研究人員提出了一種利用雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（biLSTM）的MSCA規(guī)劃與控制策略，即使使用不準(zhǔn)確的內(nèi)部傳感信號(hào)，也能實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法在多種任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異。
軟體機(jī)械臂由于其運(yùn)動(dòng)的非線性、時(shí)滯性與遲滯性而難以控制，而在多段軟體機(jī)械臂（MSCA）內(nèi)，其各段間的驅(qū)動(dòng)、傳感和運(yùn)動(dòng)的耦合更增加了控制難度。
但同時(shí)，由于MSCA的各段可以相對(duì)獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，這類機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)末端位姿控制、形狀控制、控制過程中自動(dòng)避障、實(shí)時(shí)交互等復(fù)雜控制任務(wù)。
意大利比薩圣安娜高等學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員提出了一種利用雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(biLSTM)對(duì)于MSCA構(gòu)型的規(guī)劃與控制的策略，該方法即使運(yùn)用不準(zhǔn)確的內(nèi)部傳感信號(hào)也能實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜任務(wù)。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11049035
研究人員針對(duì)MSCA提出了多功能控制器，首先分析多段軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)邏輯，如圖1所示，各段的驅(qū)動(dòng)量(A)直接影響各段的構(gòu)型(C)，同時(shí)其構(gòu)型還收到相鄰段的構(gòu)型和重力的影響，最終所有段的構(gòu)型共同決定MSCA的狀態(tài)(S)，如各段的位置、姿態(tài)和整體形狀。
圖1. MSCA運(yùn)動(dòng)示意圖與實(shí)體實(shí)驗(yàn)
對(duì)于狀態(tài)空間到構(gòu)型空間的規(guī)劃（S2C），研究人員提出了一個(gè)以biLSTM作為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（NN_C2S）的優(yōu)化問題
其中損失函數(shù)的各個(gè)項(xiàng)分別為了減小目標(biāo)與實(shí)際位置差距(Lp)、減小目標(biāo)與實(shí)際姿態(tài)差距(Lo)、增大障礙物與實(shí)際位置距離(Lob)、減少每步構(gòu)型變化(Ld)。
需要注意的是，biLSTM運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不是以準(zhǔn)確的各段形變代表配型(real configuration)，而是如圖1所示，以并不準(zhǔn)確的、受段間耦合影響的內(nèi)部傳感估算的形變代表配型(internal configuration).
在根據(jù)狀態(tài)空間的目標(biāo)規(guī)劃了目標(biāo)配型后，接下來實(shí)現(xiàn)從配型到驅(qū)動(dòng)的控制(C2A)。由于biLSTM與MSCA有著同樣的段間耦合特點(diǎn)（如圖2所示），基于研究人員過去的工作，利用biLSTM實(shí)現(xiàn)MSCA的配型控制。
圖2 （A）MSCA 運(yùn)動(dòng)框圖、（B）MSCA示意圖、（C）biLSTM控制器與（D）單個(gè)單元示意圖
所使用的線驅(qū)機(jī)器人的不可壓縮性給每段的驅(qū)動(dòng)量（線長）進(jìn)行了約束，因此我們提出了一個(gè)激活層來滿足每段的三個(gè)驅(qū)動(dòng)量的約束與范圍要求。
研究人員首先進(jìn)行基礎(chǔ)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)并與基于常曲率模型（PCC）的方法進(jìn)行比較。
在基礎(chǔ)任務(wù)中，研究人員控制機(jī)器人末端位置進(jìn)行軌跡追蹤，并在此基礎(chǔ)上控制俯仰角與偏航角。
該方法比PCC在各個(gè)任務(wù)里都有更低的誤差，MSCA運(yùn)動(dòng)如圖3和視頻所示。
圖3 MSCA實(shí)現(xiàn)末端位置和姿態(tài)控制。
除了基礎(chǔ)任務(wù)，該方法還可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜任務(wù)。考慮到MSCA適合在手術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)維修等有位置要求的任務(wù)中使用，限制某些位置不變的情況下驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，運(yùn)動(dòng)如圖4與視頻所示。
圖4 MSCA實(shí)現(xiàn)位置限制控制
除此之外，該方法還可以實(shí)現(xiàn)避障與追蹤。
在圖5中，MSCA被要求接觸紅色目標(biāo)，不斷在原軌跡上放置藍(lán)色障礙物使其對(duì)于軌跡進(jìn)行重新規(guī)劃。
圖5 MSCA實(shí)現(xiàn)避障
在此基礎(chǔ)上，該方法還可以實(shí)現(xiàn)線上追蹤和避障，如圖6和視頻所示。
圖6 MSCA實(shí)現(xiàn)線上追蹤與避障
在這篇論文中，研究人員基于MSCA的段間耦合提出了利用biLSTM的多功能規(guī)劃與控制策略，該策略可以實(shí)現(xiàn)MSCA的末端位姿控制、位置限制控制、線上避障與追蹤。
在以后的工作中，研究人員計(jì)劃基于物理模型對(duì)工作空間進(jìn)行分析，以在控制前驗(yàn)證目標(biāo)位姿的可行性，同時(shí)計(jì)劃引入不同的傳感器以提高配型準(zhǔn)確度。