導(dǎo)語(yǔ)
受到魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)和螞蟻等微小生物體協(xié)作操縱的啟發(fā)，研究人員開(kāi)發(fā)了多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)輸系統(tǒng)（MRCTS）來(lái)運(yùn)輸單個(gè)機(jī)器人無(wú)法處理的重型超大物體。然而，現(xiàn)有MRCTS主要在平坦路面上運(yùn)輸，極少能在不平坦的道路上有效工作。清華大學(xué)劉辛軍教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于履帶式移動(dòng)機(jī)器人（TMR）的新型MRCTS，以提高地形適應(yīng)性并擴(kuò)展MRCTS的應(yīng)用場(chǎng)景。
NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在該研究中為新型多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)輸系統(tǒng)（MRCTS）在非平坦路面上的運(yùn)動(dòng)控制策略驗(yàn)證提供了高精度數(shù)據(jù)支持。
一、研究背景：多機(jī)器人協(xié)同運(yùn)輸系統(tǒng)
多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)輸系統(tǒng)（MRCTS）近年來(lái)成為機(jī)器人集群控制中的重要研究方向。傳統(tǒng) MRCTS 多在平坦環(huán)境中驗(yàn)證，面對(duì)戶外非結(jié)構(gòu)化地形時(shí)，其協(xié)作穩(wěn)定性、負(fù)載一致性和控制精度均會(huì)顯著下降。
清華大學(xué)劉辛軍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于履帶式移動(dòng)機(jī)器人（Tracked Mobile Robot，TMR）的新型 MRCTS，通過(guò)六自由度自適應(yīng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和雙閉環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制策略顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的地形適應(yīng)能力。相關(guān)研究成果已發(fā)表在 Frontiers of Mechanical Engineering。
為了驗(yàn)證控制策略在真實(shí)場(chǎng)景下的性能，研究團(tuán)隊(duì)采用 NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人實(shí)時(shí)三維位姿（真值數(shù)據(jù)），用于軌跡跟蹤誤差的分析與控制器性能評(píng)估。
二、研究亮點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)與控制框架創(chuàng)新
1. 研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新穎的六自由度被動(dòng)自適應(yīng)關(guān)節(jié)來(lái)連接履帶式移動(dòng)機(jī)器人（TMR）和公共有效負(fù)載，使MRCTS獲得了適應(yīng)不平坦路面起伏的變形能力，此外，自適應(yīng)關(guān)節(jié)上的接觸傳感器可以測(cè)量機(jī)器人相對(duì)于物體的位置和方向，進(jìn)行反饋控制，解決了機(jī)器人在室外定位的難題。
2. 提出了虛擬領(lǐng)導(dǎo)者和物理追隨者協(xié)作范例。虛擬領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人用于描述整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)并管理跟隨機(jī)器人，可避免由于物理領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障。此外，系統(tǒng)中的所有物理機(jī)器人都充當(dāng)跟隨機(jī)器人，有助于啟動(dòng)和維持運(yùn)輸，提高運(yùn)輸策略對(duì)物體質(zhì)量的魯棒性。
3. 提出了一種新穎的雙閉環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制框架，其中內(nèi)環(huán)與跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)，外環(huán)與虛擬領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)。將兩種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問(wèn)題。
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：NOKOV度量動(dòng)捕提供真實(shí)位姿數(shù)據(jù)支持
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩類(lèi)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提出的方法在真實(shí)環(huán)境中的有效性。
實(shí)驗(yàn)一：圓形軌跡跟蹤（4 臺(tái) TMR 搬運(yùn) 60 kg）
使用 4 臺(tái) TMR 協(xié)同搬運(yùn) 60 kg 載荷
場(chǎng)地尺寸為 4.5 m × 4.5 m
NOKOV度量系統(tǒng)捕捉領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人實(shí)時(shí)三維位姿，用于反饋控制
實(shí)驗(yàn)設(shè)施和信息流
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
軌跡誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，驗(yàn)證了控制器的穩(wěn)定跟蹤能力。
實(shí)驗(yàn)二：非平整路面運(yùn)輸（真實(shí)戶外地形）
系統(tǒng)在不平整路面運(yùn)輸同等載荷60公斤
NOKOV 捕捉領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿，跟隨機(jī)器人依據(jù)真實(shí)誤差進(jìn)行軌跡調(diào)整
不平整路面搬運(yùn)的實(shí)驗(yàn)序列
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
系統(tǒng)在起伏地形上保持穩(wěn)定運(yùn)輸，表現(xiàn)出優(yōu)異的地形適應(yīng)能力。
四、研究意義：為復(fù)雜環(huán)境下的多機(jī)器人運(yùn)輸提供可參考技術(shù)路徑
該研究的主要貢獻(xiàn)包括：
證明了結(jié)構(gòu)柔性（6-DoF 關(guān)節(jié)）對(duì) MRCTS 地形適應(yīng)性的顯著作用
通過(guò)虛擬領(lǐng)導(dǎo)者提高協(xié)作魯棒性，降低系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)故障的敏感性
通過(guò)雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、可分解的控制框架
使用高精度真實(shí)位姿捕捉系統(tǒng)，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，對(duì)控制器進(jìn)行量化驗(yàn)證
這些貢獻(xiàn)為 MRCTS 在戶外運(yùn)輸、應(yīng)急救援、建筑施工等場(chǎng)景的實(shí)際部署提供技術(shù)參考。
五、 NOKOV度量動(dòng)作捕捉的角色：復(fù)雜多機(jī)器人系統(tǒng)研究中的真實(shí)位姿基準(zhǔn)
本研究中，NOKOV度量動(dòng)作捕捉的關(guān)鍵作用包括：
獲取領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人三維位置與姿態(tài)的真實(shí)數(shù)據(jù)
用于評(píng)估控制算法性能與軌跡跟蹤誤差
為復(fù)雜地形下的運(yùn)動(dòng)控制研究提供高精度驗(yàn)證手段
NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取MRCTS領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置和方向信息，用于反饋控制跟隨機(jī)器人的軌跡跟蹤，幫助驗(yàn)證了所提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制策略在真實(shí)環(huán)境中的性能和有效性。
在 MRCTS、無(wú)人機(jī)、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)等多體系統(tǒng)研究中，真實(shí)位姿測(cè)量是驗(yàn)證控制方法的必要環(huán)節(jié)。清華大學(xué)提出的結(jié)構(gòu)與控制雙創(chuàng)新，為 MRCTS 在復(fù)雜戶外地形中的穩(wěn)定協(xié)作提供了新的解決思路。結(jié)合高精度位姿真值測(cè)量工具 NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，該研究展示了從“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”到“真實(shí)應(yīng)用”更加可行的技術(shù)路徑。
六、關(guān)于新型多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)輸系統(tǒng)研究的FQA
Q1：什么是新型多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)輸系統(tǒng)（MRCTS）？
A1：新型 MRCTS 是由多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同搬運(yùn)同一重載物體的系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)與控制協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人無(wú)法完成的復(fù)雜運(yùn)輸任務(wù)。
Q2：關(guān)于新型多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)輸系統(tǒng)的研究解決了傳統(tǒng)多機(jī)器人運(yùn)輸?shù)哪男╆P(guān)鍵問(wèn)題？
A2：主要解決了傳統(tǒng) MRCTS 難以適應(yīng)非平坦地形、協(xié)作穩(wěn)定性不足以及對(duì)單一領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人依賴(lài)過(guò)高的問(wèn)題。
Q3：履帶式移動(dòng)機(jī)器人（TMR）在系統(tǒng)中有什么優(yōu)勢(shì)？
A3：TMR 具備更強(qiáng)的越障能力和地形適應(yīng)性，結(jié)合自適應(yīng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，可顯著提升系統(tǒng)在復(fù)雜路面的穩(wěn)定運(yùn)輸能力。
Q4：NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在研究中發(fā)揮了什么作用？
A4：NOKOV 系統(tǒng)為機(jī)器人提供高精度真實(shí)位姿數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證控制策略性能并量化軌跡跟蹤誤差。
七、論文信息
清華大學(xué)劉辛軍教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于履帶式移動(dòng)機(jī)器人（TMR）的新型MRCTS，以提高地形適應(yīng)性并擴(kuò)展MRCTS的應(yīng)用場(chǎng)景。該研究成果以"Enhancing the terrain adaptability of a multirobot cooperative transportation system via novel connectors and optimized cooperative strategies"為題發(fā)表在Frontiers of Mechanical Engineering期刊。
引用格式
Liu Q, Gong Z, Nie Z, et al. Enhancing the terrain adaptability of a multirobot cooperative transportation system via novel connectors and optimized cooperative strategies[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2023, 18(3): 38.
