四足機器人研究現(xiàn)狀及其展望

1、四足步行機器人研究現(xiàn)狀及展望(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院 河南 鄭州) 摘要：文章對國內(nèi)外四足步行機器人研究現(xiàn)狀進行了綜述，歸納分析了四足機器人質(zhì)心距離測量系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了四足機器人的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：四足步行機器人；研究現(xiàn)狀；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢引言 ：目前，常見的步行機器人以兩足式、四足式、六足式應(yīng)用較多。其中，四足步行機器人機構(gòu)簡單且靈活，承載能力強、穩(wěn)定性好，在搶險救災(zāi)、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景，其研制工作一直受到國內(nèi)外的重視。1 國內(nèi)外研究四足步行機器人的歷史和現(xiàn)狀20世紀60年代，四足步行機器人的研究工作開始起步。隨著計算機技術(shù)和機器人控制技術(shù)的研究

2、和應(yīng)用，到了 20 世紀 80 年代，現(xiàn)代四足步行機器 人的研制工作進入了廣泛開展的階段。世界上第一臺真正意義的四足步行機器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。該機器人具有 較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性，但其缺點是，該機器人的 關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的，因此機器 人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定的運動形式1。20 世紀 80、90 年代最具代表性的四足步行機 器人是日本 Shigeo Hirose 實驗室研制的 TITAN 系 列。19811984年Hirose教授研制成功腳部裝有傳 感和信號處理系統(tǒng)的TITAN-III2。它的腳底部由形 狀記憶合金組成，可自動檢測與

3、地面接觸的狀態(tài)。 姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)靜態(tài)步行。 TITAN-3機器人采用新型的直動型腿機構(gòu)，避免 了上樓梯過程中各腿間的干涉，并采用兩級變速驅(qū) 動機構(gòu)，對腿的支撐相和擺動相分別進行驅(qū)動。2000-2003 年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等 人研制成功了具有寵物狗外形的機器人Tekken-IV， 如圖1所示。它的每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤、陀 螺儀、傾角計和觸覺傳感器。系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機制來完成的。Tekken-IV 能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行，顯示了生 物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu) 點。它

4、的另一特點是利用了激光和 CCD 攝像機導(dǎo) 航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉 回廊中實現(xiàn)無碰撞快速行走。目前最具代表的四足步行機器人是美國 實驗室研制的 。如圖 所示。它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負載高達 的重量，爬升斜坡可達 。其腿關(guān)節(jié)類似動物腿 關(guān)節(jié)，安裝有吸收 震動部件和能量 循環(huán)部件。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機來控制。該機器人機動性和反應(yīng)能力都很強，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機需攜帶油箱，故工作時受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機器人行走時引擎會發(fā)出怪異的噪音。 國內(nèi)四足機器人研制工作從 世紀 年代起步，取得一定成果的研究機構(gòu)有上海交通大學(xué)、清

5、華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。上海交通大學(xué)機器人研究所于 年開展了 系列四足步行機器人的研究。 年該研究所研制成功了 ，如圖 所示。該機器人采用開式鏈腿機構(gòu)，每條腿有 個自由度，具有結(jié)構(gòu)簡單、外形靈巧、體積小、重量輕等特點。它采用力和位置混合控制，腳底裝有 測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實現(xiàn)了對角線動態(tài)行走。但其步行速度較慢，極限步速僅為 .；另外，其負重能力有限，故在實際作業(yè)時實用性較差。 清華大學(xué)所研制的一款四足步行機器人，如圖所示。它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，通過模擬動 物的運動機理，實 現(xiàn)比較穩(wěn)定的 節(jié)律運動，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走、越障等功能。

6、不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。 綜上所述，美國、日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進，實用化程度也在逐步提高。國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀年代以后才逐步有了成果，但研究水平據(jù)世界先進水平還有差距。2. 國內(nèi)外四足步行機器人的關(guān)鍵技術(shù)分析從 20世紀60年代至今研究者們對四足步行機器人關(guān)鍵技術(shù)的分析做了大量的工作，在一些基礎(chǔ)理論問題上取得了一定的突破，使四足步行機器人的技術(shù)水平不斷得到提高。2.1 機械本體研究 四足步行機器人是機電一體化系統(tǒng)，涉及到機構(gòu)、步態(tài)、控制等，而機械機構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在機械本體的設(shè)計中腿部機構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵。目前，研制的

7、四足步行機器人的腿部機構(gòu)形式主要有縮放型機構(gòu)、四連桿機構(gòu)、并聯(lián)機構(gòu)、平行桿機構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機構(gòu)和緩沖型虛擬彈簧腿機構(gòu)。其中，并聯(lián)機構(gòu)可以實現(xiàn)多方位運動，且負載能力強，所以具有較好的應(yīng)用前景，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外，含有彈性元件的緩沖型虛擬彈簧腿機構(gòu)，利用彈性元件把剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，減緩機器人在動態(tài)行走時的沖擊以及由此產(chǎn)生的振動，因此該機構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛。2.2 步態(tài)研究 步行機器人幾種典型步態(tài)有：爬行、對角小跑、溜蹄、跳躍、定點旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向等。在文獻中，提出了爬步態(tài)的理論，并證明了該步態(tài)具有最大的靜穩(wěn)定性。對角小跑步態(tài)屬于動態(tài)穩(wěn)定步態(tài)，能夠提高運動速度。跳躍式步態(tài)較其它步態(tài)在前進的效率上具

8、有明顯的優(yōu)勢，但是由于受到腿機構(gòu)的擺動慣性力和關(guān)節(jié)處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時驅(qū)動力。另外，跳躍持續(xù)的時間是短暫的，為了保證機器人實時可控，必然需要在極短的時間內(nèi)采集多種信號，這對目前的驅(qū)動元件和傳感器都提出了極高的要求。目前所研究的各種步態(tài)中，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點問題。2.3 控制技術(shù)研究 復(fù)雜四足步行機器人的控制系統(tǒng)是非線性的多輸入和多輸出不穩(wěn)定系統(tǒng)，具有時變性和間歇動態(tài)性。目前四足機器人的步行運動大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而對機器人進行單純的幾何位置規(guī)劃與控制，則會由于慣性、腳力失衡等因素而導(dǎo)致機器人失穩(wěn)。解決這個問題的關(guān)鍵就是

9、突破單一的位置規(guī)劃與控制策略，實施機器人力、位置混合控制。在步態(tài)生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發(fā)生器（）原理的運動控制方法。2.4 驅(qū)動能源研究 在線提供能源受到空間的限制，而蓄電池組受體積和重量的限制，因此尋求提供持續(xù)可靠的離線自帶電源就成了必須。隨著新型電池的研發(fā)，新型太陽能電池、燃料電池、鋰電池等成為較為理想的能量供給來源。另外，通過微波對微型機器人提供能量和控制信號也是一種較為可觀的方法。3. 四足步行機器人的研究趨勢 隨著足式機器人的研究日益深入和發(fā)展，四足步行機器人在速度、穩(wěn)定性、靈活性和對地面的適應(yīng)性等方面的性能將不斷提高，自主化和智能化將逐步實現(xiàn)。綜合分析，

10、在未來的研制中四足步行機器人有以下幾個發(fā)展趨勢。3.1實現(xiàn)腿機構(gòu)的高能、高效性 動物的肌腱肌肉均是高效儲能和節(jié)能的元件，能夠解決高速穩(wěn)定行走和能量利用率的問題。而四足步行機器人的腿機構(gòu)和關(guān)節(jié)均為剛性連接，不但不能儲能，且因觸地的沖擊，要消耗掉許多能量。因而高功率密度且具有緩沖儲能措施的腿機構(gòu)是未來的研究熱點問題。3.2 輪、足運動相結(jié)合 足式移動方式與輪式技術(shù)的結(jié)合，既可通過輪式調(diào)節(jié)控制移動的效率，也可利用腿機構(gòu)實現(xiàn)越障、避障等高效運動。目前國內(nèi)外開展了輪、足相結(jié)合機器人的相關(guān)研究，在以后的研究工作中輪、足相結(jié)合的研究力度會進一步加大。3.3 步行機器人微型化 微型步行機器人有著廣闊的應(yīng)用前景，它可以廣泛應(yīng)用于各類科學(xué)探索、工業(yè)作業(yè)中，例如可在狹小的空間如管道內(nèi)行走、作業(yè)和維修等。3.4 增強四足步行機器人的負載能力 目前四足步行機的研究主要集中在小型輕便、易于控制等方面，距離低能耗、高負載的要求還有一定的差距，在進行野外實際作業(yè)時實用性較差?；诖?，開展負載能力強、步行機構(gòu)能耗低的四足機器人的研究也是未來研究的一個重要的方向。3.5 機器人仿生的進一步深化 仿生四足機器人不能僅僅限制在模仿機構(gòu)上，還應(yīng)該模仿生物的一些功能，如蝙蝠的聽覺、狗的嗅覺、蜻蜓的視覺等。4 總結(jié) 盡管四足步行機器人