國內(nèi)外四足機(jī)器人發(fā)展 需要攻克以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)

1968年由美國GE公司Ralph Moshe設(shè)計(jì)的在崎嶇地形下幫助步兵攜帶的設(shè)備Walking Truck［9］如圖1-1，該設(shè)備是由四條相同的機(jī)械腿與機(jī)體相連接，機(jī)械腿是由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成有三個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)足端兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)方向的移動(dòng)，機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)是由操作人員通過控制換向閥控制四肢的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的，通過液壓伺服系統(tǒng)提供的各關(guān)節(jié)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)身體姿勢和腿部的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。在操作過程中主要依靠設(shè)備中的力反饋，操縱者來判斷運(yùn)動(dòng)情況。由于當(dāng)時(shí)的設(shè)備限制不具備智能控制，雖然操作起來比較費(fèi)力，但也實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)承載功能，仍是一項(xiàng)代表性的研究成果。

美國波士頓動(dòng)力學(xué)公司自1992年創(chuàng)立以來便開始研發(fā)機(jī)器人，并于 2005 年研發(fā)了四腿機(jī)器人 Big Dog［10］如圖 1-2。它主要是用四足哺乳動(dòng)物的結(jié)構(gòu)為仿生參考來進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，它的單腿運(yùn)動(dòng)主要是靠三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副來完成，整體結(jié)構(gòu)擁有 12 或 16 個(gè)主動(dòng)自由度，驅(qū)動(dòng)方式主要以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)來完成，在運(yùn)動(dòng)過程中通過機(jī)載系統(tǒng)對機(jī)器人的姿態(tài)和環(huán)境進(jìn)行檢測，然后利用虛擬模型對機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，再根據(jù)實(shí)際的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行輸出，從而完成整體的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式使得機(jī)器人具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)性。

此外，美國波士頓動(dòng)力公司在 Big Dog 基礎(chǔ)上又研制了 Cheetah、Little Dog［11］，如圖 1-3、圖 1-4 所示，其中 Cheetah 是世界上速度最快的機(jī)器人的記錄，它的速度每小時(shí)超過 29 英里，動(dòng)力來自于液壓泵。其中 Little Dog 用于研究動(dòng)態(tài)控制、復(fù)雜地形感知和運(yùn)動(dòng)行為關(guān)聯(lián)的通用機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)自身特點(diǎn)在復(fù)雜地形移動(dòng)的能力。

美國斯坦福大學(xué)與俄勒岡州立大學(xué)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)了一款四足機(jī)器人KOLT［12］，如圖 1-5 所示，其結(jié)構(gòu)是以大山羊?yàn)榉律鷮ο筮M(jìn)行設(shè)計(jì)，每條腿有 3個(gè)自由度，通過電磁驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在平坦地面高速跑步運(yùn)動(dòng)。從 1976 年起，日本東京工業(yè)大學(xué)先后研究出一系列機(jī)器人，如 KUMO—I 四足機(jī)器人、PV—II 以及 TITIN［13］系列四足機(jī)器人。其中，KUMO—I［14］四足機(jī)器人外觀形似蜘蛛，能越過較小的障礙物，TITIN 系列四足機(jī)器人中最具有代表性的是 TITIN—VIII［15］，如圖 1-6 所示，腿部采用這三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的移動(dòng)，擁有三個(gè)自由度，具有多種步行步態(tài)，有較高的自適應(yīng)能力。TITAN—XI［16］能夠利用檢測到的路面情況對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，可以應(yīng)用于大型工程施工中，能在混凝土斜坡上運(yùn)動(dòng)。

2011 年，日本東京大學(xué)研發(fā)了四足機(jī)器人 PLGORAS［17］，如圖 1-7 所示，機(jī)器人采用 ABS 樹脂和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等制作而成，機(jī)器人采用前腿兩段驅(qū)動(dòng)，后腿三段驅(qū)動(dòng)，整體具有 10 個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等功能，最大亮點(diǎn)在于它是通過模擬神經(jīng)系統(tǒng)“自主”進(jìn)行移動(dòng)的，不需要提前對機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行編程。

加拿大麥吉爾大學(xué)研發(fā)了Scout系列和PAW 系列四足機(jī)器人［18］，其結(jié)構(gòu)簡單，自由度相對較少便于控制，Scout II 每條腿有兩個(gè)自由度，在腿設(shè)計(jì)上增加了彈性元件，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在彈跳步態(tài)下的奔跑和轉(zhuǎn)向，PAW在Scout II的基礎(chǔ)上對足端添加了主動(dòng)輪，能夠?qū)崿F(xiàn)輪腿或輪腿復(fù)合的一系列運(yùn)動(dòng)。

德國移動(dòng)機(jī)器人智能架構(gòu)研究中心研制的一款猿猴類型的機(jī)器人 Charlie，如圖1-8 所示，機(jī)器人可以四肢著地進(jìn)行攀爬移動(dòng)，就像是真正的靈長類動(dòng)物一樣，這是世界上第一款配備了驅(qū)動(dòng)脊椎和機(jī)械腿的機(jī)器人，這可以使機(jī)器人在越障或攀爬高山時(shí)更加穩(wěn)定，即使摔倒也可以重新爬起來。

意大利技術(shù)學(xué)院開發(fā)的具有代表性的液壓動(dòng)力四足機(jī)器人Hyq［19］，如圖1-9所示。機(jī)器人有 12 個(gè)自由度，其中 8 個(gè)為液壓驅(qū)動(dòng)，4 個(gè)為電動(dòng)，每個(gè)腿都設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)和足端，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)步行和單腿豎直平面跳躍。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

20世紀(jì)80年代開始，我國相關(guān)高校和科研院所對四足機(jī)器人展開系統(tǒng)研究。雖然基礎(chǔ)較弱、起步較晚，但得到了國家的極大重視，其研究列入了國家“863”計(jì)劃。目前，國內(nèi)有關(guān)四足機(jī)器人研究的中堅(jiān)力量主要集中在高校和少數(shù)研究機(jī)構(gòu)，其中上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、山東大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校的研究工作及其成果比較具有代表性。

國內(nèi)最早進(jìn)行四足機(jī)器人研究的是以上海交通大學(xué)馬培蓀教授為主的研究人員。他們研制的關(guān)節(jié)式哺乳動(dòng)物型四足機(jī)器人 JTUMM—III［20］，整體有 12 個(gè)自由度，采用直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用它的足端壓力傳感器，通過位置和力的混合控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的低速動(dòng)態(tài)行走運(yùn)動(dòng)。

上海交大研制的“智慧小象”機(jī)器人，如圖 1-11 所示，機(jī)器人整體擁有 12 個(gè)自由度，每條機(jī)械腿有 3 個(gè)驅(qū)動(dòng)，腿部下部采用四邊形放大機(jī)構(gòu)，機(jī)身裝有力覺測量與實(shí)時(shí)感知信息反饋系統(tǒng)，能夠使機(jī)器人有在慣性力和外力沖擊下自動(dòng)回復(fù)平衡的能力。機(jī)身可以隨身攜帶動(dòng)力源，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱。

國內(nèi)外研究難點(diǎn)及發(fā)展趨勢；

總體來說，四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢在不同技術(shù)層面和不同地區(qū)呈現(xiàn)不同的側(cè)重方向。

從地區(qū)分布上說，國外對四足機(jī)器人的研究起步早、基礎(chǔ)厚、水平高。對四足器人的驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)形式、穩(wěn)定依據(jù)判定等存在技術(shù)分歧的部分都進(jìn)行過各種技術(shù)探索與科學(xué)嘗試，多傳感器融合技術(shù)也得到初步驗(yàn)證。尤其應(yīng)當(dāng)看到的是，美國由于軍方的介入，其最新一代樣機(jī)已經(jīng)接近實(shí)用，這使其居于世界領(lǐng)先的地位。國內(nèi)對四足機(jī)器人的研究因起步晚、基礎(chǔ)弱、水平低，特別是在系統(tǒng)理念、關(guān)鍵器件、基礎(chǔ)術(shù)等方面存在較大差距等原因，在四足機(jī)器人的行進(jìn)速度、負(fù)載能力等硬性指標(biāo)上以及針對地形和擾動(dòng)的自適應(yīng)控制技術(shù)方面均和國外研究水平相差甚遠(yuǎn)，需要奮起直追，迎頭趕上。

從技術(shù)層面看，四足機(jī)器人從最初的完全人工操作到現(xiàn)在具有一定的智能化程度其相關(guān)技術(shù)如計(jì)算機(jī)視覺、自動(dòng)控制、人工智能、步態(tài)規(guī)劃和能源供應(yīng)等都取得了較大的進(jìn)展。此外，四足機(jī)器人的行走模式經(jīng)過了一個(gè)漫長的發(fā)展時(shí)期，從最初的靜態(tài)穩(wěn)定步行到特定環(huán)境中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行，再到在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的較為實(shí)用的動(dòng)態(tài)定步行，四足機(jī)器人在步行適應(yīng)性方面已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。隨著微處理器性能的步提升，越來越先進(jìn)的理論和算法被應(yīng)用到四足機(jī)器人的步態(tài)控制中，通過控制統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、環(huán)境之間的相互耦合傳遞運(yùn)動(dòng)，使四足機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

總體設(shè)計(jì)改進(jìn)分析：

若想研制出強(qiáng)勁、性能穩(wěn)定、行走可靠并能實(shí)際應(yīng)用的四足機(jī)器人，需要攻克以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

①四足機(jī)器人有效作業(yè)時(shí)長的提高；

②四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的協(xié)調(diào)控制；

③四足機(jī)器人靜止步態(tài)和動(dòng)態(tài)步態(tài)的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)；

④四足機(jī)器人運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲的降低；

⑤改變現(xiàn)有的離線預(yù)編程步態(tài)，提高步態(tài)的實(shí)時(shí)適應(yīng)性和自平衡能力；

⑥優(yōu)化四足機(jī)器人的整體重量和體積，提高機(jī)器人通過復(fù)雜地形的能力。

要有效解決以上問題，必須合理進(jìn)行四足機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。需要在機(jī)械結(jié)計(jì)、動(dòng)力單元匹配、能源系統(tǒng)選擇及控制系統(tǒng)搭建等方面開展深入研究應(yīng)當(dāng)看到，一些早期的四足機(jī)器人其控制系統(tǒng)多采用移植了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的機(jī)以構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心，執(zhí)行單元的驅(qū)動(dòng)模塊多采用通用器件搭建。

CPG控制方法的引入與改進(jìn)：

①CPG模型參數(shù)整定方法；

②步態(tài)轉(zhuǎn)換問題；

③對動(dòng)物整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬；

④實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體姿態(tài)與步態(tài)規(guī)劃的聯(lián)動(dòng)控制。

目前，世界上各國研發(fā)出來的四足機(jī)器人離模仿自然界中的動(dòng)物還有不小的差距，還有一段路要走。