六足仿生機器人及其步態(tài)研究現(xiàn)狀調(diào)查

六足仿生機器人及其步態(tài)研究現(xiàn)狀摘要與一般的機器人相比(比如輪式機器人),六足仿生機器人的一個最大的優(yōu)點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勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作,并且機器人的足所具有的大量自由度可以使機器人的運動更加靈活,對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強。足式移動機器人的立足點是離散的,跟地面的接觸面積較小,可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點,即使在表面極度不規(guī)則的情況下,通過嚴格選擇足的支撐點,也能夠行走自如,因此,足式步行機器人特別是六足步行機器人的研究已成為機器人學中一個引人注目的研究領(lǐng)域,它可以作為危險地帶的探險工具也可以去那些人類自身不能到達的地方[1]。然而,目前對六足仿生機器人的步態(tài)研究還僅僅局限于在平地上或接近于平地時的步態(tài)方法研究。機器人遇到障礙物時采用的也都是避障運動,由于現(xiàn)實環(huán)境復雜多變,因此有必要提出一種適合于六足仿生機器人越障的一種步態(tài)。關(guān)鍵詞:六足仿生機器人;避障運動;步態(tài)規(guī)劃機器人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個旋轉(zhuǎn)自由度，采用微型伺服電機驅(qū)動，裝備了1個攝相機和1個超聲波聲納測距傳感器。步態(tài)控制基于CPG原理，同時引入了反射機制以適應(yīng)崎嶇地形。六足機器人TarryII（見圖1-8），由德國杜伊斯堡大學機械工程學院研制。每條腿3個旋轉(zhuǎn)自由度，采用舵機驅(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，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，可實現(xiàn)崎嶇地形全方位步行。六足機器人Spider-bot（見圖1-9），由美國加州理工大學噴氣推進實驗室研制。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個旋轉(zhuǎn)自由度，采用舵機驅(qū)動。軀干前端的觸須傳感器，使機器人能以可預測的方式接近障礙或探測地形條件。機器人LauronIV（見圖1-10），由德國卡爾斯魯厄大學的FZI研究所研制。每條腿3個旋轉(zhuǎn)自由度，采用伺服電機驅(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和壓電陀螺儀，可提供三維的角速度及加速度信息。六足機器人Hamlet（見圖1-11），由新西蘭坎特伯雷大學機械工程學院研制。每條腿3個旋轉(zhuǎn)自由度，采用微型伺服電機驅(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。機器人MiniQuadII（見圖1-12），由華中科技大學機械科學與工程學院研制。每條腿3個旋轉(zhuǎn)自由度，采用直流伺服電機驅(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)形?；谕缺廴诤稀⒛K化設(shè)計思想，支持可重構(gòu)和容錯功能，具有全方位的移動能力。機器人LAVA（見圖1-13）由南洋理工大學機械與航天學院研制。每條腿3個旋轉(zhuǎn)自由度，采用伺服電機驅(qū)動、蝸輪蝸桿傳動，腿部機構(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，以增強地形適應(yīng)能力。六足機器人T-Hexs（見圖1-14），由日本KIMURA實驗室研制。具有自主運作模式和操作者手柄遙控模式，單個操作者可同時控制多個機器人，完成物體的抓取以及搬運作業(yè)。六足機器人SRP-robot系列（見圖1-17、圖1-18）由南洋理工大學機械與航天學院研制，主要用于教學目的。每條腿3個旋轉(zhuǎn)自由度，采用舵機驅(qū)動、連桿傳動，具有全方位的步行能力，電機密集地布置于軀干四周，機構(gòu)十分緊湊，行動敏捷，具有較大的結(jié)構(gòu)剛度和較小的腿部轉(zhuǎn)動慣量。六足機器人LEMURII（見圖1-20），由美國加州理工大學噴氣推進實驗室研制。LEMURII是在前一代LEMURI（見圖1-19）的基礎(chǔ)上改進而來，主要用于太空設(shè)備的勘測、裝配和維護。每條腿4個旋轉(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，運動及操作過程均采用力控制方式。六足機器人Asterisk（見圖1-21），由日本大阪大學工程科技研究所研制。每條腿4個自由度，均采用舵機驅(qū)動。配備了1個三軸加速度計和1個兩軸陀螺儀，足端裝備了三維力傳感器、紅外傳感器及無線CCD相機，可在崎嶇地形或金屬網(wǎng)格天花板上全方位步行或進行作業(yè)。六足機器人Sprawl（見圖1-22），由斯坦福大學仿生機器人實驗室研制。腿部為被動彈性結(jié)構(gòu)，每腿1個直線自由度由汽缸驅(qū)動、1個旋轉(zhuǎn)自由度由電機驅(qū)動，質(zhì)心位于軀干后下側(cè)，可實現(xiàn)姿態(tài)自穩(wěn)定，腿部具有蹬踏和穩(wěn)定功能，采用定時的開環(huán)/前饋控制。六足機器人RHex（見圖1-23），由美國加州伯克利分校等單位研制。每腿僅1個驅(qū)動器，實現(xiàn)了動力與控制的自主。裝備了1個三軸加速度計和1個三軸光纖陀螺儀，可在受外力擾動后調(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，實現(xiàn)自適應(yīng)奔跑。六足機器人RiSE（見圖1-24），由美國斯坦福大學等單位基于攀爬生物行為學研究成果研制。每條腿2個旋轉(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)，一個固定的尾部機構(gòu)可幫助在峭壁上維持平衡。三．六足仿生機器人越障步態(tài)運動原理“六足綱”昆蟲(蟑螂,螞蟻等等)在平坦無阻的地面上快速行進時,多以交替的三角步態(tài)運動[4],即在步行時把六條足分為兩組,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組,形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因此在同一時間內(nèi)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,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,同時使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時行動,然后再與另一組的三條足交替進行,兩組足如此交替地擺動和支撐,從而實現(xiàn)昆蟲的快速運動[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β=1/2時的波形步態(tài),運動時六腿呈兩組三角形交替支撐邁步前進。其行走軌跡并非是直線,而是呈“之”字形的曲線前進。六足機器人采用三角步態(tài)的運動示意如圖2所示。接觸地面的腿(如圖中黑方塊所示),形成了穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。這樣模型通常會保持直立平穩(wěn)的走姿而不會在走路時跌跟頭[6]。圖2機器人三角步態(tài)走法四．六足機器人三角步態(tài)分析一般采用的是三角步態(tài)實現(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)運動,從狀態(tài)(a)中2,3,6腿支撐的復位狀態(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器人本體前進方向運動一個步長(b);然后擺動腿變成支撐腿并支撐著機器人本體向前運動一個步長(c),以后是擺動腿繼續(xù)向前(d),接著變成支撐腿使機體向前運動一個步長(e)。從圖3看腳底在水平面的投影似乎是不規(guī)則的,這時小腿提起,骸關(guān)節(jié)向前擺動時,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,因為運動過程中步態(tài)三角形沒有變形,因此是協(xié)調(diào)的,運動過程中,重心位于支撐三角形內(nèi),因此也是穩(wěn)定的。設(shè)步態(tài)三角形三點的水平面坐標為A’(xa,ya),B’(xb,yb),C’(xc,yc),機器人本體重心在坐標原點上。機器人朝前進方向運動一個步長L1后,支撐三角形變?yōu)锳′B′C′,如圖4所示。機器人再向前運動一個步長后,其機器人重心仍落在ABC內(nèi),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,若步態(tài)三角形在運動過程中是不變形的,則稱此時的位置是協(xié)調(diào)的[7]。圖3機器人三角步態(tài)示意圖圖4步態(tài)三角形的坐標分析五．六足機器人越障步態(tài)設(shè)計步態(tài)的設(shè)計是實現(xiàn)越障爬坡的關(guān)鍵之一,為達到較為理想的步行效果,需要考慮下列要求:越障爬坡步伐平穩(wěn)協(xié)調(diào)、進退自如,無左右搖擺及前后沖擊;機體和關(guān)節(jié)沒有較大的沖擊,特別是在擺動腿著地時與地面接觸為軟著陸;機體重心波動要平緩,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內(nèi);腿支撐時間占整個運動周期(即占空比β)的合理取值[8]。圖6為一個步行周期T中六足機器人的擺動相與支撐相的交替過程。假定機體的運動時間是腿擺動時間的k倍,則可以將β分為3種情況:a)β=4+k5+k,如圖5所示。從圖5可以看出在一個周期時間內(nèi),機體總是由至少4條腿支撐著,并且支撐腿所構(gòu)成的多邊行區(qū)域能保證機器人的穩(wěn)定性。b)β>4+k5+k,在機器人機體非運動期間,有六條腿的擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程,即六條腿同時著地的狀態(tài),此時的機器人靜止不運動。c)β<4+k5+k,有擺動相相互交錯,當腿1、4擺動相交錯時,做支撐相的是2、5、3、6號腿,可以看出機器人不具有靜穩(wěn)定性。同理,當腿3、6擺動相交錯時,做支撐相的是1、4、2、5號腿,可以看出機器人同樣不具有靜穩(wěn)定性。此種交替過程要求機器人機構(gòu)具有彈性和消振功能,否則難以實現(xiàn)。綜合考慮以上3種情況,對于“多邊形步態(tài)”將采用β=4+k5+k。圖5六足仿生機器人“多邊形步態(tài)”示意圖圖6機器人一個周期內(nèi)各個腿的擺動與支撐相六．六足仿生機器人越障步態(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,機器人足端所能夠及到的最遠距離為:L=l21+l2+l3+l4+l52,把已知數(shù)據(jù)代入得到L=1374mm,若機器人的腿足端邁開的步伐幅度用s表示,則臀關(guān)節(jié)所能達到的最高位置h=L2-s2,假如取s=500mm,可以算出h=1280mm。圖7六足機器人腿結(jié)構(gòu)示意圖圖8所示的是機器人爬坡示意圖,其中,AB代表其前腿,DE代表其后腿,并且機器人的兩條中間腿處于障礙物的臨界點處即C點所處的邊上,因此,只有當機器人的重心處于C點的左側(cè)時才能保證其接下來運動的穩(wěn)定性,即后腿的上坡運動,由于后腿所能夠及的最遠距離L(L=1374mm)大于CD(CD=1215mm)之間的距離,這樣就為后腿在上坡時將自己的足端放置于C點所處的邊上處提供保證。圖3中的機器人重心正好處于臨界位置,既機器人重心沿垂直方向的投影點與C點重合。又由于前腿AB所能達到的最大長度是L,因此,機器人能進行任意角度的傾斜,即0°≤∠ACB<90°,所以,基于“多邊形步態(tài)”,機器人所能越過的障礙物最高高度為Hmax=LDE+LCD,即:Hmax=l21+l2+l3+l4+l5-s2+LCD把已知數(shù)據(jù)代入該公式,得到Hmax=2495mm。又由于前腿足端所能夠及到的最高高度是2h,且2h>Hmax,即機器人站在平地上能夠觸及到高度為Hmax的障礙物頂端。因此,機器人采用“多邊形步態(tài)”越過最高高度為Hmax的障礙物可以得到實現(xiàn)。根據(jù)前面的分析可以得出,當障礙物的高度滿足0<H<1280mm時,機器人越障步態(tài)將采用“三角步態(tài)”來越過障礙物;若障礙物的高度滿足0<H<2495mm,機器人將采用“多邊形步態(tài)”來進行越障。很明顯,采用“多邊形步態(tài)”機器人的越障能力明顯提高了。圖8機器人爬坡示意圖結(jié)論在仿生學的基礎(chǔ)上，本文介紹了六足機器人研究的最新成果以及六足機器人步態(tài)研究的相關(guān)理論，隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，具有復雜地形表面快速移動能力的六足仿生機器人，正受到越來越多的關(guān)注。對該類機器人的研究，為拓寬機器人技術(shù)的研究領(lǐng)域指明了新的方向，具有重要的理論意義和實用價值。由于六足仿生機器人的研究，涉及到昆蟲仿生學、神經(jīng)生物學、并聯(lián)機構(gòu)學、多軸協(xié)調(diào)控制理論、生物學控制論等多學科知識與技術(shù)，研究難度較大，因此，還需進行大量的理論研究。參考文獻：[1]DelcomynF,NelsonME.Architecturesf