双足行走机器人发展现状及展望-(1)

双足行走机器人发展现状及展望阮晓钢1，仇忠臣2，关佳亮1（1.北京工业大学人工智能与机器人研究所，北京100022；2.北京工业大学机电学院，北京100022）DevelopmentStatusandProspectsofBipedRobotRuanXiao-gang1,QIUZhong-chen2,GUANJia-liang1（1.InstituteofArtificialIntelligenceandRobotics,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China；2.CollegeofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology，Beijing100022,China）Abstract:Thispaperintroducestheconceptandcharacteristicsofthebipedwalkingrobot,brieflydescribesthedevelopmentofthebipedrobot,combininggraphicdetailthelatestresearch,andthefurtherdevelopmenttrendofbipedrobotisdiscusseddetailedly.Keywords:bipedwalkingrobot;development;inactivemode;prospect1前言机器人是近年来发展起来的综合学科，随着科学技术发展，机器人的含义也在不断地拓宽，一般是指机器人化的技术或系统；现代的机器人已跨出了结构化环境的生产车间，向着人类生活的诸多方面渗透。双足行走机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节。并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。与其它足式机器人相比，双足机器人还具有如下的优点：（1）双足机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，故它的移动“盲区”很小。（2）双足机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。（3）双足行走是生物界难度最大的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。此外，双足行走机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。所以双足行走机器人具有广阔的应用领域，特别是作为残疾人(下肢瘫痪者或截肢者)提供室内和户外行走工具、极限环境下代替人工作业等方面更是具有不可替代的作用。2双足行走机器人的发展现状2.1传统有动力驱动机器人2.1.1国外研究历史及现状双足机器人的研究始于1960年代，早在1968年，美国通用公司的R.Smo-sher试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，揭开了双足机器人研究的序幕。但该机器人只有踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人的平衡。1968～1969年，南斯拉夫的著名科学家M.Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论，即MP稳定判据，并研制出世界上第一台真正意义的双足机器人。随后各国的学者和研究机构纷纷展开双足机器人的研究工作。据韩国的一个机器人网站统计，截至2005年3月，世界上共有76个双足机器人的项目正在进行中，其中日本36个，由此不难看出日本在双足机器人研究领域的突出地位，其研究成果也是最为杰出的。在日本所有的研究机构中，早稻田大学、东京工业大学、本田公司、索尼公司等研究机构成为双足机器人研究的主力。早稻田大学的双足机器人研究始于1968年，该大学的加藤一郎教授所领导的课题组相继研制了WL系列、WABIAN系列双足机器人。最新的研究成果为WL-16和WABIAN-2机器人，WL-16腿部采用一对6自由度的并联机构。由于并联机构刚度高，许多金属部件用聚乙树脂代替，齿轮、电机等重量都得以减轻，可以在不平的地面上稳定行走。WABIAN-2不仅可以像真人一般活动头部、躯干、四肢和手掌，而且还能够通过面部表情传达多种人类特有的感受，例如快乐、愤怒、悲伤、惊讶和厌恶等。最为重要的是它还可以弯曲膝盖并且以多种方式摘要：文中介绍了双足行走机器人的概念和特点，简要地阐述了国内外双足机器人的发展，结合图文详述了双足机器人的最新研究领域和现状，并对双足机器人的发展趋势作了详细的展望。关键词：双足机器人；发展；被动式；趋势中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1002-2333（2007）02-0017-03图1WABIAN-2机器人图2WABIAN-2腰部关节图3新ASIMO机器人图4新ASIMO在转弯行走图5索尼公司的QRIO图6索尼公司QRIO（侧）活动它的脚掌，通过机器人的模拟运动，人们便可以得到许多观测真人时所不可能得到的定量数据。所以，借助WABIAN-2对人类行走方式进行最大限度地模仿，研究人员将可以获得对人类病理学的更深层次的了解，从而可以得到对开发新型医疗和康复设备极有助益的信息。日本本田公司从1986年至今已经推出了P系列1、2、3型双足机器人。本田公司的设计计划着重于一般家用的机器人，而并不是针对特殊任务。所以这种设计的最大挑战是要让机器人在布满家具的房间中来去自如，而且还要能自由上下楼梯。本田公司于2000年l1月20日推出了双脚步行机器人“ASIMO”。ASIMO与P3相比，实现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，更接近人类的步行方式。ASIMO高1200mm，体重43kg，使用个人电脑或便携式控制器操作步行方向和关节及手的动作。并且采用I-WALK技术，可更加自由地步行，I-WALK技术是在过去的双脚步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制”功能。它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。过去由于不能进行预测运动控制，因此当从直行改为转弯时，必须先停止直线行动作后才可以转弯；而ASIMO通过事先预测到下肢转弯以后重心向外侧倾斜多少等重心变化，可以使得从直行改为转弯时的步行动作变得连续流畅。本田公司在2005年12月发布了新一代“ASIMO”，它可以在办公室等现实环境中工作，具有很高的运动能力。和以往相比，新ASIMO可以和人手拉手走路等，强化了与人配合的行动能力，而且增加了利用手推车、搬运物品的功能。此外，新开发出的对这些功能进行统一控制的综合控制系统，使ASIMO可以自行从事接待、向导、递送等服务，极大地提高了移动能力，实现了时速6km的奔跑和迂回行走。新ASIMO的性能参数如下表。新ASIMO的性能参数表索尼公司开发出了世界首台会跑的双足机器人“QRIO”。索尼公司定义的“跑”是指机器人行走时双足处于离开地面的非接触状态，并不是那种一定要某只脚接触地面的快步行走（类似于竞走运动）。QRIO在行走时可以有约20ms的不接触地面的时间，不仅可以行走，而且可以跳跃。在跳跃状态下不接触地面的时间可达40ms，行走速度为14m/min。如果假设其大小与人相同，换算过来相当于时速2.5km，给人以缓缓慢跑的印象。能够实现机器人QRIO可以跑的关键在于，首先是将电机和控制电路一体化的调节器ISA转矩提高30%。此前的ISA也可以通过外力使输出轴旋转，也就是提高了所谓的反向运转性能，有助于减缓着地时的冲击力；此外，设计QRIO的过程中，在此前的用于步行的算法（ZMP稳定步行控制）中增加了可即时控制机器人的跳跃方向和在空中时可保持平衡状态的姿势控制等的算法。2.1.2国内研究历史及现状国内双足行走机器人的研究起步较晚，开始于1988年国防科技大学的六关节平面运动型双足步行器。国防科技大学的“先行者”是国内第一台仿人机器人，高1400mm，重20kg，可以以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。随后清华大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、中科院沈阳自动化所等单位都开展了双足机器人的研究，并取得了很多的成果，如哈尔滨工业大学的HIT系列、北京理工大学的BHR系列双足机器人，其最新成果分别为HIT-4和BHR-2型。另据报道，北京中关村的一家名为汉库科技的企业在2006年初成功推出一款双足行走机器人，称是目前中国最先进的双足行走机器人。2.2被动式行走机器人的研究现状上述各种双足行走机器人属于动力驱动机器人，因此设计中能量消耗大的问题一直是设计者考虑的重点。据估计，本田公司的ASIMO耗用的能量至少比人大1018机械工程师2007年第2期FFORUMONSPECIALTOPIC专题论坛奔跑速度时速6km（以往时速3km）跳跃时间跳跃时间0.08s、跳跃时两脚离地前进距离为50mm正常行走速度时速2.7km（以往时速2.5km）转弯奔跑速度时速5km（转弯半径2.5m）搬运行走速度时速1.6km（搬运重量1kg）身高1300mm体重54kg关节自由度34个图7汉库科技机器人图8哈工大HIT-3机器人图9BHR-2仿人型图10代尔夫特、MIT、康奈尔机器人刀术表演的被动动力行走机器人倍。于是Mogeer在1989年提出一个新的理论，完全不用驱动也不用控制的机器人也能够实现稳定的步行运动，进而提出了“被动动力步行”概念。此后许多学者对被动动力行走机器人进行了深入的研究，并且研制出被动动力机器人样机。2005年2月21日召开的第171届美国科学促进会的年会上，由美国康奈尔大学、麻省理工学院和荷兰代尔夫特理工大学的科学家分别组成的研究小组，展示了他们研制出的能以人类步态直立行走的被动动力行走机器人，被认为代表了当前被动动力机器人研究的最新成果。被动动力行走机器人内置多个传感器，使其能在20min内学会像人一样走路。传感器能以每秒200次的速度测量机器人每个动作的倾斜度和速度，然后向其它电动机下达新指令来调节身体姿势。传感器还指示制动器控制机器人脚踝上弹簧的压力，使其整体平稳向前。每走一步，制动参数都会有所改变，所以机器人可以在任何路面上走路，并调节走路的姿势。被动动力步行机器人的最大优点在于，能量消耗低却能够实现像人一样自然的步态。已经得到了国外众多学者的深入研究，并取得了巨大的成果。但当前对被动动力步行机器人的研究还不成熟，如稳定性、倒行等还需要进一步的深入研究。国内对此开展的研究并不多，北京大学在2006年10月研制成功双足机器人“Runbo-I”，Runbo-I不仅能平稳行走，还能负重推车，在设计上的最大特点是每条机械腿均只使用一个电机作为主动运动驱动，膝关节和踝关节采用仿生被动关节。整个运动通过弹性机构实现运动能量的存储和释放，在很大程度上模拟了人类运动方式。3双足行走机器人的发展趋势双足行走机器人研究虽然取得了很多的研究成果，但在稳定性、人与机器人协调合作等方面还存在很大的不足，这也是双足行走机器人没有走进我们生活的主要原因。综合研究现状，双足行走机器人具有以下几个发展趋势，当然也是进一步研究的重点所在。（1）稳定性与控制。稳定性与控制策略是双足行走机器人技术的关键，也是各国学者研究的焦点。具体主要有双足运动的动态稳定与控制机理、双足步行运动的固有鲁棒性机理、实时步态规划与控制等几个方面。只有解决了这些问题，双足机器人才能实现自然、顺畅地行走，从而更好地完成任务。2006年10月在中国苏州举行的机器人大赛上，所展出的双足机器人已经具有较好的稳定性，不但具有顺畅的行走能力，而且在不慎摔倒时还能够独立地站立起来继续行走。（2）开发新型关节驱动器。双足机器人的自由度是其完成动作质量的保证，自由度越多其动作越协调、顺畅。目前研制的双足机器人自由度最少的也有十几个，最多的达到几十个。自由度的增多的同时对驱动器的要求也越来越高，已不局限于传统的几种方式，形状记忆合金驱动、压电陶