四足机器人研究现状及其展望.docVIP

四足步行机器人研究现状及展望 (郑州轻工业学院 机电工程学院 河南 郑州) 摘 要：文章对国内外四足步行机器人研究现状进行了综述，归纳分析了四足机器人质心距离测量系统研究的关键技术，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词：四足步行机器人；研究现状；关键技术；发展趋势 引言 ：目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。 国内外研究四足步行机器人的历史和现状 20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究 和应用，到了 20 世纪 80 年代，现代四足步行机器 人的研制工作进入了广泛开展的阶段。 世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有 较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的 关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器 人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式[1]。 20 世纪 80、90 年代最具代表性的四足步行机 器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制的 TITAN 系 列。1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传 感和信号处理系统的TITAN-III[2]。它的脚底部由形 状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。 姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。 TITAN-Ⅵ[3]机器人采用新型的直动型腿机构，避免 了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱 动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。 2000-2003 年，日本电气通信大学的木村浩等 人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV， 如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘、陀 螺仪、倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 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优 点。它的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导 航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭 回廊中实现无碰撞快速行走。 目前最具代表的四足步行机器人是美国Ｂｏｓｔｄｙｎａｍｉｃｓ 实验室研制的 ＢｉｇＤｏｇ。如图 ２ 所示。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达５２ＫＧ 的重量，爬升斜坡可达 ３５°。其腿关节类似动物腿 关节，安装有吸收 震动部件和能量 循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机来控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。 国内四足机器人研制工作从 ２０ 世纪 ８０ 年代起步，取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。 上海交通大学机器人研究所于 １９９１ 年开展了ＪＴＵＷＭ 系列四足步行机器人的研究。１９ ９６ 年该研究所研制成功了 ＪＴＵＷＭ — ＩＩＩ　，如图 ３ 所示。该机器人采用开式链腿机构，每条腿有 ３ 个自由度，具有结构简单、外形灵巧、体积小、重量轻等特点。它采用力和位置混合控制，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，实现了对角线动态行走。但其步行速度较慢，极限步速仅为 １.７ｋｍ／ｈ；另外，其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。 清华大学所研制的一款四足步行机器人，如图４所示。它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动 物的运动机理，实 现比较稳定的 节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。 综上所述，美国、日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在逐步提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪９０年代以后才逐步有了成果，但研究水平据世界先进水平还有差距。 2. 国内外四足步行机器人的关键技术分析 从 20世纪60年代至今研究者们对四足步行机器人关键技术的分析做了大量的工作，在一些基础理论问题上取得了一定的突破，使四足步行机器人的技术水平不断得到提高。 2.1 机械本体研究 四足步行机器人是机电一体化系统，涉及到机构、步态、控制等，而机械机构是整个系统的基础。在机械本体的设计中腿部机构设计是关键。目前，研制的四足步行机器人的腿部机构形式主要有缩放型机构［５］、四连杆机构、并联机构［６］、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。其中，并联机构可以实现多方位运