1、無六足仿生機器人及其六足仿生機器人及其步態研究現狀步態研究現狀無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支撐點,即使在表面極度不規則的情況下,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

2、注目的研究領域,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研究還僅僅局限于在平地上或接近于平地時的步態方法研究。機器人遇到障礙物時采用的也都是避障運動,由于現實環境復雜多變,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。關鍵詞:六足仿生機器人;避障運動;步態規劃無目錄引言.4二六足仿生機器人的發展現狀. 4三六足仿生機器人越障步態運動原理. 9四六足機器人三角步態分析. 10五六足機器人越障步態設計. 11六六足仿生機器人越障步態的選擇. 13結論.15無引言引言步態是行走系統的邁步方式,即行走系統抬腿和放腿的順序。由于開發步行機

3、器人的需要,McGhee 在 1968 年總結前人對動物步態研究成果的基礎上,比較系統地給出了一系列描述和分析步態的嚴格的數學定義。之后各國學者在四足、六足、 八足等多足步行機的靜態穩定的規則周期步態的研究中取得了很多成果。這些成果包括各種步態特點及分類,如三角步態、波動步態、自由步態、跟隨步態、步態參數及其相互關系等。二六足仿生機器人的發展現狀二六足仿生機器人的發展現狀從 1959 年美國制造出世界上第一臺工業機器人起，在短短半個世紀的時間里，機器人的研究就已經歷了 4 個發展階段：工業機器人、遙控機器人、智能機器人和仿生機器人2。從機器人的角度來看，仿生機器人是機器人發展的最高階段；從仿生

4、學的角度來看，仿生機器人是仿生學理論的完美綜合與全面應用。本質上講， 仿生機器人指的是利用各種無機元器件和有機功能體所組建起來的在運動機理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協調和計算推理、能量代謝和材料結構等多方面具有生命形態特征從而可以在未知的非結構化環境中靈活、 可靠、高效地完成各種復雜任務的機器人系統3近年來，隨著昆蟲仿生學理論與計算機技術的飛速發展，使得對多足仿生機器人的研究，成為大家關注的焦點。國內外多所大學和研究機構，相繼成功研制出了性能卓越的多足仿生機器人。六足機器人 Genghis（見圖 1-1） ，由美國麻省理工學院人工智能實驗室于1989 年研制，主要用于在地外行星（如火

5、星）表面執行探測任務。每條腿 2 個旋轉自由度，采用基于位置反饋的伺服電機驅動，集成了電流測量單元以獲取關節力矩信息，裝備了 2 個觸須傳感器、2 個單軸加速度計，可在復雜路面上高效行走。 出于同樣目的， MIT 于 20 世紀九十年代初研制了六足機器人 Attila （見圖 1-2） 。每條腿 3 個旋轉自由度，設計上采用模塊化結構，各模塊具有自身的傳感器、 驅動器和微處理器。 具有較強的容錯能力， 可自動檢測和識別硬件故障，無并通過軟件方式進行補償。為減少登陸作戰時的危險， 美國麻省理工學院研制了用于淺灘探雷的六足機器人 Ariel（見圖 1-3） 。每條腿 2 個旋轉自由度，具有翻轉步行

6、能力。電路和控制器都置于的密閉的空腔內，具有防水功能。配備了羅盤與姿態傳感器，可對硬件故障進行自動檢測。八足機器人 Lobster（見圖 1-4）由美國東北大學水下研究實驗室研制。每條腿 3 個旋轉自由度，能夠在復雜的水底環境中自主浮游和爬行。頭部裝有類似液動控制舵作用的 2 個鉗爪，用于控制步行方向，步行時鉗爪和尾部近似地伸展成三角形，以獲得最大的穩定性。六足機器人 RobotII（見圖 1-5） ，由美國凱斯西儲大學機械及航天工程學院仿生機器人實驗室研制。每條腿 4 個獨立的自由度，3 個旋轉主動自由度，1個沿脛節軸線方向的被動柔順自由度。采用電位計測量關節角位置，應變片則用于測量脛節上的

7、軸向力，結合了足底反射機制以應對復雜的地形。六足機器人RobotV（見圖 1-6） ，以蟑螂為仿生原型制作，用于研究蟑螂的奔跑機制。前、中、后腿分別具有 5、4、3 個旋轉自由度，股節安裝了 6 塊應變片，以形成載荷測量單元，提供 3 維足端力的精確測量值。沿用了 RobotII 的竹節蟲步態控制器，采用人工肌肉驅動方式。無機器人 Scorpion （見圖 1-7） ， 由德國 Fraunhofer 自主智能系統研究所研制。每條腿 3 個旋轉自由度，采用微型伺服電機驅動，裝備了 1 個攝相機和 1 個超聲波聲納測距傳感器。步態控制基于 CPG 原理，同時引入了反射機制以適應崎嶇地形。六足機器人

8、 Tarry II（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 個旋轉自由度，采用舵機驅動，配備了足端接觸覺傳感器，用于測量姿態的兩軸加速度計，股節安裝的用于獲取載荷信息的應變測量電路，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 個旋轉自由度，采用舵機驅動。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 F

9、ZI 研究所研制。每條腿 3 個旋轉自由度，采用伺服電機驅動、皮帶傳動。脛節集成了 3 軸力傳感器，可提供足端三維力信息，各關節電機裝備有電流傳感器，用于檢測該關節作用力，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。無六足機器人 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 個旋轉自由度，采用微型伺服電機驅動、傘齒輪傳動，裝備了軀干姿態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 個旋轉自由度，采用直流伺服電機驅動、行星齒輪和蝸輪

10、蝸桿傳動，可通過改變足單元模塊間的搭配變換成四足、六足等構形。基于腿臂融合、模塊化設計思想，支持可重構和容錯功能，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個旋轉自由度，采用伺服電機驅動、蝸輪蝸桿傳動，腿部機構采用逆向差速齒輪驅動系統，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。無六足機器人 SRP-robot 系列（見圖 1-17、圖 1

11、-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 個旋轉自由度，采用舵機驅動、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， 機構十分緊湊，行動敏捷， 具有較大的結構剛度和較小的腿部轉動慣量。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）的基礎上改進而來，主要用于太空設備的勘測、裝配和維護。每條腿 4 個旋轉自由度，肢體關于正六邊形軀干呈軸對稱分布，集成了各種先進的末端執行器（例如超音速鉆孔器） ，具有快速連接功能，可快速更換執行工具，運動及操作過程均采用力控

12、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，可在崎嶇地無形或金屬網格天花板上全方位步行或進行作業。 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。腿部為被動彈性結構，每腿 1 個直線自由度由汽缸驅動、1 個旋轉自由度由電機驅動，質心位于軀干后下側，可實現姿態自穩定，腿部具有蹬踏和穩定功能，采用定時的開環/前饋控制。六足機器人 RHex（見圖 1-23） ，由美國加州伯克利

13、分校等單位研制。每腿僅 1 個驅動器，實現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整姿態，通過各腿的應變測量單元獲取軀干的瞬時姿態， 并迅速使能新的自主步態控制以減少驅動載荷， 實現自適應奔跑。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 個旋轉自由度，配備了慣性（姿態）測量、關節角位置測量、腿部應變測量、足端接觸傳感器，足端裝備了微型鉆和新型粘著材質，一個固定的尾部機構可幫助在峭壁上維持平衡。三六足仿生機器人越障步態運動原理三六足仿生機器人越障步態運動原理“六足綱”昆蟲(蟑螂,

14、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運動4,即在步行時把六條足分為兩組,以身體一側的前足、后足與無另一側的中足作為一組,形成一個穩定的三角架支撐蟲體,因此在同一時間內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的身體,后足則推動蟲體前進,同時使蟲體轉向,行走時蟲體向前并稍向外轉,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,從而實現昆蟲的快速運動5。為了便于區分下面提出的步態,將這種步態定義為“三角步態” 。三角步態(或交替三角步態),是 =1/2 時的波形步態,運動時六腿呈兩組三角形交替支撐邁步前進

15、。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),形成了穩定的三角形結構。這樣模型通常會保持直立平穩的走姿而不會在走路時跌跟頭6。圖 2機器人三角步態走法四六足機器人三角步態分析四六足機器人三角步態分析一般采用的是三角步態實現靜態步行。 如圖 3 所示的 1,4,5 腿一組,2,3,6 腿形成另一組,兩組腿協調運動,從狀態(a)中 2,3,6 腿支撐的復位狀態到 1,4,5 腿支撐的初始狀態。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),

16、以后是擺動腿繼續向前(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則的,這時小腿提起,骸關節向前擺動時,膝關節固定,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三角形沒有變形,因此是協調的,運動過程中,重心位于支撐三角形內,因此也是穩定的。設步態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,支撐三角形變為 ABC,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,則為穩定的步態三角形,否則為不穩定的步態三角

17、形。在三角步態中,若步態三角形在運動過程中是不變形的,則無稱此時的位置是協調的7。圖 3機器人三角步態示意圖圖 4步態三角形的坐標分析五六足機器人越障步態設計五六足機器人越障步態設計步態的設計是實現越障爬坡的關鍵之一,為達到較為理想的步行效果,需要考慮下列要求:越障爬坡步伐平穩協調、進退自如,無左右搖擺及前后沖擊;機體和關節沒有較大的沖擊,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;腿支撐時間占整個運動周期(即占空比)的合理取值8。無圖 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

18、間是腿擺動時間的 k 倍,則可以將分為 3 種情況:a)=4+k5+k,如圖 5 所示。從圖 5 可以看出在一個周期時間內,機體總是由至少 4 條腿支撐著,并且支撐腿所構成的多邊行區域能保證機器人的穩定性。b)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,此時的機器人靜止不運動。c)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定性。此種交替過程要求機器人

19、機構具有彈性和消振功能,否則難以實現。綜合考慮以上 3 種情況,對于“多邊形步態”將采用=4+k5+k。圖 5六足仿生機器人“多邊形步態”示意圖無圖 6機器人一個周期內各個腿的擺動與支撐相六六足仿生機器人越障步態的選擇六六足仿生機器人越障步態的選擇用 l1,l2,l3,l4,l5 分別表示六足仿生機器人每條腿各關節之間的相對距離(如圖7 所示),所以,相對于各自的臀關節位置,機器人足端所能夠及到的最遠距離為:L=l21+l2+l3+l4+l52,把已知數據代入得到 L=1374 mm,若機器人的腿足端邁開的步伐幅度用 s 表示,則臀關節所能達到的最高位置 h=L2-s2,假如取 s=500 m

20、m,可以算出 h=1280 mm。圖 7 六足機器人腿結構示意圖無圖 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 點的左側時才能保證其接下來運動的穩定性,即后腿的上坡運動,由于后腿所能夠及的最遠距離L(L=1374 mm)大于CD(CD=1215 mm)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 ACBHmax,即機器人站在平地上能夠觸及到高度為