引用本文

石家旭, 陶子辰, 桂昀, 刘珂, 刘华平, 方浩, 杨庆凯. 结构仿生六杆张拉整体机器人折叠控制的形态智能方法. 自动化学报, 2026, 52(5): 942−952 doi: 10.16383/j.aas.c250529

Shi Jia-Xu, Tao Zi-Chen, Gui Yun, Liu Ke, Liu Hua-Ping, Fang Hao, Yang Qing-Kai. A morphological-intelligence approach to folding control of a structurally bioinspired six-bar tensegrity robot. Acta Automatica Sinica, 2026, 52(5): 942−952 doi: 10.16383/j.aas.c250529

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c250529

关键词

张拉整体机器人，折叠控制，平衡流形，形态智能

摘要

形态智能通常指机器人利用“身体”的物理特性、几何结构以及动力学特征等简化复杂的计算(如控制器设计), 具备良好的环境适应性特点, 是实现具身智能的核心机制. 本文针对六杆张拉整体完全折叠问题, 提出一种利用形态智能机理简化控制方法, 实现部分绳驱下机器人整体的等效折叠. 首先基于“端点聚拢”形态构造折叠目标, 通过结构对称性分析得到四种折叠模式及对应的绳长变化量. 再通过图论回路空间分析, 识别由几何构型产生的冗余绳长变化量, 基于此确定折叠过程中的被控绳. 然后在静力学框架下建立电机输入与绳长变化映射关系并给出可达性判据, 以此得到每种模式下简化控制策略. 最后通过MATLAB准静态仿真及实物实验, 验证所提方法的有效性. 四种折叠模式下的简化控制策略均能实现机器人完全折叠, 驱动绳的数量可由传统方法的24降低至9, 展现了形态智能在简化机器人控制器设计方面的潜力.

文章导读

在生物系统中, 从细胞骨架到哺乳动物脊椎, 均存在丰富的张拉整体结构. 例如, 细胞骨架中的微丝与微管通过张力平衡维持细胞的形态与机械稳定[1−2]; 哺乳动物生理系统中由筋膜构成的张力网络与骨骼组成张拉整体结构维持脊椎的稳定[3]. 这种力学机制不仅支持结构与外部环境相互作用, 还赋予其执行迁移、收缩等多样化运动的能力. 这种由张力元件和压缩元件组成的张拉整体结构拥有灵活性高[4−5]、构型可变[6]的优越性能, 可以实现柔性和刚性之间的协调平衡, 具有构建高性能机器人的巨大潜力[7].

受生物张拉整体结构启发所设计的六杆张拉整体机器人具有可变形的优越能力[3, 8], 能够执行滚动[9−10]、跳跃[11−13]、飞行[14−15]、抓取[16]等多种复杂运动, 在太空探索[3]、灾害救援等领域显示出巨大的应用潜力.

然而, 六杆张拉整体机器人在展开态下体积庞大, 这会严重降低运输效率或限制投放平台的适配性, 阻碍其在太空探索、灾害救援等实际场景中的快速部署与应用. 此外, 与传统刚体平台相比, 六杆张拉整体在形态智能层面具备先天的环境适应性: 杆–绳耦合与预应力网络允许结构在碰撞或地形激励下进行可控的形态变换, 以适应当前环境. 如在狭缝、管道或障碍密集区域, 结构可先收拢为细长形态以通过窄口, 再于任务区展开以恢复抗冲击能力, 如图1所示[17]. 综上所述, 若能在保持结构完整的同时, 实现机器人高效折叠与再展开, 将显著提升系统的便携性与部署灵活性, 为实际的工程应用开辟更广阔的空间.

图1  基于张拉整体结构的管道爬行机器人

现有针对六杆张拉整体机器人折叠部署的研究相对有限. Calangi[18]提出基于模型的绳索长度闭环控制方法, 以六杆张拉整体几何结构为基础, 建立机器人动力学模型, 设定目标绳长或目标几何形态, 在准静态平衡假设下通过仿真实现三角形与六边形两种折叠模式. 三角形折叠仿真效果如图2所示[19], 该方法有明确的模型依据与约束处理, 但在考虑弹簧长度、驱动器限幅等非理想因素时, 三角形折叠难以直接迁移到实物上. 六边形折叠虽更易在实物机器人上实现[8], 如图3所示, 但折叠态体积收缩有限, 难以满足高效运输与紧凑收纳的工程需求. Sultan等[20] 从受约束的非线性动力学模型出发, 以绳索长度作为连续控制输入, 提出平衡流形思想: 在不同输入下的静力平衡解组成平衡流形, 在其上进行连续追踪与轨迹规划, 并进一步叠加时间或能量最优等优化准则, 实现时间或能量最优的一维构型折叠. 如图4所示, 该方法已在实物实验中展示了接近一维构型的折叠效果, 实现体积减小95%[21], 所称“一维构型”是指六根杆件在空间中收拢成近似线状的细长束状构型. 但该方法通常依赖24根绳索的独立驱动与精细协调, 控制策略复杂, 难以满足低功耗、低复杂度的应用需求. 因此, 如何驱动少量绳索实现机器人整体等效折叠, 从而简化控制策略, 成为机器人高效部署的关键挑战.

图2  六杆张拉整体机器人三角形折叠

图3  六杆张拉整体机器人六边形折叠

形态智能的核心是形态计算, 即利用身体的形状、材质以及动态特性等改进计算效率, 并进一步实现对身体行为的控制[22]. 以往研究表明, 通过恰当的形态设计可以让机器人仅需简单的控制甚至无需控制即可完成复杂行为, 典型案例包括被动行走机器人[23]、自适应环境的软体机器人[24]等. 六杆张拉整体机器人在这一背景下具备显著的形态智能潜力, 其绳–节点–杆的几何拓扑与预应力决定了仅需驱动少量绳索即可通过力学耦合影响全局位形, 这些结构特征天然提供了以少量驱动绳控制系统整体行为的可能. 基于此, 本文提出一种利用六杆张拉整体机器人形态智能机理实现完全折叠的简化控制方法.

本文的结构安排如下: 第1节描述六杆张拉整体折叠问题; 第2节阐述形态智能机理, 并构造折叠目标, 通过对称性分析将折叠归纳为四种模式, 进而得到每种模式的绳长变化量, 再结合图论回路分析, 减少驱动绳数量; 第3节在静力学框架下建立系统势能模型与平衡条件, 在平衡构型处线性化得到输入–绳长变化的映射矩阵, 并给出可达性判据以检验降维输入的可实施性; 第4节进行MATLAB仿真与实物实验, 验证所提方法在四类折叠模式下的有效性; 第5节给出总结并讨论后续的研究方向.

本文针对六杆张拉整体机器人折叠问题, 提出一种利用形态智能机理实现简化控制的方法. 通过结构对称性分析得到四种折叠模式及绳长变化量, 结合回路空间的分析确定折叠过程中的被控绳. 建立折叠过程静力学模型得到输入到绳长变化的映射关系, 并通过可达性判据得到简化控制策略, 将传统方法的24根绳索独立驱动降低到仅驱动9根绳索即可实现机器人完全折叠. 本文利用六杆张拉整体机器人的形态对称性和独特的预应力平衡网络, 通过减少驱动绳数量简化了控制策略, 体现了形态智能简化机器人控制的独特意义. 未来可以以本文得到的主动驱动绳索集合为基础, 利用形态智能机理继续探索以更少的驱动绳数量实现张拉整体机器人自由形态控制.

作者简介

石家旭

北京理工大学硕士研究生. 2024年获得河北工业大学人工智能学院自动化专业学士学位. 主要研究方向为张拉整体机械结构设计与形态智能控制. E-mail: sjasiu@foxmail.com

陶子辰

北京理工大学博士研究生. 2024年获得北京交通大学自动化学院轨道交通信号与控制专业学士学位. 主要研究方向为张拉整体跨域机器人的仿真与运动控制. E-mail: zichentao@outlook.com

桂昀

北京理工大学博士研究生. 2024年获得北京理工大学电气工程与自动化专业学士学位. 主要研究方向为基于扩散模型的张拉整体构型生成与优化. E-mail: 3220245213@bit.edu.cn

刘珂

北京大学先进制造与机器人学院研究员. 2019年获得美国佐治亚理工学院博士学位. 主要研究方向为柔性结构与软体机器的设计、分析与应用. E-mail: liuke@pku.edu.cn

刘华平

清华大学计算机科学与技术系教授. 2004年获得清华大学博士学位. 主要研究方向为具身感知与学习. E-mail: hpliu@tsinghua.edu.cn

方浩

北京理工大学自动化学院教授. 2002年获得西安交通大学博士学位. 主要研究方向为全地形移动机器人, 机器人控制与多智能体系统. E-mail: fangh@bit.edu.cn

杨庆凯

北京理工大学自动化学院教授. 2018年获得北京理工大学控制科学与工程专业博士学位, 荷兰格罗宁根大学系统控制专业博士学位. 主要研究方向为形态智能机器人设计与控制, 多机器人智能协同运动控制. 本文通信作者. E-mail: qingkai.yang@bit.edu.cn

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