多足步行机器人概况

1多足步行机器人概况摘要：本文介绍了多足步行机器人的发展阶段，指出了其的优点，详细的介绍国内外多足机器人的发展状况，纵观国内外的发展成果，指出多足机器人的发展趋势及存在的问题。关键词：多足步行机器人，趋势，问题OverviewofMulti-leggedWalkingRobots（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）Abstract：Thisarticledescribesthedevelopmentofmulti-leggedwalkingrobots,pointsouttheadvantages,describsthedevelopmentofdomesticandforeignmulti-leggedrobots’situationindetail.lookingatthefruitsofdevelopmentathomeandabroad,wepointsoutthedevelopmenttrendsofmulti-leggedrobotsandexistingproblems.Keywords：Multi-leggedWalkingRobots,trends,problems1.引言多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构，是模仿多足动物运动形式的特种机器人，是一种智能型机器人,它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技。所谓多足一般指四足及四足其以上，常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。步行机器人历经百年的发展，取得了长足的进步，归纳起来主要经历以下几个阶段:第一阶段，以机械和液压控制实现运动的机器人。第二阶段，以电子计算机技术控制的机器人。第三阶段，多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。与其他行走方式相比，足式行走机器人的优点[1]：第一，足式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而足式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如此，足式机器人对环境的破坏程度也较小。第二，足式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高。第三，足式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的。22.研究主要成果2.1国内多足步行机器人的研究成果：1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列[2]四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM-III以对角步态行走，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR[3]，如图1所示。其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1mm/s。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。图1MDTWR双三足步行机器人2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人[4]的研究，如图2所示。该步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。3图2微型六足仿生机器人2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究[5]，从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建，研究了多足步行机的单足周期运动规律，提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法，并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。2.2国外多足步行机器人的研究成果1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER[6]，如图3所示。该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3，180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划。图3六足步行机器人AMBLER1993年，美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE[7]，用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用，如图4所示。1994年，DANTE-II对距离安克雷奇145km的斯伯火山进行了考察，传回了各种数据及图像。图4八足步行机器人DANTE-II1996~2000年，美国罗克威尔公司在DARPA资助下，研制自主水下步行机ALUV[8](AutonomousLeggedUnderwaterVehicle)，如图5所示。该步行机模仿螃蟹的外形，每条腿有两个自由度，具有两栖运动性能，可以隐藏在海浪下面，在水中步行，当风浪太大时，将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器，用于探测岸边的地雷，当它遇到水雷时，自己爆炸同时引爆水雷。4图5自主水下步行机ALUV在对昆虫步态进行研究的基础上，2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot[9]，如图6所示。为了像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行，采用气动人工肌肉的方式，压缩空气由步行机上部的管子传输，并由气动作动器驱动各关节，使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比，该作动器能提供更大的力和更高的速度。图6六足仿生步行机器人Biobot2008年，美国科学家最新研制的ATHLETE(全地形六足地外探测器)机器人，如图7所示。对于未来月球基地建设和发展充当着至关重要的角色。美国宇航局指出，ATHLETE机器人顶部可放置15吨重的月球基地装置，它可以在月球上任意移动，能够抵达任何目的地。当在水平表面上时，ATHLETE机器人的车轮可加快行进速度；当遇到复杂的地形时，其灵活的6个爪子可以应付各种地形。图7全地形六足地外探测器ATHLETE日本对多足步行机的研究从20世纪80年代开始，并不断进行着技术创新，随着计算机和控制技术的发展，其机械结构由复杂到简单，其功能由单一功能到组合功能，并已研究出各种类型的步行机。主要有四足步行机、爬壁机器人、腿轮分离型步行机5器人和手脚统一型步行机器人。1994年，日本电气通信大学的木村浩(HiroshiKimura)等研制成功四足步行机器人Patrush-II[10]，如图8所示。该机器人用两个微处理机控制，采用直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关，采用基于神经振荡子模型CPG(CentralPatternGenerator)的控制策略，能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的特点。图8步行机器人Patrush-II2000~2003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行机器人Tekken[10]，如图9所示。该机器人用一台PC机系统控制，采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，并安装了陀螺仪、倾角计和触觉传感器。采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的控制系统，其中CPG用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG的周期和相位输出，Tekken能适应中等不规则表面的自适应步行。图9步行机器人Tekken3.发展趋势未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面[10]：(1)足轮组合式步行机器人。足式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。目前，足式移动机器人系统应用行星探测仍然是很困难的。足轮组合式步行机器人综合了足式和轮式机器人的优点，具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率。特别适合用于行星探测，在无法确定待探测地表状态的情况下，采用足轮组合式步行机器人可提高步行速度和效率。在松6软或者崎岖不平的行星地表，采用足轮组合式显示出优越性，在坚硬且较平坦的地表，由于没有土壤变形引起的阻力，采用轮式结构可有效提高其运动速度。(2)微小型步行机器人。微型化是工业发展的必然趋势之一，是高技术成果的结晶。日本已研制出外形为：8.6mm×9.3mm×7.2mm的微型行走机器人。微型步行机器人有广阔的应用前景，如可将数以千计的微型步行机器人散布在星球上进行探测；在考古研究中，该种机器人可步行进入狭小的空间内采集样品等；可在狭小的空间如管道内行走、作业和维修等。(3)仿生步行机器人。在步行机的腿上安装弹性装置或采用人工肌肉等柔性腿，就是结构仿生的体现，采用形状记忆合金驱动是材料仿生的体现。目前的步行机器人还远未达到像多足昆虫那样的步行机动性和灵活性，存在步行速度低，效率差等问题。进一步深入研究功能、控制和群体仿生，提高步行机器人的速度和灵活性，充分实现多足步行机器人的优点，是今后研究步行机器人的重点之一。4.存在问题当今多足步行机器人面临待解决的问题[1,10]：(1)有些多足步行机器人的体积和重量很大。在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现。从实用化角度出发，这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进。尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等，需要寻找体积更小、效率更高的替代品。(2)大多数多足步行机器人研究平台的承载能力不强，从而导致它们没有能力承载视觉设备。而且多足步行机器人的视觉研究也不太成熟，而视觉正是多足步行机器人实现自主化和智能化的关键之一。要解决这个问题，首先还需改进现有多足步行机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载；其次是改进视觉图像处理的算法，增强图像处理的实时性、快速性和准确性。(3)步行敏捷性方面。多足步行机器人有很好的地面适应能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此多足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。(4)多足步行机器人的控制方法需要改进。多足步行机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化。但有些算法由于其计算量很大，所以对于机器人的实时控制很难实现甚至不能实现。因此需要简化机器人控制算法，实现用相对较简单的控制算法获得符合工作要求的控制效果的目标。另外，多足步行机器人现有的控制方法还有待完善和发展。(5)能源问题。寻求新型可靠的能源为机器人供电，实现机器人长时间在户外行走的目标。7参考文献:[1]刘静,赵晓光,谭民.腿式