1、 第 51 卷第 7 期 2015 年 4 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vo l . 5 1 N o . 7 Apr. 2015 DOI： 10.3901/JME.2015.07.001 BigDog 四足机器人关键技术分析*丁良宏(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室 沈阳 110016) 摘要 ： 对 BigDog 四足机器人的核心技术进行分析， 适应复杂地形是 BigDog 的设计主线。 提高横、 纵自由度联动能力是 BigDog结构设计主要突破点。机体重心颠簸起伏、机体重心自扰动等不良运动特性是四足机器人控
2、制难度大的主要原因。液压动力系统的构成和优点将被剖析，解决腿类移动装置的驱动问题是液压系统研发的根本目的。支撑腿打滑及俯仰和横滚角度是否过大作为监测机体运动安全状态的参数。惯导和关节编码器可检测机身与肢体的状态，借助压力传感器可还原落足点地形，三者合一可构建虚拟模型。借助虚拟模型可求算机体重心等关键控制处理中间参数，运动控制系统可实施粗略的动作预演及精确的运动学和动力学规划。规划模型与样机模型的偏差作为反馈值实施闭环控制。建立以三维激光扫描仪和双目视觉为主的导航系统，视觉地形还原功能可帮助 LS3 安全跨越岩石地形，软件系统将各种基本功能整合为有机的整体。机器人的自主性与智能性被讨论，利用 B
3、igDog/LS3 与好奇号火星探测器作对比并加以分析。 BigDog 目前存在的几个主要问题：液压系统无法瞬时大幅增压、机械传动各种损伤、仿生设计的不彻底性。 LS3 机器人针对 BigDog 的不足，多个改进环节被分析。猎豹、野猫、 Petman 等机器人被简要分析。阿特拉斯双足机器人借助虚拟模型可实现机械臂碰撞保护功能，遭受外力撞击可迅速恢复平衡状态。 关键词： BigDog 四足机器人；运动控制地形还原；虚拟模型；自主性；智能性； LS3 机器人；阿特拉斯机器人 中图分类号： TP242 Key Technology Analysis of BigDog Quadruped Robot
4、 DING Lianghong ( State Key Libratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016) Abstract： The core technology of the BigDog quadruped robot is analyzed. Adapting to the rough terrain is the main design clues of the BigDog. Improving horizontal and v
5、ertical degrees of freedom linkage ability is the main innovation of structure design. Not good motion characteristics, such as robots center of gravity ups and downs and self disturbance are the main reasons for being difficult to control. The components and advantage of the hydraulic power system
6、are analyzed. Solving the driver problem of legged vehicles is the fundamental goal of the hydraulic system development. Supporting leg slipping or not, pitch and roll angle of the body too large or not are the main parameters as monitoring robots movement condition. IMU and joint encoder can detect
7、 the state parameters of the body and limbs. Terrain of foot placement can be restored by pressure sensor. Three-in-one can build a virtual model. By the virtual model, robots center of gravity and other key control process parameters can be calculated. At the same time, locomotion control system ca
8、n do action drill roughly and accurate planning of kinematics or dynamics. The deviation of planning and prototype model is taken as the feedback for closed-loop control. LS3 constructs the navigation system of three-dimensional laser scanner and binocular vision as the main. LS3 can stride across r
9、ocky terrain by visual terrain reconstruction. Software system can integrate all the basic functions as an organic whole. Autonomy and intelligence of robot are discussed. BigDog/LS3 and Curiosity Mars Rover are compared and analyzed. BigDog has three big problems currently: instantaneously unable t
10、o increase hydraulic value significantly, all kinds of damage in mechanical transmission, bionic design not thoroughness. For the inadequacies of BigDog, several improvements are analyzed on the LS3. Petman, Cheetah and Wildcat robot are briefly analyzed. Atlas biped robot has crash protection funct
11、ion and can recovery equilibrium status quickly after external force hitting by virtual model. Key words： BigDog quadruped robot； ground plane estimation of locomotion control； virtual model； autonomy； intelligence；LS3 robot； Atlas robot* 国家高技术研究发展计划 (863 计划， 2011AA041001)和中科院博士后 基金资助项目。 20140406 收到
12、初稿， 20141225 收到修改稿 机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 7 期 期 2 0 前言 BigDog 四足机器人自问世之后， 受到了广泛的关注，凭借卓越的性能，成为国际四足机器人领域的翘楚1-7。主制造商美国谷歌波士顿动力公司自2005 年起，先后推出 12 自由度 BigDog、 16 自由度BigDog、 Petman 双足、 LS3 四足、猎豹四足， 2013年最新的带有强力机械臂的 BigDog(图 1)、 Atlas 双足双臂、野猫奔跑等机器人。以上系列机器人虽然外形各异、功能不同，但是都是在 BigDog 原型机基础之上所改进而成的。因此，分析 BigDog 四足机
13、器人的核心技术是洞穿其系列机器人设计思想的主要渠道。 图 1 带有强力机械臂的 BigDog 国内较成规模的四足机器人研究，主要是 2011年国家高技术研究发展计划 (863 计划 )，所设立的“高性能四足仿生机器人”主题项目，意欲打造具有BigDog 水准的国产先进四足仿生机器人。 以山东大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学8-13为主的几个团队，分别设计了不同外形的四足机器人。初步具备了在较为复杂环境条件下的运动能力，包括坡面、碎石子路面、土路、跨越砖头障碍物等。鉴于 BigDog 研究历时二十余年， 国内能在两年多的时间内达到这一高度，已属不易。未来的重点仍是提
14、高机器人的各种运动性能和感知导航能力。意大利所设计的四足机器人也是采用液压作为动力系统，可以在跑步机上快速行走，并能适应脚下各种障碍物所造成的地形起伏变化14。此外，韩国15和美国的麻省理工学院也陆续推出了几种四足机器人系统。然而以上各种四足机器人在性能方面，与 BigDog 系列机器人比较仍然存在一定的差距。 BigDog 机器人最显著的优势就是能够自如行走于复杂的非结构化地形中。 这也是四足超越轮式、履带式机器人的主要特性。由于复杂的地形具有未知和不可准确预测的特点。因此 BigDog 设计的核心思想，就是如何克服崎岖不平的复杂地形，使得机器人能够安全平稳的运行。 BigDog 四足机器人
15、可如下简单概括。 主要以四足哺乳动物结构为仿生参考，采用纯机械方法设计和制造，拥有 12 或 16 个主动自由度的腿类移动装置； 以液压为驱动系统对主动自由度实施动力输出，机载运动控制系统可对机体姿态和落足地形实施检测， 利用虚拟模型可测算机体重心位置等关键参数，再借助虚拟模型实施正确和安全的运动规划，根据肢体实际载荷大小动力学实施准确的规划和输出，并根据机体状态的变化同步调整输出，使得机器人具有对复杂地形很强的适应能力。 BigDog 具有很高的运动自主性，同时还有较高的导航智能性，独立对环境实施感知和自主规划路径，很少需要人工的干预。 BigDog 属于典型的具有全自主运动能力，较强全自主
16、导航能力的非结构化环境四足移动机器人，是当前机器人领域较难实现的一种陆地移动机器人。 本文将在前文16的基础之上，继续对 BigDog系列机器人做深入分析。论文结构安排如下：第 1节结构与运动特性；第 2 节液压动力系统；第 3 节运动控制系统，是本文分析的重点；第 4 节导航和软件系统；第 5 节自主性和智能性的讨论；第 6 节BigDog 的主要问题；第 7 节 LS3、猎豹和野猫机器人；第 8 节 Atlas 机器人；第 9 节结论与展望。 1 结构与运动特性 1.1 机体结构特点 BigDog 机体结构主要包括机身及 12 或 16 段肢体。机身是一个大刚体，是整个装置结构设计与装配的
17、基准。 BigDog 结构设计的主要特点：仿造四足哺乳动物的肢体结构；拥有多个主动自由度；腿部具有较强的可伸缩性；纵向自由度数量多，利于纵向运动；横向自由度数量少，不利于横向运动；结构紧凑、布局合理；设计、加工、装配精度高；无法实现多轴性髋关节。 BigDog 首先是一套工艺精良的机械装置。 BigDog 肢体的设计侧重于机体的纵向运动。纵、横自由度数量比为 3:1 或 2:1。纵向自由度位置更靠近地面，对地形干扰的适应能力更强；而髋部横向自由度，在最上端远离地面，灵活性较差，如图 2 所示。从数量对比和位置分布来看，机体纵向的运动灵活性、调整能力要明显强过横向。 BigDog月 2015 年
18、 4 月 丁良宏： BigDog 四足机器人关键技术分析 3 作为移动载体，持续的纵向运动是设计的目的，而横向运动由于与纵向运动成正交关系，横向运动会增加移动距离和多次调整偏航角，所以四足机器人持续纵向运动时要尽量避免横向运动。 图 2 结构图 BigDog 各段肢体都采用销孔配合链接， 能够保证机械本体的结构精度。 BigDog 所有肢体都属于严格的单轴性关节，只能绕着对应转轴旋转。每段肢体在各自液压执行器的驱动下做往复加减速旋转运动，构成了 BigDog 肢体的基本运动常态。 BigDog任何情况下的运动都是由 12 或 16 段肢体的运动所拟合而成的。 1.2 运动特性 机体支撑倒立摆运
19、动、重心颠簸起伏、机体重心自扰动、肢体往复加减速运动构成了四足机器人的基本运动特性。机体运动特性不良是造成四足机器人控制难度大的主要原因。四足的运动控制难度通常大于各种轮式、履带式机器人或者其它移动装置。从运动状态上来看，即使在光滑水平路面条件下， 四足也不存在任何理论意义上的匀速直线运动。机体所有质点都没有直线运动状态，而是空间不规则曲线。以常见的对角步态为例：机身在两条支撑腿的支撑下从倒立摆的一端被撑过倒立摆的最高点，在倒立摆的另一端停止。机身重心经历一次圆弧运动，而水平方向的位移才是机身实际有效位移。机身重心始终是颠簸起伏，呈波浪曲线状，如图 3 所示。 图 3 重心起伏 (左 )和肢体
20、旋转 (右 ) 机体重心情况则更加复杂，除颠簸起伏之外；机体各段刚体在机器人纵向运动的同时，还存在明显的相对运动，机体重心空间位置飘忽不定，使得测量异常困难， 造成了四足机体重心自扰动的问题。该扰动也是腿类区别于其他移动装置显著的特性之一。四足机器人的多肢体旋转形成的支撑倒立摆结构，每段肢体在任何情况下都不是直线运动而是旋转运动；范围通常在几十度以内，为追求机器人的运动速度，必须加快肢体的旋转速度，而行程范围又很小；通常是肢体的转速刚加速升上去之后，又要快速减速以保证能在行程终端位置刹住；再反向如此重复。所以驱动系统的加速、减速构成了动力系统输出的基本常态。为使机器人能够处于平稳的运动状态，必
21、须保证力和扭矩的输出能刚好满足对应肢体的实际动力需求，也就是恰到好处的油压值及流量输出。不断的规划、不断的检测、不断的反馈、不断的调整输出，构成了四足机器人运动控制的基本常态。此外地形的随机任意变化、多种运动状态之间频繁切换、肢体载荷分布不均匀等，都使得运动控制的难度进一步加大。 2 液压 2.1 液压系统的主要构成和优点 BigDog 液压动力系统主要组成部分包括： 汽油发动机、变量活塞泵、液压油箱、油压总路、蓄电池、 16 个电液伺服阀和 16 个子液压执行器等，如图 4 所示。汽油发动机在汽油燃烧产生的热能驱动下旋转；同时带动活塞泵旋转，把液压油箱的常态液压油抽到泵里实施加压，形成封闭的
22、油压总路。每段肢体对应的液压执行器将根据当前运动控制系统所发出的指令参数，借助各自电液伺服阀的调压功能，获取恰好满足各自肢体所需要的动力输出。根据液压系统的基本特性可知，总路油压值的大小由 16 段肢体中某一段终端负载来决定； 通常载荷最大值为支撑腿足底段肢体。电液伺服阀的调压包括三种情况：等压、减压、增压。运动控制系统最终发送给每个电液伺服阀的指令参数包括：油压值和流量。 BigDog 液压驱动系统的主要优点包括： 功率输出大，原始发动机 12.5 kW；高油压 (20.68 MPa)；多支路分配输出；电液伺服阀响应频率高 (1 000 Hz)； 伺服阀控制精度高； 抗冲击载荷强和密封性好。
23、大功率是为了满足四足高功率密度的动力需求。高机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 7 期 期 4 频输出是针对肢体载荷始终处于变化状态而需要同步调整动力输出的要求而设定的，借助电液伺服阀实现 1 000 Hz 的输出频率。多支路输出是依靠并联关系的电液伺服阀独立实施液压输出控制，保证同时满足 12 个或者 16 个子液压执行器不同的液压输出要求。密封性和抗冲击载荷性能，主要是针对四足机器人运动时肢体会与地面发生剧烈的冲击可能对液压系统造成的伤害而设计的。 图 4 液压驱动系统示意图 电液伺服阀是 BigDog 系统中技术含量最高的器件之一。液压油的弹性、粘滞性和受温度影响过大等不利因素，使得
24、液态能量传输和控制难度通常较大。借助电液伺服阀的优良性能可实现液态能量精确控制。电液伺服阀的最显著特性是具有增压的功能。液压油在封闭的油压总路内传输，会与管壁之间产生摩擦，造成能量损失，油压值下降，传输距离越长下降越明显。必然造成进入到足底段肢体油压值与动力学规划值相比不足，此时需要借助电液伺服阀的增压功能，对液压油实施二次增压。电液伺服阀的电动机借助蓄电池的电能启动旋转，同步带动泵旋转，把从总路引入至子路的油压实施进一步增压。电液伺服阀可及时弥补由于传输损耗造成的油压值不足，使得动力系统的输出始终能够跟上动力学规划的输出要求。 2.2 BigDog 系统的高能耗和低效率 BigDog 系统高
25、能耗问题很突出， 可从动力系统能量转换和传输的角度加以说明。 能量的多次转换、多环节传递造成了大能量损失，如图 5 所示。大能量损失必然带来散热问题， LS3 机身两侧都需要携带辎重补给和椭圆形辅助装置。可在机身顶部安装两台大风扇，一台负责汽油发动机的散热，另一台负责液压油箱的散热。此外，机体重心颠簸起伏的无谓消耗及机械传动系统的消耗都加剧了高能耗问题。各环节的热能散失最终还需要消耗更多的电能来实施散热。 BigDog 动力系统能量转换相比大多数的移动装置而言要复杂一些。 图 5 能量转换与传输示意图 高能耗的同时意味着较低的运动效率，四足机器人在各种常见陆地移动装置中属于效率较低的。各种常见
26、移动装置能量消耗关系比，如表 1 所示。总之，四足腿类移动装置属于功耗过大或运动效率较低的机械系统，需要大幅度提高原始发动机的 功率。 表 1 能量消耗对比关系 对象 能耗比 轮式装置 人、四足哺乳动物 履带式 四足机器人 1.0 1.5 2.0 4.0 7.0 70.0 80.0 2.3 机载蓄电池 机载蓄电池串联在油压总路中，液压动力系统工作时同步实施充电。蓄电池需要给如下主要器件提供稳压电能输出：两台机载计算机；所有传感器、机载通信装置； 16 个电液伺服阀，特别是增压部分的能量；两台散热风扇；战地环境下士兵所携带的各种电器，如手电筒、手机、剃须刀等。估计 LS3蓄电池总功率在 1.5
27、2.0 kW，质量 5 10 kg。蓄电池体积和质量大会给机身的结构设计带来问题。四足机器人虽然对重量要求没有飞机那样严格，但对于配重要求很高，机身的重心只有位于几何中心才有利于控制。 2.4 液压动力系统的研究目的 波士顿动力公司所研制的 BigDog 系列机器人，尽管构造存在一定的差异，但都采用了液压作为驱动系统。明明是在研究机器人，却起名为动力公司。原因在于，腿类运动执行机构和与之配套的动力系统的研发，才是波士顿动力研究的真正目的。四足或两足机器人仅仅是用来展示这个驱动系统和腿类机构的一个平台。四足或其他足类机器人、机械臂，作为机器人系统都有其运动控制和导航的特殊性，但是在动力系统的需求
28、方面几乎是一致的。 月 2015 年 4 月 丁良宏： BigDog 四足机器人关键技术分析 5 波士顿动力一旦掌握了这套液压动力系统的核心技术，便可任意实现常见的各种腿类移动装置和机械臂。可如下设想，在四轮汽车的地盘，同步安装一套四腿机构，驾驶员在轮式状态无法移动的环境中，可启动腿装置，实现复杂环境运动，如同BigDog 一样。 此时， 该装置是在人工的操作下运动。所以系统不具有智能性，但有一定的自主性。而BigDog 等明确为机器人系统的， 则必须具有很高的自主性和较高的智能性，能够在极少的人工遥控下在复杂环境中移动。机器人研究的难点主要是它的自主性和智能性，而四足机器人前期受困于它的驱动
29、问题。所以 BigDog 系列机器人仅是波士顿动力液压驱动研究成果延伸的几个特例而已。掌握这套液压动力系统才是前期研究的根本目的。 2.5 小结 灵活的肢体结构和良好的液压动力系统，构成了 BigDog 基本机体的硬件组成，使得机器人具有了较强的运动潜能，接下来需要设计一套与之匹配的运动控制系统，在复杂环境下把各种运动能力展现出来。 3 运动控制系统 3.1 概况 BigDog 作为机器人必须具有很高的运动自主性，在复杂的非结构化环境下，只需少量的人工干预，独立自主实施各种运动。并能根据地形环境的变化，自主做出适当的调整，直观上具有了类似于四足动物或人一样的反应和应变能力。由于在运动过程中，具
30、体的动作指令几乎不可能靠人工实现。需要完全借助开发好的运动控制系统自主生成，所以这套系统必须具有很强的鲁棒性和应变性，才能满足不同地形条件下的需求。 运动控制处理具体过程如下：检测机身和肢体状态，对落足点地形实施还原；在虚拟环境中建立三者的模型，求算机体重心等关键参数；利用机体安全状态参数作为控制准则，结合机体当前状态实施运动学规划，根据压力传感器的读数实施动力学输出，借助样机模型与规划模型之间的偏差，对运动控制实施反馈， 保证实际样机与规划的模型一致。BigDog 运动控制系统基本框架如图 6 所示。 该控制系统独特之处在于对复杂地形具有很强的适应能力，如何实现对崎岖不平地形的识别和应变是控
31、制系统设计始终围绕的核心问题。 图 6 运动控制系统结构图 1 000 Hz 的高频是运动控制系统的基本特性，平坦地形还可达到高精状态。高频循环系统可解决如下典型问题，保证机体运动协调一致。两条支撑腿在支撑倒立摆过程中，由于诸多因素的影响未必同步，会造成挤压或牵拉机身，而高频循环可及时调整运动规划和动力输出，缓解或消除不利影响。此外，保持迈步腿各段肢体协调一致，也需要高频循环调整。高频循环的存在，使得 BigDog 系统具有了随时发现问题，可随时调整的能力。 3.2 控制原则和状态安全性评估 3.2.1 控制的三个原则 波士顿动力创始人 RAIBERT4总结的四足机器人控制的三条基本原则：利用
32、垂直地面的运动支撑机身、利用支撑腿横向自由度牵拉机身的位置变化以保持机身姿态的安全、迈步腿根据均匀对称的原则放置正确的落足位置以保持新的支撑平衡。 第一条是保证机体首先能够站立，并且运动时也能借助逆重力方向的支撑力保证机体的重心起伏。 第二条是借助支撑腿的髋部横向自由度的变化，来调整机身的位置，从而保证机身处于安全状态。理想状态下，四足机器人机体只在纵向平面内实施运动，但由于诸多原因，机身会发生倾斜机体重心会偏离稳定支撑区域，此时就需要借助支撑腿横向自由度的运动，调整机身的姿态。第三条是处于悬空状态下的迈步腿根据当前支撑腿及机身的状态，选择正确的落地位置，保证机体重心落在新支撑腿确立的稳定区域
33、之内。三原则的核心就是对机体重心的控制。 3.2.2 机体状态安全性评估 复杂地形是造成 BigDog 各种运动困难和遭遇险情的主要原因。凹凸起伏、坡度、湿滑、松软、水等构成了非结构化环境主要的危险地形特征，对机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 7 期 期 6 于四足机器人的运行安全构成了潜在威胁。崎岖地形带给机器人运动的主要问题包括： 地面作用在足底的支撑力方向不易确定和控制； 地形深浅变化，造成的前后有效腿长不一致； 前、后足落地存在时间差，造成运动不连贯； 湿滑、松软造成的支撑腿不稳而打滑、摔倒等。可从两个方面对BigDog 运行安全程度进行评估： 支撑腿的打滑程度和机身的姿态。 处
34、于支撑相位的腿部稳定、 不打滑， 是 BigDog运动安全的基本前提条件。倾斜湿滑的地形经常会造成机器人支撑腿打滑，由于支撑腿直接担负着支撑机身和迈步腿的重任，一旦打滑整个机体会失去平衡进而可能摔倒。支撑腿打滑在复杂环境中又是极为常见的，利用压力传感器检测和插入规划的方法可解决支撑腿打滑的问题。根据打滑程度可分为三种情况，见表 2。对于支撑腿是否打滑，主要的判断依据就是足底压力传感器是否有读数，并且在合理的范围之内，借助虚拟模型可监控状态变化。处于支撑相位的腿部各段肢体在支撑倒立摆过程中载荷通常很大，而一旦出现打滑足底段肢体载荷由很大骤降至零，借助对应压力传感器读数的变化可判定支撑腿是否打滑。
35、小幅度打滑常出现在山坡行走时，支撑腿在倒立摆结束前，出现的打滑离地。由于已经是倒立摆结束前，利用快速落地的新支撑腿可及时挽救机器人状态。大幅度打滑出现在冰面行走的情况下， BigDog 必须终止正常的行进，转为寻找稳定的支撑腿状态，只有支撑腿立稳不打滑，才能继续后面的纵向行走。 表 2 支撑腿三种状态 支撑腿状态 是否安全 典型地形 稳定不打滑 安全 平坦 小幅度打滑 安全 斜坡、湿滑 大幅度打滑 否 冰面 俯仰和横滚角度是衡量机身姿态安全性的主要参数。 BigDog 机身刚体既是机械设计与装配的基准，同时也是运动控制的基准。 BigDog 初始在水平地形站立，利用机械的精度认定当前机身平面即
36、为水平面， IMU 清零。此后的运动中， IMU 随时检测机身的状态参数，可知机身与水平面之间的偏差，也就是俯仰或横滚角度值。 可设定双角的安全范围，比如正负 10；超出这个范围，运动控制系统则认为机身处于非安全状态。控制系统的基本功能之一就是控制住机身使其始终处于安全的角度变化范围。如果超出范围，需要尽快调整回安全范围。俯仰和横滚角度变化直接反映了机身姿态的安全程度。双角变化过大，意味着机体发生倾斜，机体重心会偏离支撑腿所确定的稳定区域 (图 7)， 在重力扭矩的作用下机体会发生扭转，倾斜幅度加大，导致机体倾翻。双角变化剧烈的原因，主要有以下几点： 机身遭受外界作用力干扰， 造成机体同向发生
37、倾斜； 平坦地形行走时，前后支撑腿有效腿长不一致造成机身偏离水平面； 复杂环境行走时，由于地形崎岖不定、同时还可能存在横向的运动分量，支撑腿位置不佳造成机身偏离水平面。地形的随机变化是造成双角状态不理想的常见原因。 图 7 支撑腿安全区域示意图 以常见的对角步态行走为例， BigDog 两条支撑腿可确定一个稳定区域。机体重心如果位于稳定区域，则不会形成重力干扰力矩，可保证正常行走时机身姿态的安全。但是两条支撑腿足底支撑力横向分力方向一致时，即使重心处于稳定区域，整个机体仍然会继续倾斜。 克服双角变化的主要措施如下： 借助虚拟模型，协调地形和支撑腿有效腿长的关系，保持机身水平； 迈步腿需要根据当
38、前机体的状态，按照均匀对称的原则选择正确的落足区域，确保新支撑腿的位置理想； 肢体大幅度侧摆时，可借助腿部较强的伸展性，优先保证落足点均匀对称； 四足机构的容错性是克服双角问题的最后措施。 支撑腿是否打滑和机身双角是否过大，是衡量BigDog 运动状态安全最重要的参数指标， 也是运动控制系统自主运行的安全准则。 BigDog 只有同时满足以上状态才是安全的， 才能实现持续的纵向运动。一旦其中任何参数超出设定安全范围，运动控制系统将终止其他参数处理，全力恢复机体安全姿态。 3.3 机身和肢体的检测 快速准确检测机身和肢体的状态参数变化，是实施精确控制的前提条件。借助 IMU、关节编码器和压力传感
39、器三种高频、高精的传感器，可实现这月 2015 年 4 月 丁良宏： BigDog 四足机器人关键技术分析 7 一目的。 3.3.1 检测基本情况 BigDog 在复杂的非结构化地形行走时， 机器人与环境可抽象为三部分模型：机身、肢体和落足点地形，如图 8 所示。机身运动过程中任意时刻俯仰、横滚、偏航三个角度变化值，借助陀螺仪部分可获取。其中俯仰角和横滚角是机身姿态安全的主要参考指标；偏航角是机器人方向变化主要控制参数，无关姿态的安全性。线加速度计部分可测量机身横向突然遭受外力作用而产生侧向加速度值，控制系统可根据经验值选择机身横向侧滑的幅度。利用地面反向的摩擦力抵消掉横向运动，直到横向速度为
40、零。 图 8 三部分模型 肢体中，髋部横向肢体以机身作为基准实施装配；其余各肢体顺次以上一级肢体作为基准实施装配。由于初始安装角度是可测的，同步在每一个主动关节加装关节编码器，可获取任意时刻各个关节的角度值及对应的变化量，肢体的角度变化反映了运动学的参数变化。在十六段肢体上安装压力传感器，任意时刻对应肢体的载荷值大小可获取；由于速度、地形的变化都可能造成载荷值的相应变化。压力传感器可解决载荷值变化不定、不可预知的问题，对于动力学的规划输出是至关重要的；但是压力传感器无法检测力的方向。机身和肢体的状态参数检测主要目的： 还原当前机体状态和落足点地形，建立虚拟模型；建立高频、高精闭环反馈系统。 3
41、.3.2 传感器检测系统的优点 BigDog 本身属于加工和装配精度较高的机械装置，而且机构运动速度较快，借助高性能传感器，运动控制系统可在任意时刻获取当前机体状态的主要参数。主要优点包括如下。 (1) 检测精度高，传感器分辨率高。意味着在机器人运动时连续的检测周期内，参数的细微变化可以测得，提高了系统的灵敏度。 (2) 响应频率高，高达 1 000 Hz。可在任意时刻获取当前的机器人状态参数。 (3) 传感器数据的利用率高。复杂地形运动时，为了保证机器人能够安全运动，必须高效利用传感器的检测数据。对于感知地形和建立虚拟模型以及闭环反馈都是至关重要的，使得 BigDog 机器人整体具有了相当高
42、的控制精度和响应频率。 3.4 运动控制地形还原 借助简单的压力传感器便可获取当前脚下地形起伏情况的数据信息，是 BigDog 运动控制系统的主要创新点之一。不论有无视觉导航系统， BigDog能够趟过各种崎岖不平复杂地形，首先都是依靠运动控制地形还原来实现的。 以对角步态为例，利用图 8 和图 9 来说明运动控制地形还原的过程。右前腿和左后腿当前处于支撑状态，左前腿和右后腿处于悬空迈步状态。支撑腿当前地形为虚线所代表的平面，支撑腿的各段肢体载荷值均很大。迈步腿悬空，各段肢体的载荷很小，足底的载荷值为零。 图 9 地形估测二维侧视图 由于崎岖地形任意变化难以预知，所以当前迈步腿所执行的运动规划
43、，无法准确预判迈步腿的落足点位置。借助当前支撑腿所确定的平面，作为悬空迈步腿最有可能的落足平面实施不完全规划。地形的起伏，使得迈步腿或提前落地，或滞后落地；除非共面，否则极少按照预设规划在对应几何位置恰好落地。而一旦足底与地面发生接触，肢体和机身的重量将压到新的支撑腿上，对应肢体的载荷值将急剧增大。可利用压力传感器的读数变化，来判断足底是否与地面接触并且踩实；由于草棍之类的物体有一定的强度，能够支撑一定的载荷，所以只有压力传感器的载荷达到一定阈值之后，比如 50 N，才确定与地面接触并踩实。此时，在虚拟环境中可确认新的支撑腿与地面接触并踩实，此时足底终端的几何位置数据，就是该落足点对应的地形信
44、息。新支撑腿停止不完全规划的迈步伸展运动，转为支撑状态下的运动。 机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 7 期 期 8 由于地形的起伏，两个足底未必会同时落地，需要两足都落地之后，才能构建新支撑腿所确定的平面。空间中两个落足点可确定一条直线，再借助IMU 测量的当前机身刚体横轴或纵轴，也可利用水平横纵或纵轴，两条直线可确定支撑腿所处平面，见图 9 中实线。 BigDog 借助于压力传感器的运动控制地形还原得以实现。而且该平面的俯仰和横滚角度值也是可求算出来，也就是坡度值。下一时刻新的迈步腿又可以确立新的支撑平面，周而复始。BigDog 在复杂地形的运动就可简化为在一系列平面之上的运动。实质是
45、，把无限量的复杂地形情况，转化为有限量可按照角度划分的平面来处理。各种坡度面的运动，可借助前期的试验作为先验信息。运动控制系统将按照支撑腿平面的还原为周期，实施支撑腿和迈步腿的运动学规划。借助运动控制地形还原能力， BigDog 就能更好地适应复杂地形的起伏变化。图 10 为运动控制地形还原的流程图。 图 10 运动控制地形还原流程 确立行走平面的两个直接目的，状态预演和迈步腿逆向运动学规划。状态预演是对即将发生的支撑腿支撑倒立摆过程，在虚拟环境下的动作演示，可粗略判断未来半个完整运动周期机体是否安全。或者结合当前的机体、地形参数，在诸多运动学规划预选方案中，选择最佳的动作方案作为备选。迈步腿
46、可利用当前还原的地形作为最有可能的落足平面，实施逆向运动学规划。由于 BigDog 行走时腿部呈屈腿状态而非打直状态，借助腿部的可伸缩性满足地形凸起或者凹陷的变化需求。腿部具有较强的可伸缩性是 BigDog 结构中为数不多超过四足哺乳动物的优点之一。 复杂地形条件下，运动控制地形还原的主要缺点包括：无法真实还原地形的实际几何参数信息，如足底实际接触面的坡度信息、 实际接触面的大小；无法判断足底与地面接触的准确位置，全部以足底最低点为准；此外，足底段肢体的压力传感器无法检测支撑力的方向。 3.5 虚拟模型 3.5.1 参数还原 虚拟模型是指在运动控制系统中，根据当前机器人的机体状态检测和地形还原
47、数据，同步在虚拟系统所建立的反映当前机身、肢体、落足点地形准确数据信息的三维虚拟模型。 虚拟模型在反映机体、地形状态参数的同时，还可求算大量控制处理的中间参数，如机体重心位置。由于机体的基本物理参数，比如结构、尺寸、重量分布等，在机械结构设计环节利用 UG、 ProE 之类的三维造型软件可实现。在运动控制环节，可把该三维造型做必要的简化之后直接导入虚拟环境中。 BigDog 机体 13 段或者 17 段刚体， 在空间的几何相对位置关系，利用运动学参数可以获取；另外，基本的刚体参数信息都是已知的。因此，运动控制系统可准确计算出机体重心位置。测算机体重心并控制重心始终处于期望的状态，是移动装置设计
48、最关键的环节之一。借助虚拟模型， BigDog 运动控制系统可以实现这一目的。虚拟模型可还原参数如表3 所示。 表 3 借助虚拟模型可还原参数一览表 具体参数 获取形式 运动学 机身三态角、三个线加速度值、肢体角度值 直接测量 动力学 各肢体载荷值、足底反作用力大小 直接测量 物理结构 各刚体结构参数 设计建模 计算参数 支撑腿的安全区域、 机体与机身的重心位置、 水平面行走时机身与地面之间的距离以及迈步腿落地时间、 机体所有刚体空间几何位置关系、 平坦坡面行走时坡面的坡度、机体运动速度 直接计算 估算参数 机体四腿腾空时机身与地面之间的距离、足底支撑力的方向 估算 以上参数均可按 1 000
49、 Hz 的高频率获取。所以运动控制系统可以随时掌握机体主要参数的变化情况。 BigDog 只要不是四腿同时腾空，在水平面地形行走时，不仅可测出机体的重心位置。而且每条悬空迈步腿以及机身与地面之间的空间几何位置都可以精确测算出来。这样每条迈步腿的落地时间都是可以预估的。 BigDog 的运动控制系统对于已经发生的动作可以了如指掌，误差很小；而即将发生的状态变化复杂地形下只能推测，误差可能较大。 3.5.2 基于虚拟模型的控制策略 在虚拟环境下借助虚拟模型可对机器人的运动作仿真预演，判断当前地形条件下机器人的安全程度和安全运动范围，选择恰当的运动学备选方案。可降低运动中可能存在的风险性，大大提升了机器月 2015 年 4 月 丁良宏： BigDog 四足机器人关键技术分析 9 人运动的安全性。虚拟模型粗略规划基本流程图，如图 11 所示。 图 11 虚拟模型粗略规划基本过程 实际机器人运动由于受到地形起伏的影响，足底反作用力方向的不确定性，造成了机体在支撑倒立摆过程中会发生倾斜，所以此处的规划为预判性的规划，并不能反映实际机器人的准确运动变化过程。但是，在倒立摆运动具体实施之前，也就是运动控制地形估测之后， 便进行粗略规划和动作预演，能够将可能发
