六足仿生機(jī)器人及其步態(tài)研究報(bào)告現(xiàn)狀調(diào)查

1、-. z六足仿生機(jī)器人及其步態(tài)研究現(xiàn)狀摘 要與一般的機(jī)器人相比(比方輪式機(jī)器人),六足仿生機(jī)器人的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是對行走路面的要求很低,它可以跨越障礙物、走過沙地、沼澤等特殊路面,因此可以用于工程探險(xiǎn)勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險(xiǎn)的工作,并且機(jī)器人的足所具有的大量自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活,對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式移動機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的,跟地面的接觸面積較小,可以在可到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn),即使在外表極度不規(guī)則的情況下,通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn),也能夠行走自如,因此,足式步行機(jī)器人特別是六足步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域,它可以作

2、為危險(xiǎn)地帶的探險(xiǎn)工具也可以去那些人類自身不能到達(dá)的地方1。然而,目前對六足仿生機(jī)器人的步態(tài)研究還僅僅局限于在平地上或接近于平地時(shí)的步態(tài)方法研究。機(jī)器人遇到障礙物時(shí)采用的也都是避障運(yùn)動,由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境復(fù)雜多變,因此有必要提出一種適合于六足仿生機(jī)器人越障的一種步態(tài)。關(guān)鍵詞:六足仿生機(jī)器人;避障運(yùn)動;步態(tài)規(guī)劃目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc407970255 引言 PAGEREF _Toc407970255 h 4 HYPERLINK l _Toc407970256 二六足仿生機(jī)器人的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc407970256 h 4 HYPERLINK

3、 l _Toc407970257 三六足仿生機(jī)器人越障步態(tài)運(yùn)動原理 PAGEREF _Toc407970257 h 9 HYPERLINK l _Toc407970258 四六足機(jī)器人三角步態(tài)分析 PAGEREF _Toc407970258 h 10 HYPERLINK l _Toc407970259 五六足機(jī)器人越障步態(tài)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc407970259 h 11 HYPERLINK l _Toc407970260 六六足仿生機(jī)器人越障步態(tài)的選擇 PAGEREF _Toc407970260 h 13 HYPERLINK l _Toc407970261 結(jié)論 PAGEREF _T

4、oc407970261 h 15引言步態(tài)是行走系統(tǒng)的邁步方式,即行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。由于開發(fā)步行機(jī)器人的需要,McGhee在1968年總結(jié)前人對動物步態(tài)研究成果的根底上,比擬系統(tǒng)地給出了一系列描述和分析步態(tài)的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義。之后各國學(xué)者在四足、六足、八足等多足步行機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定的規(guī)則周期步態(tài)的研究中取得了很多成果。這些成果包括各種步態(tài)特點(diǎn)及分類,如三角步態(tài)、波動步態(tài)、自由步態(tài)、跟隨步態(tài)、步態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系等。二六足仿生機(jī)器人的開展現(xiàn)狀從 1959年美國制造出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人起，在短短半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，機(jī)器人的研究就已經(jīng)歷了4個(gè)開展階段：工業(yè)機(jī)器人、遙控機(jī)器人、智能機(jī)器人和仿生機(jī)器人

5、2。從機(jī)器人的角度來看，仿生機(jī)器人是機(jī)器人開展的最高階段；從仿生學(xué)的角度來看，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)理論的完美綜合與全面應(yīng)用。本質(zhì)上講，仿生機(jī)器人指的是利用各種無機(jī)元器件和有機(jī)功能體所組建起來的在運(yùn)動機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代和材料構(gòu)造等多方面具有生命形態(tài)特征從而可以在未知的非構(gòu)造化環(huán)境中靈活、可靠、高效地完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)3近年來，隨著昆蟲仿生學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，使得對多足仿生機(jī)器人的研究，成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。國外多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，相繼成功研制出了性能卓越的多足仿生機(jī)器人。六足機(jī)器人 Genghis見圖 1-1，由美國麻省理工學(xué)院人工智能

6、實(shí)驗(yàn)室于1989 年研制，主要用于在地外行星如火星外表執(zhí)行探測任務(wù)。每條腿 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用基于位置反應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動，集成了電流測量單元以獲取關(guān)節(jié)力矩信息，裝備了 2 個(gè)觸須傳感器、2 個(gè)單軸加速度計(jì)，可在復(fù)雜路面上高效行走。出于同樣目的，MIT 于 20 世紀(jì)九十年代初研制了六足機(jī)器人 Attila見圖 1-2。每條腿 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，設(shè)計(jì)上采用模塊化構(gòu)造，各模塊具有自身的傳感器、驅(qū)動器和微處理器。具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，可自動檢測和識別硬件故障，并通過軟件方式進(jìn)展補(bǔ)償。為減少登陸作戰(zhàn)時(shí)的危險(xiǎn)，美國麻省理工學(xué)院研制了用于淺灘探雷的六足機(jī)器人Ariel見圖 1-3。每條腿 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由

7、度，具有翻轉(zhuǎn)步行能力。電路和控制器都置于的密閉的空腔，具有防水功能。配備了羅盤與姿態(tài)傳感器，可對硬件故障進(jìn)展自動檢測。八足機(jī)器人 Lobster見圖 1-4由美國東北大學(xué)水下研究實(shí)驗(yàn)室研制。每條腿 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，能夠在復(fù)雜的水底環(huán)境中自主浮游和爬行。頭部裝有類似液動控制舵作用的 2 個(gè)鉗爪，用于控制步行方向，步行時(shí)鉗爪和尾部近似地伸展成三角形，以獲得最大的穩(wěn)定性。六足機(jī)器人Robot II見圖 1-5，由美國凱斯西儲大學(xué)機(jī)械及航天工程學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制。每條腿 4 個(gè)獨(dú)立的自由度，3 個(gè)旋轉(zhuǎn)主動自由度，1個(gè)沿脛節(jié)軸線方向的被動柔順自由度。采用電位計(jì)測量關(guān)節(jié)角位置，應(yīng)變片則用于測量脛節(jié)

8、上的軸向力，結(jié)合了足底反射機(jī)制以應(yīng)對復(fù)雜的地形。六足機(jī)器人 Robot V見圖 1-6，以蟑螂為仿生原型制作，用于研究蟑螂的奔跑機(jī)制。前、中、后腿分別具有 5、4、3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，股節(jié)安裝了 6 塊應(yīng)變片，以形成載荷測量單元，提供 3 維足端力的準(zhǔn)確測量值。沿用了 Robot II 的竹節(jié)蟲步態(tài)控制器，采用人工肌肉驅(qū)動方式。機(jī)器人 Scorpion見圖 1-7，由德國 Fraunhofer 自主智能系統(tǒng)研究所研制。每條腿 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用微型伺服電機(jī)驅(qū)動，裝備了1個(gè)攝相機(jī)和1個(gè)超聲波聲納測距傳感器。步態(tài)控制基于 CPG 原理，同時(shí)引入了反射機(jī)制以適應(yīng)崎嶇地形。六足機(jī)器人 Tarry I

9、I見圖 1-8，由德國杜伊斯堡大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制。每條腿3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用舵機(jī)驅(qū)動，配備了足端接觸覺傳感器，用于測量姿態(tài)的兩軸加速度計(jì)，股節(jié)安裝的用于獲取載荷信息的應(yīng)變測量電路，以及軀干前端用于避障的超聲波傳感器，可實(shí)現(xiàn)崎嶇地形全方位步行。六足機(jī)器人 Spider-bot見圖 1-9，由美國加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制。體積僅手掌大小、形似蜘蛛，采用超輕的晶圓電池提供動力，每條腿 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用舵機(jī)驅(qū)動。軀干前端的觸須傳感器，使機(jī)器人能以可預(yù)測的方式接近障礙或探測地形條件。機(jī)器人 Lauron IV見圖 1-10，由德國卡爾斯魯厄大學(xué)的 FZI 研究所研制。每條腿 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由

10、度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動、皮帶傳動。脛節(jié)集成了 3 軸力傳感器，可提供足端三維力信息，各關(guān)節(jié)電機(jī)裝備有電流傳感器，用于檢測該關(guān)節(jié)作用力，軀干上配置加速度計(jì)和壓電陀螺儀，可提供三維的角速度及加速度信息。六足機(jī)器人 Hamlet見圖 1-11，由新西蘭坎特伯雷大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制。每條腿 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用微型伺服電機(jī)驅(qū)動、傘齒輪傳動，裝備了軀干姿態(tài)傳感器和三維足端力傳感器，采用足端力/位置混合控制。機(jī)器人MiniQuad II見圖 1-12，由華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院研制。每條腿 3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動、行星齒輪和蝸輪蝸桿傳動，可通過改變足單元模塊間的搭配變換成四足、六足等構(gòu)

11、形。基于腿臂融合、模塊化設(shè)計(jì)思想，支持可重構(gòu)和容錯(cuò)功能，具有全方位的移動能力。機(jī)器人 LAVA見圖 1-13由南洋理工大學(xué)機(jī)械與航天學(xué)院研制。每條腿 3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動、蝸輪蝸桿傳動，腿部機(jī)構(gòu)采用逆向差速齒輪驅(qū)動系統(tǒng)，具有移動與操作雙重功能。采用力/位置混合控制，以增強(qiáng)地形適應(yīng)能力。六足機(jī)器人 T-He*s見圖 1-14，由日本 KIMURA 實(shí)驗(yàn)室研制。具有自主運(yùn)作模式和操作者手柄遙控模式，單個(gè)操作者可同時(shí)控制多個(gè)機(jī)器人，完成物體的抓取以及搬運(yùn)作業(yè)。六足機(jī)器人 SRP-robot 系列見圖 1-17、圖 1-18由南洋理工大學(xué)機(jī)械與航天學(xué)院研制，主要用于教學(xué)目的。每條腿 3 個(gè)

12、旋轉(zhuǎn)自由度，采用舵機(jī)驅(qū)動、連桿傳動，具有全方位的步行能力，電集地布置于軀干四周，機(jī)構(gòu)十分緊湊，行動敏捷，具有較大的構(gòu)造剛度和較小的腿部轉(zhuǎn)動慣量。 六足機(jī)器人 LEMUR II見圖 1-20，由美國加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制。LEMUR II 是在前一代 LEMUR I見圖 1-19的根底上改良而來，主要用于太空設(shè)備的勘測、裝配和維護(hù)。每條腿 4 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，肢體關(guān)于正六邊形軀干呈軸對稱分布，集成了各種先進(jìn)的末端執(zhí)行器例如超音速鉆孔器，具有快速連接功能，可快速更換執(zhí)行工具，運(yùn)動及操作過程均采用力控制方式。六足機(jī)器人 Asterisk見圖 1-21，由日本大阪大學(xué)工程科技研究所研制。每條腿

13、4 個(gè)自由度，均采用舵機(jī)驅(qū)動。配備了 1 個(gè)三軸加速度計(jì)和 1 個(gè)兩軸陀螺儀，足端裝備了三維力傳感器、紅外傳感器及無線 CCD 相機(jī)，可在崎嶇地形或金屬網(wǎng)格天花板上全方位步行或進(jìn)展作業(yè)。六足機(jī)器人 Sprawl見圖 1-22，由斯坦福大學(xué)仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制。腿部為被動彈性構(gòu)造，每腿 1 個(gè)直線自由度由汽缸驅(qū)動、1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度由電機(jī)驅(qū)動，質(zhì)心位于軀干后下側(cè)，可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)自穩(wěn)定，腿部具有蹬踏和穩(wěn)定功能，采用定時(shí)的開環(huán)/前饋控制。六足機(jī)器人 RHe*見圖 1-23，由美國加州伯克利分校等單位研制。每腿僅 1 個(gè)驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)了動力與控制的自主。裝備了 1 個(gè)三軸加速度計(jì)和 1 個(gè)三軸光纖陀螺儀，可在

14、受外力擾動后調(diào)整姿態(tài)，通過各腿的應(yīng)變測量單元獲取軀干的瞬時(shí)姿態(tài)，并迅速使能新的自主步態(tài)控制以減少驅(qū)動載荷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)奔跑。六足機(jī)器人 RiSE見圖 1-24，由美國斯坦福大學(xué)等單位基于攀爬生物行為學(xué)研究成果研制。每條腿 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，配備了慣性姿態(tài)測量、關(guān)節(jié)角位置測量、腿部應(yīng)變測量、足端接觸傳感器，足端裝備了微型鉆和新型粘著材質(zhì)，一個(gè)固定的尾部機(jī)構(gòu)可幫助在峭壁上維持平衡。三六足仿生機(jī)器人越障步態(tài)運(yùn)動原理六足綱昆蟲(蟑螂,螞蟻等等)在平坦無阻的地面上快速行進(jìn)時(shí),多以交替的三角步態(tài)運(yùn)動4,即在步行時(shí)把六條足分為兩組,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組,形成一個(gè)穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因

15、此在同一時(shí)間只有一組的三條足起行走作用:前足用爪固定物體后拉動蟲體前進(jìn),中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體,后足則推動蟲體前進(jìn),同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時(shí)蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時(shí)行動,然后再與另一組的三條足交替進(jìn)展,兩組足如此交替地?cái)[動和支撐,從而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動5。為了便于區(qū)分下面提出的步態(tài),將這種步態(tài)定義為三角步態(tài)。三角步態(tài)(或交替三角步態(tài)),是 =1/2時(shí)的波形步態(tài),運(yùn)動時(shí)六腿呈兩組三角形交替支撐邁步前進(jìn)。其行走軌跡并非是直線,而是呈之字形的曲線前進(jìn)。六足機(jī)器人采用三角步態(tài)的運(yùn)動示意如圖2所示。接觸地面的腿(如圖中黑方塊所示),形成了穩(wěn)定的三角形構(gòu)造。這樣模型通常會保持直立平穩(wěn)的走姿而

16、不會在走路時(shí)跌跟頭6。圖2 機(jī)器人三角步態(tài)走法四六足機(jī)器人三角步態(tài)分析一般采用的是三角步態(tài)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行。如圖3所示的1,4,5腿一組,2,3,6腿形成另一組,兩組腿協(xié)調(diào)運(yùn)動,從狀態(tài)(a)中2,3,6腿支撐的復(fù)位狀態(tài)到1,4,5腿支撐的初始狀態(tài)。首先是擺動腿提起并向機(jī)器人本體前進(jìn)方向運(yùn)動一個(gè)步長(b);然后擺動腿變成支撐腿并支撐著機(jī)器人本體向前運(yùn)動一個(gè)步長(c),以后是擺動腿繼續(xù)向前(d),接著變成支撐腿使機(jī)體向前運(yùn)動一個(gè)步長(e)。從圖3看腳底在水平面的投影似乎是不規(guī)則的,這時(shí)小腿提起,骸關(guān)節(jié)向前擺動時(shí),膝關(guān)節(jié)固定,足端軌跡必是一曲線,但這和圖2并不矛盾,因?yàn)檫\(yùn)動過程中步態(tài)三角形沒有變形,因此

17、是協(xié)調(diào)的,運(yùn)動過程中,重心位于支撐三角形,因此也是穩(wěn)定的。設(shè)步態(tài)三角形三點(diǎn)的水平面坐標(biāo)為A(*a,ya),B(*b,yb),C(*c,yc),機(jī)器人本體重心在坐標(biāo)原點(diǎn)上。機(jī)器人朝前進(jìn)方向運(yùn)動一個(gè)步長L1后,支撐三角形變?yōu)锳BC,如圖4所示。機(jī)器人再向前運(yùn)動一個(gè)步長后,其機(jī)器人重心仍落在ABC,則為穩(wěn)定的步態(tài)三角形,否則為不穩(wěn)定的步態(tài)三角形。在三角步態(tài)中,假設(shè)步態(tài)三角形在運(yùn)動過程中是不變形的,則稱此時(shí)的位置是協(xié)調(diào)的7。圖3 機(jī)器人三角步態(tài)示意圖圖4 步態(tài)三角形的坐標(biāo)分析五六足機(jī)器人越障步態(tài)設(shè)計(jì)步態(tài)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)越障爬坡的關(guān)鍵之一,為到達(dá)較為理想的步行效果,需要考慮以下要求:越障爬坡步伐平穩(wěn)協(xié)調(diào)、進(jìn)

18、退自如,無左右搖擺及前后沖擊;機(jī)體和關(guān)節(jié)沒有較大的沖擊,特別是在擺動腿著地時(shí)與地面接觸為軟著陸;機(jī)體重心波動要平緩,且始終保持在垂直方向上,其投影在支撐腿所形成的垂直投影面;腿支撐時(shí)間占整個(gè)運(yùn)動周期(即占空比)的合理取值8。圖6為一個(gè)步行周期T中六足機(jī)器人的擺動相與支撐相的交替過程。假定機(jī)體的運(yùn)動時(shí)間是腿擺動時(shí)間的k倍,則可以將分為3種情況:a)=4+k5+k,如圖5所示。從圖5可以看出在一個(gè)周期時(shí)間,機(jī)體總是由至少4條腿支撐著,并且支撐腿所構(gòu)成的多邊行區(qū)域能保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。b)4+k5+k,在機(jī)器人機(jī)體非運(yùn)動期間,有六條腿的擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程,即六條腿同時(shí)著地的狀態(tài),此時(shí)的

19、機(jī)器人靜止不運(yùn)動。c)4+k5+k,有擺動相相互交織,當(dāng)腿1、4擺動相交織時(shí),做支撐相的是2、5、3、6號腿,可以看出機(jī)器人不具有靜穩(wěn)定性。同理,當(dāng)腿3、6擺動相交織時(shí),做支撐相的是1、4、2、5號腿,可以看出機(jī)器人同樣不具有靜穩(wěn)定性。此種交替過程要求機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能,否則難以實(shí)現(xiàn)。綜合考慮以上3種情況,對于多邊形步態(tài)將采用=4+k5+k。圖5 六足仿生機(jī)器人多邊形步態(tài)示意圖圖6 機(jī)器人一個(gè)周期各個(gè)腿的擺動與支撐相六六足仿生機(jī)器人越障步態(tài)的選擇用l1,l2,l3,l4,l5分別表示六足仿生機(jī)器人每條腿各關(guān)節(jié)之間的相對距離(如圖7所示),所以,相對于各自的臀關(guān)節(jié)位置,機(jī)器人足端所能夠

20、及到的最遠(yuǎn)距離為:L=l21+l2+l3+l4+l52,把數(shù)據(jù)代入得到L=1374 mm,假設(shè)機(jī)器人的腿足端邁開的步伐幅度用s表示,則臀關(guān)節(jié)所能到達(dá)的最高位置h=L2-s2,假設(shè)取s=500 mm,可以算出h=1280 mm。圖7 六足機(jī)器人腿構(gòu)造示意圖圖8所示的是機(jī)器人爬坡示意圖,其中,AB代表其前腿,DE代表其后腿,并且機(jī)器人的兩條中間腿處于障礙物的臨界點(diǎn)處即C點(diǎn)所處的邊上,因此,只有當(dāng)機(jī)器人的重心處于C點(diǎn)的左側(cè)時(shí)才能保證其接下來運(yùn)動的穩(wěn)定性,即后腿的上坡運(yùn)動,由于后腿所能夠及的最遠(yuǎn)距離L(L=1374 mm)大于CD(CD=1215 mm)之間的距離,這樣就為后腿在上坡時(shí)將自己的足端放置于C點(diǎn)所處的邊上處提供保證。圖3中的機(jī)器人重心正好處于臨界位置,既機(jī)器人重心沿垂直方向的投影點(diǎn)與C點(diǎn)重合。又由于前腿AB所能到達(dá)的最大長度是L,因此,機(jī)器人能進(jìn)展任意角度的傾斜,即0A