及信息传递的方式 没有地面一样稳面的支撑基础，因此灵长类动物在 通过机械的、电于的、化学的或其他现代科技手段 树间的运动多是靠双臂交替摆动轮次抓握树枝完成 进行某些特定环境的再现。 前进动作，其速度与人类步行建度相当，为1m／s； 灵长类是具有灵性的最高等哺乳动物，是所有 但当灵长类动物受到惊吓或遭遇犬敌时，灵长类动 动物中最进步的一类．我们人类也是灵长类的 物的慢速连续悬摆运动会及时转变为快速悬臂飞跃 员。灵长类动物所具备的运动形式包括双足步行、 运动，其速度可达10m／s，与人类世界缀短跑健将 四足步行、双足跣跃、四足爬行以及较为复杂的悬 速度相当。 臂攀援运动与四足攀爬运动，而基于模仿灵长类动 将悬臂攀援运动运用的最为完美的灵长类动物 物运动的一类机器人即被称为灵长类仿生机器^。 无疑是长臂猿．通过对长臂猿肢体组成的研究可以 灵长类仿生机器人的研究就是希望通过智能机 发现，其长臂占其身高的2／3以上．且其臂长超过 械的手段．最大限度的模拟灵长类动物的运动模 其下肢长度的2倍以上，并且肌肉群极其发达有 态．从而为全拟人化的仿生机器人研究提供依据。 力，足以单臂悬挂井驱动整个身瓤。在长臂猿的悬 ：2器2。oo；9．。10。．3：；茄篇嚣；筹“2。 “椭九蓄鐾墨：羚臻靴旺喑尔淀“教授博士生导4主要烀砩机器^与运动控制船槐觉与自蛐制辱方面 万方数据 控制工程 摆运动中起E蛋作川的也是一般长而冉JJ的臂膀， 术领域的研究热点众多研究髫通过研究灵妊娄牛 而其下肢及躯下主婪起维持身体·}衡驶辅助摆动的 物体的动作特点．并借助机器人技术求实现运动仿 作用，基于此nJ以将长臂袋鼠摆运动动力学模璋I简 牛，比如仿人步行机器人”．双足弹跳机器 化为如图1所示，即将双臂相对身体的比例放大． 人“，阴足步行机器人，以及是长类悬臂运动仿 将躯干及下肢缩小为质点并省略肩膀部分，将双 生机器』、9”。基于“运动仿生”的灵长类仿生机 臂与肩膀缝接处台一为一，形成铰接的形式，而驱 器人研究已Jr展r多年、形成了很多有意义的研究 动力施加在双臂连接处，在站掏10动力学特性上与 成果．比如类人猿多步行模式机器人，该机器^能 欠驱动双摆机器人(ACROBOT)柑致。而且他一够模仿类人猿的运动型态，并可在烈足步行与凹足 些结构复杂的曼长芟悬臂运动仿生机器人部是从双 步行间自由切换”3；又比如多运动模式晁K娄仿 臂式灵长娄是臂运动仿生机器人生发而来，其仿生 生机器人“．该机器人可模仿灵长类动物的双足 悬臂运动控制策略研究具有统件 步行、四足步行、悬臂攀援运动等。 以双臂式灵K娄息臂运动仿生机器人为剜，基于 由于是长类仿生机器人研究的多样性及范围J 分析力学原理xI其进行动力学建模．如图1所示。 阔性，限于篇幅．本文着重对灵长娄仿生机器人的 悬臂运动仿生研究进行综述。灵长类动物的悬臂攀 援运动，是通过双臂悬挂交替摆动以达到前进目的 一种特殊运动方式，可分两种模式：悬臂运动间隔 在臂展范围内的低速“悬摆运动”和悬臂运动间 隔超出臂展范围的“悬臂飞跃运动”．而“悬摆运 动”又可分为“悬摆水平运动”和“悬摆跳跃运 动”(悬摆运动中，摆臂终端释放点与悬臂运动目标 目I仿生最摆镕动动女学横型 点分属不同水平面)。灵长类仿生机器人悬臂运动 modelthe I—tion of bHchlaiion Fig,1Dynamical 仿生的研究．就是希望通过使用智能机械的手段来 图中．q，m：是悬臂及摆臂质量；f．．／t为悬 模仿灵长类动物的悬臂攀援运动形态．以使其在 臂及摆臂长度：f。．1。为悬臂厦摆臂质心距；其 些人类无法到达的领域(例如：高空作业、外层空 中，f为肩部山矩；，．1：由悬臂及摆臂绕质心的 间作业等)．完成特定的任务(例如：攻击、救援 转动惯量。 等)，希望通过灵长娄仿生机器人对灵长类动物特 利用]一grange方程建立双臂式炙长类悬臂运动 有“悬臂攀援运动”的模拟，探寻生物件结合自 仿生机器^系统动力学模刊．可得： 身条件适应大自然苛刘环境能力的根源所在。 (J) 71=Ⅳ(g)；+H(口，q)+十(q) 鉴于是长类动物的“悬臂攀援运动”的特殊 形式， ·些国外学者从仿生机艟的角度出发对其进 r=(：)，。=(：!)，”c-，=(：：：：)，v=(；：) 行系统研究””。，形成了许多具有宴际意义的成 果．包括欠驱动双臂式、多连杆式、多运动模式等 c c v．v，=。，sm。，(jq．7—9j一91)多种形式的灵长类仿牛机器人，而引对这些机器人 所进行的仿生悬摆运动控制研究也是多种多样的， mm“㈨咖=㈥ 包括基于目标动力学的仿生悬臂运动控制”，基 dI】=0『+^+20lcosq2 于小脑模型的仿生悬臂运动控制““，基于模糊自 d!=d自=02+日1cosq2 适应理论的仿生悬臂运动控制Ⅲ，基于视觉伺服 d2：=8， 的仿生悬臂运动控制…，基于能蹙的仿生悬臂运 动控制等”…。但是国内学者在此方面的研究开展 h1=一03％sinq：(2ql+％)h，=以々i洲％ 币】=乩肛。州l+日59‘m(q+q，)也=059“M(ql+q2) 的并不多，无论是实物平台建设还足理论研究掰八 0l=m}■+m2fi日、…t+‘ 程度与国际上的研究相比还存往一定的差距。 oj=“2fl／2吼=Ⅱ】f+m2fJ+I【05=“2I。2 在国际上．在灵长类仿牛机器人悬臂运动仿生 从系统动力学填型可以得出．浚系统输入维度 小于系统自d1度．因此陵系统山一典型的允驱曲系 其课题组处于领先地位。 统” 在生物运动学领域．毋早将猿猴的悬臂撄动。o 单摆的摇摆相联系起来要回溯到Turtle。‘的相关研 3悬臂运动仿生控制研究现状 究，而Fleagle“基丁影像学的运动学研究使其能 针埘砸长娄仿牛机器人的研究一育足机器人技 够樽出这样的假设：苏门答腊台趾摈在进行悬臂运 万方数据 第2期 张晓华等：是长类仿生机器人悬臂运动仿生控制综速 ’163 动过程中通过在道动底部抬腿的方式来汲取能量 灵巧运动，但还仅限在两维平面范围内。在该研究 中，他们引人卜一种分级式行为控制器，从而获得 (栽像小孩子荡秋T一样)。Pmusch柚“’眦及 学习能力．但是他们得到的学习算法很难应用到实 Demes。÷发现刚性体(相对于质点系)单摆更好的 模拟了长臂猿在低速连续接触式悬臂运动巾的相关 物机器人系统上，因为它需要多次的试验及参数调 动作。Swanz。使用了更加接近于真实值的质量整，并且抗扰性较差。至此，Fukuda的灵长类悬 “及几何参数来推算连续接触步态中的速度及抓握 臂运动仿生机器人还仅限干2维运动规划．这些动 力度。Berlram等人”6详细的研究了连续接触式以作离真正意义上灵长类动物的悬臂运动还有一定的 及飞跃式步态的点质量无碰撞模型．并且得到了与 距离；因此．Fukuda课题组进一步研制了13自由 长臂猿悬臂运动学相一致的各种定性量以及力学数 度灵长类悬臂运动仿生机器人，烈完善动力学灵巧 据。他们所获得的结论是：悬臂运动的成功与否头 动作，该机器人的目标动作是从一个抓点连续水平 定性因索应该是避免悬臂摆动进行到终点时的碰 运动到另一个抓点，包括释放．摆动，及抓握等动 作。…。 撞。另一方面，Usherwood”j和Bertram发现，实 际上＆臂德运动时是稍撇超越其最小运动轨迹的， Fukuda研制出来的烈臂式灵长类悬臂运动仿 Mobile 这样显然就会造成细小的碰撞损失。他ⅡJ推测长臂 生机器人(BmchiationRu…)”如图2所 猿运动时稍微超越其最佳运动轨迹的目的是为了避 不。 免因为原动力不足而跌落导致悬摆失败。 在机械电于领域，针对欠驱动系统(系统驱动 器数日小于自由度)控制的研究曾经以悬臂运动仿 生为研究平台来检验不同控制算法的有效性。 Fukuda等人”。曾经设计、仿真并且制造了一台函目幽 两自由度的悬臂运动仿生机器人，此机器人由单一 h bmhiatar7《秆式br扯M日咖。 驱动装置连接两杆。诙机器人的自适应控制装置使 圈2 m双攫R ‘13连杆式br*№I 其能够从静止平衡状态摆起然后在一水平放置的梯 2 tTwo-liⅡkbmhlatork7-linkbⅢalator Ft 子上进行仿生悬臂运动，并且抓点是不规则排列 c13-lipkb哪hialor 的。Yamafuji等人Ⅲ也设计并制造了一台两连杆式 在国内．对于灵长粪仿生机器人的研究开展得 悬臂运动仿牛机器人．控制力是由中部的单驱动器 并不充分，哈上大吴伟国教授课题组的类人猿仿生 给出，他们使用比例积分控制器来为两杆规划预定 机器人(gorillaI，2)”，可称为国内最早的类人猿 轨道。由于机构上的相似性及动力学模型的一致 机器人，其可进行双足步行、四足步行运动并可在 性，一种称为ACROBOT(国内称为体操机器人)的 两种模式问自由切换．但并不能进行悬臂运动仿生 机器人逐渐成为研究的热点，并且与双臂式灵长类 动作。 悬臂运动仿生机器人的研究互为借鉴。Spong川， Xin 4景臂运动仿生与动态伺服 Xin”“，赖旭芝等学者针对ACROBOT的竖直 向上不稳定平衡控铷研究m”．为悬臂运动仿生控 灵长类仿生机器人进行悬摆运动仿生，从运动 制研究提供了新的思路。Nishimum及Fullaki”7剐 过程来分主要有2类悬摆终点与悬摆起点处于同 设计、并且制造了一系列两电机三两杆式欠驱动灵 一水平线上的“悬摆水平运动”和悬摆终点与悬 长类悬臂运动仿生机器人．其可以在水平方向上进 摆起点分处不同水平而的“悬摆跳跃运动”，即模 行仿生悬摆运动。Odagaki驯为同样的串联三杆模 拟灵长类动物悬臂运动的终点与起点分属不同水平 型开发了3种不同仿生悬摆控制器．获得了很好的 面(上跃或下跳)，如图3所示。 实验结果。 机器t凡是1个有着1个驱动关节2个自由度的 欠驱动系统。Satio利闱经验学习方法为该机器人 的运动规划出了可行的悬摆轨迹…1。Fukuda，Sa一 ¨等引入了自测量加强型学习算法进行轨迹规划， Satio则增加了1个反馈控制器来改善其鲁棒性12。 在H蛳gawa以及Fukuda的大量仿线连杆式灵长类悬臂运动仿生机器人作为2 维扩展模型．这种机器人的驱动关节对于其运动学 目3}臂‰Ⅱ运动 机构来说是冗余的，它能够像真正的猿猴一样进行 Fig,3Jump．bmd曲6仰 万方数据 ·164· 控制工程 第18卷 在目前的研究成果中，针对灵长类仿生机器人 基于“悬臂运动仿生”的控制策略研究方面依然 “悬摆跳跃”运动的控制要点为对于动态目标的跟 存在盲区，主要表现在以下几方面的问题与不足： 踪控制，此类问题的物理意义是当灵长类动物选定 1)现有研究成果尚未考虑将灵长类仿生机器 悬摆运动终点目标后开始进行悬摆运动，但当目标 人悬摆运动扩展至更具有仿生意义的三维空间。真 点受扰动改变或存在周期振荡时，则此次悬摆运动 实的灵长类动物手腕部分，具有一定柔性和扭转能 的终点将与改变后的目标点存在偏差，使得灵长类 力，因此真正的悬臂攀援运动往往并不是局限于2 动物的手爪无法有效抓握目标支撑物，只能以单摆 维竖直平面内的。 形式摆回悬摆释放位置，针对改变后的目标点调整 2)现有研究成果尚未涉及灵长类仿生机器人 为新的初始状态进行新的悬摆运动以成功悬摆至目 在仿生悬摆运动过程中的“悬摆跳跃”问题。灵 标终点，鉴于此我们引入基于能量的“动态伺服控 长类动物的悬臂攀援运动通过摆动使身体从现有抓 8ervo 握树枝移动至目标树枝，而现实中的森林环境很难 制”(dynamicalcontr01)ⅢJ，以期解决灵长类 仿生机器人“悬摆跳跃”运动控制问题。 找到相邻两支等高的树枝，并且在灵长类进行悬摆 动态伺服问题的相关定义如下： 过程中，难免会有环境因素、同类因素等对目标树 枝施加干扰。 定义1对于系统：互=．厂(茗，Ⅱ)，x(t。)=‰，在 3)现有研究成果对灵长类仿生机器人悬臂运 控制输入u(t)作用下，对于任意给定轨迹Y(￡)及允 许误差6： 动仿生的“悬臂飞跃”问题尚未深入。灵长类动 物的的“悬臂飞跃运动”，是其最大限度利用自身 若存在瓦使得tTo时有Iz(t)一Y(t)I6成 立，则称其为伺服轨迹跟踪； 条件的进化结果，灵长类动物能够通过衡量自身肌 肉条件、身材状况、有否负重来选择最佳的起飞状 若存在死及tj7o，i=l，2，3，…，使得 态，这其中所蕴含的仿生问题可归结为“飞越极 Ix(t。)一Y(t；)I6，则称其为动态伺服轨迹跟踪。 限”的理论问题。针对“飞越极限”理论问题的运 定义2对于系统正=以x，u)，髫(t。)=z。，在控 动仿生研究对于拓展人类肢体的运动极限具有十分 制输入M(t)作用下，对于任意给定目标钆及目标 重要的意义。 误差6，存在tI，t2，t3，…，使得l聋(ti)一并dl6， 4)现有研究成果尚未有效应用“虚拟现实” i=l，2，3，…，称这种控制为动态伺服控制。 仿真技术。灵长类动物是最接近人类的生物，其身 在欠驱动双臂式灵长类仿生机器人的悬臂运动 体结构复杂，运动形式多样，单纯的以智能机械的 仿生控制中，当两臂夹角不变时则系统能量不再变 形式去模仿，在现阶段的技术条件下是很难完成 化，从重心(也可理解为末端)看其行为与单杆摆 的，因此借助于虚拟现实技术可以更好的辅助实物 相同，系统末端会沿着一个圆形周期轨道不断摆 机器人的研究，获得更多有价值的成果。 动，轨道半径由q：决定，轨道最高点由初始能量 5)现有灵长类仿生机器人多为单一模式运动 决定。将悬摆运动目标点取为最高点：[q。，q：，香。， 仿生机器人，尚未进行多维度、多运动模式(四足 香：]=[q…口2d，o，o]。系统输出方程，选取为： 步行+双足步行+仿生悬摆+悬臂飞跃)的灵长类 Y=[E，q：]T，则周期轨道可描述为： 仿生运动的有机整合。灵长类动物，由于其大脑发 Y=[Ed，q“]’ (2) 育、身体组成结构及四肢形式的先进性，往往会施 式中，Ed=049sinqId+059sin(qld+q2d)。因此，只要 行一些高等的复合运动，包括双足步行、四足步 设计适当的控制策略，控制系统末端悬摆至周期轨 行、四足攀爬等，全拟真(形态+运动模式)灵长 道(2)，即可实现系统的动态伺服控制，从而获得 类仿生机器人是这一问题的有效解决方案，但也是 系统的悬摆跳跃运动仿生㈣删。 该领域研究的难点。 引入“动态伺服”理论可有效解决灵长类悬 臂运动仿生机器人的“悬臂跳跃”控制问题，并 6结语 可控制系统末端在一定程度上对于动态目标轨迹 总之，要解决全拟真灵长类仿生机器人这样的 (树枝受环境因素、同类扰动)进行跟踪，从而为更 科学与技术难题，我们必须向自然界学习，从自然 加真实的灵长类仿生机器人悬臂运动仿生控制奠定 界为人类提供的丰富多彩的实例中寻求解决人类问 基础。 题的途径．通过对自然更完美的学习、模仿、复制 和再造，发现和发展相关的理论和技术方法，这也 5评述与展望 正是机器人仿生学的研究任务和发展趋势。 综上所述，尽管以Fukuda为代表的国外学者 参考文献(References)： 已经研发出了灵长类悬臂运动仿生机器人实物样 that Press，Cam- 机，并进行了相当深入的实验研究；但是，目前在 [1]RaibertM．H，蜊robotsbalance[M]．MIT 万方数据 第2期 张晓华等：灵长类仿生机器人悬臂运动仿生控制综述 ·165· FukudaT。Ha”鼬waY，ShimojimaK，鲋d．selfscalingreinforce． bridge．MA(1986)． [28] for ofIEEE Mc(；ePr Int．JoIImalofRo融- menllea丌lingfuzzyIogi‘lconlrolIPr[Jj．Inf’mce列j“gs [2] T，P娜ivedyn锄jcwalking[J]．11le icsResea”h，1990，9(2)：62-82． IntemationalConfefenceonEvolutionaryComputa“on，1996。46 hlmH Y af，dconlmjofa mbol (6)：247-252)． [3] K，孙bjM。Sohc．Pla朋jng biped of8mobilen岫 Joumal [29]YamafuiiK．FukushimaD，MaPkawaK．Study [J]IntematioIIal0fE晒nee一“gscience，1999，37：1319一 to 1349． whichcanshjflfromonehorizontaIbaranmher usin只vmratory [4】 MⅢerWT．Real一“meneuralnemorkcontrolofabipedwall【i醒渺 excitationfJ]．JsMEIntemaIionaj conlml

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