《仿生四足機(jī)器人的研究：回顧與展望(3)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《仿生四足機(jī)器人的研究：回顧與展望(3)（13頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。 仿生四足機(jī)器人的研究：回顧與展望 摘要：本文側(cè)重于仿生四足機(jī)器人。在這一領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是如何設(shè)計高動力性和高負(fù)載能力的仿生四足機(jī)器人。本文首先介紹了仿生四足機(jī)器人，尤其是具有里程碑意義的四足機(jī)器人的歷史。然后回顧了仿生四足機(jī)器人驅(qū)動模式的現(xiàn)代技術(shù)。隨后，描述了四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢?；诜律淖銠C(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀，簡要回顧了四足機(jī)器人的技術(shù)難點。又介紹了山東大學(xué)研制的液壓四足機(jī)器人。最后是總結(jié)和展望未來的四足機(jī)器人。 一、導(dǎo)言 代替人類在復(fù)雜和危險的環(huán)境中工作的移動機(jī)器人的需求引起越來越多的關(guān)注，如煤礦井下，核電站，

2、以及打擊恐怖主義的戰(zhàn)爭。一般移動機(jī)器人可分為三種類型：空中機(jī)器人，水下機(jī)器人和地面機(jī)器人。地面機(jī)器人的開發(fā)主要是運用軌道或輪子。輪式和履帶式機(jī)器人可以在平整地面工作，但大多數(shù)是無法在凹凸不平的地面上工作。換句話說，現(xiàn)有的地面機(jī)器人只能在部分地面工作。與輪式和履帶式機(jī)器人相比，腿式機(jī)器人有可能適應(yīng)更為廣泛的地形，就像如同有腿的動物，幾乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很強(qiáng)的運動能力，即便在高度復(fù)雜的環(huán)境中也一樣。因此，近些年人們積極地投入腿式機(jī)器人的研究中。腿式機(jī)器人可以去動物能夠到達(dá)的地方，應(yīng)該要構(gòu)建并運用于實際。盡管機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域取得了巨大成就，腿式機(jī)器人仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于它們的仿生學(xué) [1

3、，2]。 基于機(jī)械結(jié)構(gòu)，腿式機(jī)器人可分為步行機(jī)器人和爬行機(jī)器人。與爬行動物的機(jī)器人相比，步行機(jī)器人幾乎與軀干垂直的腿被認(rèn)為更適應(yīng)載重。步行機(jī)器人可以有效地承受更大的載重。具有聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步行機(jī)器人具有良好的行走速度和運輸能力。因此，基于哺乳類動物的仿生機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 現(xiàn)已有一、二、三、四甚至更多條腿的腿式機(jī)器人。最普遍的是具有高效率步態(tài)和穩(wěn)定性能的偶數(shù)條腿的腿式機(jī)器人 [3]。在腿式機(jī)器人中，四足機(jī)器人具有良好的機(jī)動性和運動穩(wěn)定性，而典型的雙足機(jī)器人，缺乏運動的穩(wěn)定性。從系統(tǒng)和控制器的設(shè)計上來看，四足機(jī)器人也是一個不錯的選擇。另一方面，四足機(jī)器人在構(gòu)

4、建和維護(hù)上又比六足要簡單。四足機(jī)器人比輪式或履帶式機(jī)器人更加靈活，并比雙足機(jī)器人穩(wěn)定。因此，許多研究人員和組織在生物動態(tài)步態(tài)的啟發(fā)下致力于四足機(jī)器人的研究，以使機(jī)器人具有高平衡能力和高負(fù)載能力。在一般情況下，為了提高運動穩(wěn)定性，增加步行速度和運輸能力，就需要具有大帶寬和高輸出功率的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人控制系統(tǒng)，即用來控制四足機(jī)器人動作，步態(tài)生成和轉(zhuǎn)換，應(yīng)在在未來得到研究和解決。 本文組織如下：在第二部分回顧了四足仿生機(jī)器人的歷史和驅(qū)動模式的發(fā)展趨勢。第三部分介紹了四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢。然后，在第四部分分析了四足機(jī)器人的技術(shù)難點。第五部分介紹了中國山東大學(xué)正在開發(fā)的液壓四足機(jī)器人。最后一部

5、分是總結(jié)和展望未來的四足機(jī)器人。 二、四足仿生機(jī)器人的歷史 本節(jié)回顧具有聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人的歷史。我們首先關(guān)注基于仿生學(xué)的四足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。然后回顧了四足機(jī)器人的驅(qū)動模式的發(fā)展趨勢， 特別詳細(xì)介紹了液壓驅(qū)動，這樣一個提高了動力性能和負(fù)載能力的新型驅(qū)動模式。 A.四足仿生機(jī)器人的歷史 四足機(jī)器人的調(diào)查始于 20 世紀(jì) 60 年代，而四足機(jī)器人的動態(tài)運動性能的研究則是從 20 世紀(jì) 80 年代開始的。Marc Raibert 和他的同事們在一、二四條腿的機(jī)器人腿部運動方面取得了巨大的成功。 20 世紀(jì) 60 年代初，許多國外的科學(xué)家和研究人員致力于研究

6、條腿式機(jī)器人。在 1960 年，Shigley 提出采用聯(lián)動機(jī)構(gòu)，包括四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、縮放機(jī)構(gòu)，作為腿式機(jī)器人的運動機(jī)構(gòu)。腿部的運動由一組雙搖桿機(jī)構(gòu)控制[4]。McGhee 和 Frank 于 1966 年制作了被稱為“Phoney Pony”的四足機(jī)器。這是第一輛腿式的運載工具，在全電腦控制下自主行走。每條腿有兩個自由度（DOFs）系統(tǒng)，并能進(jìn)行簡單的爬行運動，以及取決于選定狀態(tài)圖的對角線小跑。Phoney Pony 具有十分重要的意義，因為它激發(fā)了 McGhee 去建立新的在步行機(jī)器人的歷史上也起到重要作用的機(jī)器：OSU hexapod 和 Adaptive Suspension Ve

7、hicle（ASV）[5]。 在 80 年代初，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的 Marc Raibert，H. Miura，我以及日本東京大學(xué)的 Shimoyama 首次對步行機(jī)器人進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。Marc Raibert 建立平面以及立體的獨腿跳躍機(jī)器人。在 Raibert 關(guān)于跳躍機(jī)器人的三個控制原理的基礎(chǔ)上，兩足和四足可以跑可以跳的機(jī)器人隨后也制造出來。這是四足機(jī)器人動態(tài)步態(tài)運動控制的一個里程碑[6]。在 1984 至 1987 年間，動態(tài)行走的四足機(jī)器人 Collie-1 和 Collie-2 已經(jīng)研制成功，東京大學(xué)的 Professor Miura 和 Professor Sh

8、imoyama 對此進(jìn)行了更深入的研究。這些機(jī)器人可以實現(xiàn)小跑和踱步以及小跑和踱步之間的過渡 [7]。 嚴(yán)格地說，TITAN 系列四足機(jī)器人并不屬于仿哺乳動物的機(jī)器人，但它也是機(jī)器人發(fā)展史上的一個里程碑。TITAN III 是一種在 TITAN 系列中具有立體收縮結(jié)構(gòu)腿的四足機(jī)器人。它安裝了了姿態(tài)傳感器和觸須傳感器，并裝有智能步態(tài)控制系統(tǒng)，來根據(jù)傳感器的信息作出決定，以實現(xiàn)靜態(tài)地形自適應(yīng)步行[8]。隨著四足機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)張，在德國一個名為“BISAM”的四足步行機(jī)器人由 R. Dillmann 和他的研究小組制造出來。一種基于耦合振子的自適應(yīng)控制方法被用來模擬 BISAM 周期運動，在

9、 BISAM 的實驗平臺上，一種基于仿生的為實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定運動的自適應(yīng)控制架構(gòu)——魯棒控制法被提了出來[9]。 在 1999 年，基于中樞模式發(fā)生器（CPGs），Kimura 和他的在京都技術(shù)研究所的同事們研究了四足機(jī)器人動態(tài)步行的方式。四足機(jī)器人 Patrush 以及后來的 Tekken 系列機(jī)器被開發(fā)出來。在 Tekken 系列中，獨立的四足機(jī)器人 Tekken II 是由電機(jī)驅(qū)動，使用了機(jī)械彈簧和關(guān)節(jié)間的柔性連接，采用 CPGs 和反射，實現(xiàn)了動態(tài)行走[10]。在 2009 年，Kimura 又開始研制四足機(jī)器人“Kotetsu”，采用基于腿部加載/卸載的相位調(diào)制的方法，挑戰(zhàn)了一般使

10、用自適應(yīng)動態(tài)行走的四足運動控制方法。 在 1999 年，一個動態(tài)穩(wěn)定運行具有簡單機(jī)械機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人——Scout II 被麥吉爾大學(xué)機(jī)器人實驗室(ARL)的 Martin Buehler 設(shè)計出來，用于探究哺乳動物的動態(tài)步態(tài)。 自 1998 年以來，斯德哥爾摩皇家技術(shù)研究所一直在開發(fā)一臺名為“Warp1”適應(yīng)復(fù)雜地形的四足仿生機(jī)器人平臺。此平臺的目的是研究在復(fù)雜環(huán)境中的自動行走和實現(xiàn)動靜態(tài)的步行運動[13]。在 2001 年左右，斯坦福大學(xué)的 Kenneth Waldron 和他的團(tuán)隊與美國俄亥俄州立大學(xué)合作設(shè)計出了 KOLT 機(jī)器人 [14]。 Marc Raibert

11、和他的同事們于 1992 年創(chuàng)立了波士頓動力公司（BDI）。他們于 2004 年重新啟動四足仿生機(jī)器人的研究項目。此外，在 2005 年第一代的四足機(jī)器人被命名為“BigDog”。在 2008 年開發(fā)了第二代的 BigDog，如圖 1 所示。第二代的 BigDog 是 1m 長，0.7 米高，重約 75 公斤。它的每條腿有四個自由度，有由液壓驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，在腳上還有一個基于氣動彈簧的被動線性關(guān)節(jié)。 BigDog 可以在 30 度的坡上行走，以 1.8 米/秒的速度慢跑，有超過 153 公斤的有效載荷，可以穿行于森林和冰雪，在冰上滑動或側(cè)面被踢后恢復(fù)平衡[15]。

12、 圖 1 大狗機(jī)器人。 2009 年 12 月，BDI 已被美國國防高級研究計劃局(DARPA)授予合同，研發(fā)LS3——第一梯隊支持系統(tǒng)。LS3 是一個動態(tài)的機(jī)器人，可以去任何士兵和海軍陸戰(zhàn)隊可以步行到達(dá)的地方。每個 LS3 將攜帶 400 磅的齒輪和足夠行駛 20 英里持續(xù) 24 小時的燃料。LS3 不需要駕駛員，因為它會自動跟隨計算機(jī)視覺的指引， 或者可以使用遙感和全球定位系統(tǒng)到達(dá)指定地點。 BDI 預(yù)計研發(fā)需要 30 個月，在 2012 年制成原型樣機(jī)[16]。

13、 2011 年 3 月 1 日，由于 DARPA 的資金援助，BDI 也將研發(fā)獵豹機(jī)器人。獵豹機(jī)器人將有四條腿，一個靈活的脊椎，鉸接式頭部/頸部，也可能有尾巴。它將比現(xiàn)有的所有機(jī)器人或是人類跑的都快，急速地轉(zhuǎn)彎來追逐或者是逃避，可以迅速從靜止加速，也可以迅速停止 [17]。如果獵豹機(jī)器人的原型可以實現(xiàn)，這將是機(jī)器人發(fā)展最重要的一個里程碑。 最近，韓國的工業(yè)技術(shù)研究所和 ROTEM 公司的研究人員開發(fā)了液壓驅(qū)動的四足步行機(jī)器人。這個機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)都是由液壓旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器驅(qū)動，可以攜帶很高的載荷，并可以在崎嶇地面快速移動。這種類型的機(jī)器人實現(xiàn)了在實驗環(huán)境中地形小跑的步態(tài)[18，19]。

14、 通過把液壓裝置與電動機(jī)相結(jié)合，意大利技術(shù)研究所的研究人員目前正在興建的四足機(jī)器人（名為 HYQ）可以執(zhí)行高度動態(tài)的任務(wù)，比如雙腿跳躍，單腿跳躍和奔跑[20]。到目前為止，機(jī)器人 HYQ 只是實現(xiàn)了對使用線性液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單腿位置的控制。 除了國外機(jī)器人的發(fā)展，上海交通大學(xué)的 Sunpei Ma 于 1996 年首次在國內(nèi)研制了一臺名為 JTUWM-III 的機(jī)器人。JTUWM-III 機(jī)器人的每條腿有三個活動關(guān)節(jié)和柔性關(guān)節(jié)。每個活動關(guān)節(jié)采用直流伺服電機(jī)來驅(qū)動 [21]。清華大學(xué)的 Xiuli Zhang 和她的同事于 2003 年開發(fā)了 Biobot（仿生機(jī)器人）。她提出了一個基于

15、 Matsuoka 振蕩器的全面 CPG 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，還實現(xiàn)了有節(jié)律的運動和不同步態(tài)間的轉(zhuǎn)換。在 CPG 模型的基礎(chǔ)上 Biobot 在現(xiàn)實環(huán)境中的運動能力也得到了提高[22]。在 2006 年，Xuedong Chen 和他的同事們開發(fā)出了名為“MiniQuad” 的模塊化的機(jī)器人，通過改變其模塊布局，它可以被重新配置到包括四足和六足結(jié)構(gòu)在內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)中，以實現(xiàn)不同的任務(wù)[23，24]。此外，其他四足機(jī)器人也已被一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)研制出來，例如被中科院智能機(jī)械研究所報道的由西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的名為 TIM1 的仿哺乳動物四足機(jī)器人，以及中科院自動化研究所研制的由電力驅(qū)動的大型四足

16、機(jī)器人。 B.四足機(jī)器人的驅(qū)動模式 一般情況下，機(jī)器人的驅(qū)動方式包括電動，氣動和液壓。 電動馬達(dá)由于其技術(shù)先進(jìn)性和低廉的價格的而成為機(jī)器人領(lǐng)域中最常見的驅(qū)動器。但是，減速齒輪是電動馬達(dá)裝置中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，而且許多部件容易磨損。氣動和液壓非常相似，只不過氣動采用了壓縮氣而不是液體來提供壓力。氣動系統(tǒng)的反應(yīng)非常迅速。但空氣的可壓縮性導(dǎo)致系統(tǒng)的精確定位難以實現(xiàn)。 液壓油工作在 21MPa 的高壓（部分系統(tǒng)可達(dá) 70MPa）。這使得液壓裝置有非常高的比功率，高帶寬，快響應(yīng)以及一定程度上的精準(zhǔn)性[25]。液壓裝置在大功率的應(yīng)用中是非常高效的。 近年來，許多研究人員一直在

17、開發(fā)高度動態(tài)和重載任務(wù)四足機(jī)器人的液壓驅(qū)動裝置，因為它們的性質(zhì)非常適合高度動態(tài)的腿式機(jī)器人。波士頓動力公司的 Raibert 研發(fā)的 BigDog 是最為先進(jìn)的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人[15]。許多其他液壓四足機(jī)器人也被研發(fā)出來或正在被研發(fā)。例如，韓國正在研制的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人 P2，將被用于軍事上[18，19]。意大利技術(shù)研究所的研究人員正在研制結(jié)合了液壓和電動的 HYQ 機(jī)器人，以實現(xiàn)高度動態(tài)的任務(wù)，像雙腿跳躍，單腿跳躍以及奔跑[20]。 三、四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢 四足仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢主要由液壓裝置的驅(qū)動功率模式?jīng)Q定，也就是需要提高其功率重量比，實現(xiàn)快速響應(yīng)，較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性和

18、長距離行走能力。在復(fù)雜地形的環(huán)境識別，信息融合，步態(tài)生成，位置反饋調(diào)節(jié)，四肢軀干的軌跡規(guī)劃以及穩(wěn)定控制策略中的關(guān)鍵技術(shù)仍然需要更深入的研究。這種發(fā)展可以使四足機(jī)器人推廣到實際應(yīng)用中。具體的發(fā)展趨勢如下 1）仿生：仿生造型和結(jié)構(gòu)，仿生步態(tài) 千年的演化后，哺乳類動物的骨骼結(jié)構(gòu)和步態(tài)及其獨特的行走模式已達(dá)到適應(yīng)環(huán)境的最高水平。因此，哺乳動物的身體結(jié)構(gòu)，自由度和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是仿生機(jī)器人的最佳參考。為了使設(shè)計的四足仿生機(jī)器人如哺乳動物般更加靈活和高效，結(jié)構(gòu)和控制理論成為一個重要的發(fā)展趨勢。 2）重量輕，高載荷：高功率密度驅(qū)動裝置 具有功率密度高，重量輕和高負(fù)載的驅(qū)動裝置是機(jī)器人研究領(lǐng)

19、域中基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。此外，它是四足仿生機(jī)器人實現(xiàn)高動態(tài)，高適應(yīng)性和高負(fù)載的重大突破的先決條件和核心技術(shù)。 3）高機(jī)動性：快速響應(yīng)，高速運動和適應(yīng)環(huán)境 四足機(jī)器人的新水平和發(fā)展的必然趨勢，是在復(fù)雜的環(huán)境中完成高品質(zhì)的工作任務(wù)?？焖夙憫?yīng)和高速運動是處理環(huán)境干擾和地形變化的影響，尤其是在現(xiàn)場環(huán)境中的復(fù)雜任務(wù)的一個基本條件?？焖傩凶吣芰σ彩且粋€研究的熱點，同時是研究高性能四足機(jī)器人需要解決的重要課題。 4）智能：學(xué)習(xí)，進(jìn)化和自動控制 模仿人類和生物的學(xué)習(xí)能力，演化和決策控制對實現(xiàn)機(jī)器人的智能化非常重要。這是機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，完成工作任務(wù)，自我學(xué)習(xí)，自我提升的先決條件。因此，這

20、是一個重要的發(fā)展方向，也是當(dāng)前和將來機(jī)器人研究的核心內(nèi)容。 5）和諧的人-機(jī)：人機(jī)交互和安全協(xié)調(diào) 機(jī)器人的基本準(zhǔn)則是服務(wù)且隸屬于人類，并且在人和機(jī)器之間要保持和諧。在聽覺，視覺，手勢，思維和其他的多模式感知方面，自然而友好的交互，是機(jī)器人研究的基本任務(wù)。在未來，實現(xiàn)人機(jī)交互和安全協(xié)調(diào)是為了人機(jī)的和諧。 四、四足機(jī)器人的技術(shù)難點 A.基于仿生學(xué)的機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計 四足機(jī)器人設(shè)計的首要難點是是仿生機(jī)制的建設(shè)。生物數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于幫助選擇機(jī)器人的基本物理參數(shù)，如體長，腿的剛度，臀高。機(jī)器人的物理參數(shù)對機(jī)器人關(guān)鍵性能，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力和負(fù)載能力的影響，并沒有得到充分研究

21、 [26]。 在仿生學(xué)和四足動物仿生技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，仿生機(jī)構(gòu)的機(jī)制，不同步態(tài)生成方法，在一些緊急情況下身體恢復(fù)平衡的方法，迫切需要得到研究。如果解決 了這一難題，研究人員就可以設(shè)計巧妙，剛度大，重量輕和靈活運動性能，符合現(xiàn)代仿生技術(shù)的四足機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和本體結(jié)構(gòu)。因此，技術(shù)難點在于優(yōu)化運動機(jī)制，并進(jìn)一步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有重量輕，抗沖擊，能越障和較穩(wěn)定的特點。 B.設(shè)計和制造具有高帶寬，體積小，高精度的液壓驅(qū)動裝置 1）設(shè)計制造具有高壓力，高帶寬，高精度，大流量，輕質(zhì)量等特點，由集成液壓缸，伺服閥，力/位置傳感器和數(shù)字控制器組成的液壓裝置是技術(shù)難點。 2

22、）具有高速度高精度特點的力與位置混合控制技術(shù)是另一個技術(shù)難點。液壓伺服單元是一個具有較強(qiáng)的非線性和強(qiáng)烈的不確定性特點的系統(tǒng)。時變參數(shù)和負(fù)載力，速度和位置的變化對驅(qū)動系統(tǒng)的液壓有很大影響。因此，需要特殊的混合控制算法來解決這個問題。 C.環(huán)境感知和自主導(dǎo)航 實現(xiàn)環(huán)境感知和機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵難點歸納如下：異構(gòu)源和多尺度數(shù)據(jù)登記，校準(zhǔn)和整合的問題，對象、環(huán)境、時間的語義表達(dá)，基于智能生物認(rèn)知機(jī)制的人工認(rèn)知系統(tǒng)的設(shè)計，長時間，高精度的自對準(zhǔn)組合導(dǎo)航算法，復(fù)雜地形通行路徑的規(guī)劃等。 D.四足機(jī)器人動態(tài)步伐瞬態(tài)生成技術(shù) 在非結(jié)構(gòu)化的情況下，四足仿生機(jī)器人應(yīng)采取各種自適應(yīng)步態(tài)。步態(tài)

23、過渡的瞬態(tài)要求對高機(jī)動性是必要的。運動穩(wěn)定要求姿勢改變和運動時步態(tài)改變的穩(wěn)定性。同時，由于慣性力，沖擊力，腳和地面的沖擊，外部力量的干擾，滑動摩擦和其他步態(tài)因素的影響，步態(tài)生成方法和御用控制難以達(dá)到上述的要求。 E.四足機(jī)器人在快速移動，地面干擾和外力影響等條件下的步態(tài)規(guī)劃 和動態(tài)控制策略 四足機(jī)器人是一種串行平行和高度支鏈化的系統(tǒng)。機(jī)器人的參數(shù)有大量的時變特性。一些復(fù)雜的因素，如時變參數(shù)，動態(tài)步態(tài)的穩(wěn)定性能，地形變化的不確定性，外力的影響，給姿態(tài)控制的穩(wěn)定性研究帶來了很多難題。 F.基于環(huán)境感知在復(fù)雜地形下的實時移動和快速感知技術(shù) 四足仿生機(jī)器人發(fā)展的主要目標(biāo)之

24、一是實現(xiàn)穩(wěn)定和快速運動。基于環(huán)境感知模型重建和機(jī)器人姿態(tài)控制的穩(wěn)定，目標(biāo)識別，運動規(guī)劃，步態(tài)規(guī)劃和動態(tài)約束下的運動控制和其他技術(shù)問題，應(yīng)得到解決和跟蹤。姿態(tài)實時調(diào)整，步態(tài)，路徑和能耗問題也應(yīng)該被考慮。最終目標(biāo)是實現(xiàn)穩(wěn)定性，移動性和能耗問題的最優(yōu)化，以及在復(fù)雜環(huán)境中既定任務(wù)的高完成度。 G.具有高動態(tài)性，高機(jī)動性，高載荷能力的四足機(jī)器人的系統(tǒng)集成方 法 高性能的四足仿生機(jī)器人是一種高層次的綜合平臺，包括一個新的仿生機(jī)制，微型和小功率，高頻率和大功率的驅(qū)動，高速的動態(tài)環(huán)境，姿勢感知和高速實時 控制。四足步行機(jī)器人集成平臺需要數(shù)字液壓伺服，發(fā)動機(jī)，傳感器和電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜的集

25、成技術(shù)。 五、山東大學(xué)機(jī)器人研究中心的四足機(jī)器人的研發(fā) 在液壓驅(qū)動的四足機(jī)器人的開發(fā)中，設(shè)計驅(qū)動器和制定動態(tài)步態(tài)是非常重要 的。 在 2010 年，SURO（山東大學(xué)機(jī)器人研究中心）和南京工程飛行系統(tǒng)研究所研制出了為四足機(jī)器人設(shè)計的集成式液壓驅(qū)動裝置，如圖 2 和圖 3。具有高精度，高帶寬，小體積特點的特殊器件被用來制作伺服閥，位移傳感器和壓力傳感器。缸體和伺服閥板集成在一起以降低液壓驅(qū)動裝置系統(tǒng)的重量。 圖 2 液壓驅(qū)動裝置系統(tǒng)實物圖

26、 1. 活塞桿 2.缸體 3.位移傳感器 4, 6.壓力傳感器 5, 7 伺服閥 圖 3 集成液壓驅(qū)動裝置的 CAD 模型 通過 ANSYS 來模擬液壓驅(qū)動裝置系統(tǒng)的強(qiáng)度校核和模態(tài)分析?？刂菩阅芎涂刂茀?shù)的優(yōu)化通過半實物仿真系統(tǒng)—Dspace 來評估。液壓驅(qū)動裝置系統(tǒng)的性能 如下：重量不足 2kg，伺服驅(qū)動器的最大工作行程是 60mm，最大的動力是 700kgf，最高工作速度是 0.48m/s，伺服驅(qū)動器的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 100Hz。設(shè)計的液壓驅(qū)動裝置系統(tǒng)的性能足夠滿足四足機(jī)器人的動態(tài)步態(tài)和承載相當(dāng)?shù)妮d荷。 在上面講到的液壓

27、驅(qū)動裝置的基礎(chǔ)上，SUCRO 研制出了被稱為“Hanma”（SUCROHanma）的四座機(jī)器人實驗平臺。 我們開發(fā)的液壓驅(qū)動的四足機(jī)器人如圖 4。四足機(jī)器人的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)由具有良好強(qiáng)度質(zhì)量比的鋁合金制作。初始姿態(tài)，其高度為 0.67m。1m 長，0.4m 寬。其重量為 50 公斤，不包括液壓動力源。四足機(jī)器人安裝的線性液壓驅(qū)動裝置可實現(xiàn)高負(fù)重和在不平坦地形上的快速移動。一條腿模塊包括髖關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)和一個膝關(guān)節(jié)，所以液壓四足每條腿有三個自由度，總共 12 個自由度。 圖 4 四足機(jī)器人實物模型 我們已經(jīng)在室內(nèi)環(huán)境下在該平臺上做了實驗

28、，可實現(xiàn)至少 1m/s 的小跑。圖 5 是四足機(jī)器人在負(fù)重 80Kg 的情況下以 0.4m/s 的速度移動。驗結(jié)果表明，開發(fā)的機(jī)器人平臺的關(guān)節(jié)具有足夠的驅(qū)動功率和剛度。 圖 5 機(jī)器人負(fù)重 80Kg（0.4m/s） 六、總結(jié)及未來工作 四足仿生機(jī)器人展示了在不同地形，以不同速度和步態(tài)移動的優(yōu)越性。由于波士頓動力工程公司的 Bigdog 和 cheetah 機(jī)器人的優(yōu)秀表現(xiàn)，機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)掀起了液壓四足步行機(jī)器人的研究熱潮。 動態(tài)穩(wěn)定性的實現(xiàn)和機(jī)載液壓驅(qū)動系統(tǒng)是四足仿生機(jī)器人的

29、發(fā)展方向和技術(shù)難點。在過去的五十年，四足仿生機(jī)器人已實現(xiàn)更快速，更高效，更可靠，并有相當(dāng)?shù)挠行лd荷能力。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，具有現(xiàn)場環(huán)境自適應(yīng)能力，可實現(xiàn)高動態(tài)性，高速度和更大的負(fù)載能力的智能四足仿生機(jī)器人將會被研制出來。 與國外先進(jìn)技術(shù)相比，中國的機(jī)器人技術(shù)相對落后，需要盡快進(jìn)行相關(guān)研究。我們應(yīng)該在一些基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，以滿足在國防建設(shè)等領(lǐng)域的需要。 參考文獻(xiàn)： [1] J. Z. Kolter, M. P. Rodgers and A.Y. Ng, “A control architecture for quadruped locom

30、otion over rough terrain,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Pasadena, 2008, pp. 811-818. [2] M. H. Raibert , “Legged robots,” Communications of the ACM, vol. 29,no. 6, pp. 499-514, 1986. [3] D. J. Todd, Walking machines: an introduction to legged robots. London:Kogan P

31、age, 1985. pp. 68-69. [4] S. M. Song and K. J. Waldron, Machine That Walk-The Adaptive Suspension Vehicle. The MIT Press, 1989, pp. 12-13. [5] P. Gonzalez-de Santos, E. Garcia and J. Estremera, Quadrupedal Locomaotion: An Introduction to the Control of Four-legged Robot.London: Springer-Verlag

32、, 2006, pp. 9-10. [6] M. H. Raibert, legged Robot That Balance. The MIT Press, 1986, ch. 4. 13 / 13 [7] H. Kimura, I. Shimoyama and H. Miura, “Dynamics in the dynamic walk of a quadruped robot,” Advanced Robotics, vol. 4, no. 3, pp. 283-301,1990. [8] K. Yoneda and S. Hirose, “Dynamic and

33、 static fusion gait of a quadruped walking vehicle on a winding path,” IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1992, vol. 1, pp. 143-148. [9] K. Berns, W. Ilg, M. Deck, J. Albiez and R. Dillmann , “Mechanical construction and computer architecture of the four-legged walking mach

34、ine BISAM ,” Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, vol. 4,no. 1, pp. 32-38, 2002. [10] H. Kimura, Y. Fukuoka and A. H. Cohen, “Adaptive Dynamic Walking of a Quadruped Robot on Natural Ground based on Biological Concepts,” Int.Journal of Robotics Research, vol. 26, no. 5, pp. 475-490, 2007.

35、[11] C. Maufroy, H. Kimura and K. Takase, “ Integration of posture and rhythmic motion controls in quadrupedal dynamic walking using phase modulations based on leg loading/unloading,” Autonomous Robots, vol.28, no. 3, pp. 331-353, 2010. [12] I. Poulakakis, J. A. Smith, and M. Buehler, “Modeling a

36、nd Experiments of Untethered Quadrupedal Running with a Bounding Gait: The Scout II Robot,” The International Journal of Robotics Research, vol. 24, no. 4, pp.239-256, 2005. [13] C. Ridderstr?m, “Legged locomotion: Balance, control and tools –from equation to action,” Ph. D. dissertation, The Roy

37、al Inst. of Technology, Stockholm, Sweden, May 2003. [14] J. G. Nichol, S. P. Singh, K. J. Waldron, L. R. Palmer III, and D. E. Orin, “System design of a quadrupedal galloping machine,” International Journal of Robotics Research, vol. 23, no. 10-11, pp. 1013-1027, 2004. [15] M. Raibert, K. Bla

38、nkespoor, G Nelson, R. Playter and the BidDog Team,“Bigdog, the rough-terrain quaduped robot. In Proc. 17th International Federation of Automation Control, Seoul, Korea, 2008, pp. 10822-10825. [16] [17] [18] H. K. Kim, D. Won, O. Kwon, T. J. Kim, S. S. Kim and S. Park, “Foot trajectory ge

39、neration of hydraulic quadruped robots on uneven terrain,” In Proc. 17th International Federation of Automation Control, Seoul, Korea,2008, pp. 3021-3026. [19] T. J. Kim, B. So, O. Kwon and S. Park, “The energy minimization algorithm using foot rotation for hydraulic actuated quadruped walking ro

40、bot with redundancy,” In Proc. 41st International Symposium on Robotics and 6th German Conference on Robotics, Munich,Germany,2010, pp. 786-791. [20] C. Semini, “HyQ- Design and Development of a Hydraulically Actuated Quadruped Robot,” Ph. D. dissertation, Italian Institute of Technology and Univ

41、ersity of Genoa, 2010. [21] D. Q. He, Y. C. Liu, P. S. Ma, “Research on influence of joint reactions on stability of quadruped machine walking in trot gait,” proceedings of the Intelligent Control and Automation, 2008 WCICA 2008 7th World Congress on, Chongqing, 2008, pp. 4870-4875. [22] X. L.

42、 Zhang, H. J. Zheng, L. F. Chen, “Gait transition for a quadrupedal robot by replacing the gait matrix of a central pattern generator model,”Advanced Robotics, vol. 20, no. 7, pp. 849-866, 2006. [23] Y. Sun, X. D. Chen, T. H.Yan, W. C. Jia, “Modules Design of a Reconfigurable Multi-Legged Wa

43、lking Robot,” In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, Kunming, 2006,pp. 1444-1449. [24] X. D. Chen, Y. Sun and W. C. Jia, Motion Planning and Control of Multilegged Walking Robots. Wuhan, China: HUST Press, 2006. [25] C. Semini, N. G. Tsagarakis, E. Guglielmino and

44、D. G. Caldwell, “Design and experimental evaluation of the hydraulically actuated prototype leg of the HyQ robot,” The 2010 IEEE/RSJ International confercence on Intelligent Robot and Systems, Taipei, Taiwan, 2010, pp. 3640-3645. [26] P. Chatazkos and E. Papadopoulos, “Bio-inspired design of electrically-driven bounding quadrupeds via parametric analysis,” Mechanism and Machine Theory, vol. 44, no. 3, pp. 559-579, 2009.