92.5%成功率！東京大學(xué)多連桿飛行器解鎖復(fù)雜空間穿越能力

在災(zāi)難搜救、工業(yè)巡檢、狹小空間勘探等場(chǎng)景中，無人機(jī)一直被一個(gè) “先天缺陷” 限制：機(jī)身固定、無法變形，遇到比自身更窄的縫隙就只能束手無策。如果無人機(jī)能像蛇一樣靈活變形，在飛行中主動(dòng)收縮、扭轉(zhuǎn)身體，是不是就能輕松穿越廢墟通道、管道間隙和復(fù)雜建筑？

近年來，一類全新的機(jī)器人——“浮動(dòng)基座多連桿機(jī)器人”的新型飛行器正在將這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這類機(jī)器人由一個(gè)主體（浮動(dòng)基座）和多個(gè)通過關(guān)節(jié)連接的連桿組成，它們可以在飛行中調(diào)整關(guān)節(jié)角度，從而改變整體外形。然而，要讓這些機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中安全、高效地導(dǎo)航，面臨著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：如何為它們規(guī)劃出一條既避開障礙、又符合物理規(guī)律、還能順利改變形狀的飛行軌跡？

近日，一項(xiàng)來自東京大學(xué)的研究提出了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，為這類機(jī)器人賦予了在狹小空間內(nèi)靈活機(jī)動(dòng)的智慧。這項(xiàng)研究的核心，是一個(gè)名為“分層軌跡規(guī)劃框架”的系統(tǒng)。它巧妙地利用了機(jī)器人本身的特性，將復(fù)雜的規(guī)劃問題化整為零，最終讓機(jī)器人能夠直接從原始的傳感器數(shù)據(jù)中，自主生成一條安全、可行的飛行路徑。

01.

難題：高維空間里的“穿針引線”

為什么為這種可變形的機(jī)器人規(guī)劃路徑如此困難？

首先，傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的路徑規(guī)劃，只需考慮其在三維空間中的位置和姿態(tài)，這在一個(gè)三維空間里進(jìn)行。但對(duì)于多連桿機(jī)器人，除了主體的位置和姿態(tài)，還需要考慮每一個(gè)關(guān)節(jié)的角度。關(guān)節(jié)越多，需要考慮的維度就越高，形成了一個(gè)高維的“構(gòu)型空間”。在這個(gè)空間里尋找一條無碰撞的路徑，就像在千絲萬縷中穿針引線。

采用分層軌跡規(guī)劃框架，一個(gè)浮基多連桿機(jī)器人通過變形其結(jié)構(gòu)，在U形通道中機(jī)動(dòng)的俯視圖

其次，規(guī)劃出的軌跡不僅要確保機(jī)器人的任何一個(gè)部位（包括高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳）都不與障礙物相碰，還要保證每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都在其機(jī)械限位之內(nèi)，更重要的是，要保證機(jī)器人在整個(gè)飛行過程中始終是“可控”的。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人變形到某些特定姿態(tài)時(shí)，可能會(huì)陷入“控制奇異點(diǎn)”，通俗地說，就是在這個(gè)姿態(tài)下，機(jī)器人對(duì)某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)失去了有效的控制能力，容易失控墜落。

過去的研究者們嘗試過各種方法。有的將問題簡(jiǎn)化，但難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境；有的采用“頭部引領(lǐng)”策略，讓機(jī)器人像蛇一樣頭先走，身體跟隨，但這容易將機(jī)器人拉直失控；還有的嘗試用隨機(jī)采樣的方式在高維空間中搜索，但這種方法在遇到狹窄通道時(shí)效率極低，常常迷路。

浮動(dòng)基座多連桿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

02.

核心思路：剛?cè)岵?jì)，化整為零

這項(xiàng)新研究的核心思路，來自于對(duì)機(jī)器人自身雙重特性的深刻理解。研究者們意識(shí)到，這個(gè)機(jī)器人既是剛體（其主體部分負(fù)責(zé)整體移動(dòng)），又是柔性體（其關(guān)節(jié)部分負(fù)責(zé)靈活變形）。他們巧妙地利用了這一特性，提出了一個(gè)分層規(guī)劃框架，將復(fù)雜的“穿針引線”任務(wù)分解為兩個(gè)更簡(jiǎn)單的步驟：全局引導(dǎo)和局部?jī)?yōu)化。

第一步：全局引導(dǎo)——找到“中間站”

這個(gè)想法類似于我們規(guī)劃一次長(zhǎng)途自駕旅行。你不會(huì)直接規(guī)劃從家門口到目的地每一個(gè)路口的細(xì)節(jié)，而是會(huì)先在地圖上確定幾個(gè)關(guān)鍵的城市或服務(wù)區(qū)作為“中間站”。只要保證能從A站到B站，再從B站到C站，那么整個(gè)旅程的大方向就把握住了。

在這里，規(guī)劃器首先只關(guān)注機(jī)器人的“剛體”部分。利用經(jīng)典的A*搜索算法，在低維度的三維空間中找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的、無碰撞的粗略路徑。這條路徑就像旅行地圖上的高速公路，為機(jī)器人提供了全局的方向指引。

從給定的局部初始狀態(tài) q_init 生成候選局部目標(biāo)集合 Q 的示意圖。

接下來，就是確定那些“中間站”，研究團(tuán)隊(duì)稱之為全局錨點(diǎn)狀態(tài)。在每個(gè)錨點(diǎn)狀態(tài)，機(jī)器人都有一個(gè)完整的、具體的“姿勢(shì)”（包括主體位置、姿態(tài)和所有關(guān)節(jié)的角度）。規(guī)劃器從一個(gè)已知的安全姿勢(shì)開始，然后“向前看”一步。它會(huì)生成一系列候選的下一個(gè)姿勢(shì)，這些候選姿勢(shì)都位于當(dāng)前姿勢(shì)前方一個(gè)連桿長(zhǎng)度的位置，涵蓋了各種可能的關(guān)節(jié)彎曲角度。

然后，它會(huì)對(duì)每一個(gè)候選姿勢(shì)進(jìn)行兩項(xiàng)檢測(cè)：

無碰撞檢測(cè)：利用環(huán)境感知數(shù)據(jù)（點(diǎn)云生成的歐氏符號(hào)距離場(chǎng)），檢查機(jī)器人的每一個(gè)部分，包括旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，是否都遠(yuǎn)離障礙物。

可控性檢測(cè)：通過一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算在這個(gè)姿勢(shì)下，機(jī)器人是否擁有足夠和均衡的控制力矩。只有通過了這項(xiàng)檢查，才能確保機(jī)器人不會(huì)進(jìn)入“控制奇異點(diǎn)”而失控。

候選目標(biāo)評(píng)估示意圖

只有同時(shí)通過這兩項(xiàng)檢測(cè)的候選姿勢(shì)，才有資格成為備選。最后，規(guī)劃器會(huì)在這些“合格”的姿勢(shì)中，選擇一個(gè)最靠近全局參考路徑，且能讓機(jī)器人整體向前推進(jìn)最多的一個(gè)，作為下一個(gè)錨點(diǎn)狀態(tài)。這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到抵達(dá)最終的目標(biāo)狀態(tài)。這樣，就得到了一條由一系列安全、可控的錨點(diǎn)狀態(tài)連接而成的鏈，它將整個(gè)復(fù)雜的變形過程分解成了一個(gè)個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的“片段”。

模擬浮動(dòng)基座多連桿機(jī)器人在狹窄通道的受限環(huán)境中導(dǎo)航

第二步：局部?jī)?yōu)化——打磨每一段“旅程”

有了這些“中間站”作為起點(diǎn)和終點(diǎn)，接下來就需要為每一段旅程規(guī)劃出平滑、可行的飛行軌跡了。這就是“局部軌跡規(guī)劃器”的任務(wù)。

這里，研究者采用B樣條（B-spline）曲線的數(shù)學(xué)工具來參數(shù)化每一段軌跡。這種工具的優(yōu)點(diǎn)在于，它能天然保證相鄰兩段軌跡在連接點(diǎn)是平滑過渡的，不會(huì)出現(xiàn)速度和位置的突變，這對(duì)于飛行器的平穩(wěn)飛行至關(guān)重要。

感知、規(guī)劃和控制流程概述。

接下來就是一場(chǎng)精心設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程。規(guī)劃器以能量消耗最小為目標(biāo)，同時(shí)要滿足一系列嚴(yán)格的約束條件：

運(yùn)動(dòng)學(xué)約束：保證所有關(guān)節(jié)角度都在其物理允許的范圍內(nèi)。

動(dòng)力學(xué)約束：保證機(jī)器人主體的移動(dòng)速度和關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度都不會(huì)過快，避免劇烈運(yùn)動(dòng)。

避碰與可控性約束：這是最核心的部分。規(guī)劃器不會(huì)只檢查幾個(gè)孤立的點(diǎn)，而是通過密集采樣的方式，近似地保證整個(gè)飛行時(shí)間軸上，每一個(gè)瞬間的機(jī)器人姿態(tài)都是無碰撞且可控的。它將違反這些約束的行為量化為一個(gè)“懲罰項(xiàng)”加入到優(yōu)化目標(biāo)中。如果某段軌跡有“擦到”障礙物的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)懲罰項(xiàng)就會(huì)變得很大，引導(dǎo)優(yōu)化算法去修正軌跡，直到找到一個(gè)完全安全、可行的解決方案。

由于各個(gè)軌跡片段之間是獨(dú)立的，這個(gè)優(yōu)化過程可以并行進(jìn)行計(jì)算，大大縮短了整體的規(guī)劃時(shí)間。最后，將所有優(yōu)化好的片段首尾相連，就得到了一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的、平滑、安全且動(dòng)態(tài)可行的完整飛行軌跡。

一次試驗(yàn)中不同算法規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的對(duì)比

03.

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：從仿真到現(xiàn)實(shí)

這個(gè)框架的有效性不僅在計(jì)算機(jī)仿真中得到了驗(yàn)證，更是在真實(shí)的飛行機(jī)器人上接受了考驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)器人

研究團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)四連桿的飛行機(jī)器人，并設(shè)置了四種極具挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景：?jiǎn)蝹€(gè)狹窄縫隙、連續(xù)三個(gè)縫隙、密布的桿狀障礙物，以及一個(gè)U形的彎曲通道。

浮基多連桿機(jī)器人在受限環(huán)境中進(jìn)行復(fù)雜機(jī)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示

成功率高達(dá) 92.5%，而去掉任何一個(gè)核心模塊，成功率都會(huì)暴跌（去掉錨點(diǎn)直接降到 0%）；

并行計(jì)算讓速度提升近 3 倍，在普通電腦上就能實(shí)時(shí)運(yùn)行；

能穩(wěn)定通過僅 0.7 米寬的縫隙，而機(jī)器人展開時(shí)直徑接近 0.9 米；

在單縫隙、三連續(xù)縫隙、桿狀障礙、U 型通道四種典型狹窄環(huán)境中，全部成功完成機(jī)動(dòng)；

對(duì)比過去只能勉強(qiáng)過單縫、無法到達(dá)指定目標(biāo)的算法，新框架實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍：通用、可靠、能完成復(fù)雜長(zhǎng)任務(wù)。

04.

結(jié)語

這項(xiàng)研究的意義在于，它為浮動(dòng)基座多連桿機(jī)器人的實(shí)用化掃清了一個(gè)關(guān)鍵障礙——自主導(dǎo)航。這套分層軌跡規(guī)劃框架，讓機(jī)器人具備了在復(fù)雜未知環(huán)境中自主規(guī)劃安全變形路徑的“頭腦”。

未來的研究將繼續(xù)向更深、更廣的方向發(fā)展。例如，讓機(jī)器人擺脫對(duì)昂貴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的依賴，完全依靠自身的視覺和慣性傳感器進(jìn)行定位