仿生四足機(jī)器人的研究回顧與展望

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1、 仿生四足機(jī)器人的研究：回顧與展望 摘要：本文側(cè)重于仿生四足機(jī)器人。在這一領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)高動(dòng)力性和高負(fù)載能力的仿生四足機(jī)器人。本文首先介紹了仿生四足機(jī)器人，尤其是具有里程碑意義的四足機(jī)器人的歷史。然后回顧了仿生四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模式的現(xiàn)代技術(shù)。隨后，描述了四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)?；诜律淖銠C(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要回顧了四足機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)。又介紹了山東大學(xué)研制的液壓四足機(jī)器人。最后是總結(jié)和展望未來(lái)的四足機(jī)器人。 一、導(dǎo)言 代替人類(lèi)在復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人的需求引起越來(lái)越多的關(guān)注，如煤礦井下，核電站，以及打擊恐怖主義的戰(zhàn)爭(zhēng)。一般移動(dòng)機(jī)器人可分為三種

2、類(lèi)型：空中機(jī)器人，水下機(jī)器人和地面機(jī)器人。地面機(jī)器人的開(kāi)發(fā)主要是運(yùn)用軌道或輪子。輪式和履帶式機(jī)器人可以在平整地面工作，但大多數(shù)是無(wú)法在凹凸不平的地面上工作。換句話(huà)說(shuō)，現(xiàn)有的地面機(jī)器人只能在部分地面工作。與輪式和履帶式機(jī)器人相比，腿式機(jī)器人有可能適應(yīng)更為廣泛的地形，就像如同有腿的動(dòng)物，幾乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，即便在高度復(fù)雜的環(huán)境中也一樣。因此，近些年人們積極地投入腿式機(jī)器人的研究中。腿式機(jī)器人可以去動(dòng)物能夠到達(dá)的地方，應(yīng)該要構(gòu)建并運(yùn)用于實(shí)際。盡管機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域取得了巨大成就，腿式機(jī)器人仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于它們的仿生學(xué) [1，2]。 基于機(jī)械結(jié)構(gòu)，腿式機(jī)器人可分為步

3、行機(jī)器人和爬行機(jī)器人。與爬行動(dòng)物的機(jī)器人相比，步行機(jī)器人幾乎與軀干垂直的腿被認(rèn)為更適應(yīng)載重。步行機(jī)器人可以有效地承受更大的載重。具有聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步行機(jī)器人具有良好的行走速度和運(yùn)輸能力。因此，基于哺乳類(lèi)動(dòng)物的仿生機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 現(xiàn)已有一、二、三、四甚至更多條腿的腿式機(jī)器人。最普遍的是具有高效率步態(tài)和穩(wěn)定性能的偶數(shù)條腿的腿式機(jī)器人 [3]。在腿式機(jī)器人中，四足機(jī)器人具有良好的機(jī)動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，而典型的雙足機(jī)器人，缺乏運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。從系統(tǒng)和控制器的設(shè)計(jì)上來(lái)看，四足機(jī)器人也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。另一方面，四足機(jī)器人在構(gòu)建和維護(hù)上又比六足要簡(jiǎn)單。四足機(jī)器人比輪式或履帶

4、式機(jī)器人更加靈活，并比雙足機(jī)器人穩(wěn)定。因此，許多研究人員和組織在生物動(dòng)態(tài)步態(tài)的啟發(fā)下致力于四足機(jī)器人的研究，以使機(jī)器人具有高平衡能力和高負(fù)載能力。在一般情況下，為了提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，增加步行速度和運(yùn)輸能力，就需要具有大帶寬和高輸出功率的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人控制系統(tǒng)，即用來(lái)控制四足機(jī)器人動(dòng)作，步態(tài)生成和轉(zhuǎn)換，應(yīng)在在未來(lái)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(jī)器人的歷史和驅(qū)動(dòng)模式的發(fā)展趨勢(shì)。第三部分介紹了四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。然后，在第四部分分析了四足機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)。第五部分介紹了中國(guó)山東大學(xué)正在開(kāi)發(fā)的液壓四足機(jī)器人。最后一部分是總結(jié)和展望未來(lái)的四足機(jī)器人。

5、二、四足仿生機(jī)器人的歷史 本節(jié)回顧具有聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人的歷史。我們首先關(guān)注基于仿生學(xué)的四足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。然后回顧了四足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模式的發(fā)展趨勢(shì)， 特別詳細(xì)介紹了液壓驅(qū)動(dòng)，這樣一個(gè)提高了動(dòng)力性能和負(fù)載能力的新型驅(qū)動(dòng)模式。 A.四足仿生機(jī)器人的歷史 四足機(jī)器人的調(diào)查始于 20 世紀(jì) 60 年代，而四足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能的研究則是從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始的。Marc Raibert 和他的同事們?cè)谝?、二四條腿的機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)方面取得了巨大的成功。 20 世紀(jì) 60 年代初，許多國(guó)外的科學(xué)家和研究人員致力于研究條腿式機(jī)器人。在 1960 年，Shig

6、ley 提出采用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、縮放機(jī)構(gòu)，作為腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。腿部的運(yùn)動(dòng)由一組雙搖桿機(jī)構(gòu)控制[4]。McGhee 和 Frank 于 1966 年制作了被稱(chēng)為“Phoney Pony”的四足機(jī)器。這是第一輛腿式的運(yùn)載工具，在全電腦控制下自主行走。每條腿有兩個(gè)自由度（DOFs）系統(tǒng)，并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的爬行運(yùn)動(dòng)，以及取決于選定狀態(tài)圖的對(duì)角線(xiàn)小跑。Phoney Pony 具有十分重要的意義，因?yàn)樗ぐl(fā)了 McGhee 去建立新的在步行機(jī)器人的歷史上也起到重要作用的機(jī)器：OSU hexapod 和 Adaptive Suspension Vehicle（ASV）[5]。 在

7、80 年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的 Marc Raibert，H. Miura，我以及日本東京大學(xué)的 Shimoyama 首次對(duì)步行機(jī)器人進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。Marc Raibert 建立平面以及立體的獨(dú)腿跳躍機(jī)器人。在 Raibert 關(guān)于跳躍機(jī)器人的三個(gè)控制原理的基礎(chǔ)上，兩足和四足可以跑可以跳的機(jī)器人隨后也制造出來(lái)。這是四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)運(yùn)動(dòng)控制的一個(gè)里程碑[6]。在 1984 至 1987 年間，動(dòng)態(tài)行走的四足機(jī)器人 Collie-1 和 Collie-2 已經(jīng)研制成功，東京大學(xué)的 Professor Miura 和 Professor Shimoyama 對(duì)此進(jìn)行了更深入的研究。

8、這些機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)小跑和踱步以及小跑和踱步之間的過(guò)渡 [7]。 嚴(yán)格地說(shuō)，TITAN 系列四足機(jī)器人并不屬于仿哺乳動(dòng)物的機(jī)器人，但它也是機(jī)器人發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。TITAN III 是一種在 TITAN 系列中具有立體收縮結(jié)構(gòu)腿的四足機(jī)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(lái)根據(jù)傳感器的信息作出決定，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)地形自適應(yīng)步行[8]。隨著四足機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)張，在德國(guó)一個(gè)名為“BISAM”的四足步行機(jī)器人由 R. Dillmann 和他的研究小組制造出來(lái)。一種基于耦合振子的自適應(yīng)控制方法被用來(lái)模擬 BISAM 周期運(yùn)動(dòng)，在 BISAM 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，一種基于仿生

9、的為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)控制架構(gòu)——魯棒控制法被提了出來(lái)[9]。 在 1999 年，基于中樞模式發(fā)生器（CPGs），Kimura 和他的在京都技術(shù)研究所的同事們研究了四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行的方式。四足機(jī)器人 Patrush 以及后來(lái)的 Tekken 系列機(jī)器被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在 Tekken 系列中，獨(dú)立的四足機(jī)器人 Tekken II 是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用了機(jī)械彈簧和關(guān)節(jié)間的柔性連接，采用 CPGs 和反射，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)行走[10]。在 2009 年，Kimura 又開(kāi)始研制四足機(jī)器人“Kotetsu”，采用基于腿部加載/卸載的相位調(diào)制的方法，挑戰(zhàn)了一般使用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)行走的四足運(yùn)動(dòng)控制方

10、法。 在 1999 年，一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行具有簡(jiǎn)單機(jī)械機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人——Scout II 被麥吉爾大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(ARL)的 Martin Buehler 設(shè)計(jì)出來(lái)，用于探究哺乳動(dòng)物的動(dòng)態(tài)步態(tài)。 自 1998 年以來(lái)，斯德哥爾摩皇家技術(shù)研究所一直在開(kāi)發(fā)一臺(tái)名為“Warp1”適應(yīng)復(fù)雜地形的四足仿生機(jī)器人平臺(tái)。此平臺(tái)的目的是研究在復(fù)雜環(huán)境中的自動(dòng)行走和實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)的步行運(yùn)動(dòng)[13]。在 2001 年左右，斯坦福大學(xué)的 Kenneth Waldron 和他的團(tuán)隊(duì)與美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)合作設(shè)計(jì)出了 KOLT 機(jī)器人 [14]。 Marc Raibert 和他的同事們于 1992 年創(chuàng)立

11、了波士頓動(dòng)力公司（BDI）。他們于 2004 年重新啟動(dòng)四足仿生機(jī)器人的研究項(xiàng)目。此外，在 2005 年第一代的四足機(jī)器人被命名為“BigDog”。在 2008 年開(kāi)發(fā)了第二代的 BigDog，如圖 1 所示。第二代的 BigDog 是 1m 長(zhǎng)，0.7 米高，重約 75 公斤。它的每條腿有四個(gè)自由度，有由液壓驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在腳上還有一個(gè)基于氣動(dòng)彈簧的被動(dòng)線(xiàn)性關(guān)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(guò) 153 公斤的有效載荷，可以穿行于森林和冰雪，在冰上滑動(dòng)或側(cè)面被踢后恢復(fù)平衡[15]。

12、 圖 1 大狗機(jī)器人。 2009 年 12 月，BDI 已被美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)授予合同，研發(fā)LS3——第一梯隊(duì)支持系統(tǒng)。LS3 是一個(gè)動(dòng)態(tài)的機(jī)器人，可以去任何士兵和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)可以步行到達(dá)的地方。每個(gè) LS3 將攜帶 400 磅的齒輪和足夠行駛 20 英里持續(xù) 24 小時(shí)的燃料。LS3 不需要駕駛員，因?yàn)樗鼤?huì)自動(dòng)跟隨計(jì)算機(jī)視覺(jué)的指引， 或者可以使用遙感和全球定位系統(tǒng)到達(dá)指定地點(diǎn)。 BDI 預(yù)計(jì)研發(fā)需要 30 個(gè)月，在 2012 年制成原型樣機(jī)[16]。 2011 年 3

13、 月 1 日，由于 DARPA 的資金援助，BDI 也將研發(fā)獵豹機(jī)器人。獵豹機(jī)器人將有四條腿，一個(gè)靈活的脊椎，鉸接式頭部/頸部，也可能有尾巴。它將比現(xiàn)有的所有機(jī)器人或是人類(lèi)跑的都快，急速地轉(zhuǎn)彎來(lái)追逐或者是逃避，可以迅速?gòu)撵o止加速，也可以迅速停止 [17]。如果獵豹機(jī)器人的原型可以實(shí)現(xiàn)，這將是機(jī)器人發(fā)展最重要的一個(gè)里程碑。 最近，韓國(guó)的工業(yè)技術(shù)研究所和 ROTEM 公司的研究人員開(kāi)發(fā)了液壓驅(qū)動(dòng)的四足步行機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)都是由液壓旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，可以攜帶很高的載荷，并可以在崎嶇地面快速移動(dòng)。這種類(lèi)型的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中地形小跑的步態(tài)[18，19]。 通過(guò)把液壓裝置與電

14、動(dòng)機(jī)相結(jié)合，意大利技術(shù)研究所的研究人員目前正在興建的四足機(jī)器人（名為 HYQ）可以執(zhí)行高度動(dòng)態(tài)的任務(wù)，比如雙腿跳躍，單腿跳躍和奔跑[20]。到目前為止，機(jī)器人 HYQ 只是實(shí)現(xiàn)了對(duì)使用線(xiàn)性液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單腿位置的控制。 除了國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展，上海交通大學(xué)的 Sunpei Ma 于 1996 年首次在國(guó)內(nèi)研制了一臺(tái)名為 JTUWM-III 的機(jī)器人。JTUWM-III 機(jī)器人的每條腿有三個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)和柔性關(guān)節(jié)。每個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)采用直流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng) [21]。清華大學(xué)的 Xiuli Zhang 和她的同事于 2003 年開(kāi)發(fā)了 Biobot（仿生機(jī)器人）。她提出了一個(gè)基于 Matsuoka 振蕩

15、器的全面 CPG 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，還實(shí)現(xiàn)了有節(jié)律的運(yùn)動(dòng)和不同步態(tài)間的轉(zhuǎn)換。在 CPG 模型的基礎(chǔ)上 Biobot 在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力也得到了提高[22]。在 2006 年，Xuedong Chen 和他的同事們開(kāi)發(fā)出了名為“MiniQuad” 的模塊化的機(jī)器人，通過(guò)改變其模塊布局，它可以被重新配置到包括四足和六足結(jié)構(gòu)在內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)中，以實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)[23，24]。此外，其他四足機(jī)器人也已被一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)研制出來(lái)，例如被中科院智能機(jī)械研究所報(bào)道的由西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的名為 TIM1 的仿哺乳動(dòng)物四足機(jī)器人，以及中科院自動(dòng)化研究所研制的由電力驅(qū)動(dòng)的大型四足機(jī)器人。

16、B.四足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模式 一般情況下，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式包括電動(dòng)，氣動(dòng)和液壓。 電動(dòng)馬達(dá)由于其技術(shù)先進(jìn)性和低廉的價(jià)格的而成為機(jī)器人領(lǐng)域中最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器。但是，減速齒輪是電動(dòng)馬達(dá)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(dòng)和液壓非常相似，只不過(guò)氣動(dòng)采用了壓縮氣而不是液體來(lái)提供壓力。氣動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)非常迅速。但空氣的可壓縮性導(dǎo)致系統(tǒng)的精確定位難以實(shí)現(xiàn)。 液壓油工作在 21MPa 的高壓（部分系統(tǒng)可達(dá) 70MPa）。這使得液壓裝置有非常高的比功率，高帶寬，快響應(yīng)以及一定程度上的精準(zhǔn)性[25]。液壓裝置在大功率的應(yīng)用中是非常高效的。 近年來(lái)，許多研究人員一直在開(kāi)發(fā)高度動(dòng)態(tài)和重

17、載任務(wù)四足機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，因?yàn)樗鼈兊男再|(zhì)非常適合高度動(dòng)態(tài)的腿式機(jī)器人。波士頓動(dòng)力公司的 Raibert 研發(fā)的 BigDog 是最為先進(jìn)的液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人[15]。許多其他液壓四足機(jī)器人也被研發(fā)出來(lái)或正在被研發(fā)。例如，韓國(guó)正在研制的液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人 P2，將被用于軍事上[18，19]。意大利技術(shù)研究所的研究人員正在研制結(jié)合了液壓和電動(dòng)的 HYQ 機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)的任務(wù)，像雙腿跳躍，單腿跳躍以及奔跑[20]。 三、四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 四足仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)主要由液壓裝置的驅(qū)動(dòng)功率模式?jīng)Q定，也就是需要提高其功率重量比，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性和長(zhǎng)距離行走能力。

18、在復(fù)雜地形的環(huán)境識(shí)別，信息融合，步態(tài)生成，位置反饋調(diào)節(jié)，四肢軀干的軌跡規(guī)劃以及穩(wěn)定控制策略中的關(guān)鍵技術(shù)仍然需要更深入的研究。這種發(fā)展可以使四足機(jī)器人推廣到實(shí)際應(yīng)用中。具體的發(fā)展趨勢(shì)如下 1）仿生：仿生造型和結(jié)構(gòu)，仿生步態(tài) 千年的演化后，哺乳類(lèi)動(dòng)物的骨骼結(jié)構(gòu)和步態(tài)及其獨(dú)特的行走模式已達(dá)到適應(yīng)環(huán)境的最高水平。因此，哺乳動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)，自由度和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是仿生機(jī)器人的最佳參考。為了使設(shè)計(jì)的四足仿生機(jī)器人如哺乳動(dòng)物般更加靈活和高效，結(jié)構(gòu)和控制理論成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。 2）重量輕，高載荷：高功率密度驅(qū)動(dòng)裝置 具有功率密度高，重量輕和高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)裝置是機(jī)器人研究領(lǐng)域中基礎(chǔ)

19、的關(guān)鍵技術(shù)。此外，它是四足仿生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)，高適應(yīng)性和高負(fù)載的重大突破的先決條件和核心技術(shù)。 3）高機(jī)動(dòng)性：快速響應(yīng)，高速運(yùn)動(dòng)和適應(yīng)環(huán)境 四足機(jī)器人的新水平和發(fā)展的必然趨勢(shì)，是在復(fù)雜的環(huán)境中完成高品質(zhì)的工作任務(wù)。快速響應(yīng)和高速運(yùn)動(dòng)是處理環(huán)境干擾和地形變化的影響，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的復(fù)雜任務(wù)的一個(gè)基本條件?？焖傩凶吣芰σ彩且粋€(gè)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)是研究高性能四足機(jī)器人需要解決的重要課題。 4）智能：學(xué)習(xí)，進(jìn)化和自動(dòng)控制 模仿人類(lèi)和生物的學(xué)習(xí)能力，演化和決策控制對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化非常重要。這是機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，完成工作任務(wù)，自我學(xué)習(xí)，自我提升的先決條件。因此，這是一個(gè)重

20、要的發(fā)展方向，也是當(dāng)前和將來(lái)機(jī)器人研究的核心內(nèi)容。 5）和諧的人-機(jī)：人機(jī)交互和安全協(xié)調(diào) 機(jī)器人的基本準(zhǔn)則是服務(wù)且隸屬于人類(lèi)，并且在人和機(jī)器之間要保持和諧。在聽(tīng)覺(jué)，視覺(jué)，手勢(shì)，思維和其他的多模式感知方面，自然而友好的交互，是機(jī)器人研究的基本任務(wù)。在未來(lái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和安全協(xié)調(diào)是為了人機(jī)的和諧。 四、四足機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn) A.基于仿生學(xué)的機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 四足機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要難點(diǎn)是是仿生機(jī)制的建設(shè)。生物數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于幫助選擇機(jī)器人的基本物理參數(shù)，如體長(zhǎng)，腿的剛度，臀高。機(jī)器人的物理參數(shù)對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵性能，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和負(fù)載能力的影響，并沒(méi)有得到充分研究 [

21、26]。 在仿生學(xué)和四足動(dòng)物仿生技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，仿生機(jī)構(gòu)的機(jī)制，不同步態(tài)生成方法，在一些緊急情況下身體恢復(fù)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(shè)計(jì)巧妙，剛度大，重量輕和靈活運(yùn)動(dòng)性能，符合現(xiàn)代仿生技術(shù)的四足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和本體結(jié)構(gòu)。因此，技術(shù)難點(diǎn)在于優(yōu)化運(yùn)動(dòng)機(jī)制，并進(jìn)一步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有重量輕，抗沖擊，能越障和較穩(wěn)定的特點(diǎn)。 B.設(shè)計(jì)和制造具有高帶寬，體積小，高精度的液壓驅(qū)動(dòng)裝置 1）設(shè)計(jì)制造具有高壓力，高帶寬，高精度，大流量，輕質(zhì)量等特點(diǎn)，由集成液壓缸，伺服閥，力/位置傳感器和數(shù)字控制器組成的液壓裝置是技術(shù)難點(diǎn)。 2

22、）具有高速度高精度特點(diǎn)的力與位置混合控制技術(shù)是另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。液壓伺服單元是一個(gè)具有較強(qiáng)的非線(xiàn)性和強(qiáng)烈的不確定性特點(diǎn)的系統(tǒng)。時(shí)變參數(shù)和負(fù)載力，速度和位置的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 C.環(huán)境感知和自主導(dǎo)航 實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵難點(diǎn)歸納如下：異構(gòu)源和多尺度數(shù)據(jù)登記，校準(zhǔn)和整合的問(wèn)題，對(duì)象、環(huán)境、時(shí)間的語(yǔ)義表達(dá)，基于智能生物認(rèn)知機(jī)制的人工認(rèn)知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間，高精度的自對(duì)準(zhǔn)組合導(dǎo)航算法，復(fù)雜地形通行路徑的規(guī)劃等。 D.四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步伐瞬態(tài)生成技術(shù) 在非結(jié)構(gòu)化的情況下，四足仿生機(jī)器人應(yīng)采取各種自適應(yīng)步態(tài)。步態(tài)

23、過(guò)渡的瞬態(tài)要求對(duì)高機(jī)動(dòng)性是必要的。運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定要求姿勢(shì)改變和運(yùn)動(dòng)時(shí)步態(tài)改變的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于慣性力，沖擊力，腳和地面的沖擊，外部力量的干擾，滑動(dòng)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(dá)到上述的要求。 E.四足機(jī)器人在快速移動(dòng)，地面干擾和外力影響等條件下的步態(tài)規(guī)劃 和動(dòng)態(tài)控制策略 四足機(jī)器人是一種串行平行和高度支鏈化的系統(tǒng)。機(jī)器人的參數(shù)有大量的時(shí)變特性。一些復(fù)雜的因素，如時(shí)變參數(shù)，動(dòng)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(lái)了很多難題。 F.基于環(huán)境感知在復(fù)雜地形下的實(shí)時(shí)移動(dòng)和快速感知技術(shù) 四足仿生機(jī)器人發(fā)展的主要目標(biāo)之

24、一是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和快速運(yùn)動(dòng)。基于環(huán)境感知模型重建和機(jī)器人姿態(tài)控制的穩(wěn)定，目標(biāo)識(shí)別，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，步態(tài)規(guī)劃和動(dòng)態(tài)約束下的運(yùn)動(dòng)控制和其他技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)得到解決和跟蹤。姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，步態(tài)，路徑和能耗問(wèn)題也應(yīng)該被考慮。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，移動(dòng)性和能耗問(wèn)題的最優(yōu)化，以及在復(fù)雜環(huán)境中既定任務(wù)的高完成度。 G.具有高動(dòng)態(tài)性，高機(jī)動(dòng)性，高載荷能力的四足機(jī)器人的系統(tǒng)集成方 法 高性能的四足仿生機(jī)器人是一種高層次的綜合平臺(tái)，包括一個(gè)新的仿生機(jī)制，微型和小功率，高頻率和大功率的驅(qū)動(dòng)，高速的動(dòng)態(tài)環(huán)境，姿勢(shì)感知和高速實(shí)時(shí) 控制。四足步行機(jī)器人集成平臺(tái)需要數(shù)字液壓伺服，發(fā)動(dòng)機(jī)，傳感器和電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜的集

25、成技術(shù)。 五、山東大學(xué)機(jī)器人研究中心的四足機(jī)器人的研發(fā) 在液壓驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器和制定動(dòng)態(tài)步態(tài)是非常重要 的。 在 2010 年，SURO（山東大學(xué)機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)的集成式液壓驅(qū)動(dòng)裝置，如圖 2 和圖 3。具有高精度，高帶寬，小體積特點(diǎn)的特殊器件被用來(lái)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(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)的重量。 圖 2 液壓驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)實(shí)物圖

26、 1. 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(qū)動(dòng)裝置的 CAD 模型 通過(guò) ANSYS 來(lái)模擬液壓驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)的強(qiáng)度校核和模態(tài)分析?？刂菩阅芎涂刂茀?shù)的優(yōu)化通過(guò)半實(shí)物仿真系統(tǒng)—Dspace 來(lái)評(píng)估。液壓驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)的性能 如下：重量不足 2kg，伺服驅(qū)動(dòng)器的最大工作行程是 60mm，最大的動(dòng)力是 700kgf，最高工作速度是 0.48m/s，伺服驅(qū)動(dòng)器的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 100Hz。設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)的性能足夠滿(mǎn)足四足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步態(tài)和承載相當(dāng)?shù)妮d荷。

27、在上面講到的液壓驅(qū)動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上，SUCRO 研制出了被稱(chēng)為“Hanma”（SUCROHanma）的四座機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 我們開(kāi)發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人如圖 4。四足機(jī)器人的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)由具有良好強(qiáng)度質(zhì)量比的鋁合金制作。初始姿態(tài)，其高度為 0.67m。1m 長(zhǎng)，0.4m 寬。其重量為 50 公斤，不包括液壓動(dòng)力源。四足機(jī)器人安裝的線(xiàn)性液壓驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)高負(fù)重和在不平坦地形上的快速移動(dòng)。一條腿模塊包括髖關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)和一個(gè)膝關(guān)節(jié)，所以液壓四足每條腿有三個(gè)自由度，總共 12 個(gè)自由度。 圖 4 四足機(jī)器人實(shí)物模型 我們已經(jīng)在室內(nèi)環(huán)境下在

28、該平臺(tái)上做了實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)至少 1m/s 的小跑。圖 5 是四足機(jī)器人在負(fù)重 80Kg 的情況下以 0.4m/s 的速度移動(dòng)。驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的機(jī)器人平臺(tái)的關(guān)節(jié)具有足夠的驅(qū)動(dòng)功率和剛度。 圖 5 機(jī)器人負(fù)重 80Kg（0.4m/s） 六、總結(jié)及未來(lái)工作 四足仿生機(jī)器人展示了在不同地形，以不同速度和步態(tài)移動(dòng)的優(yōu)越性。由于波士頓動(dòng)力工程公司的 Bigdog 和 cheetah 機(jī)器人的優(yōu)秀表現(xiàn)，機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)掀起了液壓四足步行機(jī)器人的研究熱潮。 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)和機(jī)載液壓驅(qū)

29、動(dòng)系統(tǒng)是四足仿生機(jī)器人的發(fā)展方向和技術(shù)難點(diǎn)。在過(guò)去的五十年，四足仿生機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)更快速，更高效，更可靠，并有相當(dāng)?shù)挠行лd荷能力。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，具有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境自適應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性，高速度和更大的負(fù)載能力的智能四足仿生機(jī)器人將會(huì)被研制出來(lái)。 與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，中國(guó)的機(jī)器人技術(shù)相對(duì)落后，需要盡快進(jìn)行相關(guān)研究。我們應(yīng)該在一些基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，以滿(mǎn)足在國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域的需要。 參考文獻(xiàn)： [1] J. Z. Kolter, M. P. Rodgers and A.Y. Ng, “A control architecture for qua

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