四足步行機(jī)器人文獻(xiàn)綜述

1、1、引言移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式大體分為兩大類(lèi)；一是由現(xiàn)代車(chē)輛技術(shù)延伸發(fā)展成 輪式移動(dòng)機(jī)器人（包括履帶式） ；二是基于仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器 人按移動(dòng)方式分為足式移動(dòng)、蠕動(dòng)、蛇行、游動(dòng)及撲翼飛行等形式 , 其中足式機(jī)器人是研究 最多的一類(lèi)運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。自然環(huán)境中有約 50的地形，輪式或履帶式車(chē)輛到達(dá)不了，而這些地方如 森林，草地濕地，山林地等地域中擁有巨大的資源，要探測(cè)和利用且要盡可能少的破 壞環(huán)境，足式機(jī)器人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢(shì)成為野外探測(cè)工作的首選，另外，如海底和極地的 科學(xué)考察和探索，足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國(guó)的廣 泛重視?，F(xiàn)研制成功的足式機(jī)

2、器人有 1 足，2 足，4足，6足，8 足等系列，大于 8足的研究 很少。曾長(zhǎng)期作為人類(lèi)主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的 野外行走能力和負(fù)載能力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象。因而四足機(jī)器 人在足式機(jī)器人中占有很大的比例。長(zhǎng)期從事足式機(jī)器人研究的日本東京工業(yè)大學(xué)的広瀨茂男等學(xué)者認(rèn)為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)是最佳的足式機(jī)器人形式1，四足機(jī)器人的研究深具社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。四足機(jī)器人的研究可分為早期探索和現(xiàn)代自主機(jī)器人研究?jī)蓚€(gè)階段。中國(guó)古代的“木牛流馬”以及國(guó)外十九世紀(jì)由 Rygg設(shè)計(jì)的“機(jī)械馬”，是人類(lèi) 對(duì)足式行走行機(jī)器的早期探索。而 M

3、uybridge在1899年用連續(xù)攝影的方法研 究動(dòng)物的行走步態(tài)，則是人們研究足式機(jī)器人的開(kāi)端。 20世紀(jì)60年代，機(jī)器人 進(jìn)入了以機(jī)械和液壓控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展階段。美國(guó)學(xué)者Shigley （ I960）和Baldwin（ 1966）都使用凸輪連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)的步行車(chē)2。這一階段的研究 成果最具代表性的是美國(guó)的 Mosher于1968年設(shè)計(jì)的四足車(chē)“ Walking Truck ” 3（圖 1）。圖 I Walking tmck80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的廣泛研究和應(yīng)用，真正進(jìn)入了具 有自主行為的現(xiàn)代足式機(jī)器人的廣泛研究階段。2、現(xiàn)代自主機(jī)器人的研究狀況以微型計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用

4、為標(biāo)志的現(xiàn)代四足機(jī)器人的研究和應(yīng)用受到世界廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)代四足機(jī)器人研究最系統(tǒng)和取得研究成果最多的是日本東京工業(yè)大學(xué) 的広瀨茂男等領(lǐng)導(dǎo)的広癩福田機(jī)器人研究室（HIROSE FUKUSHIMAOBTICSLAB，該實(shí)驗(yàn) 室從80年代開(kāi)始四足機(jī)的研究，持續(xù)研究20多年，共試制成功3個(gè)系列、12款四足機(jī) 器人。發(fā)表相關(guān)研究論文172篇4。其它如美國(guó)的MIT,卡耐基梅隆大學(xué)，加拿大，德國(guó)，法國(guó)，新加坡，韓國(guó)等國(guó)家均有四足機(jī)器人樣機(jī)研制成功。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了四足機(jī)器人的基礎(chǔ)研究 和試驗(yàn)研究，如吉林工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中國(guó) 科技大學(xué)等單位。表1列出了國(guó)內(nèi)外主要從事研究四足

5、機(jī)的單位和其研制的典型樣機(jī)型。衣1闔內(nèi)外部分四址機(jī)器人研究機(jī)購(gòu)和代表機(jī)器丸一覽農(nóng)典測(cè)機(jī)器人型號(hào)研究單位阿址KIMO-1, PV4T. TITAN.NINJA系列RIROSEFUKUSH1MA ROBTICS LABhtt 陽(yáng)帕*u'-robQLm 朋” lilech,恥 jp/ rubov'walking c.hlnnlTckken系列、PatrashUEtivww. kimura.kiicc.acjpCollie系列Tokyo.iiiii v.Tsuchiya Lab百 ivw- ki mura.is .uec.acjp&. littleDagBoston Dynam

6、icsi¥ww,bdi,camRuboDugRobostiencwwWJutNJseience.tomMIT 4-leggcd robotsMIT Leg Labwww,diPmiledu剛BO第列Sony Pct RobotiM'.sony.tictSC OUT系列McGill Univ.Ambulutory Robuliw Labwww.cim.mcgill.caSUCH系列l(wèi)ACSIC,Spainwww.iai.csicxsStrut & Scamper 系列MELHORSEwww dyna. mech cn-osaka u.jti.jpJTUWVf系列匕卸交通

7、大學(xué)機(jī)器人研究斯www-mbcL sj 3、國(guó)外研制的典型樣機(jī)和主要特征四足機(jī)器人研究的代表是日本東京工業(yè)大學(xué)的広瀨福田機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)室。從 80 年開(kāi)始至今已研制出 3個(gè)系列 12款四足機(jī)器人。 第一代四足移動(dòng)機(jī)器人 KUMO-I 外形似長(zhǎng)腿蜘蛛（圖 2），它是世界上第一個(gè)具有自主行走的現(xiàn)代足式機(jī)器人5 。隨后研制成功世界上第一個(gè)能上下爬行樓梯的四足機(jī)器人PV-II （圖3）。之后研制成功兩款NINJA系列爬壁系列機(jī)器人和8款TITAN系列以野外探測(cè)和挖掘地雷為使用目標(biāo)的機(jī)器人。其中最有代表性的是TITAN系列機(jī)器人 TITAN-Vlll6（圖4）。該款機(jī)器人的軟硬件齊全，功能比較完備，具有

8、多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)選擇。 在該上機(jī)配套先進(jìn)而完整的專(zhuān)門(mén)針對(duì)四足移動(dòng)機(jī)器人開(kāi) 發(fā)的操作系統(tǒng)VK-I，因而該機(jī)器人特別適合于教學(xué)研究用。整機(jī)售出約50多套給日本的多個(gè)大學(xué)和研究所及世界很多研究機(jī)構(gòu)作為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的平臺(tái)。其基本參 數(shù)：每足具有 3 個(gè)自由度，其中大腿關(guān)節(jié)具有前后轉(zhuǎn)動(dòng)和上下轉(zhuǎn)動(dòng) 2 個(gè)自由度， 膝關(guān)節(jié)具有一個(gè)上下轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。 采用新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和繩傳動(dòng)， 質(zhì)量約 40kg， 有效負(fù)載57 kg，行走速度決定于負(fù)載情況，一般在 0.30.9m/s之間變化。 另一款有特點(diǎn)的機(jī)型是9O年代研制成功TITANW型，該步行機(jī)采用新型的直 動(dòng)型腿機(jī)構(gòu)， 避免了上樓梯過(guò)程中腿間的干涉， 并采用 2

9、 段變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 對(duì)腿 的支撐相和擺動(dòng)相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能以 50 mms 的速度，在傾角為 3O°4O° 樓梯上步行。 9O 年代広瀨茂男等研制成功壁面全方位移動(dòng)系列機(jī)器人 NINJA-I（圖5）及NINJA-II , NINJA-I的每條腿由3自由度的平行連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，長(zhǎng)、 寬、高分別為：1800mm 500mm 400mm質(zhì)量45kg，各關(guān)節(jié)軸由12個(gè)40w的直 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)腳底的吸盤(pán)被分為 20個(gè)小吸盤(pán)，產(chǎn)生大約1500N的吸力，上 升速度為48cm/min，橫向移動(dòng)速度為96cm/min.能在壁面及天花板上全方位 移動(dòng)。近年研制成功的典型四足機(jī)器人是 TITA

10、N-IX7（圖6）。為適應(yīng)如此復(fù)雜 的任務(wù)，專(zhuān)門(mén)研制了更先進(jìn)的機(jī)器人操作控制系統(tǒng)VK-II。截至目前，広瀨福田研究室已研制出第12款機(jī)器人TITAN-XI8。押2 KUMO-I圖 3 PV-I1圖 4TITAN-Vlir農(nóng)2吐聯(lián)福111研究宣研究的興誑四是機(jī)器人研制順序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和川途KUMO-I腿長(zhǎng)iRiflKgjyt界第傘能購(gòu)址行走的忻蜘蛛機(jī)器人2腿世邪第一個(gè)能爬樓梯的河足機(jī)器人3BTAN-ni腿長(zhǎng)1r2m.Jl?80Kgf有足底傳瞬 能越障4TITAN-1V建長(zhǎng)1.2叫重JGOKft半年累計(jì)疔龍40Km可上卞摟梯5TIrIANAr皓構(gòu)輕.用于研究動(dòng)態(tài)步行揑制6TTAN-VI用于上下樓梯的動(dòng)

11、態(tài)步封研究7NINJA-1瓏面行走研宛試驗(yàn)機(jī)器人aNINJA-IT長(zhǎng)1.3m,寬0,5m1 J-G ,4佩堆面移功機(jī)器人9TITANAJE柞為珂攀爬就殆的屋畢的腳于架機(jī)器人10TITAN-Vin軟徴件站構(gòu)完備的敬學(xué)研究機(jī)鵡人.售出刃劣套.11TTTA腿能作為機(jī)械F便的用排雷機(jī)盟人.操控系統(tǒng)你川12TTTAN-XI2.亦 乞4m*2.斗叫揪樂(lè)驅(qū)功黑岸作業(yè)機(jī)器人圖$ NINJA-陽(yáng)孫 T TAN-XI圖 7 Palmsh-I圖 S Tckkcn JV閨 9 RtgDog團(tuán) lOLittkDog另外，日本電氣通信大學(xué)的木村浩(Hiroshi Kimura)等研制成功很有特點(diǎn)的兩個(gè) 系列四足 步行機(jī)器

12、人Patrush系列和Tekken系列。二代Patrush II (圖7),用兩個(gè)微處理機(jī)控制，采 用瑞士 Maxon直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤(pán)，每只腳安裝了兩個(gè)微開(kāi)關(guān) 最具有創(chuàng)新性的成果是采用基于神經(jīng)振蕩子模型CPG(Central PatternGenerator)的控制策略9 , 10。而CPG是足式機(jī)器人近10年來(lái)在控制方面取得的最具突破性成果11。2000-2003 年研 制成功具有寵物狗外形的機(jī)器人 Tekken系列的第四代，Tekken3和Tekken4采 用了新穎的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和激光導(dǎo)航系統(tǒng)12, 該系列繼承了 Patrush系列的優(yōu)點(diǎn)。第四代Tekken-IV

13、(圖8)用一臺(tái)PC機(jī)系統(tǒng)控制，瑞士 Maxon直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤(pán)、 陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器?？刂葡到y(tǒng)也采用基于神經(jīng)振蕩子模型的 CPG空制器和反射機(jī) 制構(gòu)成的系統(tǒng)，其中基于CPG勺控制器用于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，而反射機(jī)制通過(guò)傳感器信號(hào)的反饋，來(lái)改變CPG勺周期和相位輸出。Tekken4能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng) 動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。 Tekken 系列另 一特點(diǎn)是利用了激光和CCD攝像機(jī)導(dǎo)航，成功的實(shí)現(xiàn)在封閉回廊中無(wú)碰快速行走，且可以辨別和避讓前方存在的人和動(dòng)物。日本進(jìn)行四足機(jī)器人研究的還有日本東北大學(xué)。 19

14、92 年，日本東北大學(xué)的 木村浩(Hiroshi Kimura) 、中野澩二等研究開(kāi)發(fā)出具有四腿和兩輪分別獨(dú)立移動(dòng)的混合 步行機(jī)器人Chariot-I ， 2004 年，開(kāi)發(fā)出腿輪移動(dòng)機(jī)器人 Chariot-III ”，并對(duì)其進(jìn)行步態(tài) 及控制方面的研究。2005 年， 他們開(kāi)發(fā)供高齡人、 殘疾人等步行困難者使用的步行機(jī)器人 Chariot-IV 。該步行機(jī)具有較高機(jī)動(dòng)性和不平地面步行的穩(wěn)定性， 可自如地上下臺(tái)階。 另外還有日本的 空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室( Kyoto Univ.Tsuchiya Lab )也在研究四足機(jī) 13 。美國(guó)的 MIT Leg Lab 實(shí)驗(yàn)室早在 1986 年研制完成了一款四足

15、機(jī)器人。美國(guó) 的四足機(jī)的典型代表是卡耐基美隆大學(xué)的 Boston dynamics實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog (圖9) 和 LittleDog (圖 10)。BigDog 是最像仿生對(duì)象的仿生機(jī)器人，外形和體特比例很像一頭兇猛的獵 犬,負(fù)載 52KG 的重量能夠在粗糙的瓦礫地面或泥濘地面以不同步態(tài)自如行走， 野外行走能力很強(qiáng)。最大的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的機(jī)體平衡能力， 在劇烈的側(cè)面沖擊作用下， 能保持平衡而 不倒。 在卡耐基 . 梅 隆 大 學(xué) 2006.11.3 的 機(jī) 器 人 學(xué) 術(shù) 報(bào) 告 會(huì) 上 ， MartinBuehler(Director of Robotics BostonDynami

16、cs)稱(chēng)，已列入計(jì)劃將BigDog的四足機(jī)器人深入研究，使其性能達(dá)到 能走、跑、平衡、爬行等動(dòng)態(tài)移動(dòng)、 運(yùn)載貨物、 識(shí)別粗糙地形能力、 自主控制能力等方面達(dá)到 一個(gè)新的水平 14 。加拿大 McGill 大學(xué)智能機(jī)器中心( Centre for intelligent Machines McGill University )Ambulatory 機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室( Ambulatory Robotics Lab )研制了兩代 四足機(jī)器人 Scout-I 和Scout-II15 ，Scout-I 主要用來(lái)進(jìn)行行走控制，每條腿只有 l 個(gè)自由度，且髖部只有 1個(gè)驅(qū)動(dòng)器盡管其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

17、卻很令人滿(mǎn)意； Scout-II 是自主型奔跑機(jī) 器人，每條腿的髖部仍只有 1 個(gè)驅(qū)動(dòng)器，不同的是，每條腿具有兩個(gè)自由度?？刂破髦恍韪?變 4 個(gè)參數(shù) （ 前腿和后腿的觸地力矩和觸地角度 ） 的設(shè)置就可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。德國(guó)1998年開(kāi)發(fā)的四足機(jī)器人BISAM該機(jī)器人結(jié)構(gòu)由主體、4條腿和頭部 組成。機(jī)器人總重 14.5kg ，內(nèi)部裝有微控制器、 處理器、電池及立體攝像頭。法國(guó)的Bourges （Franee）大學(xué)也研制成功SILO4系列四足機(jī)器人。韓國(guó) School of Mechanical Engineering Sungkyunkwan University設(shè)計(jì)完成一款四足爬墻機(jī)器人M

18、RWALLSPECT-IJI并完成了從地面到墻壁的行走試驗(yàn) 16 。4、國(guó)內(nèi)外機(jī)器人市場(chǎng)狀況目前，國(guó)際上機(jī)器人市場(chǎng)大概有 80億至 100億，其中工業(yè)機(jī)器人占的比重 最大。 2025年，整個(gè)機(jī)器人市場(chǎng)將達(dá)到 500 億，服務(wù)機(jī)器人從原來(lái)的 300多萬(wàn) 臺(tái)增加到 1200多萬(wàn)臺(tái)，特種機(jī)器人 （如：排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等 ）的呼聲也 越來(lái)越高。另外，微軟等 IT 企業(yè)，豐田、奔馳等汽車(chē)公司，甚至還有家具、衛(wèi) 生潔具企業(yè)都紛紛參與機(jī)器人的研制 .美國(guó)和日本多年來(lái)引領(lǐng)國(guó)際機(jī)器人的發(fā)展方向， 代表著國(guó)際上機(jī)器人領(lǐng)域的 最高科技水平。 目前，日本除了比較關(guān)注特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人以外， 還注重 中間件的

19、研制。 然而，近年來(lái)日本基本上在做模仿性的工作， 突破性技術(shù)比較少。 而美國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面， 一直保持著世界領(lǐng)先地位。 再有，美國(guó)主 要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用機(jī)器人，目前世界銷(xiāo)售的 9000 臺(tái)軍用機(jī)器人之 中，有 60%來(lái)自美國(guó)。比如：美國(guó)最近研制成功的 BigDog 軍用機(jī)器人，能負(fù)重 100 公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適應(yīng)各種地形，即使是 在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。在各種機(jī)器人中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較早，發(fā)展最為成熟。同時(shí)，技術(shù)的不斷 進(jìn)步一直在牽引著機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展， 使機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)機(jī)器人擴(kuò)展到 特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人等。機(jī)器人技術(shù)也正越來(lái)越深刻地影響著我們的生活。在國(guó)外，應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人取得了較顯著進(jìn)展， 已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而 得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用， 從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的、 知名機(jī)器人公 司。如德國(guó)的KUKA瑞典的ABB日本的安川等。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼 汽車(chē)、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) （UNECE和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）的統(tǒng)計(jì)，2002年至2004年，世界機(jī)器人市場(chǎng) 年增長(zhǎng)率平均在 10%左右， 2005 年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的 30%， 2007年全球機(jī)器人實(shí)際安 裝量達(dá)到 650 萬(wàn)臺(tái)，機(jī)器人安裝量比 2006 年增加