最近，來自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生研究中心的徐升和徐天添研究團(tuán)隊(duì)合作，提出了一套針對微型仿魚磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)控制方法，通過寬度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲得了可控磁場變化與仿魚機(jī)器人多種動(dòng)作基元之間的關(guān)系規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了仿魚機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，并且本方法無需復(fù)雜調(diào)參，并具有優(yōu)異魯棒穩(wěn)定性，保障了運(yùn)動(dòng)過程不受外界擾動(dòng)影響。
研究成果以“A Robot Motion Learning Method Using Broad Learning System Verified by Small-scale Fish-like Robot”為題，發(fā)表在智能控制領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Cybernetics(JCR一區(qū)，影響因子：19.118)。徐升副研究員為第一作者，徐天添研究員為通訊作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為第一單位。
微型仿魚機(jī)器人由于構(gòu)型合理、尺度很小，可以更為靈活地在復(fù)雜狹小空間內(nèi)穿梭作業(yè)，在微孔探查、靶向治療等小尺度操作領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。但是，受磁場與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的強(qiáng)非線性影響，使得機(jī)器人按要求軌跡運(yùn)動(dòng)控制十分具有挑戰(zhàn)。同時(shí)，在復(fù)雜場景中，如人體內(nèi)，理想目標(biāo)軌跡的準(zhǔn)確坐標(biāo)往往不便獲取，限制了追蹤控制策略的應(yīng)用。體內(nèi)環(huán)境迂曲復(fù)雜，存在頻繁方向改變，控制器反復(fù)調(diào)整計(jì)算復(fù)雜繁瑣，存在重復(fù)性。因此，十分有必要將微型機(jī)器人的底層運(yùn)動(dòng)封裝為基本運(yùn)動(dòng)，例如直走，直角彎，S形彎，C形彎等，并將這些基本運(yùn)動(dòng)作為高層運(yùn)動(dòng)指令庫的基元，便于在后續(xù)的宏觀運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃中按需調(diào)用，可降低實(shí)時(shí)控制指令的解算復(fù)雜度。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合寬度學(xué)習(xí)理論，對磁控仿魚機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)基元開展訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以寬度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主體的微型機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)控制器；基于李雅普諾夫穩(wěn)定理論，推導(dǎo)了保障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)約束，大大簡化不同運(yùn)動(dòng)基元的控制器參數(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)過程；提出了以磁場參數(shù)變化與機(jī)器人速度矢量變化為所需數(shù)據(jù)的控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)訓(xùn)練方法，使用者只需通過改變訓(xùn)練數(shù)據(jù)的種類即可獲得多種運(yùn)動(dòng)基元，而且考慮了穩(wěn)定約束的訓(xùn)練算法可以保證所獲得的控制器必然穩(wěn)定。
圖2 基于寬度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微型仿魚機(jī)器人運(yùn)動(dòng)基元學(xué)習(xí)控制方法
圖3 微型仿魚機(jī)器人結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理，磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
通過仿真及實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用所提的學(xué)習(xí)控制方法獲得了銳角彎、J形彎、S形彎等多種運(yùn)動(dòng)基元的微型機(jī)器人控制器，并開展了仿魚機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中我們通過人為搖晃容器、暴力碰觸機(jī)器人模擬了真實(shí)場景中可能存在的復(fù)雜擾動(dòng)，機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中，直接調(diào)用C形彎，S形彎等運(yùn)動(dòng)基元實(shí)現(xiàn)高效避障，通過使用所提方法機(jī)器人均可以抵達(dá)最終指定區(qū)域，驗(yàn)證了所提方法的強(qiáng)抗擾能力。該成果符合高層運(yùn)動(dòng)指令規(guī)劃的思想，大幅簡化了實(shí)時(shí)控制指令解算復(fù)雜度，為微型機(jī)器人的多機(jī)集群運(yùn)動(dòng)或無參考軌跡最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃打下基礎(chǔ)，同時(shí)還可推廣至無人機(jī)、無人車以及工業(yè)機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制。
圖4 機(jī)器人多次執(zhí)行“S”形避障實(shí)際效果
圖5 機(jī)器人強(qiáng)抗擾能力驗(yàn)證（暴力阻攔、容器振動(dòng)）
該系列研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)、深圳市等科技項(xiàng)目資助。
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