1、六足仿生机器人及其步态研究现状摘 要与一般的机器人相比(比如轮式机器人),六足仿生机器人的一个最大的优点是对行走路面的要求很低,它可以跨越障碍物、走过沙地、沼泽等特殊路面 ,因此可以用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成的或危险的工作,并且机器人的足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活,对凹凸不平的地形的适应能力更强。足式移动机器人的立足点是离散的,跟地面的接触面积较小, 可以在可达到的地面上选择最优支撑点,即使在表面极度不规则的情况下,通过严格选择足的支撑点,也能够行走自如,因此, 足式步行机器人特别是六足步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域,它可以作为
2、危险地带的探险工具也可以去那些人类自身不能到达的地方1。然而,目前对六足仿生机器人的步态研究还仅仅局限于在平地上或接近于平地时的步态方法研究。机器人遇到障碍物时采用的也都是避障运动,由于现实环境复杂多变,因此有必要提出一种适合于六足仿生机器人越障的一种步态。关键词:六足仿生机器人;避障运动;步态规划目录引言 4二六足仿生机器人的发展现状 .4三六足仿生机器人越障步态运动原理 .9四六足机器人三角步态分析 10五六足机器人越障步态设计 11六六足仿生机器人越障步态的选择 .13结论 15引言步态是行走系统的迈步方式,即行走系统抬腿和放腿的顺序。由于开发步行机器人的需要,McGhee 在 1968
3、 年总结前人对动物步态研究成果的基础上 ,比较系统地给出了一系列描述和分析步态的严格的数学定义。之后各国学者在四足、六足、八足等多足步行机的静态稳定的规则周期步态的研究中取得了很多成果。这些成果包括各种步态特点及分类,如三角步态、波动步态、自由步态、跟随步态、步态参数及其相互关系等。二六足仿生机器人的发展现状从 1959 年美国制造出世界上第一台工业机器人起，在短短半个世纪的时间里，机器人的研究就已经历了 4 个发展阶段：工业机器人、遥控机器人、智能机器人和仿生机器人2。从机器人的角度来看，仿生机器人是机器人发展的最高阶段；从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学理论的完美综合与全面应用。本质上
4、讲，仿生机器人指的是利用各种无机元器件和有机功能体所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境中灵活、可靠、高效地完成各种复杂任务的机器人系统3近年来，随着昆虫仿生学理论与计算机技术的飞速发展，使得对多足仿生机器人的研究，成为大家关注的焦点。国内外多所大学和研究机构，相继成功研制出了性能卓越的多足仿生机器人。六足机器人 Genghis（见图 1-1） ，由美国麻省理工学院人工智能实验室于1989 年研制，主要用于在地外行星（如火星）表面执行探测任务。每条腿 2 个旋转自由度，采用基于位置反馈的伺
5、服电机驱动，集成了电流测量单元以获取关节力矩信息，装备了 2 个触须传感器、2 个单轴加速度计，可在复杂路面上高效行走。出于同样目的，MIT 于 20 世纪九十年代初研制了六足机器人 Attila（见图 1-2） 。每条腿 3 个旋转自由度，设计上采用模块化结构，各模块具有自身的传感器、驱动器和微处理器。具有较强的容错能力，可自动检测和识别硬件故障，并通过软件方式进行补偿。为减少登陆作战时的危险，美国麻省理工学院研制了用于浅滩探雷的六足机器人 Ariel（见图 1-3） 。每条腿 2 个旋转自由度，具有翻转步行能力。电路和控制器都置于的密闭的空腔内，具有防水功能。配备了罗盘与姿态传感器，可对硬
6、件故障进行自动检测。八足机器人 Lobster（见图 1-4）由美国东北大学水下研究实验室研制。每条腿 3 个旋转自由度，能够在复杂的水底环境中自主浮游和爬行。头部装有类似液动控制舵作用的 2 个钳爪，用于控制步行方向，步行时钳爪和尾部近似地伸展成三角形，以获得最大的稳定性。六足机器人 Robot II（见图 1-5） ，由美国凯斯西储大学机械及航天工程学院仿生机器人实验室研制。每条腿 4 个独立的自由度，3 个旋转主动自由度，1 个沿胫节轴线方向的被动柔顺自由度。采用电位计测量关节角位置，应变片则用于测量胫节上的轴向力，结合了足底反射机制以应对复杂的地形。六足机器人 Robot V（见图 1
7、-6） ，以蟑螂为仿生原型制作，用于研究蟑螂的奔跑机制。前、中、后腿分别具有 5、4、3 个旋转自由度，股节安装了 6 块应变片，以形成载荷测量单元，提供 3 维足端力的精确测量值。沿用了 Robot II 的竹节虫步态控制器，采用人工肌肉驱动方式。机器人 Scorpion（见图 1-7） ，由德国 Fraunhofer 自主智能系统研究所研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用微型伺服电机驱动，装备了 1 个摄相机和 1个超声波声纳测距传感器。步态控制基于 CPG 原理，同时引入了反射机制以适应崎岖地形。六足机器人 Tarry II（见图 1-8） ，由德国杜伊斯堡大学机械工程学院研制。每条腿
8、3 个旋转自由度，采用舵机驱动，配备了足端接触觉传感器，用于测量姿态的两轴加速度计，股节安装的用于获取载荷信息的应变测量电路，以及躯干前端用于避障的超声波传感器，可实现崎岖地形全方位步行。六足机器人 Spider-bot（见图 1-9） ，由美国加州理工大学喷气推进实验室研制。体积仅手掌大小、形似蜘蛛，采用超轻的晶圆电池提供动力，每条腿 3 个旋转自由度，采用舵机驱动。躯干前端的触须传感器，使机器人能以可预测的方式接近障碍或探测地形条件。机器人 Lauron IV（见图 1-10） ，由德国卡尔斯鲁厄大学的 FZI 研究所研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用伺服电机驱动、皮带传动。胫节集成了
9、3 轴力传感器，可提供足端三维力信息，各关节电机装备有电流传感器，用于检测该关节作用力，躯干上配置加速度计和压电陀螺仪，可提供三维的角速度及加速度信息。六足机器人 Hamlet（见图 1-11） ，由新西兰坎特伯雷大学机械工程学院研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用微型伺服电机驱动、伞齿轮传动，装备了躯干姿态传感器和三维足端力传感器，采用足端力/ 位置混合控制。机器人MiniQuad II（见图 1-12） ，由华中科技大学机械科学与工程学院研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用直流伺服电机驱动、行星齿轮和蜗轮蜗杆传动，可通过改变足单元模块间的搭配变换成四足、六足等构形。基于腿臂融合、模块化设计
10、思想，支持可重构和容错功能，具有全方位的移动能力。机器人 LAVA（见图 1-13）由南洋理工大学机械与航天学院研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用伺服电机驱动、蜗轮蜗杆传动，腿部机构采用逆向差速齿轮驱动系统，具有移动与操作双重功能。采用力/ 位置混合控制，以增强地形适应能力。六足机器人 T-Hexs（见图 1-14） ，由日本 KIMURA 实验室研制。具有自主运作模式和操作者手柄遥控模式，单个操作者可同时控制多个机器人，完成物体的抓取以及搬运作业。六足机器人 SRP-robot 系列（见图 1-17、图 1-18）由南洋理工大学机械与航天学院研制，主要用于教学目的。每条腿 3 个旋转自由度
11、，采用舵机驱动、连杆传动，具有全方位的步行能力，电机密集地布置于躯干四周，机构十分紧凑，行动敏捷，具有较大的结构刚度和较小的腿部转动惯量。 六足机器人 LEMUR II（见图 1-20） ，由美国加州理工大学喷气推进实验室研制。 LEMUR II 是在前一代 LEMUR I（见图 1-19）的基础上改进而来，主要用于太空设备的勘测、装配和维护。每条腿 4 个旋转自由度，肢体关于正六边形躯干呈轴对称分布，集成了各种先进的末端执行器（例如超音速钻孔器） ，具有快速连接功能，可快速更换执行工具，运动及操作过程均采用力控制方式。六足机器人 Asterisk（见图 1-21） ，由日本大阪大学工程科技研
12、究所研制。每条腿 4 个自由度，均采用舵机驱动。配备了 1 个三轴加速度计和 1 个两轴陀螺仪，足端装备了三维力传感器、红外传感器及无线 CCD 相机，可在崎岖地形或金属网格天花板上全方位步行或进行作业。六足机器人 Sprawl（见图 1-22） ，由斯坦福大学仿生机器人实验室研制。腿部为被动弹性结构，每腿 1 个直线自由度由汽缸驱动、1 个旋转自由度由电机驱动，质心位于躯干后下侧，可实现姿态自稳定，腿部具有蹬踏和稳定功能，采用定时的开环/前馈控制。六足机器人 RHex（见图 1-23） ，由美国加州伯克利分校等单位研制。每腿仅 1 个驱动器，实现了动力与控制的自主。装备了 1 个三轴加速度计
13、和 1 个三轴光纤陀螺仪，可在受外力扰动后调整姿态，通过各腿的应变测量单元获取躯干的瞬时姿态，并迅速使能新的自主步态控制以减少驱动载荷，实现自适应奔跑。六足机器人 RiSE（见图 1-24） ，由美国斯坦福大学等单位基于攀爬生物行为学研究成果研制。每条腿 2 个旋转自由度，配备了惯性（姿态）测量、关节角位置测量、腿部应变测量、足端接触传感器，足端装备了微型钻和新型粘着材质，一个固定的尾部机构可帮助在峭壁上维持平衡。三六足仿生机器人越障步态运动原理“六足纲”昆虫(蟑螂, 蚂蚁等等)在平坦无阻的地面上快速行进时,多以交替的三角步态运动4, 即在步行时把六条足分为两组,以身体一侧的前足、后足与另一侧
14、的中足作为一组,形成一个稳定的三角架支撑虫体 ,因此在同一时间内只有一组的三条足起行走作用:前足用爪固定物体后拉动虫体前进,中足用以支撑并举起所属一侧的身体,后足则推动虫体前进,同时使虫体转向,行走时虫体向前并稍向外转,三条足同时行动,然后再与另一组的三条足交替进行,两组足如此交替地摆动和支撑,从而实现昆虫的快速运动5。为了便于区分下面提出的步态,将这种步态定义为“三角步态” 。三角步态(或交替三角步态),是 =1/2 时的波形步态,运动时六腿呈两组三角形交替支撑迈步前进。其行走轨迹并非是直线, 而是呈“之”字形的曲线前进。六足机器人采用三角步态的运动示意如图 2 所示。接触地面的腿(如图中黑
15、方块所示),形成了稳定的三角形结构。这样模型通常会保持直立平稳的走姿而不会在走路时跌跟头6。图 2 机器人三角步态走法四六足机器人三角步态分析一般采用的是三角步态实现静态步行。如图 3 所示的 1,4,5 腿一组,2,3,6 腿形成另一组,两组腿协调运动,从状态(a)中 2,3,6 腿支撑的复位状态到 1,4,5 腿支撑的初始状态。首先是摆动腿提起并向机器人本体前进方向运动一个步长(b);然后摆动腿变成支撑腿并支撑着机器人本体向前运动一个步长(c),以后是摆动腿继续向前(d),接着变成支撑腿使机体向前运动一个步长 (e)。从图 3 看脚底在水平面的投影似乎是不规则的,这时小腿提起,骸关节向前摆
16、动时,膝关节固定, 足端轨迹必是一曲线,但这和图 2 并不矛盾 ,因为运动过程中步态三角形没有变形,因此是协调的,运动过程中, 重心位于支撑三角形内, 因此也是稳定的。设步态三角形三点的水平面坐标为 A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc),机器人本体重心在坐标原点上。机器人朝前进方向运动一个步长 L1 后,支撑三角形变为 ABC,如图 4 所示。机器人再向前运动一个步长后,其机器人重心仍落在 ABC 内,则为稳定的步态三角形, 否则为不稳定的步态三角形。在三角步态中,若步态三角形在运动过程中是不变形的,则称此时的位置是协调的7。图 3 机器人三角步态示意图图 4 步态三角形的坐标
17、分析五六足机器人越障步态设计步态的设计是实现越障爬坡的关键之一,为达到较为理想的步行效果 ,需要考虑下列要求:越障爬坡步伐平稳协调、进退自如,无左右摇摆及前后冲击 ;机体和关节没有较大的冲击,特别是在摆动腿着地时与地面接触为软着陆 ;机体重心波动要平缓,且始终保持在垂直方向上,其投影在支撑腿所形成的垂直投影面内;腿支撑时间占整个运动周期(即占空比 ) 的合理取值8。图 6 为一个步行周期 T 中六足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。假定机体的运动时间是腿摆动时间的 k 倍,则可以将 分为 3 种情况:a) =4+k5+k,如图 5 所示。从图 5 可以看出在一个周期时间内,机体总是由至少 4
18、条腿支撑着, 并且支撑腿所构成的多边行区域能保证机器人的稳定性。b)4+k5+k,在机器人机体非运动期间 ,有六条腿的摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程, 即六条腿同时着地的状态,此时的机器人静止不运动。c) Hmax,即机器人站在平地上能够触及到高度为 Hmax 的障碍物顶端。因此,机器人采用“多边形步态”越过最高高度为 Hmax 的障碍物可以得到实现。根据前面的分析可以得出,当障碍物的高度满足 0H1280 mm时, 机器人越障步态将采用“三角步态”来越过障碍物 ;若障碍物的高度满足0H2495 mm,机器人将采用“多边形步态”来进行越障。很明显,采用“多边形步态”机器人的越障能力明显提高了
19、。图 8 机器人爬坡示意图结论在仿生学的基础上，本文介绍了六足机器人研究的最新成果以及六足机器人步态研究的相关理论，随着机器人技术的快速发展，具有复杂地形表面快速移动能力的六足仿生机器人，正受到越来越多的关注。对该类机器人的研究，为拓宽机器人技术的研究领域指明了新的方向，具有重要的理论意义和实用价值。由于六足仿生机器人的研究，涉及到昆虫仿生学、神经生物学、并联机构学、多轴协调控制理论、生物学控制论等多学科知识与技术，研究难度较大，因此，还需进行大量的理论研究。参考文献：1Delcomyn F,Nelson M E.Architectures for a biomimetic hexapod robotJ.Robotics and Autonomous Systems2许宏岩, 付宜利, 王树国, 刘建国. 仿生机器人的研究.3张秀丽, 郑浩峻, 陈恳, 段广洪. 机器人仿生学研究综述.4宋一然,颜过正,徐小云.基于仿生学原理的六足微型机器人J.5于殿勇,张 滔.一种简易足式移动机器人J.中国机械工程6白井良明. 机器人工程M.7金政雄. 昆虫式六腿机器人控制系统设计D.8蒋新松. 机器人学导论M.
