導(dǎo)語
受到魚類、鳥類和螞蟻等微小生物體協(xié)作操縱的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了多機器人協(xié)作運輸系統(tǒng)（MRCTS）來運輸單個機器人無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)劉辛軍教授研究團隊提出了一種基于履帶式移動機器人（TMR）的新型MRCTS，以提高地形適應(yīng)性并擴展MRCTS的應(yīng)用場景。
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)在該研究中為新型多機器人協(xié)作運輸系統(tǒng)（MRCTS）在非平坦路面上的運動控制策略驗證提供了高精度數(shù)據(jù)支持。
一、研究背景：多機器人協(xié)同運輸系統(tǒng)
多機器人協(xié)作運輸系統(tǒng)（MRCTS）近年來成為機器人集群控制中的重要研究方向。傳統(tǒng) MRCTS 多在平坦環(huán)境中驗證，面對戶外非結(jié)構(gòu)化地形時，其協(xié)作穩(wěn)定性、負載一致性和控制精度均會顯著下降。
清華大學(xué)劉辛軍教授團隊針對這一問題，提出了一種基于履帶式移動機器人（Tracked Mobile Robot，TMR）的新型 MRCTS，通過六自由度自適應(yīng)關(guān)節(jié)設(shè)計和雙閉環(huán)運動學(xué)控制策略顯著增強系統(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。
為了驗證控制策略在真實場景下的性能，研究團隊采用 NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)獲取領(lǐng)導(dǎo)機器人實時三維位姿（真值數(shù)據(jù)），用于軌跡跟蹤誤差的分析與控制器性能評估。
二、研究亮點：結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)與控制框架創(chuàng)新
1. 研究團隊設(shè)計了一種新穎的六自由度被動自適應(yīng)關(guān)節(jié)來連接履帶式移動機器人（TMR）和公共有效負載，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量機器人相對于物體的位置和方向，進行反饋控制，解決了機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)機器人用于描述整個系統(tǒng)的運動并管理跟隨機器人，可避免由于物理領(lǐng)導(dǎo)機器人故障而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的故障。此外，系統(tǒng)中的所有物理機器人都充當(dāng)跟隨機器人，有助于啟動和維持運輸，提高運輸策略對物體質(zhì)量的魯棒性。
3. 提出了一種新穎的雙閉環(huán)運動學(xué)控制框架，其中內(nèi)環(huán)與跟隨機器人的運動控制相關(guān)，外環(huán)與虛擬領(lǐng)導(dǎo)機器人的運動控制相關(guān)。將兩種機器人的運動控制轉(zhuǎn)化為移動機器人的軌跡跟蹤控制問題。
三、實驗驗證：NOKOV度量動捕提供真實位姿數(shù)據(jù)支持
研究團隊進行了兩類關(guān)鍵實驗，驗證所提出的方法在真實環(huán)境中的有效性。
實驗一：圓形軌跡跟蹤（4 臺 TMR 搬運 60 kg）
使用 4 臺 TMR 協(xié)同搬運 60 kg 載荷
場地尺寸為 4.5 m × 4.5 m
NOKOV度量系統(tǒng)捕捉領(lǐng)導(dǎo)機器人實時三維位姿，用于反饋控制
實驗設(shè)施和信息流
實驗結(jié)果：
軌跡誤差在有限時間內(nèi)收斂到零，驗證了控制器的穩(wěn)定跟蹤能力。
實驗二：非平整路面運輸（真實戶外地形）
系統(tǒng)在不平整路面運輸同等載荷60公斤
NOKOV 捕捉領(lǐng)導(dǎo)機器人實時位姿，跟隨機器人依據(jù)真實誤差進行軌跡調(diào)整
不平整路面搬運的實驗序列
實驗結(jié)果：
系統(tǒng)在起伏地形上保持穩(wěn)定運輸，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)境下的多機器人運輸提供可參考技術(shù)路徑
該研究的主要貢獻包括：
證明了結(jié)構(gòu)柔性（6-DoF 關(guān)節(jié)）對 MRCTS 地形適應(yīng)性的顯著作用
通過虛擬領(lǐng)導(dǎo)者提高協(xié)作魯棒性，降低系統(tǒng)對單點故障的敏感性
通過雙閉環(huán)控制策略實現(xiàn)統(tǒng)一、可分解的控制框架
使用高精度真實位姿捕捉系統(tǒng)，NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)，對控制器進行量化驗證
這些貢獻為 MRCTS 在戶外運輸、應(yīng)急救援、建筑施工等場景的實際部署提供技術(shù)參考。
五、 NOKOV度量動作捕捉的角色：復(fù)雜多機器人系統(tǒng)研究中的真實位姿基準
本研究中，NOKOV度量動作捕捉的關(guān)鍵作用包括：
獲取領(lǐng)導(dǎo)機器人三維位置與姿態(tài)的真實數(shù)據(jù)
用于評估控制算法性能與軌跡跟蹤誤差
為復(fù)雜地形下的運動控制研究提供高精度驗證手段
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)獲取MRCTS領(lǐng)導(dǎo)機器人的實時位置和方向信息，用于反饋控制跟隨機器人的軌跡跟蹤，幫助驗證了所提出的運動學(xué)控制策略在真實環(huán)境中的性能和有效性。
在 MRCTS、無人機、車輛運動學(xué)等多體系統(tǒng)研究中，真實位姿測量是驗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量工具 NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)，該研究展示了從“實驗驗證”到“真實應(yīng)用”更加可行的技術(shù)路徑。
六、關(guān)于新型多機器人協(xié)作運輸系統(tǒng)研究的FQA
Q1：什么是新型多機器人協(xié)作運輸系統(tǒng)（MRCTS）？
A1：新型 MRCTS 是由多臺機器人協(xié)同搬運同一重載物體的系統(tǒng)，通過結(jié)構(gòu)與控制協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)單機器人無法完成的復(fù)雜運輸任務(wù)。
Q2：關(guān)于新型多機器人協(xié)作運輸系統(tǒng)的研究解決了傳統(tǒng)多機器人運輸?shù)哪男╆P(guān)鍵問題？
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)定性不足以及對單一領(lǐng)導(dǎo)機器人依賴過高的問題。
Q3：履帶式移動機器人（TMR）在系統(tǒng)中有什么優(yōu)勢？
A3：TMR 具備更強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，可顯著提升系統(tǒng)在復(fù)雜路面的穩(wěn)定運輸能力。
Q4：NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)在研究中發(fā)揮了什么作用？
A4：NOKOV 系統(tǒng)為機器人提供高精度真實位姿數(shù)據(jù)，用于驗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)劉辛軍教授研究團隊提出了一種基于履帶式移動機器人（TMR）的新型MRCTS，以提高地形適應(yīng)性并擴展MRCTS的應(yīng)用場景。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.
