仿生四足機器人的研究回顧與展望3

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1、 仿生四足機器人的研究：回顧與展望 摘要：本文側重于仿生四足機器人。在這一領域的主要挑戰(zhàn)是如何設計高動力性和高負載能力的仿生四足機器人。本文首先介紹了仿生四足機器人，尤其是具有里程碑意義的四足機器人的歷史。然后回顧了仿生四足機器人驅動模式的現代技術。隨后，描述了四足機器人的發(fā)展趨勢。基于仿生四足機器人的技術現狀，簡要回顧了四足機器人的技術難點。又介紹了山東大學研制的液壓四足機器人。最后是總結和展望未來的四足機器人。 一、導言 代替人類在復雜和危險的環(huán)境中工作的移動機器人的需求引起越來越多的關注，如煤礦井下，核電站，以及打擊恐怖主義的戰(zhàn)爭。一般移動機器人可分為三種類型

2、：空中機器人，水下機器人和地面機器人。地面機器人的開發(fā)主要是運用軌道或輪子。輪式和履帶式機器人可以在平整地面工作，但大多數是無法在凹凸不平的地面上工作。換句話說，現有的地面機器人只能在部分地面工作。與輪式和履帶式機器人相比，腿式機器人有可能適應更為廣泛的地形，就像如同有腿的動物，幾乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很強的運動能力，即便在高度復雜的環(huán)境中也一樣。因此，近些年人們積極地投入腿式機器人的研究中。腿式機器人可以去動物能夠到達的地方，應該要構建并運用于實際。盡管機器人技術領域取得了巨大成就，腿式機器人仍然遠遠落后于它們的仿生學 [1，2]。 基于機械結構，腿式機器人可分為步行機

3、器人和爬行機器人。與爬行動物的機器人相比，步行機器人幾乎與軀干垂直的腿被認為更適應載重。步行機器人可以有效地承受更大的載重。具有聯(lián)合執(zhí)行機構的步行機器人具有良好的行走速度和運輸能力。因此，基于哺乳類動物的仿生機器人的研究已成為機器人領域的重要發(fā)展方向。 現已有一、二、三、四甚至更多條腿的腿式機器人。最普遍的是具有高效率步態(tài)和穩(wěn)定性能的偶數條腿的腿式機器人 [3]。在腿式機器人中，四足機器人具有良好的機動性和運動穩(wěn)定性，而典型的雙足機器人，缺乏運動的穩(wěn)定性。從系統(tǒng)和控制器的設計上來看，四足機器人也是一個不錯的選擇。另一方面，四足機器人在構建和維護上又比六足要簡單。四足機器人比輪式或履帶式機

4、器人更加靈活，并比雙足機器人穩(wěn)定。因此，許多研究人員和組織在生物動態(tài)步態(tài)的啟發(fā)下致力于四足機器人的研究，以使機器人具有高平衡能力和高負載能力。在一般情況下，為了提高運動穩(wěn)定性，增加步行速度和運輸能力，就需要具有大帶寬和高輸出功率的液壓執(zhí)行機構。機器人控制系統(tǒng)，即用來控制四足機器人動作，步態(tài)生成和轉換，應在在未來得到研究和解決。 本文組織如下：在第二部分回顧了四足仿生機器人的歷史和驅動模式的發(fā)展趨勢。第三部分介紹了四足機器人的發(fā)展趨勢。然后，在第四部分分析了四足機器人的技術難點。第五部分介紹了中國山東大學正在開發(fā)的液壓四足機器人。最后一部分是總結和展望未來的四足機器人。 二、四足仿生

5、機器人的歷史 本節(jié)回顧具有聯(lián)合執(zhí)行機構的四足仿生機器人的歷史。我們首先關注基于仿生學的四足機器人的發(fā)展現狀。然后回顧了四足機器人的驅動模式的發(fā)展趨勢， 特別詳細介紹了液壓驅動，這樣一個提高了動力性能和負載能力的新型驅動模式。 A.四足仿生機器人的歷史 四足機器人的調查始于 20 世紀 60 年代，而四足機器人的動態(tài)運動性能的研究則是從 20 世紀 80 年代開始的。Marc Raibert 和他的同事們在一、二四條腿的機器人腿部運動方面取得了巨大的成功。 20 世紀 60 年代初，許多國外的科學家和研究人員致力于研究條腿式機器人。在 1960 年，Shigley 提出

6、采用聯(lián)動機構，包括四桿機構、凸輪機構、縮放機構，作為腿式機器人的運動機構。腿部的運動由一組雙搖桿機構控制[4]。McGhee 和 Frank 于 1966 年制作了被稱為“Phoney Pony”的四足機器。這是第一輛腿式的運載工具，在全電腦控制下自主行走。每條腿有兩個自由度（DOFs）系統(tǒng)，并能進行簡單的爬行運動，以及取決于選定狀態(tài)圖的對角線小跑。Phoney Pony 具有十分重要的意義，因為它激發(fā)了 McGhee 去建立新的在步行機器人的歷史上也起到重要作用的機器：OSU hexapod 和 Adaptive Suspension Vehicle（ASV）[5]。 在 80 年代初

7、，美國麻省理工學院（MIT）的 Marc Raibert，H. Miura，我以及日本東京大學的 Shimoyama 首次對步行機器人進行了系統(tǒng)的研究。Marc Raibert 建立平面以及立體的獨腿跳躍機器人。在 Raibert 關于跳躍機器人的三個控制原理的基礎上，兩足和四足可以跑可以跳的機器人隨后也制造出來。這是四足機器人動態(tài)步態(tài)運動控制的一個里程碑[6]。在 1984 至 1987 年間，動態(tài)行走的四足機器人 Collie-1 和 Collie-2 已經研制成功，東京大學的 Professor Miura 和 Professor Shimoyama 對此進行了更深入的研究。這些機器人可

8、以實現小跑和踱步以及小跑和踱步之間的過渡 [7]。 嚴格地說，TITAN 系列四足機器人并不屬于仿哺乳動物的機器人，但它也是機器人發(fā)展史上的一個里程碑。TITAN III 是一種在 TITAN 系列中具有立體收縮結構腿的四足機器人。它安裝了了姿態(tài)傳感器和觸須傳感器，并裝有智能步態(tài)控制系統(tǒng)，來根據傳感器的信息作出決定，以實現靜態(tài)地形自適應步行[8]。隨著四足機器人的進一步發(fā)張，在德國一個名為“BISAM”的四足步行機器人由 R. Dillmann 和他的研究小組制造出來。一種基于耦合振子的自適應控制方法被用來模擬 BISAM 周期運動，在 BISAM 的實驗平臺上，一種基于仿生的為實現動態(tài)

9、穩(wěn)定運動的自適應控制架構——魯棒控制法被提了出來[9]。 在 1999 年，基于中樞模式發(fā)生器（CPGs），Kimura 和他的在京都技術研究所的同事們研究了四足機器人動態(tài)步行的方式。四足機器人 Patrush 以及后來的 Tekken 系列機器被開發(fā)出來。在 Tekken 系列中，獨立的四足機器人 Tekken II 是由電機驅動，使用了機械彈簧和關節(jié)間的柔性連接，采用 CPGs 和反射，實現了動態(tài)行走[10]。在 2009 年，Kimura 又開始研制四足機器人“Kotetsu”，采用基于腿部加載/卸載的相位調制的方法，挑戰(zhàn)了一般使用自適應動態(tài)行走的四足運動控制方法。 在 19

10、99 年，一個動態(tài)穩(wěn)定運行具有簡單機械機構的四足機器人——Scout II 被麥吉爾大學機器人實驗室(ARL)的 Martin Buehler 設計出來，用于探究哺乳動物的動態(tài)步態(tài)。 自 1998 年以來，斯德哥爾摩皇家技術研究所一直在開發(fā)一臺名為“Warp1”適應復雜地形的四足仿生機器人平臺。此平臺的目的是研究在復雜環(huán)境中的自動行走和實現動靜態(tài)的步行運動[13]。在 2001 年左右，斯坦福大學的 Kenneth Waldron 和他的團隊與美國俄亥俄州立大學合作設計出了 KOLT 機器人 [14]。 Marc Raibert 和他的同事們于 1992 年創(chuàng)立了波士頓動力公司（B

11、DI）。他們于 2004 年重新啟動四足仿生機器人的研究項目。此外，在 2005 年第一代的四足機器人被命名為“BigDog”。在 2008 年開發(fā)了第二代的 BigDog，如圖 1 所示。第二代的 BigDog 是 1m 長，0.7 米高，重約 75 公斤。它的每條腿有四個自由度，有由液壓驅動的轉動關節(jié)，在腳上還有一個基于氣動彈簧的被動線性關節(jié)。 BigDog 可以在 30 度的坡上行走，以 1.8 米/秒的速度慢跑，有超過 153 公斤的有效載荷，可以穿行于森林和冰雪，在冰上滑動或側面被踢后恢復平衡[15]。

12、 圖 1 大狗機器人。 2009 年 12 月，BDI 已被美國國防高級研究計劃局(DARPA)授予合同，研發(fā)LS3——第一梯隊支持系統(tǒng)。LS3 是一個動態(tài)的機器人，可以去任何士兵和海軍陸戰(zhàn)隊可以步行到達的地方。每個 LS3 將攜帶 400 磅的齒輪和足夠行駛 20 英里持續(xù) 24 小時的燃料。LS3 不需要駕駛員，因為它會自動跟隨計算機視覺的指引， 或者可以使用遙感和全球定位系統(tǒng)到達指定地點。 BDI 預計研發(fā)需要 30 個月，在 2012 年制成原型樣機[16]。 2011 年 3 月 1 日，由于 DARP

13、A 的資金援助，BDI 也將研發(fā)獵豹機器人。獵豹機器人將有四條腿，一個靈活的脊椎，鉸接式頭部/頸部，也可能有尾巴。它將比現有的所有機器人或是人類跑的都快，急速地轉彎來追逐或者是逃避，可以迅速從靜止加速，也可以迅速停止 [17]。如果獵豹機器人的原型可以實現，這將是機器人發(fā)展最重要的一個里程碑。 最近，韓國的工業(yè)技術研究所和 ROTEM 公司的研究人員開發(fā)了液壓驅動的四足步行機器人。這個機器人的所有關節(jié)都是由液壓旋轉驅動器驅動，可以攜帶很高的載荷，并可以在崎嶇地面快速移動。這種類型的機器人實現了在實驗環(huán)境中地形小跑的步態(tài)[18，19]。 通過把液壓裝置與電動機相結合，意大利技術研究所

14、的研究人員目前正在興建的四足機器人（名為 HYQ）可以執(zhí)行高度動態(tài)的任務，比如雙腿跳躍，單腿跳躍和奔跑[20]。到目前為止，機器人 HYQ 只是實現了對使用線性液壓執(zhí)行機構的單腿位置的控制。 除了國外機器人的發(fā)展，上海交通大學的 Sunpei Ma 于 1996 年首次在國內研制了一臺名為 JTUWM-III 的機器人。JTUWM-III 機器人的每條腿有三個活動關節(jié)和柔性關節(jié)。每個活動關節(jié)采用直流伺服電機來驅動 [21]。清華大學的 Xiuli Zhang 和她的同事于 2003 年開發(fā)了 Biobot（仿生機器人）。她提出了一個基于 Matsuoka 振蕩器的全面 CPG 拓撲網絡結

15、構。此外，還實現了有節(jié)律的運動和不同步態(tài)間的轉換。在 CPG 模型的基礎上 Biobot 在現實環(huán)境中的運動能力也得到了提高[22]。在 2006 年，Xuedong Chen 和他的同事們開發(fā)出了名為“MiniQuad” 的模塊化的機器人，通過改變其模塊布局，它可以被重新配置到包括四足和六足結構在內的不同結構中，以實現不同的任務[23，24]。此外，其他四足機器人也已被一些研究機構和大學研制出來，例如被中科院智能機械研究所報道的由西北工業(yè)大學開發(fā)的名為 TIM1 的仿哺乳動物四足機器人，以及中科院自動化研究所研制的由電力驅動的大型四足機器人。 B.四足機器人的驅動模式 一般

16、情況下，機器人的驅動方式包括電動，氣動和液壓。 電動馬達由于其技術先進性和低廉的價格的而成為機器人領域中最常見的驅動器。但是，減速齒輪是電動馬達裝置中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，而且許多部件容易磨損。氣動和液壓非常相似，只不過氣動采用了壓縮氣而不是液體來提供壓力。氣動系統(tǒng)的反應非常迅速。但空氣的可壓縮性導致系統(tǒng)的精確定位難以實現。 液壓油工作在 21MPa 的高壓（部分系統(tǒng)可達 70MPa）。這使得液壓裝置有非常高的比功率，高帶寬，快響應以及一定程度上的精準性[25]。液壓裝置在大功率的應用中是非常高效的。 近年來，許多研究人員一直在開發(fā)高度動態(tài)和重載任務四足機器人的液壓驅動裝置，因為

17、它們的性質非常適合高度動態(tài)的腿式機器人。波士頓動力公司的 Raibert 研發(fā)的 BigDog 是最為先進的液壓驅動四足機器人[15]。許多其他液壓四足機器人也被研發(fā)出來或正在被研發(fā)。例如，韓國正在研制的液壓驅動四足機器人 P2，將被用于軍事上[18，19]。意大利技術研究所的研究人員正在研制結合了液壓和電動的 HYQ 機器人，以實現高度動態(tài)的任務，像雙腿跳躍，單腿跳躍以及奔跑[20]。 三、四足機器人的發(fā)展趨勢 四足仿生機器人的發(fā)展趨勢主要由液壓裝置的驅動功率模式決定，也就是需要提高其功率重量比，實現快速響應，較強的魯棒穩(wěn)定性和長距離行走能力。在復雜地形的環(huán)境識別，信息融合，步態(tài)

18、生成，位置反饋調節(jié)，四肢軀干的軌跡規(guī)劃以及穩(wěn)定控制策略中的關鍵技術仍然需要更深入的研究。這種發(fā)展可以使四足機器人推廣到實際應用中。具體的發(fā)展趨勢如下 1）仿生：仿生造型和結構，仿生步態(tài) 千年的演化后，哺乳類動物的骨骼結構和步態(tài)及其獨特的行走模式已達到適應環(huán)境的最高水平。因此，哺乳動物的身體結構，自由度和關節(jié)結構是仿生機器人的最佳參考。為了使設計的四足仿生機器人如哺乳動物般更加靈活和高效，結構和控制理論成為一個重要的發(fā)展趨勢。 2）重量輕，高載荷：高功率密度驅動裝置 具有功率密度高，重量輕和高負載的驅動裝置是機器人研究領域中基礎的關鍵技術。此外，它是四足仿生機器人實現高動

19、態(tài)，高適應性和高負載的重大突破的先決條件和核心技術。 3）高機動性：快速響應，高速運動和適應環(huán)境 四足機器人的新水平和發(fā)展的必然趨勢，是在復雜的環(huán)境中完成高品質的工作任務?？焖夙憫透咚龠\動是處理環(huán)境干擾和地形變化的影響，尤其是在現場環(huán)境中的復雜任務的一個基本條件?？焖傩凶吣芰σ彩且粋€研究的熱點，同時是研究高性能四足機器人需要解決的重要課題。 4）智能：學習，進化和自動控制 模仿人類和生物的學習能力，演化和決策控制對實現機器人的智能化非常重要。這是機器人適應復雜環(huán)境，完成工作任務，自我學習，自我提升的先決條件。因此，這是一個重要的發(fā)展方向，也是當前和將來機器人研究的核心

20、內容。 5）和諧的人-機：人機交互和安全協(xié)調 機器人的基本準則是服務且隸屬于人類，并且在人和機器之間要保持和諧。在聽覺，視覺，手勢，思維和其他的多模式感知方面，自然而友好的交互，是機器人研究的基本任務。在未來，實現人機交互和安全協(xié)調是為了人機的和諧。 四、四足機器人的技術難點 A.基于仿生學的機器人的機械設計 四足機器人設計的首要難點是是仿生機制的建設。生物數據已經被用于幫助選擇機器人的基本物理參數，如體長，腿的剛度，臀高。機器人的物理參數對機器人關鍵性能，如執(zhí)行機構的驅動力和負載能力的影響，并沒有得到充分研究 [26]。 在仿生學和四足動物仿生技術研

21、究的基礎上，仿生機構的機制，不同步態(tài)生成方法，在一些緊急情況下身體恢復平衡的方法，迫切需要得到研究。如果解決 了這一難題，研究人員就可以設計巧妙，剛度大，重量輕和靈活運動性能，符合現代仿生技術的四足機器人的驅動機構和本體結構。因此，技術難點在于優(yōu)化運動機制，并進一步完成結構設計，使其具有重量輕，抗沖擊，能越障和較穩(wěn)定的特點。 B.設計和制造具有高帶寬，體積小，高精度的液壓驅動裝置 1）設計制造具有高壓力，高帶寬，高精度，大流量，輕質量等特點，由集成液壓缸，伺服閥，力/位置傳感器和數字控制器組成的液壓裝置是技術難點。 2）具有高速度高精度特點的力與位置混合控制技術是另一個

22、技術難點。液壓伺服單元是一個具有較強的非線性和強烈的不確定性特點的系統(tǒng)。時變參數和負載力，速度和位置的變化對驅動系統(tǒng)的液壓有很大影響。因此，需要特殊的混合控制算法來解決這個問題。 C.環(huán)境感知和自主導航 實現環(huán)境感知和機器人自主導航的關鍵難點歸納如下：異構源和多尺度數據登記，校準和整合的問題，對象、環(huán)境、時間的語義表達，基于智能生物認知機制的人工認知系統(tǒng)的設計，長時間，高精度的自對準組合導航算法，復雜地形通行路徑的規(guī)劃等。 D.四足機器人動態(tài)步伐瞬態(tài)生成技術 在非結構化的情況下，四足仿生機器人應采取各種自適應步態(tài)。步態(tài)過渡的瞬態(tài)要求對高機動性是必要的。運動穩(wěn)定要求姿勢改

23、變和運動時步態(tài)改變的穩(wěn)定性。同時，由于慣性力，沖擊力，腳和地面的沖擊，外部力量的干擾，滑動摩擦和其他步態(tài)因素的影響，步態(tài)生成方法和御用控制難以達到上述的要求。 E.四足機器人在快速移動，地面干擾和外力影響等條件下的步態(tài)規(guī)劃 和動態(tài)控制策略 四足機器人是一種串行平行和高度支鏈化的系統(tǒng)。機器人的參數有大量的時變特性。一些復雜的因素，如時變參數，動態(tài)步態(tài)的穩(wěn)定性能，地形變化的不確定性，外力的影響，給姿態(tài)控制的穩(wěn)定性研究帶來了很多難題。 F.基于環(huán)境感知在復雜地形下的實時移動和快速感知技術 四足仿生機器人發(fā)展的主要目標之一是實現穩(wěn)定和快速運動?；诃h(huán)境感知模型重建和機器人

24、姿態(tài)控制的穩(wěn)定，目標識別，運動規(guī)劃，步態(tài)規(guī)劃和動態(tài)約束下的運動控制和其他技術問題，應得到解決和跟蹤。姿態(tài)實時調整，步態(tài)，路徑和能耗問題也應該被考慮。最終目標是實現穩(wěn)定性，移動性和能耗問題的最優(yōu)化，以及在復雜環(huán)境中既定任務的高完成度。 G.具有高動態(tài)性，高機動性，高載荷能力的四足機器人的系統(tǒng)集成方 法 高性能的四足仿生機器人是一種高層次的綜合平臺，包括一個新的仿生機制，微型和小功率，高頻率和大功率的驅動，高速的動態(tài)環(huán)境，姿勢感知和高速實時 控制。四足步行機器人集成平臺需要數字液壓伺服，發(fā)動機，傳感器和電氣控制系統(tǒng)復雜的集成技術。 五、山東大學機器人研究中心的四足機器

25、人的研發(fā) 在液壓驅動的四足機器人的開發(fā)中，設計驅動器和制定動態(tài)步態(tài)是非常重要 的。 在 2010 年，SURO（山東大學機器人研究中心）和南京工程飛行系統(tǒng)研究所研制出了為四足機器人設計的集成式液壓驅動裝置，如圖 2 和圖 3。具有高精度，高帶寬，小體積特點的特殊器件被用來制作伺服閥，位移傳感器和壓力傳感器。缸體和伺服閥板集成在一起以降低液壓驅動裝置系統(tǒng)的重量。 圖 2 液壓驅動裝置系統(tǒng)實物圖 1

26、. 活塞桿 2.缸體 3.位移傳感器 4, 6.壓力傳感器 5, 7 伺服閥 圖 3 集成液壓驅動裝置的 CAD 模型 通過 ANSYS 來模擬液壓驅動裝置系統(tǒng)的強度校核和模態(tài)分析。控制性能和控制參數的優(yōu)化通過半實物仿真系統(tǒng)—Dspace 來評估。液壓驅動裝置系統(tǒng)的性能 如下：重量不足 2kg，伺服驅動器的最大工作行程是 60mm，最大的動力是 700kgf，最高工作速度是 0.48m/s，伺服驅動器的頻率遠遠大于 100Hz。設計的液壓驅動裝置系統(tǒng)的性能足夠滿足四足機器人的動態(tài)步態(tài)和承載相當的載荷。 在上面講到的液壓驅動裝置的基礎上，SUCRO 研制出了被稱為“Han

27、ma”（SUCROHanma）的四座機器人實驗平臺。 我們開發(fā)的液壓驅動的四足機器人如圖 4。四足機器人的主體機械結構由具有良好強度質量比的鋁合金制作。初始姿態(tài)，其高度為 0.67m。1m 長，0.4m 寬。其重量為 50 公斤，不包括液壓動力源。四足機器人安裝的線性液壓驅動裝置可實現高負重和在不平坦地形上的快速移動。一條腿模塊包括髖關節(jié)，肩關節(jié)和一個膝關節(jié)，所以液壓四足每條腿有三個自由度，總共 12 個自由度。 圖 4 四足機器人實物模型 我們已經在室內環(huán)境下在該平臺上做了實驗，可實現至少 1m/s 的小跑。圖 5 是四足機器人

28、在負重 80Kg 的情況下以 0.4m/s 的速度移動。驗結果表明，開發(fā)的機器人平臺的關節(jié)具有足夠的驅動功率和剛度。 圖 5 機器人負重 80Kg（0.4m/s） 六、總結及未來工作 四足仿生機器人展示了在不同地形，以不同速度和步態(tài)移動的優(yōu)越性。由于波士頓動力工程公司的 Bigdog 和 cheetah 機器人的優(yōu)秀表現，機器人領域已經掀起了液壓四足步行機器人的研究熱潮。 動態(tài)穩(wěn)定性的實現和機載液壓驅動系統(tǒng)是四足仿生機器人的發(fā)展方向和技術難點。在過去的五十年，四足仿生機器人已

29、實現更快速，更高效，更可靠，并有相當的有效載荷能力。隨著機器人技術的發(fā)展，具有現場環(huán)境自適應能力，可實現高動態(tài)性，高速度和更大的負載能力的智能四足仿生機器人將會被研制出來。 與國外先進技術相比，中國的機器人技術相對落后，需要盡快進行相關研究。我們應該在一些基礎的關鍵技術方面取得突破，促進機器人技術的快速發(fā)展，以滿足在國防建設等領域的需要。 參考文獻： [1] J. Z. Kolter, M. P. Rodgers and A.Y. Ng, “A control architecture for quadruped locomotion over rough terrain,”

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