ly:機(jī)器人大講堂

提出新策略，實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)變接觸力與運(yùn)動(dòng)軌跡同時(shí)跟蹤

為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)（UAV）在執(zhí)行空中交互任務(wù)時(shí)對(duì)連續(xù)時(shí)變接觸力和運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)跟蹤，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入研究。

前不久，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的接觸感知軌跡規(guī)劃算法。該算法能夠在接觸平面內(nèi)生成動(dòng)態(tài)且可行的接觸力和運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，他們還開發(fā)了一種先進(jìn)的接觸感知混合運(yùn)動(dòng)-力控制算法，使無人機(jī)（UAM）能夠同時(shí)追蹤連續(xù)時(shí)變的接觸力和運(yùn)動(dòng)軌跡，并有效補(bǔ)償摩擦力等干擾因素。此外，研究團(tuán)隊(duì)利用全驅(qū)動(dòng)六旋翼空中機(jī)械手，設(shè)計(jì)了一套完整的系統(tǒng)和流程，包括用戶輸入界面、軌跡規(guī)劃器、控制器和末端執(zhí)行器，成功實(shí)現(xiàn)了空中書法任務(wù)的精確執(zhí)行。

空中書法任務(wù)不僅要求UAV具備高精度的運(yùn)動(dòng)控制能力，還需要根據(jù)線條粗細(xì)動(dòng)態(tài)調(diào)整接觸力，因此成為驗(yàn)證本研究方法有效性的理想平臺(tái)。為了驗(yàn)證該方法，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)靈活的觸摸屏界面，用于用戶輸入，并采用了一種新穎的海綿筆設(shè)計(jì)作為末端執(zhí)行器，在空中書法任務(wù)上進(jìn)行了演示。通過空中書法任務(wù)這一代表性應(yīng)用，充分展示了該方法在精確控制線條寬度和形狀方面的優(yōu)越性。

▍聚焦空中書法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)化解決方案

執(zhí)行空中交互任務(wù)時(shí)，如何同時(shí)且準(zhǔn)確地控制無人機(jī)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和接觸力是一個(gè)核心挑戰(zhàn)。這種能力對(duì)于許多高難度的空中作業(yè)至關(guān)重要，尤其是在需要精細(xì)操作和環(huán)境交互的場(chǎng)景中，如空中書法任務(wù)。

具體到空中書法，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)高度精確的需求：無人機(jī)不僅需要沿著預(yù)定義的路徑移動(dòng)，還要根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的線寬要求動(dòng)態(tài)調(diào)整其末端執(zhí)行器施加的接觸力。這不僅考驗(yàn)了無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制能力，還對(duì)其感知和響應(yīng)環(huán)境變化的能力提出了極高要求。

為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在空中交互任務(wù)中的高精度運(yùn)動(dòng)與力控制，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)化的解決方案。該系統(tǒng)涵蓋了從用戶輸入到任務(wù)執(zhí)行的全流程，具體包括以下幾個(gè)方面：

首先，用戶通過空中書法界面輸入目標(biāo)筆畫或字母，這些輸入可以是手動(dòng)定義的路徑點(diǎn)，也可以通過觸摸屏界面直接繪制。界面隨后將這些輸入轉(zhuǎn)換為任務(wù)空間中的稀疏路徑點(diǎn)，這些路徑點(diǎn)包含了執(zhí)行空中書法任務(wù)所需的關(guān)鍵信息，如位置和預(yù)期的線寬。

接下來，研究利用接觸感知軌跡規(guī)劃器來處理這些路徑點(diǎn)。規(guī)劃器的核心任務(wù)是生成一條動(dòng)態(tài)可行的運(yùn)動(dòng)-力軌跡，這條軌跡不僅需要確保無人機(jī)能夠平滑地移動(dòng)，還需要在不同點(diǎn)施加正確的接觸力，以滿足繪制線條粗細(xì)的要求。這一過程涉及復(fù)雜的優(yōu)化算法，需要綜合考慮無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性、環(huán)境約束以及任務(wù)需求。

在生成了參考軌跡之后，研究設(shè)計(jì)了混合運(yùn)動(dòng)-力控制器來確保無人機(jī)能夠緊密跟隨這條軌跡?？刂破鹘Y(jié)合了運(yùn)動(dòng)控制和力控制的優(yōu)勢(shì)，能夠在無人機(jī)與環(huán)境交互時(shí)快速響應(yīng)各種擾動(dòng)，如摩擦力等。這種混合控制方式使得無人機(jī)在復(fù)雜的空中作業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)出更高的魯棒性和精確性。

為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)的線條繪制效果，研究還特別設(shè)計(jì)了一種新型的海綿筆末端執(zhí)行器。這種末端執(zhí)行器能夠根據(jù)無人機(jī)施加的接觸力動(dòng)態(tài)調(diào)整線條的寬度，從而精準(zhǔn)地再現(xiàn)用戶輸入的筆畫或字母。此外，為了確保用戶輸入的便捷性和直觀性，研究還開發(fā)了一種觸摸屏界面，允許用戶通過簡(jiǎn)單的觸摸操作來定義和修改目標(biāo)軌跡。

最后，為了準(zhǔn)確描述無人機(jī)在三維空間中的位置和姿態(tài)，以及末端執(zhí)行器與接觸表面的交互情況，研究定義了多個(gè)坐標(biāo)框架，并建立了無人機(jī)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。這些框架和模型為后續(xù)的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)-力控制算法提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)描述工具。

通過系統(tǒng)化的解決方案，研究團(tuán)隊(duì)全面考慮了用戶輸入、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)-力控制、末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)以及動(dòng)力學(xué)建模等方面的問題和挑戰(zhàn)，旨在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在空中交互任務(wù)中的高精度運(yùn)動(dòng)與力控制。