AMBAC控制分析！機器人（MS）如何工作？

第2期“MS動態(tài)與控制 - AMBAC系統(tǒng)控制分析 - （第2部分）”

原作者：

福岡工業(yè)大學(xué)工學(xué)部

智能機械工學(xué)系副教授Hitoshi Kino

譯者：Xeku-Eins

關(guān)于AMBAC系統(tǒng)

　上一篇我們在機器人工程中引入了“控制”和“動態(tài)”的基礎(chǔ)知識。我們討論了運動（動力學(xué)）方程。并演示了扎古在該示例中如何在自由下落中保持穩(wěn)定（Http://Robonable.Typepad.Jp/roboist/2009/02/1-ambac-1d2e.Html） 。結(jié)合實踐中某些特定機器人的運動方程式，得出了合理的近似值。這次我將對高達的世界觀中極為重要的AMBAC系統(tǒng)進行討論。在高達的世界觀中，AMBAC系統(tǒng)的存在與“Minofsky粒子”的地位同屬相當(dāng)核心的設(shè)定。

　你知道為什么在《機動戰(zhàn)士高達》世界觀中廣泛使用Mobile Suit嗎？如果是按現(xiàn)世代的技術(shù)來考量，通過坦克，飛機和太空船進行作戰(zhàn)其實更容易。為什么要將作戰(zhàn)兵器制作成一個擁有四肢的機器人？其根本原因就是世界觀設(shè)定中定義的AMBAC系統(tǒng)。AMBAC系統(tǒng)是動態(tài)質(zhì)量平衡自動控制系統(tǒng)的縮寫。這是在高達世界設(shè)定中假想的一種外太空姿態(tài)控制解決方案。

　讓我們想象一下一個機器人如何在外太空中改變姿勢。如下圖1所示，對于大型的艦船或者MA來說一般都是通過推進器噴口噴射燃料改變力矩進而改變姿勢，但是這通常會消耗大量的推進劑。相對于MS這種燃料裝載量較小的宇航器來說，這種消耗理應(yīng)避免，因為在戰(zhàn)斗期間補給推進劑很困難，并且附加推進劑槽罐本身的質(zhì)量也會影響機動。

　在高達的世界觀中，通過AMBAC系統(tǒng)的概念使得“擁有四肢的機器人”擁有了工程學(xué)上的意義。在AMBAC系統(tǒng)，執(zhí)行圖1中揮動肢體的動作就能改變姿態(tài)。在這種情況下，作為驅(qū)動源消耗的是MS的電力。由于MS使用氦3進行核聚變發(fā)電，電力相對燃料來說幾乎是用之不竭的。因此，使用電傳動的AMBAC系統(tǒng)可以有效節(jié)省推進劑消耗。因此在劇中發(fā)揮積極作用的戰(zhàn)斗機機器人采用了能夠在太空姿態(tài)控制AMBAC系統(tǒng)。

　我們在這里分析一個簡單的例子來解釋AMBAC的作用原理。圖3是MS的單臂關(guān)節(jié)部分的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。在這個模型中，我們大膽的將身體和手臂地視為質(zhì)點，而其他部分作為力矩杠桿連接起來。值得注意的是，我們再接下來的公式計算中忽略了外層空間可能存在的重力的影響，所有計算方程都以0重力為前提。

我們必須在推導(dǎo)運動方程之前先解釋一下“扭矩”。本文中扭矩的概念與你在在高中物理學(xué)中學(xué)到的有所區(qū)別，但它是一個無論如何都無法避免的概念。扭矩（Torque，也稱為轉(zhuǎn)矩）在物理學(xué)中就是特殊的力矩，等于力和力臂的乘積。轉(zhuǎn)矩定義為力（N）×力臂距離（m），單位為Nm（牛頓·米）。如圖7所示，當(dāng)桿附著到馬達的軸線上并且與桿垂直的力F[N] 以離軸線的距離r [m] 作用時，扭矩τ [ Nm]（單位是牛頓·米）由下式表示。

　因此，在這種情況下，通過在與馬達軸線上的力F 相反的方向上產(chǎn)生τ [Nm]或更大的轉(zhuǎn)矩，它可克服阻力并旋轉(zhuǎn)。寫成表達式：

    在上面的等式中，K M [ N m / A]是所謂電動機的“轉(zhuǎn)矩常數(shù)”，它是電動機特有的值并表示電動機驅(qū)動力的性能。因此，如果知道了電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，就可以取得生成假定轉(zhuǎn)矩所需的電流數(shù)據(jù)。

　我們回歸到運動方程的推導(dǎo)中。在這種情況下，通過在大學(xué)課本中可以了解到的“分析力學(xué)”學(xué)習(xí)的“拉格朗日運動方程”獲得復(fù)雜運動方程的推導(dǎo)。在這里，我們使用拉格朗日方法獲得運動方程。這種方法是基于動能和機器人的位置能量推導(dǎo)的動力學(xué)方程。雖然細節(jié)被省略，但可以參考文獻1），6），7），可以獲得下面的運動方程。

　實際上，由于接頭的旋轉(zhuǎn)運動會在x和y方向上產(chǎn)生平移力，但是在該例子中，為了簡單起見，僅集中于對象的旋轉(zhuǎn)，不考慮平移。

由上面的等式可以推導(dǎo)

公式行（11）表示機器人在外層空間運動的約束，在技術(shù)術(shù)語中稱為“非完整約束”。

　這是一個理解上有些困難的表達。說實話，我認為數(shù)據(jù)推導(dǎo)式可能比較繁雜且難以理解。簡單來說，在外太空，只要搖動機器人的手臂，盡可能用手臂接近質(zhì)量點，在這個過程中驅(qū)動了這樣一個復(fù)雜的動態(tài)過程。通過這一個例子我認為你們可以理解真實世界中的機器人運動如何被復(fù)雜的規(guī)律所主宰。

　如果我們給這個方程加上時間軸，我們可以計算出MS相對于扭矩時間變化模式的運動模型。圖9示出了當(dāng)輸入到近似圖8所示的扭矩的移動MS的關(guān)節(jié)時，通過計算機模擬計算上述等式得出的的結(jié)果。

你可以看到事實的計算的確證實了通過AMBAC控制MS搖動手臂/腿來改變方向是理論可行的。

結(jié)語

　我們通過AMBAC系統(tǒng)簡單介紹了機器人的運動方程。在簡述機器控制工程概要的同時，我本打算盡可能地按原定計劃簡單的解釋，但事實上各種公式的推導(dǎo)是必要的。沒錯。機器人控制很困難。按Suregga的風(fēng)格說：“也許很艱難，但這就是事實”。因此，不間斷的理論學(xué)習(xí)也很重要。學(xué)習(xí)機器人控制，如果不理解動態(tài)控制（如運動方程），就不可能讓其良好的運作。換句話說，如果僅僅只是為了“好玩”，“有趣”而了解機器人，這也只將止步于一個單純的愛好。但如果你認真學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，可以利用它的優(yōu)勢來優(yōu)化機器人工業(yè)，甚至在未來以高達為代表的SF的機器人，也可能在諸位的努力下能夠?qū)崿F(xiàn)。如果我的文章讓讀者會認識到數(shù)學(xué)和物理學(xué)在機器人控制中的重要性，它的意義就達到了。

　最后，如果你想要更深入了解詳細信息，或者你想在未來參與機器人工程，在高中階段就應(yīng)充分掌握高中物理和數(shù)學(xué)知識。沒有這些基礎(chǔ)知識，就不可能充分為機器人技術(shù)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。在物理學(xué)中，特別是力學(xué)和電磁，諸如三角函數(shù)，微分，積分和在數(shù)學(xué)矩陣向量等方面也是必需認真學(xué)習(xí)的。

　我向大學(xué)以上學(xué)力的人首先推薦學(xué)習(xí)《機械力學(xué)》，然后學(xué)習(xí)《機器控制（或控制工程）》。市面上許多好書早已出版，這點可以參見附錄書目。另外，如果你要找大學(xué)低年級的機器人工程入門書，我首先推薦參考書目6）。如果您想了解更深入的機器人控制，我們推薦參考書目1），7），8）。對于那些誰在外地工作，因為機器人的控制工程是一門快速發(fā)展的科學(xué)，除了這些教科書，也應(yīng)該經(jīng)常閱讀相關(guān)的論文和發(fā)表在雜志上的新內(nèi)容，我始終建議你收集最新的信息。

另外，在這次計算機模擬中提供幫助的水口聰先生（工程，智能機械工程系技術(shù)學(xué)院四年級/福岡研究所），在這里表示特別的感謝。

參考文獻

1）Aramoto Taku：機器人的動力學(xué)和控制，Asakura Shoten，1990。

2）GUNDAM CENTURY更新版可以在太空中飛行的勇士，Tokushinka，2000。

3）Iwata Toshiaki：AMBAC [活動質(zhì)量平衡自動控制（系統(tǒng)）] - 使用手和腳運動的方向控制功能 - 測量和控制，2004年第43卷第1期。

4）Jun Obusuoka，Takashi Ayabe：機械力學(xué)，Mori Kita Publishing Co.，Ltd.，1997。

5）Kaneko Toshio：簡易的機器控制，日刊工業(yè)新聞，1992年。

6）Sawada Kawamura：介紹機器人控制圖解，Ohmsha，1995。

7）吉川恒雄：機器人控制的基本理論，科羅娜公司，1988年。

8）Tsutomu Mito，Hirog Kogori：介紹系統(tǒng)控制理論，Sangyo Taimen Co.，Ltd.，1980。

*我列出第一和第二稿件中引用的所有文件。