還記得那年夕陽下的……竹節蛇么

有句話說，男人至死是少年。理工宅們想必也是如此。不知道大家還記不記得一種小時候玩的玩具，叫做竹節蛇。

我是竹節蛇的插圖

這個拿在手裡左右搖晃就可以像蛇一樣扭動，說不定還能去嚇心儀的妹子一跳的玩具，估計在很多人的記憶深處還留有印象。

十多年後，長大的少年們，在飄洋過海來到日本之後，說不定會發現，竹節蛇或許不僅僅是玩具，並且有了一個更加高大上的名字——劣驅動問題。

劣驅動是日文的漢字寫法，中文裡叫做欠驅動，除此之外有全驅動和冗餘自由度。它們所描述的，分別是當驅動數小於、等於以及大於機械關節自由度的機械結構設計。從日本留學的角度考慮，下文就按照劣驅動來稱呼了。

欠驅動 - 驅動數小於關節自由度

全驅動 - 驅動數等於關節自由度

冗餘自由度 - 驅動數大於關節自由度

嚴肅地說，劣驅動系統是指系統的獨立控制變數個數小於系統自由度個數的一類非線性系統。典型常見的有許多人所熟知的倒立擺系統。

劣驅動機械臂

節能的劣驅動機械臂

一般來說，我們見到的機械關節，都是由電機在驅動控制的，大多是驅動數≥自由度的關係。這樣才能控制機械關節做出我們想要的動作和姿勢。所以我們先簡單提兩句全驅動和冗餘自由度。

全驅動是驅動數等於自由度。這種情況十分常見，因為這種場景下，系統是一個相對好看的矩陣。設計方式相對比較易於操作。但是一旦出現驅動故障，關節的一些自由度就會失去控制。

冗餘自由度是驅動數大於自由度，出於靈活度的考慮，在必要的自由度基礎上另外多設計一到兩個驅動，從而達到避障或者特定動作需要。

但是從設計製造的角度來說，機械臂在運動過程中，需要設計各個電機的輸出，所以電機數目越多越複雜。另一方面，大量的電機數帶來的自然是大量的能量消耗，從環保節能的角度考慮也是讓人心疼不已。

而竹節蛇呢，每個關節都是自由活動的，沒有電機控制，可以通過最末尾把手所受到的力，形成我們要的姿勢，並且在不斷施力的情況下，動態地保持這個姿勢。

由此我們想到，可不可以讓電機數＜關節數呢？如果能做到的話，這不就即可以省能源也可以減輕設計負擔了嘛？於是劣驅動的第一個好處就浮現出來了——節省能源、經濟實惠。

容錯的劣驅動機械臂

劣驅動的好處不僅只有節能，還有一大優點就是容錯。當全驅動系統的驅動器出現故障的時候，全驅動系統就會變成劣驅動系統。而劣驅動控制理論的研究，則可以讓驅動器故障時的，依舊在控制下，不會立即失去功能。這就是容錯，雖然冗餘自由度也同樣可以起到容錯的作用，但是劣驅動顯然具備更加節能輕量的優勢。

因此在航天領域，日本的宇宙機械研究也有相關的研究。萬一，宇宙機械出了故障，機械驅動器出現故障，而太空環境下人為檢修麻煩而且危險的話，能不能讓機械臂湊合用用呢？

劣驅動機械臂~~~~誕生！

劣驅動超進化——柔軟劣驅動！

在一系列的研究之後，總有更加節能的人想要獲得更加節能的結果。新問題變成了：「我想要節省機械臂的材料，不要剛體的機械臂了，軟軟的金屬輕量又省錢。可是剛性不足很難控制啊怎麼辦？在線等，挺急的。」

配圖冰果折木奉太郎

唔，這是個好問題。究竟怎麼辦呢？來讓我們看一看隔壁前輩的研究吧。

前輩研究的是兩關節的受重力作用的柔軟機械臂，經過對兩節桿中居於上方的桿的關節施加高頻率振動，使得關節產生高頻振動，通過振動的力來帶動柔軟機械臂能夠克服重力按照軌跡運動成為想要的姿勢。

不得不說，現場實驗裝置看起來和上期的火車蛇運動減震一樣充滿了黑科技的不可思議感。

前輩的實驗裝置圖

從圖上，能夠清晰地看到柔軟機械臂高頻抖動被抓拍到的陰影，簡直像拍照拍糊了。

必須要提到的是，小編隔壁組研究中的被動關節順序和上圖舉例的一般劣驅動稍有不同。前輩的裝置中，自由關節是桿1和2的連接關節，而原點處的固定關節。具體看圖~

劣驅動作為典型的非線性控制問題，在結構和力學分析上相對簡單，而非線性特徵又足夠複雜，因此是非常難解決的了。而柔軟材料帶來的變化，則讓問題變得更加複雜，比如柔軟材料的受力分析十分複雜，因為它沒有辦法整體一致地運動。而複雜的環境下，能夠更好地驗證非線性控制理論的有效性。總而言之，一切為了更好的非線性控制理論，以及節能和節省成本。

解析系統vs觀察現象

高速攝像機什麼的都是日常啦

偶爾小編能看到隔壁前輩閃光的實驗平台，那是高速相機的燈光。由於高頻振動的機械臂運動肉眼是無法觀察到細節的，為了更好的觀察柔軟機械臂的運動和振動模式，前輩時不時要用高速相機拍下來進行分析。不僅如此，還有許多感測器等等的輔助，用來觀察系統的運動和振動模式，從而驗證前輩的結論。

那麼前輩的結論是什麼呢，這就又要說起非線性系統了。有句話說的好，工科領域各有專長，說到底不過是花式解方程。不論是剛性還是非剛性的劣驅動，能夠實現控制依靠的還是對系統的非線性特性進行分析。而柔軟機械臂的受力分析，就是前輩對系統進行解析的重中之重了。

ゼミ是檢驗研究的標準之一

根據小編卧底ゼミ的結果，其中很重要的一項知識就是變分法。許多對物理研究比較深的同學或許知道，變分法分析還是挺難的，ゼミ上經常出現一大波小編啃不動的方程推導。而在小編還在吃力地啃乾貨的時候，前輩已經跟教授在白板上就公式推導大戰三百回合了。

而公式推導被認可分為兩部分，一部分是教授說理論上來說沒問題，另一部分則是實驗裝置如自己所願運轉。理論獲得認可和進展的那一刻，恍然大悟的那種快感，大約是前輩十分期待和追求的。小編常常在ゼミ上，看到教授跟前輩取得一個小進展的時候，前輩開心的說著： 「あああ、そっかぁ、なるほど！そうですね！」 並且欣喜握拳的樣子，以及發自內心的滿足的笑臉。

結尾

雖然推導推導推導的過程看似無趣又枯燥，可是想想看，當某天宇宙機械關節出了問題，啟動自己研究成果得到運用的劣驅動備用容錯方案，機械能夠繼續運轉，是不是覺得自己就像在lifeline遊戲里拯救宇航員一樣？不同的是，你在現實中真的拯救了宇航員呢！

更多精彩

機械出身的你，來造鐵膽火車俠吧！