利用障礙物進(jìn)行路徑規(guī)劃 機(jī)器藤蔓學(xué)會導(dǎo)航

有這樣一款機(jī)器人，其外形像是長條狀塑料袋前端位置配了一顆小小的攝像頭，整體似乎給人一種廉價粗糙感。

不過，既然能登上機(jī)器人頂刊封面，這條由美國斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系聯(lián)合加州大學(xué)圣巴巴拉分校機(jī)械工程系打造的機(jī)器人自然有兩把刷子。

這款機(jī)器人就像是一根藤蔓，不斷向前延伸較長的距離。

當(dāng)然，除了向前延伸，它還會轉(zhuǎn)彎。

能夠撐起一個重量 100 公斤的木箱子，未來可以在搜索救援、醫(yī)療救護(hù)等場景大顯身手。

過去 4 年，研究團(tuán)隊(duì)在這款機(jī)器人的導(dǎo)航問題上沒少下功夫，如今這條「機(jī)器藤蔓」甚至可以利用障礙物進(jìn)行路徑規(guī)劃了。

前不久，有關(guān)這款機(jī)器人的最新研究成果發(fā)表，題為 Robust Navigation of a Soft Growing Robot by Exploiting Contact with the Environment(利用與環(huán)境接觸的軟性生長機(jī)器人的魯棒導(dǎo)航)。

「機(jī)器藤蔓」如何自由生長?

先來了解一下這款機(jī)器人是如何“自由生長”的。

2017 年 7 月發(fā)表的論文顯示，這款機(jī)器人的設(shè)計(jì)受到了藤蔓、真菌和神經(jīng)細(xì)胞等生物的啟發(fā)：

這些生物體是通過生長而非運(yùn)動來駕馭其所處的環(huán)境。它們的特征在于，身體從一端向外延伸，長度成倍增加，并且還能主動控制生長方向，因此形成了一種有用的三維結(jié)構(gòu)，有了一種在嚴(yán)格受限的環(huán)境中移動的能力。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的軟體氣動機(jī)器人外部是一根由軟性材料制成的透明管，內(nèi)部材料在未延伸時呈折疊狀態(tài)。

其外形不禁讓本網(wǎng)編輯想到美國通用電氣公司受蚯蚓和樹根的啟發(fā)，為美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)研發(fā)的一款用于軍事行動的快速隧道挖掘機(jī)器人。

但不難發(fā)現(xiàn)，斯坦福團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人更具靈活性。

關(guān)于機(jī)器人的內(nèi)部材料，斯坦福大學(xué)官方介紹：

在原型中，我們用到的是一種又薄又便宜的塑料，向其注入加壓空氣時，塑料就會展開;不過在其他版本中，我們會用流體代替空氣。

實(shí)際上，做出這款機(jī)器人主要基于兩方面原理。

其一，基于用承壓流體驅(qū)動材料的原理，研究團(tuán)隊(duì)給機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個倒置的薄壁“外衣”，通過內(nèi)部施壓，機(jī)器人能夠由頂端延伸出去。

其二，基于延長時的不對稱性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種環(huán)境刺激感知系統(tǒng)，可以主動控制方向(簡單來講就是，機(jī)器人的驅(qū)動通過縮短身體的一側(cè)來實(shí)現(xiàn)，只有這樣機(jī)器人才有了轉(zhuǎn)彎的能力)。

「機(jī)器藤蔓」如何規(guī)劃路徑?

那么在實(shí)際應(yīng)用中，這款機(jī)器人如何導(dǎo)航呢?

無疑，對于剛性機(jī)器人而言，與障礙物產(chǎn)生碰撞是較為危險的 —— 相比較而言，由于軟體機(jī)器人具有低慣性，身體也更為柔軟，因此研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，科學(xué)家們專門去約束機(jī)器人、避免其產(chǎn)生碰撞的做法其實(shí)是不必要的，有時反而會對機(jī)器人的運(yùn)動有所限制。特別是在搜索救援等情況下，機(jī)器人一般要在混亂或受限的環(huán)境中導(dǎo)航，碰到障礙物是不可避免的。

因此研究團(tuán)隊(duì)的做法是，用一個經(jīng)驗(yàn)運(yùn)動學(xué)模型(empirical kinematic model)對「機(jī)器藤蔓」與其所處環(huán)境的相互作用進(jìn)行了數(shù)學(xué)化的描述。通過該模型，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種規(guī)劃機(jī)器人路徑的方法。

研究團(tuán)隊(duì)將這一模型稱為是「啟發(fā)式模型」(heuristic model)，這是因?yàn)檎系K物可以被動地引導(dǎo)機(jī)器人，減少其運(yùn)動過程中的不確定性。如下圖所示，紅色線條對應(yīng)的是未經(jīng)過優(yōu)化的機(jī)器人運(yùn)動路徑，藍(lán)色則代表優(yōu)化后的結(jié)果。

這張動圖可以更加清晰地看到路線的調(diào)整。

我們可以這樣理解，這一方法并不是要避免機(jī)器人與環(huán)境接觸，而是在遇到障礙物時，善于利用障礙接觸，使其對導(dǎo)航產(chǎn)生積極作用。

實(shí)驗(yàn)表明：

與避免所有障礙接觸的規(guī)劃方式相比，考慮并善用障礙接觸的規(guī)劃方式所產(chǎn)生的路徑面對不確定性表現(xiàn)更佳。

值得一提的是，這一路徑規(guī)劃方法把對機(jī)器人身體的操控轉(zhuǎn)移到了環(huán)境中，機(jī)器人所需的驅(qū)動由此減少。

可見，斯坦福大學(xué)的最新研究使得軟體機(jī)器人導(dǎo)航問題有了進(jìn)一步突破。

關(guān)于作者

論文作者包括 IEEE Fellow、斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)教授Allison M. Okamura，即 IEEE Robotics and Automation Letters 雜志主編，曾是約翰霍普金斯大學(xué)機(jī)械工程系教授、副主席。

1994 年，Allison M. Okamura 獲加州大學(xué)伯克利分校理學(xué)學(xué)士學(xué)位，在 1996 年、2000 年分別獲得斯坦福大學(xué)機(jī)械工程碩士和博士學(xué)位。

其主要研究領(lǐng)域包括觸覺學(xué)、遠(yuǎn)程操作、虛擬環(huán)境和模擬器、醫(yī)療機(jī)器人、軟體機(jī)器人、神經(jīng)力學(xué)和康復(fù)、修復(fù)術(shù)與教育等等。曾獲 2020 年 IEEE 醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)會技術(shù)成就獎、2019 年 IEEE 機(jī)器人與自動化學(xué)會杰出服務(wù)獎、2005 年 IEEE 機(jī)器人與自動化學(xué)會早期學(xué)術(shù)生涯獎等獎項(xiàng)。

關(guān)鍵詞： 障礙物 路徑 規(guī)劃 機(jī)器