淺析BigDog四足機(jī)器人

丁良宏 王潤(rùn)孝 馮華山 李 軍

西北工業(yè)大學(xué)，西安，710072

0 引言

2005年秋天美國(guó)波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics）首次公開(kāi)其歷經(jīng)十余載所研制的仿生四足機(jī)器人BigDog，在互連網(wǎng)上引起了全球公眾的關(guān)注和熱議［1－6］。BigDog是由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）提供資金資助，波士頓動(dòng)力公司承擔(dān)研制的仿生四足機(jī)器人樣機(jī)，它是仿照人類生活中常見(jiàn)的四足哺乳動(dòng)物狗的結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)代科技方法制造成的一種機(jī)械狗。從Big－Dog的相關(guān)視頻中可以看到，它具有較高的運(yùn)動(dòng)速度、較大的負(fù)載能力和超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能。即便在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，仍然能夠保持自如的行進(jìn)狀態(tài)，令人嘆為觀止。在BigDog初始樣機(jī)實(shí)現(xiàn)之后，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和陸軍又追加了更多的資金用于進(jìn)一步的研發(fā)，把BigDog列為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的裝備之一，預(yù)計(jì)將來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)在實(shí)戰(zhàn)中。

BigDog機(jī)器人最引人注目的就是它出眾的運(yùn)動(dòng)能力，多步態(tài)行走、小跑、跳躍1m寬的模擬壕溝、爬越35°的斜坡，能適應(yīng)山地、叢林、海灘、沼澤、冰面、雪地等復(fù)雜危險(xiǎn)的地形。目前最大運(yùn)動(dòng)速度為10km／h，預(yù)期可達(dá)18km／h，完全能夠滿足步兵分隊(duì)徒步急行軍的速度要求。BigDog的另一顯著優(yōu)勢(shì)，是能夠承載較大的負(fù)荷，標(biāo)準(zhǔn)載荷50kg，而且不降低運(yùn)動(dòng)性能。BigDog還有一個(gè)更為專業(yè)的名字——機(jī)械騾（mechanical mule），意指機(jī)器人運(yùn)輸裝備騾馬化。用于戰(zhàn)地環(huán)境隨同步兵前行，并攜帶各種后勤補(bǔ)給，這也是美國(guó)軍方當(dāng)前對(duì)BigDog的設(shè)計(jì)使用要求。

BigDog是目前陸地移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中為數(shù)不多的初具功能化的實(shí)用機(jī)器人。除了基本的運(yùn)動(dòng)能力之外，各種輔助功能也在逐步完善之中。同時(shí)，進(jìn)一步提升主要性能指標(biāo)和拓展應(yīng)用范圍的科研工作也在進(jìn)行中。

在BigDog問(wèn)世之后的5年中，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后公開(kāi)發(fā)表4篇學(xué)術(shù)論文，發(fā)布了大量的圖片和網(wǎng)絡(luò)視頻，使更多的人了解了BigDog機(jī)器人，同時(shí)這些資料也成為機(jī)器人領(lǐng)域其他科研人員分析BigDog的主要信息來(lái)源。BigDog四足機(jī)器人為什么能表現(xiàn)出如此出眾的運(yùn)動(dòng)能力，是所有從事機(jī)器人研究的人員都十分關(guān)注的問(wèn)題。在已公開(kāi)的BigDog的技術(shù)資料中，哪些技術(shù)點(diǎn)是最為關(guān)鍵的？是形成運(yùn)動(dòng)能力最為核心的研究?jī)?nèi)容？本文結(jié)合本課題組四足機(jī)器人的研究經(jīng)歷，再通過(guò)細(xì)致地分析BigDog的相關(guān)技術(shù)資料，嘗試從專業(yè)的角度來(lái)解答這些問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)

BigDog四足機(jī)器人示意圖見(jiàn)圖1。

BigDog運(yùn)動(dòng)能力出眾，關(guān)鍵是選擇液壓執(zhí)行器作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件，并從根本上改進(jìn)了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)所存在的若干缺陷，再把液壓執(zhí)行器與四足機(jī)構(gòu)合理巧妙地整合在一起，形成了BigDog既強(qiáng)壯有力又不乏靈活柔韌的完美機(jī)體。

1.1 結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性

BigDog共計(jì)有20個(gè)自由度，其中主動(dòng)驅(qū)動(dòng)自由度為16個(gè)，是主要的力和扭矩輸出裝置；4個(gè)足底自由度是完全被動(dòng)的，可以提高腿部對(duì)地形的適應(yīng)性。所以，總輸出功率12.5kW的發(fā)動(dòng)機(jī)主要是向16個(gè)液壓執(zhí)行器輸出功率。具體到每條腿及髖部，包括髖部橫向（側(cè)滑）、縱向（前進(jìn)）2個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)縱向自由度，踝關(guān)節(jié)縱向自由度。

BigDog的髖部和腿部是實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基本單元體（圖2），每個(gè)單元體主要包括：髖部、大腿、小腿、踝肢體、足及4個(gè)液壓執(zhí)行器。髖部、大腿、小腿和踝肢體順次利用3個(gè)橫向鉸接銷串聯(lián)構(gòu)成腿部的基本框架，髖部利用1個(gè)機(jī)身縱向的鉸接銷與機(jī)身相連；這些銷子在髖部和肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)充當(dāng)轉(zhuǎn)軸，是BigDog實(shí)際上的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。4個(gè)液壓執(zhí)行器輸出端軸套機(jī)構(gòu)分別與髖部、大腿、小腿、踝肢體的轉(zhuǎn)動(dòng)部件相連，執(zhí)行器的固定端通過(guò)螺栓分別與機(jī)身、髖部、大腿、小腿連接。BigDog的大腿粗短，平衡位置接近水平，靠近機(jī)身；小腿和踝肢體較為細(xì)長(zhǎng)，平衡位置位于機(jī)身投影面四角；髖部為細(xì)長(zhǎng)條狀物，內(nèi)置于機(jī)身縱向首尾兩側(cè)。小腿的液壓執(zhí)行器以踝關(guān)節(jié)為軸，推拉踝肢體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，借助轉(zhuǎn)換軸把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；大腿下側(cè)液壓執(zhí)行器以膝關(guān)節(jié)為軸推拉小腿轉(zhuǎn)動(dòng)；大腿上側(cè)執(zhí)行器以髖部和大腿之間的鉸接銷為軸推拉大腿轉(zhuǎn)動(dòng)，固定端位于髖部下側(cè)；機(jī)身首尾兩端上方斜置的執(zhí)行器以髖部機(jī)身鉸接銷為軸推拉髖部轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，髖部的轉(zhuǎn)動(dòng)意味著腿部生成橫向運(yùn)動(dòng)，腿部整體會(huì)繞機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)，偏離機(jī)身縱向，形成側(cè)滑。大腿上側(cè)液壓執(zhí)行器為髖部縱向驅(qū)動(dòng)器，由于活塞桿運(yùn)動(dòng)輸出端遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，所以大腿運(yùn)動(dòng)擺幅最小，便于大扭矩輸出。從構(gòu)造原理上看，BigDog的髖部和各肢體工作裝置與普通的挖掘機(jī)毫無(wú)二樣，大腿如同動(dòng)臂，髖部、小腿和踝肢體如同斗桿；主要的差別在于BigDog機(jī)構(gòu)更加精致、布局更加緊湊。

四足機(jī)器人在行走時(shí)不論每條腿有多少個(gè)自由度，都可以把它簡(jiǎn)化為只有一個(gè)自由度的直腿，如圖3所示。髖部縱向驅(qū)動(dòng)器拉動(dòng)這條直腿旋轉(zhuǎn)，直腿支撐地面，以支撐點(diǎn)為圓心完成一個(gè)由后至前的單擺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。切向拉力為機(jī)器人的機(jī)身提供一個(gè)前進(jìn)方向斜上方—水平—斜下方這樣變化的力，重心在地面的反作用力下被撐過(guò)單擺的最高點(diǎn)，產(chǎn)生位移。這個(gè)拉力始終有水平方向的分力，借助地面的反作用力，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的水平運(yùn)動(dòng)；還包括一個(gè)在重力方向變化的先升后降的分力，導(dǎo)致機(jī)身出現(xiàn)起伏的運(yùn)動(dòng)特性。直觀上，四足機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，重心始終處于顛簸起伏的狀態(tài)。這個(gè)特性也是所有足類機(jī)器人明顯區(qū)別于其他移動(dòng)機(jī)器人的顯著特性，比如輪式、履帶等機(jī)器人只有在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，地面崎嶇不平時(shí)才能呈現(xiàn)上述特性，而四足機(jī)器人在任何可行走路面都呈現(xiàn)這個(gè)特性。四足機(jī)器人的重心在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周期性的起伏，意味著行走過(guò)程中要全程控制自身的重量，消耗機(jī)器人發(fā)動(dòng)機(jī)大量的功率，對(duì)于縱向行走而言，這種消耗其實(shí)是無(wú)用功。實(shí)際上四足機(jī)器人消耗在這方面的無(wú)用功要超過(guò)用于水平行走的有用功。選擇四足這種結(jié)構(gòu)，是希望機(jī)器人在行進(jìn)時(shí)可以抬腿越過(guò)不適合落足的位置，有選擇地下腳，從而到達(dá)輪式或者履帶式機(jī)器人無(wú)法行走的地域。因此，只要選擇了這種結(jié)構(gòu)，就必須面對(duì)重心起伏大的功率消耗問(wèn)題。除Big－Dog之外幾乎所有的四足機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)都無(wú)法根本解決這個(gè)痼疾，即無(wú)法提供足夠功率來(lái)保證除基本水平運(yùn)動(dòng)以外的巨大無(wú)用功消耗。Big－Dog采用液壓驅(qū)動(dòng)這種強(qiáng)功率輸出方式，從根本上解決了這一難題。

BigDog在行進(jìn)時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)便于腿部支撐重心越過(guò)單擺旋轉(zhuǎn)最高點(diǎn)，機(jī)身通常會(huì)略微前傾，這樣同相位步態(tài)后腿需要伸長(zhǎng)一些。前腿作為主要的支撐桿，后腿配合前腿支撐重心越過(guò)最高點(diǎn)，也防止了同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)主支撐桿可能造成的內(nèi)耗。前腿的落足點(diǎn)必須超過(guò)髖部縱向關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的投影點(diǎn)，鎖住膝、踝關(guān)節(jié)，由髖部縱向驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩，拉動(dòng)機(jī)身前進(jìn)；后腿根據(jù)速度和地形的情況，落足點(diǎn)可以在轉(zhuǎn)軸投影點(diǎn)的前方、正下方和后方，主要還是髖部縱向驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩，當(dāng)腿長(zhǎng)需要增大時(shí)，膝、踝關(guān)節(jié)配合輸出扭矩伸展關(guān)節(jié)，更多時(shí)候靠力鎖住關(guān)節(jié)，保持姿勢(shì)。這樣看來(lái)，BigDog雖有16個(gè)驅(qū)動(dòng)器，但在如對(duì)角步態(tài)行走時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率主要集中在兩條支撐腿的髖部縱向驅(qū)動(dòng)器實(shí)施輸出，后腿的膝、踝關(guān)節(jié)只有配合伸長(zhǎng)腿部時(shí)才輸出一定的扭矩，邁步腿只需要消耗少量的功率用于擺腿。那么隨之而來(lái)的問(wèn)題是，發(fā)動(dòng)機(jī)能否在這一時(shí)段把全部或者可能最大的功率通過(guò)油壓的傳輸輸送到這2個(gè)驅(qū)動(dòng)器。BigDog顯然是具備這個(gè)油壓分配輸出能力的，它把功率輸送到當(dāng)前主要輸出扭矩的驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)功率的合理分配。BigDog機(jī)載動(dòng)力系統(tǒng)的高功率密度是很值得分析的，以下的數(shù)據(jù)對(duì)比可以深刻地反映出四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)難度。BigDog目前最大運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到10km／h，并且發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體處于分離狀態(tài)，機(jī)體重量低于70kg。假設(shè)此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)按照12.5kW最大功率的2／3輸出，可知當(dāng)前的功率密度高達(dá)119kW／t。同為陸地移動(dòng)裝置的第三代主戰(zhàn)坦克M1A2的功率密度只需要17.5kW／t，而公路最大運(yùn)動(dòng)速度可超過(guò)70km／h。把這兩種移動(dòng)裝置各自極限速度狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，可知BigDog的運(yùn)動(dòng)效率只有M1A2履帶式坦克的1／48。從傳統(tǒng)移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)來(lái)看，足類這種效率過(guò)低的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本不被考慮，這也是四足機(jī)器人發(fā)展緩慢的一個(gè)重要原因。因此，純機(jī)械制造的四足機(jī)器人若想獲得一個(gè)較快的速度和良好的機(jī)動(dòng)性能，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度是一個(gè)首要的先決條件。

從動(dòng)力學(xué)角度看，BigDog的持續(xù)縱向運(yùn)動(dòng)意味著大功率的不斷輸出，髖部縱向是主要的功率輸出裝置；機(jī)身調(diào)整姿態(tài)時(shí)，多數(shù)在原地或者小范圍空間移動(dòng)，機(jī)體消耗的功率降低，主要靠各個(gè)關(guān)節(jié)力輸出來(lái)支撐機(jī)體。當(dāng)BigDog遭遇測(cè)滑或復(fù)雜路面時(shí)，髖部橫向驅(qū)動(dòng)器及膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器就要發(fā)揮它的作用。這3個(gè)部位的關(guān)節(jié)主要是幫助機(jī)器人調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，通過(guò)多冗余自由度的變化提高機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜路面的能力，或者遭遇險(xiǎn)情時(shí)協(xié)助髖部縱向驅(qū)動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)功率輸出，從而移動(dòng)機(jī)身。這3個(gè)部位在運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角比較大，相應(yīng)形成的肢體運(yùn)動(dòng)幅度也較大，有利于機(jī)器人適應(yīng)崎嶇不平的地面。所以，BigDog的16個(gè)液壓執(zhí)行器有比較明確的分工。髖部縱向主要負(fù)責(zé)扭矩的輸出，擺幅通常較小，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)也可實(shí)現(xiàn)較大的擺幅，是核心驅(qū)動(dòng)器；髖部橫向主要是協(xié)助調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，只有在側(cè)滑的情況下，輸出大扭矩，擺動(dòng)幅度比較大，多數(shù)時(shí)間處于平衡位置；小腿和踝肢體主要負(fù)責(zé)調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，同時(shí)因其細(xì)長(zhǎng)且擺幅大，是機(jī)器人縱向邁步和增大步幅的主要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，采用力輸出的方式控制，遭遇復(fù)雜地形時(shí)也會(huì)輸出扭矩協(xié)助髖部縱向驅(qū)動(dòng)器。

1.2 液壓系統(tǒng)

在BigDog推出之前，其實(shí)已有許多研究人員想到了利用液壓驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)四足的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)法滿足四足機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。原因有以下幾點(diǎn)：①電機(jī)的功率相對(duì)不足，按照BigDog的尺寸結(jié)構(gòu)，最多可以選擇200～400W的電機(jī)，與BigDog液壓平均每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可達(dá)800W相比仍顯很低，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)總功率的變化分配輸出；②電機(jī)的工作狀態(tài)不理想，電機(jī)通常只有轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值才能實(shí)現(xiàn)額定功率輸出，而足類機(jī)器人關(guān)節(jié)擺幅通常只有30°～50°，因而電機(jī)始終處于低速、小轉(zhuǎn)角、往復(fù)加減速的工作狀態(tài)，低功率輸出且自身內(nèi)耗太大；③電機(jī)的附帶裝置太多，既占空間又增加重量，增大了機(jī)身的設(shè)計(jì)難度；④需要拖電纜或者背負(fù)電池，不利于野外環(huán)境的自由行走。電機(jī)曾被大量用于足類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到BigDog的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)也存在若干痼疾，在四足機(jī)器人這樣的移動(dòng)裝置中使用至少有兩點(diǎn)顯得尤為突出：①漏油或者密封問(wèn)題；②沖擊載荷導(dǎo)致的漏油問(wèn)題進(jìn)一步加劇，同時(shí)機(jī)械部分的形變會(huì)影響活塞桿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的精度。四足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，作為一個(gè)主要靠機(jī)械打造的剛性體，與地面因?yàn)樽矒舳a(chǎn)生可觀的沖擊載荷，而且載荷的大小和方向都始終呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的變化，這種工作狀態(tài)對(duì)于傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)而言是完全不能容忍的。BigDog恰恰克服了這一點(diǎn)，波士頓動(dòng)力公司所設(shè)計(jì)和制造的這套液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)該是Big－Dog機(jī)器人前期研究最大的技術(shù)突破點(diǎn)。從策略上講，就是單純機(jī)器人設(shè)計(jì)無(wú)法解決的問(wèn)題，要回到最基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域，從基本的液壓系統(tǒng)的改進(jìn)方面下手，進(jìn)而再把它應(yīng)用到機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中。

BigDog的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由一個(gè)變量活塞泵在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下同時(shí)對(duì)16個(gè)液壓執(zhí)行器實(shí)施油壓的輸出，以達(dá)到功率輸出的目的。這個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)快速并且變化的油壓分配，從而實(shí)現(xiàn)力和扭矩的分配和輸出，這也是BigDog的核心技術(shù)之一。液壓傳動(dòng)有2個(gè)特性：液壓系統(tǒng)的油壓大小取決于外界負(fù)載，執(zhí)行元件的速度取決于液壓系統(tǒng)的流量。這2點(diǎn)恰好與四足機(jī)器人肢體的負(fù)載及關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)機(jī)器人機(jī)體各關(guān)節(jié)所承載的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，控制自身轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制活塞泵的油壓輸出，適應(yīng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)變化的動(dòng)力需求，并具有預(yù)測(cè)的能力。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度越快，或者機(jī)體姿態(tài)變化越劇烈，相應(yīng)的油壓輸出就越大，反之亦然，這也是BigDog適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)的一個(gè)重要原因。BigDog的液壓系統(tǒng)最大油壓輸出可達(dá)20.68MPa（3000PSI），屬高壓輸出。主液壓系統(tǒng)油路下接并聯(lián)的16個(gè)子液壓執(zhí)行器，每個(gè)執(zhí)行器的響應(yīng)頻率達(dá)到500Hz，可以滿足關(guān)節(jié)快速定位的要求。相較傳統(tǒng)的液壓裝置，BigDog的液壓執(zhí)行器要小巧精致得多，滿足了四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器個(gè)頭小、力量大的設(shè)計(jì)要求。

圖4所示是一個(gè)基本的液壓執(zhí)行元件，執(zhí)行器右端是一個(gè)軸套機(jī)構(gòu)，活塞桿是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而機(jī)器人的肢體是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)需要轉(zhuǎn)換。以鉸接銷為轉(zhuǎn)軸，活塞桿推拉肢體，執(zhí)行器所在肢體的框架充當(dāng)鉸桿，形成運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換?；钊麠U外側(cè)另有2根輔助桿，同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分擔(dān)活塞桿承受的沖擊載荷。軸套機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸由于載荷大，易磨損，對(duì)材質(zhì)的選擇要求很高。液壓執(zhí)行器把主液壓系統(tǒng)油路的油壓引入到子系統(tǒng)中，根據(jù)所在關(guān)節(jié)的載荷需求，具有航天品質(zhì)的2級(jí)電液伺服閥調(diào)整本單元的油壓和流量輸出，實(shí)現(xiàn)力和扭矩的變化輸出，并可雙向輸出。

BigDog機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率主要取決于3個(gè)方面：運(yùn)動(dòng)方式造成的內(nèi)耗、機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率和控制造成的內(nèi)耗。運(yùn)動(dòng)方式的內(nèi)耗包括重心的起伏、腿部相對(duì)機(jī)身的擺動(dòng)等。機(jī)械部分主要包括16個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)和液壓執(zhí)行器內(nèi)部及輸出端運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。液壓執(zhí)行器采用低摩擦的液壓動(dòng)力密封器件提高缸體的傳動(dòng)效率；其余兩部分取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工和裝配精度，以及軸、銷、軸承等元件的材質(zhì)和加工精度。此外，髖部和腿部的基本框架對(duì)加工的一致性要求也很高，最大程度降低了機(jī)體尺寸誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的影響。

1.3 結(jié)構(gòu)仿生學(xué)

機(jī)器人學(xué)是仿生學(xué)研究的一個(gè)主要分支。四足機(jī)器人的3個(gè)基本系統(tǒng)——結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航，無(wú)一例外都與動(dòng)物（人）仿生學(xué)的研究有著密切的關(guān)系。BigDog的前期研究工作主要集中在結(jié)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)）的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)的控制上，這也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)能力的2個(gè)主要方面。波士頓動(dòng)力公司在哈佛大學(xué)仿生研究成果基礎(chǔ)之上，把液壓驅(qū)動(dòng)與四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較理想地整合在一起，也就造就了目前的BigDog四足機(jī)器人。BigDog除了有較強(qiáng)的剛性以外，為了減少?zèng)_擊載荷對(duì)整個(gè)機(jī)身的影響，必須增加減震系統(tǒng)，提高機(jī)器人的柔韌性，因此，BigDog踝關(guān)節(jié)以下部分安裝了彈簧減震系統(tǒng)。四足動(dòng)物本身的肌體結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，除了骨骼、肌肉之外，還有韌帶、肌腱、跟腱等增加柔韌性和靈活性的器官。這些功能器官目前還無(wú)法在機(jī)器人身上真正意義地實(shí)現(xiàn)，即使關(guān)節(jié)部位往往也很難模仿，如動(dòng)物和人的髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，BigDog采用常規(guī)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能把髖關(guān)節(jié)的橫向和縱向自由度分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。所以，人類只能盡量地模仿四足動(dòng)物的肌體構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能。

1.4 小結(jié)

BigDog的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)的選擇，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的基本平臺(tái)。只有先解決了這2個(gè)問(wèn)題，后續(xù)的運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航的研究才能更有針對(duì)性，并且通過(guò)樣機(jī)展現(xiàn)出來(lái)。

2 運(yùn)動(dòng)控制

BigDog的運(yùn)動(dòng)控制取決于其特殊的機(jī)體構(gòu)造?？刂葡到y(tǒng)同時(shí)對(duì)16個(gè)液壓執(zhí)行器進(jìn)行控制，多自由度耦合聯(lián)動(dòng)造成了肢體的千變?nèi)f化，形成了機(jī)器人的各種動(dòng)作姿勢(shì)。這也是四足機(jī)器人對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)的根本原因。但是，多冗余度變換復(fù)雜，增大了控制的難度。同時(shí)，四足的支撐結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，重心位置偏高，易發(fā)生偏移，運(yùn)動(dòng)控制相比輪式、履帶式機(jī)器人，要困難得多。

四足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中既要保證能夠快速行進(jìn)，同時(shí)還要控制重心的位置，保持機(jī)身的相對(duì)平穩(wěn)。BigDog運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題就是控制機(jī)體的平衡，建立機(jī)體與地形之間靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的平衡系統(tǒng)，機(jī)器人的站立、行走、小跑以及各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換，都必須保持平衡。

建立四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡主要考慮3個(gè)方面的因素，即自身姿態(tài)、地形狀況和運(yùn)動(dòng)狀況。BigDog的運(yùn)動(dòng)控制包括姿態(tài)感知、地形感知和運(yùn)動(dòng)生成。前2步是在運(yùn)動(dòng)中尋找機(jī)體與地面之間的平衡狀態(tài)，第3步是通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)這個(gè)平衡。

2.1 姿態(tài)和地形的感知

姿態(tài)和地形的感知主要是借助各種傳感器來(lái)完成，BigDog總共攜帶至少70個(gè)各類傳感器單元，大多數(shù)用來(lái)檢測(cè)自身姿態(tài)和內(nèi)部各機(jī)構(gòu)組成的狀態(tài)參數(shù)。四足機(jī)器人的多冗余度必須依靠大量的傳感器來(lái)感知機(jī)身和肢體部分參數(shù)的變化，以此為依據(jù)作為運(yùn)動(dòng)控制的基本條件。

姿態(tài)感知包括機(jī)身和肢體兩部分的狀態(tài)檢測(cè)。IMU負(fù)責(zé)檢測(cè)機(jī)身3個(gè)角度的變化和3個(gè)線加速度的變化，是機(jī)身狀態(tài)檢測(cè)的主要手段。16個(gè)主動(dòng)自由度的角度變化由關(guān)節(jié)編碼器來(lái)完成。各個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)載由測(cè)壓元件來(lái)檢測(cè)。

地形感知主要包括踝肢體測(cè)壓元件配合各個(gè)關(guān)節(jié)編碼器感知，以及立體視覺(jué)裝置感知。目前主要是通過(guò)力大小的變化再配合關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)感應(yīng)地形的變化。該方法是被動(dòng)式，足底先接觸地面再判斷地形，對(duì)于簡(jiǎn)單的地形可以應(yīng)對(duì)，但是對(duì)于復(fù)雜地面，需要避開(kāi)某些深坑，選擇落足點(diǎn)時(shí)，未來(lái)主要靠立體視覺(jué)。

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的檢測(cè)也是運(yùn)動(dòng)控制必須考慮的。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷要在預(yù)測(cè)和實(shí)際輸出之間不斷調(diào)整。液壓系統(tǒng)的檢測(cè)包括油溫、油壓和流量的檢測(cè)等。

2.2 控制實(shí)施

BigDog作為移動(dòng)機(jī)器人，縱向的持續(xù)行走、跑等功能是研究追求的目標(biāo)，由于地形的影響，機(jī)身的姿態(tài)需要經(jīng)常調(diào)整，才能確?？v向運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和連貫性。故BigDog的控制研究也主要圍繞這兩方面展開(kāi)。

2.2.1 行走控制和步態(tài)調(diào)整算法

BigDog的基本行走控制采用圖5所示的流程實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)以髖部和腿部的單元體為單位，通過(guò)虛擬環(huán)境計(jì)算求出每條腿所承受的載荷和關(guān)節(jié)需要輸出的扭矩，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)效果并反饋回虛擬部分，更新頻率為200Hz。首先，根據(jù)期望的行進(jìn)速度，規(guī)劃腿部運(yùn)動(dòng)到落足點(diǎn)過(guò)程的軌跡；其次，在虛擬環(huán)境下，利用腿部當(dāng)前的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速作為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，與期望的規(guī)劃進(jìn)行比對(duì)，PD伺服不斷修正腿部各關(guān)節(jié)應(yīng)輸出的力，得到虛擬的腿部狀態(tài)模型；最后，把虛擬求得的各個(gè)關(guān)節(jié)所需的扭矩指令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行走，并檢測(cè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。此外，虛擬過(guò)程通過(guò)狀態(tài)機(jī)獲得腿部狀態(tài)，步態(tài)調(diào)整算法協(xié)調(diào)4條腿的位置，對(duì)步態(tài)進(jìn)行修正，再把反饋信息發(fā)送回軌跡生成單元。同時(shí)步態(tài)調(diào)整算法負(fù)責(zé)腿之間的通訊，腿的初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同的穩(wěn)定的四足行走步態(tài)，如對(duì)角、同側(cè)和奔跑等。臨近腿運(yùn)動(dòng)時(shí)避免運(yùn)動(dòng)區(qū)域重合，防止腿部發(fā)生碰撞，也包括擺動(dòng)腿與支撐腿之間發(fā)生碰撞。步態(tài)調(diào)整算法還要降低機(jī)體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)耗程度，當(dāng)邁步腿落地之后，支撐腿要及時(shí)離地，防止同時(shí)發(fā)力而形成類似于人腿劈叉這種不利于連續(xù)行走的動(dòng)作。

BigDog持續(xù)的縱向運(yùn)動(dòng)都是借助以上控制方法實(shí)現(xiàn)的。BigDog在平整地面直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)角步態(tài)的跑動(dòng)，速度在短時(shí)間內(nèi)由零加速到8km／h。整個(gè)過(guò)程加速均勻，機(jī)身縱向和水平都保持平穩(wěn)，腿部動(dòng)作協(xié)調(diào)連貫；在速度達(dá)到最大時(shí)，后腿伸長(zhǎng)協(xié)助前腿支撐身體的動(dòng)作非常明顯。行走或慢跑時(shí)，為了減少重心起伏無(wú)用功的消耗，可以減小步幅加快頻率，使機(jī)身的重心盡可能在支撐擺的最高點(diǎn)附近的高度運(yùn)動(dòng)。但是隨著速度的提升，腿的步幅需要加大，重心起伏加??；腿的擺動(dòng)頻率加大，擺腿消耗的功率增加；機(jī)械部分傳動(dòng)的消耗也增大。這幾點(diǎn)不利的因素都限制了BigDog的速度進(jìn)一步提升。

按照傳統(tǒng)的足類機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，BigDog除了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型之外應(yīng)該還有一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型，但是在相關(guān)論文中并未出現(xiàn)。結(jié)合BigDog液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電機(jī)的控制方法，對(duì)BigDog在動(dòng)力學(xué)方面作如下的推斷。充分利用液壓傳動(dòng)的特性，把動(dòng)力學(xué)的分析和計(jì)算轉(zhuǎn)移到液壓系統(tǒng)的控制中完成。液壓系統(tǒng)的力和扭矩輸出主要取決于終端執(zhí)行器的負(fù)載，根據(jù)負(fù)載的大小和變化，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓總路油壓的控制，再通過(guò)電液伺服閥控制進(jìn)入單個(gè)執(zhí)行器的油壓、流量和流速等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載的變化對(duì)應(yīng)輸出與之平衡的力和扭矩，還包括加速和減速的情況。

利用電機(jī)控制四足機(jī)器人，需要預(yù)測(cè)下一時(shí)段各個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)載，設(shè)定電機(jī)的輸出，但這個(gè)輸出無(wú)法達(dá)到液壓快速實(shí)現(xiàn)與負(fù)載平衡的輸出效果。電機(jī)的輸出或大于終端的負(fù)載，或小于終端的負(fù)載，只在少數(shù)情況下兩者剛好平衡。這就是常見(jiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)足類機(jī)器人在行走時(shí)，機(jī)身多數(shù)會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)的原因，即受力不平衡。而B(niǎo)igDog在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，除非遭受突然的外力作用，大多數(shù)情況下都能處于動(dòng)態(tài)的平衡中，關(guān)鍵還是它的液壓系統(tǒng)的適應(yīng)能力發(fā)揮了決定性的作用。當(dāng)BigDog加速時(shí)，輸出的扭矩需要大于當(dāng)前的負(fù)載，這是利用了伺服閥的控制流速的功能。當(dāng)某個(gè)執(zhí)行器所在肢體載荷突然增大，也可利用伺服閥的增壓功能，實(shí)現(xiàn)在執(zhí)行器中油壓大于總路油壓的性能。因此，傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于BigDog而言，大部分的工作是由液壓系統(tǒng)的控制來(lái)完成的。

2.2.2 姿態(tài)算法

BigDog控制機(jī)身姿態(tài)主要是借助力的輸出控制腿部肢體的姿勢(shì)，使機(jī)體與地形之間保持平衡狀態(tài)。主要包括兩方面：一是各條腿的載荷盡可能均勻，把機(jī)身的重量平均分配到4條腿；二是機(jī)身的高度和姿勢(shì)需要調(diào)整，重心盡可能位于機(jī)身投影面的幾何中心，這個(gè)過(guò)程仍然需要腿部的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體地講，姿態(tài)算法調(diào)整地面反作用力在腿部各肢節(jié)的分布，使各條腿所承受的豎直方向的載荷盡可能相等，并指向髖部，降低各個(gè)髖部的載荷，每個(gè)髖部驅(qū)動(dòng)輸出盡可能均勻。這樣可以防止載荷集中于某條腿或某一關(guān)節(jié)，造成機(jī)身運(yùn)動(dòng)時(shí)失去平衡。當(dāng)?shù)匦伟l(fā)生明顯變化時(shí)，機(jī)身的高度和姿勢(shì)就需要重新調(diào)整，防止重心向機(jī)身邊緣傾斜，造成機(jī)身縱向或橫向的傾翻，這個(gè)過(guò)程需要借助地形感知共同實(shí)現(xiàn)。利用測(cè)壓元件和關(guān)節(jié)編碼器來(lái)判斷足底是否與地面接觸，再結(jié)合關(guān)節(jié)角度的連續(xù)變化值，可以估測(cè)地形的崎嶇程度。借助預(yù)測(cè)信息，姿態(tài)算法控制腿與崎嶇的地面逐漸適應(yīng)。姿態(tài)控制算法通過(guò)改變機(jī)身偏航、俯仰、橫滾、高度等參數(shù)，使機(jī)器人適應(yīng)地形的變化，協(xié)調(diào)一致。這樣即使不借助視覺(jué)等高級(jí)傳感器，只利用測(cè)壓元件和關(guān)節(jié)編碼器這樣簡(jiǎn)單的傳感器，也可以使BigDog具備較強(qiáng)的適應(yīng)復(fù)雜路面的能力。處于斜坡行走時(shí)，注意調(diào)整機(jī)身高度和姿勢(shì)，適應(yīng)坡度的變化；上坡時(shí)機(jī)身前傾，下坡時(shí)機(jī)身后傾，斜坡等高線行走時(shí)機(jī)身內(nèi)側(cè)傾斜。

足底打滑時(shí)，意味著支撐腿與地面的反作用力突然降低，這時(shí)如果支撐腿的髖部驅(qū)動(dòng)器仍然保持原有的扭矩輸出狀態(tài)，會(huì)造成機(jī)身失控，加劇機(jī)身傾斜程度。BigDog采用牽引控制（traction control）系統(tǒng)，利用測(cè)壓元件及時(shí)發(fā)現(xiàn)支撐腿的受力變化，迅速降低髖部扭矩輸出，調(diào)整小腿和踝肢體的擺動(dòng)，進(jìn)入姿態(tài)調(diào)整過(guò)程，恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。此外，陡峭地形和崎嶇程度高的地形，也要利用測(cè)壓元件和關(guān)節(jié)編碼器預(yù)測(cè)，作為牽引控制系統(tǒng)的感知條件。

側(cè)滑是機(jī)器人縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)身突然遭受橫向的外力，造成機(jī)身橫向傾斜，髖部橫向驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩，腿部橫向側(cè)擺，形成了側(cè)向滑步。線加速度計(jì)測(cè)出機(jī)身橫向的加速度，支撐腿預(yù)測(cè)機(jī)身的橫向速度，外側(cè)腿迅速向傾斜方向擺動(dòng)，根據(jù)速度和加速度預(yù)測(cè)擺腿的幅度。若外力過(guò)大，則要連續(xù)地走交叉步，直到側(cè)向的速度降為零。這個(gè)情景通常只出現(xiàn)在縱向行走的過(guò)程中，由于左前腿和右前腿的步態(tài)相位剛好錯(cuò)開(kāi)，降低了左前腿和右前腿橫向干涉發(fā)生碰撞的可能性，后腿亦然。

姿態(tài)控制算法的核心點(diǎn)是保持機(jī)器人的平衡狀態(tài)，行走控制和步態(tài)算法必須遵守這個(gè)前提條件。地形復(fù)雜時(shí)，優(yōu)先考慮姿態(tài)的控制，其次是步態(tài)及運(yùn)動(dòng)速度。遭遇險(xiǎn)情時(shí)，及時(shí)降低行走速度，控制系統(tǒng)利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，以調(diào)整機(jī)身姿態(tài)作為當(dāng)前主要的控制輸出，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。只有在較平坦地形行走時(shí)，可降低姿態(tài)控制的權(quán)重，把提高行走速度作為主要的功能實(shí)現(xiàn)。所以，BigDog的高速行走、小跑和跳躍等動(dòng)作都是在平整地面完成的，而冰面打滑、機(jī)身橫向側(cè)滑都是在低行走速度下完成的。

2.3 典型運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景分析

2.3.1 冰面打滑

運(yùn)動(dòng)控制與機(jī)械結(jié)構(gòu)是緊密相聯(lián)的，良好的運(yùn)動(dòng)控制性能只有在能力強(qiáng)的樣機(jī)平臺(tái)上才能充分地展示出來(lái)。在BigDog所有視頻中，負(fù)載狀態(tài)下在冰面打滑摔倒后經(jīng)反復(fù)調(diào)整姿態(tài)最終重新站立這一段，展現(xiàn)了BigDog運(yùn)動(dòng)能力最佳的一面。BigDog機(jī)器人的姿態(tài)和地形快速感知、運(yùn)動(dòng)控制算法快速生成、牽引控制快速調(diào)整扭矩輸出、液壓傳輸快速響應(yīng)、液壓大功率輸出、機(jī)體結(jié)構(gòu)剛?cè)嵯酀?jì)等優(yōu)點(diǎn)在極短時(shí)間內(nèi)全部呈現(xiàn)出來(lái)。因此分析這一段機(jī)器人所經(jīng)歷的變化過(guò)程，可以更好地了解BigDog機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。過(guò)程分析如下：

（1）進(jìn)入冰面后，運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快導(dǎo)致冰面無(wú)法提供足夠的摩擦力而足底打滑，造成機(jī)身大幅度傾斜，機(jī)器人摔倒。

（2）IMU、關(guān)節(jié)編碼器、測(cè)壓元件檢測(cè)獲取機(jī)身傾斜的角度、各肢體角度及載荷，獲取當(dāng)前的姿態(tài)信息。

（3）牽引控制系統(tǒng)利用感知的信息，降低髖部扭矩輸出，防止機(jī)身進(jìn)一步傾斜。

（4）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)快速計(jì)算各個(gè)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)輸出的扭矩、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，求出恢復(fù)平穩(wěn)站立狀態(tài)所需的參數(shù)值。

（5）運(yùn)動(dòng)控制指令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)液壓泵把油壓快速分配傳輸至各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。

（6）16個(gè)液壓執(zhí)行器根據(jù)各自所需，控制各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)，機(jī)身試圖重新恢復(fù)站立平穩(wěn)狀態(tài)；

（7）若再次失穩(wěn)，回到步驟（2），如此反復(fù)直到站穩(wěn)為止。

以上過(guò)程都是在非常短的時(shí)間內(nèi)順次完成的，且多次循環(huán)。可以看出整個(gè)機(jī)體的快速響應(yīng)能力非常之高，但最關(guān)鍵的還是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)大的力和扭矩輸出。在這個(gè)打滑失穩(wěn)的過(guò)程中，機(jī)器人極易倒扣而失敗，各個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器必須提供足夠的力和扭矩輸出，才能保證各部分肢體能夠快速地運(yùn)動(dòng)，在機(jī)器人進(jìn)一步傾斜之前重新恢復(fù)平衡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的目標(biāo)。針對(duì)可能出現(xiàn)的類似險(xiǎn)情，BigDog團(tuán)隊(duì)已把機(jī)器人的自翻正能力列為下一步研究的重點(diǎn)，即使機(jī)器人發(fā)生倒扣也可以自調(diào)整重新站立，大大增強(qiáng)了BigDog的野外生存能力。

2.3.2 跳躍

BigDog跳躍1m寬模擬壕溝的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為三階段，即助跑、起跳和落地。首先，跳躍需要較高的水平速度，BigDog采用奔跑步態(tài)，前后腿為同相位步態(tài)，既利于加速，又便于跳躍，無(wú)需步態(tài)轉(zhuǎn)換。后腿發(fā)力，伸直，離地，機(jī)身前傾；同時(shí)前腿逐漸伸直，跟隨后腿離地，機(jī)身在空中調(diào)整水平狀態(tài)。機(jī)身在空中滑行一段距離后，機(jī)身后仰，后腿先著地，前腿隨后落地。起跳之前一步，有一個(gè)蓄勢(shì)待發(fā)的過(guò)程，后腿離地之后，前腿稍微延時(shí)片刻，借助機(jī)身前傾更大的前沖力，離地騰空；機(jī)身由前傾急劇變化為后仰，后腿落到前腿起跳位置，發(fā)力，快速離地騰空；腿部在空中收緊，防止刮擦，機(jī)身借助慣性在空中滑行，同時(shí)調(diào)整俯仰變化轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)。機(jī)器人騰空到最高點(diǎn)后，機(jī)身開(kāi)始前傾，前腿舒展，準(zhǔn)備著陸。前腿與地面接觸以后，稍做停頓，又快速離地，緩解重力方向的沖擊，機(jī)身前傾的俯仰角歷經(jīng)一個(gè)起伏的變化過(guò)程，同時(shí)向前滑行，后腿落在前腿的首次著陸處，機(jī)身轉(zhuǎn)為水平，恢復(fù)奔跑狀態(tài)。這個(gè)奔跑跳躍的連貫動(dòng)作充分展現(xiàn)了BigDog大腿強(qiáng)勁的爆發(fā)力，液壓執(zhí)行器的大扭矩輸出發(fā)揮了關(guān)鍵的作用；對(duì)比一般行走，髖部縱向執(zhí)行器輸出行程增大，大腿擺幅相應(yīng)加大，以獲取地面更大的反彈力?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)動(dòng)物仿生學(xué)運(yùn)動(dòng)的變化過(guò)程，及時(shí)調(diào)整各個(gè)肢體在運(yùn)動(dòng)中的姿態(tài)變化，以保證動(dòng)作的連貫性，同時(shí)降低沖擊載荷對(duì)機(jī)體特別是腿部的沖擊。

3 導(dǎo)航

2005年之前，導(dǎo)航并不是波士頓動(dòng)力公司研究的重點(diǎn)，最初的導(dǎo)航系統(tǒng)是由NASA－JPL提供的，也就是MER火星探測(cè)器上所采用的以立體視覺(jué)為主的導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著B(niǎo)igDog結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷完善，導(dǎo)航的重要性也越發(fā)顯得突出。BigDog是面向野外非結(jié)構(gòu)化或者戰(zhàn)地環(huán)境而設(shè)計(jì)的，所以機(jī)器人的環(huán)境識(shí)別和自身定位是必需要解決的問(wèn)題。

實(shí)際使用中，BigDog采用了人員前方引導(dǎo)，機(jī)器人隨后跟進(jìn)的策略實(shí)現(xiàn)。對(duì)路面的感知和自身的定位由機(jī)器人自身完成。因而，BigDog具有自主運(yùn)動(dòng)能力，采用自主導(dǎo)航外加人工引導(dǎo)的方式實(shí)施運(yùn)動(dòng)。用于導(dǎo)航的傳感器主要包括：GPS、SICK－LIDAR平面激光掃描儀、IMU、Point－Grey立體視覺(jué)相機(jī)等4種。GPS作為美國(guó)軍事領(lǐng)域最通用的全局導(dǎo)航定位系統(tǒng)是必不可少的。LIDAR平面激光掃描儀用于機(jī)器人追蹤引導(dǎo)人員，實(shí)現(xiàn)跟蹤的導(dǎo)航方式，這種用法也是BigDog的新創(chuàng)意。IMU測(cè)量機(jī)身3個(gè)角度和3個(gè)線加速度的變化量，用于局部定位，BigDog因?yàn)樗俣瓤欤且苿?dòng)機(jī)器人領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的利用了線加速度計(jì)的機(jī)器人。立體視覺(jué)是BigDog所有導(dǎo)航傳感器中最為重要的組成部分，擔(dān)負(fù)著檢測(cè)機(jī)身位姿變化和路面識(shí)別2個(gè)功能，之前在MER火星探測(cè)器上已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)。

3.1 立體視覺(jué)［7-8］

立體視覺(jué)目前在機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的導(dǎo)航研究主要包括3個(gè)部分：測(cè)量障礙物距離、視覺(jué)測(cè)程、構(gòu)建環(huán)境地圖，其中測(cè)程是三者的核心。Big－Dog的視覺(jué)導(dǎo)航研究目前主要是圍繞測(cè)程而展開(kāi)。視覺(jué)測(cè)程是利用追蹤前后幀圖像中同一特征點(diǎn)的過(guò)程，來(lái)獲取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)前后的變化量，也就是估測(cè)機(jī)身空間6個(gè)自由度的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的局部定位。此外，針對(duì)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，又增加了地形重建的功能，便于選擇落足點(diǎn)，防止路面存在深坑等可能會(huì)對(duì)機(jī)器人造成的傷害。視覺(jué)測(cè)程可彌補(bǔ)陀螺儀零點(diǎn)漂移對(duì)角度測(cè)量的影響，以及關(guān)節(jié)編碼器對(duì)位置變化測(cè)量的困難。所以對(duì)于BigDog機(jī)器人而言，立體視覺(jué)兼顧了障礙物測(cè)距、地形感知和還原，以及位姿檢測(cè)3個(gè)方面。

3.2 全自主導(dǎo)航

人工引導(dǎo)的方式實(shí)質(zhì)仍舊是遙控導(dǎo)航，導(dǎo)航最終環(huán)節(jié)——路徑規(guī)劃需要人工協(xié)助完成。Big－Dog已開(kāi)始探索完全脫離人工干預(yù)、自主實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和路徑規(guī)劃的全自主導(dǎo)航研究。當(dāng)前主要研究?jī)?nèi)容包括：自主識(shí)別環(huán)境信息，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人躲避和繞過(guò)障礙物的路徑，步態(tài)控制追蹤已規(guī)劃的路徑。激光和視覺(jué)傳感器檢測(cè)出障礙物的位置和距離，并一直追蹤障礙物的位置變化；構(gòu)建消耗地圖，標(biāo)出障礙物的位置，利用消耗地圖規(guī)劃出機(jī)器人到達(dá)階段目標(biāo)的路徑，機(jī)器人與障礙物之間要留出安全距離；路徑跟蹤算法負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，生成適當(dāng)?shù)牟綉B(tài)算法，控制機(jī)器人的速度和位移，使機(jī)器人按照規(guī)劃好的路徑運(yùn)動(dòng)。

立體視覺(jué)裝置全程提供機(jī)器人正前方4m×4m范圍的圖像信息，利用測(cè)量景深的功能，還原三維地形圖，作為基本的環(huán)境地圖，同時(shí)檢測(cè)低位置的障礙物。立體視覺(jué)、關(guān)節(jié)編碼器和IMU共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿變化的檢測(cè)，即空間6個(gè)自由度的變化量，實(shí)現(xiàn)局部定位。激光掃描雷達(dá)掃描機(jī)身水平高度范圍內(nèi)的場(chǎng)景，利用點(diǎn)云分割算法剔除誤掃描的地面信息，這樣可以識(shí)別機(jī)身高度范圍的障礙物，并且隨著機(jī)器人移動(dòng)在視野范圍之內(nèi)始終追蹤這些障礙物。

路徑規(guī)劃包括4個(gè)部分：①記憶障礙物的位置；②生成消耗地圖；③穩(wěn)定路徑；④平滑路徑。記憶系統(tǒng)隨著機(jī)器人視野的變化，更新記憶存儲(chǔ)中的障礙物，增新的同時(shí)剔除無(wú)用的，對(duì)于視野外仍然有利用價(jià)值的障礙物需要保留。構(gòu)建機(jī)器人周圍的二維柵格地圖，包括機(jī)身后側(cè)剛經(jīng)過(guò)的環(huán)境，與路徑規(guī)劃算法同步迭代更新；計(jì)算出每個(gè)柵格機(jī)器人穿越的消耗值，當(dāng)某一值較大而周圍的值又明顯較小時(shí)，可確定為障礙物或者目標(biāo)。采取3項(xiàng)措施確保路徑規(guī)劃的生成穩(wěn)定可靠：利用上一步規(guī)劃的機(jī)器人投影位置銜接下一步的規(guī)劃，跳過(guò)當(dāng)前步，防止機(jī)器人橫向徘徊；為確保路徑跟隨的連續(xù)性，利用前2.5s至上一步規(guī)劃的完整路徑預(yù)測(cè)下一步的路徑規(guī)劃，防止地面干擾腿部造成的機(jī)身航向偏移對(duì)路徑規(guī)劃的影響；利用一段較長(zhǎng)的走過(guò)的規(guī)劃路徑，可以縮減生成新的路徑規(guī)劃所用時(shí)間，簡(jiǎn)單環(huán)境可行。采用規(guī)整的柵格生成的路徑通常在連接處會(huì)有方向突變，造成方向控制的紊亂；連接處的軌跡需要曲線光滑，同時(shí)每次規(guī)劃再粗略地使用這個(gè)光滑連接，可以縮減下一步規(guī)劃時(shí)間，最后生成平直光順的路徑軌跡。事實(shí)上，以上路徑規(guī)劃的過(guò)程與人或者動(dòng)物遭遇相同場(chǎng)景時(shí)采取的規(guī)劃思路非常相似。導(dǎo)航規(guī)劃實(shí)質(zhì)上是利用仿生學(xué)，把與人或者動(dòng)物相似的連續(xù)路徑規(guī)劃思維過(guò)程采用技術(shù)的方法重現(xiàn)，應(yīng)用到機(jī)器人之上。

BigDog是目前非結(jié)構(gòu)化環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中，少數(shù)敢于嘗試在樹(shù)林這樣的環(huán)境中采用全自主導(dǎo)航方式實(shí)施運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。盡管在26次實(shí)驗(yàn)中取得了23次成功的良好結(jié)果，但這并不意味著這種導(dǎo)航方式已完全滿足BigDog的實(shí)用要求。機(jī)器人的全自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)是人類研究機(jī)器人的終極目標(biāo)，但在目前的研究框架內(nèi)，要達(dá)到人類智能水準(zhǔn)的導(dǎo)航能力是很難實(shí)現(xiàn)的。原因很簡(jiǎn)單，機(jī)器人的大腦，即計(jì)算機(jī)及相關(guān)程序，還無(wú)法達(dá)到人類和動(dòng)物的大腦對(duì)環(huán)境識(shí)別和決策規(guī)劃的高度。雖然視覺(jué)裝置可以采集圖像信息，但對(duì)于圖像的分析和處理還是要依靠圖像處理算法，而圖像處理技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段。此外，最關(guān)鍵的一點(diǎn)，是人和動(dòng)物具備對(duì)視覺(jué)場(chǎng)景關(guān)鍵信息瞬間識(shí)別和判斷的能力，而機(jī)器人目前還遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的高度。當(dāng)然，隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及人類對(duì)于自身大腦的結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)，機(jī)器人的智能水平還是可以慢慢提高的。目前主要還是以大量的環(huán)境實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不斷修改導(dǎo)航系統(tǒng)的各種算法，提高對(duì)環(huán)境細(xì)節(jié)的識(shí)別能力，積累更多的先驗(yàn)信息，來(lái)應(yīng)對(duì)一些常見(jiàn)的環(huán)境識(shí)別和路徑規(guī)劃問(wèn)題。

3.3 LittleDog的導(dǎo)航研究

LittleDog也是波士頓動(dòng)力公司所開(kāi)發(fā)的四足機(jī)器人，其實(shí)質(zhì)是BigDog實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的替代版，提供給美國(guó)高校用于BigDog的導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制研究。當(dāng)前主要的研究?jī)?nèi)容是復(fù)雜環(huán)境地形的感知和運(yùn)動(dòng)控制研究，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等高校目前正在承擔(dān)這項(xiàng)研究［9－11］。從圖6可看出LittleDog在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下所遭遇的地形復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過(guò)BigDog實(shí)際所面臨的環(huán)境難度。利用立體視覺(jué)精確地還原三維地形，把地形信息作為已知條件，再引入學(xué)習(xí)機(jī)制，LittleDog經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以逐步適應(yīng)這樣的環(huán)境條件，選擇最佳的行走路徑。在實(shí)驗(yàn)室里模擬更加困難的環(huán)境來(lái)考驗(yàn)機(jī)器人，從實(shí)驗(yàn)中找到解決的方法，再應(yīng)用到BigDog的實(shí)物樣機(jī)中，可以大幅提高研究的效率。實(shí)現(xiàn)階梯蹦跳、走梅花樁等對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和地形識(shí)別能力要求極高的復(fù)雜動(dòng)作，是LittleDog當(dāng)前最主要的研究目標(biāo)，已取得階段性進(jìn)展［12－14］。

3.4 小結(jié)

非結(jié)構(gòu)化環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航研究是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。理想化的導(dǎo)航系統(tǒng)是以不變應(yīng)萬(wàn)變，以有限的算法處理任意變化的環(huán)境特征；目前的導(dǎo)航現(xiàn)狀是以萬(wàn)變應(yīng)不變，不斷地改進(jìn)算法和補(bǔ)充先驗(yàn)信息，但也只能處理某一靜態(tài)的特定場(chǎng)景，局限性很大。因此，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的導(dǎo)航研究首先必須明確環(huán)境，然后針對(duì)該環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征開(kāi)展算法的研究。BigDog的導(dǎo)航研究特別是全自主導(dǎo)航部分，對(duì)于提升這個(gè)領(lǐng)域的研究水平具有很好的推動(dòng)作用。

4 建議

國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人的研究大多采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，造成機(jī)器人行走速度較慢、機(jī)動(dòng)性能差，無(wú)法達(dá)到BigDog那樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也制約了控制和導(dǎo)航的進(jìn)一步研究。從BigDog的分析中可以看出，只有從根本的驅(qū)動(dòng)方式改進(jìn)上著手，足類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力才能得到大幅度的提高。四足機(jī)器人的基本研究思路可歸納為4點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航。綜合前面的分析，提出如下建議。

（1）驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)。采用高功率密度的驅(qū)動(dòng)裝置，如液壓系統(tǒng)，利用高性能伺服裝置實(shí)現(xiàn)力和扭矩平穩(wěn)快速輸出；設(shè)計(jì)精致緊湊的仿生機(jī)體結(jié)構(gòu)，以減輕質(zhì)量，關(guān)節(jié)部位兼顧強(qiáng)度和靈活性，提高傳動(dòng)效率；設(shè)置緩沖減震裝置，增強(qiáng)柔韌性。

（2）控制。提高控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的柔順性，增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜地形的能力；針對(duì)復(fù)雜地形和險(xiǎn)情遭遇引入牽引控制，設(shè)置應(yīng)急動(dòng)作程序；采用狀態(tài)機(jī)配合步態(tài)控制生成算法。

（3）導(dǎo)航。建立以立體視覺(jué)為核心的導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合激光、IMU、GPS共同實(shí)現(xiàn)環(huán)境的感知和機(jī)身定位；采用視覺(jué)測(cè)程、構(gòu)建三維環(huán)境地圖等方法，針對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征設(shè)計(jì)算法體系；由自主導(dǎo)航配合人工導(dǎo)航逐步向全自主導(dǎo)航拓展。

以上建議的中心仍然是機(jī)體結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，只有擁有一基本運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)的樣機(jī)平臺(tái)，四足機(jī)器人的研究才能得以全面展開(kāi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文嘗試從專業(yè)角度解讀BigDog四足機(jī)器人，圍繞BigDog的核心技術(shù)進(jìn)行分析，試圖找出其運(yùn)動(dòng)能力超強(qiáng)的原因。目的是為國(guó)產(chǎn)四足機(jī)器人的研究提供一些參考和建議。BigDog機(jī)器人實(shí)際研究所包含的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本文所提到的幾點(diǎn)。由于BigDog早已被美國(guó)軍方立項(xiàng)，即將列裝，所以一些關(guān)鍵技術(shù)在相關(guān)論文中會(huì)有所保留。隨著國(guó)內(nèi)在四足領(lǐng)域研究的深入，相信會(huì)逐步掌握四足機(jī)器人的研究方法。

BigDog的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從總體上看并沒(méi)有超出常規(guī)的技術(shù)范疇，所采用的各種技術(shù)方法在以往的機(jī)器人或者其他領(lǐng)域都曾出現(xiàn)過(guò)。針對(duì)四足機(jī)器人的特性，個(gè)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較大的突破和創(chuàng)新，還有些技術(shù)直接引用了其他領(lǐng)域的尖端成果。綜上所述，BigDog的成功之處可概括為以下三點(diǎn)：①單項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯；②系統(tǒng)整合高效合理；③細(xì)節(jié)處理精益求精。

BigDog作為當(dāng)今世界最先進(jìn)的四足機(jī)器人，雖然表現(xiàn)出很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力和遙遙領(lǐng)先于其他足類機(jī)器人的各項(xiàng)性能指標(biāo)，但其與真正的四足哺乳動(dòng)物相比，BigDog的研究還有很長(zhǎng)的路要走。比如速度還有待大幅度地提高，實(shí)現(xiàn)奔跑以后，還要具備在高速跑動(dòng)中變向的能力，此外，復(fù)雜環(huán)境全自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，也是所面臨的技術(shù)瓶頸之一。

現(xiàn)代科技在過(guò)去的百年中得到了高速的發(fā)展，人類先后發(fā)明創(chuàng)造了如坦克、噴氣式飛機(jī)和核航母等先進(jìn)的移動(dòng)裝置，但真正與人類生活關(guān)系密切的四足哺乳動(dòng)物的仿生研究制造才剛剛進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的階段。四足動(dòng)物復(fù)雜的肌體構(gòu)造，若用現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)完全意義上的仿生還原，人類未來(lái)仍舊面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

［1］BigDog－the Most Advanced Rough－terrain Robot on Earth［EB／OL］.［2011－03－10］.http：／／www.bostondynamics.com／robot＿bigdog.html.

［2］Buehler M，Playter R，Raibert M.Robots step outside［C］／／International Symposium of Adaptive Motion of Animal and Machines.Ilmenau，Germany，2005：1－4.

［3］Playter R，Buehler M，Raibert M.BigDog［C］／／Proc.of SPIE.Orlando（Kissimmee），F(xiàn)L，USA，2006：62302O.

［4］Raibert M，Blankepoor K，Nelson G，et al.Bigdog，the Rough－terrain Quadruped Robot［C］／／Proceeings of the 17th World Congress of The International Federation of Automatic Control Seoul.Seoul，Korea，2008：6－9.

［5］BigDog Overview［EB／OL］.［2011－03－10］.http：／／www.bostondynamics.com／img／BigDog＿Overview.pdf.

［6］Raibert M.Legged Robot ＆ BigDog［EB／OL］.［2011－03－10］.http：／／www.coe.uncc.edu／～jmconrad／ECGR6185－2008－01／notes／BigDogRobot＿Presentation.pdf.

［7］Wooden D，Malchano M，Blankespoor K，et al.Autonomous Navigation for BigDog［C］／／IEEE International Conference on Robotics and Automation.Anchorage，USA，2010：4736－4741.

［8］Howard A.Real－time Stereo Visual Odemetry for Autonomous Ground Vehicles［C］／／International Conference on Robots and Systems.Nice，F(xiàn)rance，2008：3946－3952.

［9］Kalakrishnan M，Buchli J，Pastor P，et al.Learning Locomotion over Rough Terrain using Terrain Templates［C］／／IEEE／RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Piscataway，USA，2009：167－172.

［10］Kim Y.Getting the Position and the Pose Using Stereo Vision［EB／OL］.［2011－03－10］.http：／／www.stanford.edu／class／cs229／proj2007／Kim－Getting the Position and the Pose Using Stereo Vision.pdf.

［11］Kolter J，Kim Y，Ng A.Stereo Vision and Terrain Modeling for Quadruped Robots［C］／／IEEE International Conference on Robotics and Automation.Kobe，Japan，2009：1557－1564.

［12］Shkolnik A，Levashov M，Manchester I，et al.Bounding on Rough Terrain with the LittleDog Robot［J］.The International Journal of Robotics Research，2011，30（2）：192－215.

［13］Shkolnik A，Levashov M，Itani S，et al.Motion Planning for Bounding on Rough Terrain with the LittleDog Robot［EB／OL］.［2011－03－10］.http：／／web.mit.edu／shkolnik／www／publiccations／LD－bounding.pdf.

［14］Byl K，Shkolnik A，Prentice S，et al.Reliable Dynamic Motions for a Stiff Quadruped［M］.Berlin：Springer Tracts in Advanced Robotics，2009.