四足机器人研究现状及其展望

四足步行机器人探讨现状及展望 郑州轻工业学院 机电工程学院 河南 郑州 摘要文章对国内外四足步行机器人探讨现状进行了综述，归纳分析了四足机器人质心距离测量系统探讨的关键技术，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词四足步行机器人；探讨现状；关键技术；发展趋势 引言 目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中，四足步行机器人机构简洁且敏捷，承载实力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、消遣及军事等很多方面有很好的应用前景，其研制工作始终受到国内外的重视。 1 国内外探讨四足步行机器人的历史和现状 20世纪60年头，四足步行机器人的探讨工作起先起步。随着计算机技术和机器人限制技术的探讨 和应用，到了 20 世纪 80 年头，现代四足步行机器 人的研制工作进入了广泛开展的阶段。 世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有 较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的 关节是由逻辑电路组成的状态机限制的，因此机器 人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式[1]。 20 世纪 80、90 年头最具代表性的四足步行机 器人是日本 Shigeo Hirose 试验室研制的 TITAN 系 列。1981～1984年Hirose教授研制胜利脚部装有传 感和信号处理系统的TITAN-III[2]。它的脚底部由形 状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。 姿态传感器和姿态限制系统依据传感信息做出的限制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。 TITAN-Ⅵ[3]机器人采纳新型的直动型腿机构，避开 了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采纳两级变速驱 动机构，对腿的支撑相和摇摆相分别进行驱动。 2000-2003 年，日本电气通信高校的木村浩等 人研制胜利了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV， 如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘、陀 螺仪、倾角计和触觉传感器。系统限制是由基于 CPG 的限制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生 物激励限制对未知的不规则地面有自适应实力的优 点。它的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导 航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭 回廊中实现无碰撞快速行走。 目前最具代表的四足步行机器人是美国Ｂｏｓｔｄｙｎａｍｉｃｓ 试验室研制的 ＢｉｇＤｏｇ。如图 ２ 所示。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达５２ＫＧ 的重量，爬升斜坡可达 ３５。其腿关节类似动物腿 关节，安装有汲取 振动部件和能量 循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机来限制。该机器人机动性和反应实力都很强，平衡实力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，牢靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。 国内四足机器人研制工作从 ２０ 世纪 ８０ 年头起步，取得肯定成果的探讨机构有上海交通高校、清华高校、哈尔滨工业高校等。 上海交通高校机器人探讨所于 １９９１ 年开展了ＪＴＵＷＭ 系列四足步行机器人的探讨。１９ ９６ 年该探讨所研制胜利了 ＪＴＵＷＭ ＩＩＩ ，如图 ３ 所示。该机器人采纳开式链腿机构，每条腿有 ３ 个自由度，具有结构简洁、外形灵活、体积小、重量轻等特点。它采纳力和位置混合限制，脚底装有 ＰＶＤＦ 测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实现了对角线动态行走。但其步行速度较慢，极限步速仅为 １.７ｋｍ／ｈ；另外，其负重实力有限，故在实际作业时好用性较差。 清华高校所研制的一款四足步行机器人，如图４所示。它采纳开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动 物的运动机理，实 现比较稳定的 节律运动，可以自主应付困难的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之处是腿运动时的协调限制比较困难，而且承载实力较小。 综上所述，美国、日本的探讨最具代表性，其技术水平已经较为先进，好用化程度也在逐步提高。国内四足步行机器的探讨起步比较晚，在上个世纪９０年头以后才逐步有了成果，但探讨水平据世界先进水平还有差距。 2. 国内外四足步行机器人的关键技术分析 从 20世纪60年头至今探讨者们对四足步行机器人关键技术的分析做了大量的工作，在一些基础理论问题上取得了肯定的突破，使四足步行机器人的技术水平不断得到提高。 2.1 机械本体探讨 四足步行机器人是机电一体化系统，涉及到机构、步态、限制等，而机械机构是整个系统的基础。在机械本体的设计中腿部机构设计是关键。目前，研制的四足步行机器人的腿部机构形式主要有缩放型机构［５］、四连杆机构、并联机构［６］、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。其中，并联机构可以实现多方位运动，且负载实力强，所以具有较好的应用前景，但限制系统较为困难。另外，含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，因此该机构应用越来越广泛。 2.2 步态探讨 步行机器人几种典型步态有爬行、对角小跑、溜蹄、跳动、定点旋转、转向等。在文献［７］中，提出了爬步态的理论，并证明白该步态具有最大的静稳定性。对角小跑步态属于动态稳定步态，能够提高运动速度。跳动式步态较其它步态在前进的效率上具有明显的优势，但是由于受到腿机构的摇摆惯性力和关节处大冲击力的影响，因此须要较大的瞬时驱动力。另外，跳动持续的时间是短暂的，为了保证机器人实时可控，必定须要在极短的时间内采集多种信号，这对目前的驱动元件和传感器都提出了极高的要求。目前所探讨的各种步态中，跳动步态的探讨是最具挑战性的难点问题。 2.3 限制技术探讨 困难四足步行机器人的限制系统是非线性的多输入和多输出不稳定系统，具有时变性和间歇动态性。目前四足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置限制的规划和限制策略。而对机器人进行单纯的几何位置规划与限制，则会由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳。解决这个问题的关键就是突破单一的位置规划与限制策略，实施机器人力、位置混合限制。在步态生成和限制方面，有理论突破意义的是基于生物中枢模式发生器（ＣＰＧ）原理的运动限制方法。 2.4 驱动能源探讨 在线供应能源受到空间的限制，而蓄电池组受体积和重量的限制，因此寻求供应持续牢靠的离线自带电源就成了必需。随着新型电池的研发，新型太阳能电池、燃料电池、锂电池等成为较为志向的能量供应来源。另外，通过微波对微型机器人供应能量和限制信号也是一种较为可观的方法。 3. 四足步行机器人的探讨趋势 随着足式机器人的探讨日益深化和发展，四足步行机器人在速度、稳定性、敏捷性和对地面的适应性等方面的性能将不断提高，自主化和智能化将逐步实现。综合分析，在将来的研制中四足步行机器人有以下几个发展趋势。 3.1 实现腿机构的高能、高效性 动物的肌腱肌肉均是高效储能和节能的元件，能够解决高速稳定行走和能量利用率的问题。而四足步行机器人的腿机构和关节均为刚性连接，不但