六足步行機器人及其步態(tài)規(guī)劃研究進展

劉慶運，景甜甜

(安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002)

自然界中總有一些地方是人類無法到達的，如火山、災難礦井、行星表面等。對于這些環(huán)境的探索與研究，人類一直在尋找一系列合適的方法和途徑，機器人的出現(xiàn)為解決這些問題提供了可能。目前，機器人已由最初的輪式機器人、履帶式機器人發(fā)展到多足步行機器人。研究表明，輪式機器人的結(jié)構(gòu)與控制相對簡單，在相對平坦的地形上行駛時速度快、運行平穩(wěn)，但在不規(guī)則崎嶇地面上行駛時振動劇烈、行走不穩(wěn)、能耗大，而且車輪在泥濘、凹凸不平和松軟的地面上將會喪失作用力，運動效率大大降低。履帶式機器人的履帶覆蓋面積大，能夠適應松軟和較為不平的地況，但行走速度相對較慢、機動性差，行駛時晃動較為嚴重［1］。多足步行機器人包括四足、六足、八足機器人，常見的為六足機器人。與輪式、履帶式機器人相比，六足步行機器人具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓撲的足式機構(gòu)，可模仿六足昆蟲的運動形式，具有以下獨特的性能:①其運動軌跡是一系列離散的落地點，行走時只需點接觸地面，可以選擇最優(yōu)的支撐點進行落足，環(huán)境適應性好，機動性高;②腿部具有較多的自由度，可通過調(diào)節(jié)腿的位姿和長度保持機體的平衡，不易傾翻，運動靈活，穩(wěn)定性高;③機體懸空，可避免地形給機體帶來的震動;④在不平路面和松軟地形上的運動速度快，能耗較低［2］。

基于上述優(yōu)點，六足步行機器人在軍事運輸、海底探測、礦山開采、星球探測、教育及娛樂等眾多領(lǐng)域有著非常廣闊的應用前景，一直是國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。本文就國內(nèi)外在六足步行機器人樣機研制、步態(tài)規(guī)劃等方面取得的研究成果和今后的研究方向進行了系統(tǒng)的分析和綜述。

1 六足步行機器人的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

大多數(shù)的六足步行機器人的研究靈感來源于自然界的昆蟲。2000年，Delcomyn［3］參考美國蟑螂，研制出六足仿生機器人Biobot(如圖1所示)。該機器人的尺寸是58 cm×14 cm×23 cm，身體和腿的尺寸大概是相應蟑螂尺寸的12～17倍，腿部結(jié)構(gòu)和比例與蟑螂類似:髖節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)的長度比是1∶1∶1.5，當它直立時距離地面15 cm。為了像昆蟲那樣在凹凸不平的地面高速、靈活地步行，采用氣動人工肌肉的驅(qū)動方式。壓縮空氣由步行機上部的管子傳輸，利用氣動驅(qū)動各關(guān)節(jié)，以此模仿肌肉的性能。與電驅(qū)動和液壓驅(qū)動相比，該驅(qū)動器能夠提供更大的力和更高的速度，而且降低了能耗。

圖1 Biobot機器人

2002年，美國密歇根大學和卡內(nèi)基梅隆大學合作組成的研究團隊通過模仿蟑螂成功地研制了仿生六足步行機器人RHex［4］(如圖2所示)。它以三角步態(tài)進行行走，每條腿有1個自由度，且具有柔順性，唯一的驅(qū)動器安裝于腿的髖部，腿可以旋轉(zhuǎn)一周?？刂破鞑捎藐P(guān)節(jié)空間閉環(huán)、任務空間開環(huán)的控制策略，通過改變5個參數(shù)值控制機器人的步態(tài)，平均速度可達0.5 m/s。

圖2 RHex機器人

美國凱斯西儲大學和美國海軍研究院研制的全地形適應性仿蟑螂兩棲機器人WhegsⅣ如圖3所示［5－6］。該機器人的腿為三輻輪機構(gòu)腿，采用柔性機構(gòu)設計，相鄰兩腿間有60°的相位差，在陸地和水下都可以按照三角步態(tài)運動，越障時由異步步態(tài)變?yōu)橥讲綉B(tài)，可提高越障能力。螺旋狀的輪輻可以推動其在水下運動，通過體關(guān)節(jié)正負轉(zhuǎn)動實現(xiàn)上升和下潛。該機器人控制相對簡單，運行速度較快，但因腿部的自由度少，導致靈活性較低，難以跨越大的障礙物，容易傾翻，狀態(tài)恢復較困難。

圖3 WhegsⅣ機器人

Mahdi Agheli［7］設計的六足步行機器人 SHe-Ro重心可上下移動，可靈活跨越溝渠，主要用于橋梁、管道、儲罐等較窄環(huán)境的檢測、修復和安裝等(如圖 4所示)。Michael Henrey等［8］根據(jù)壁虎的爬行特征制作了六足爬行機器人Abigaille-III(如圖5所示)，其足端附有雙層粘合劑，有較好的吸力和抓取力，可靈活地在光滑豎直面上爬行，能夠連續(xù)行走4 h。驅(qū)動系統(tǒng)由24個微型齒輪電機組成，通過5～6條腿爬行，每條腿上有3～4個電機。這種爬壁機器人填補了陸地六足步行機器人不能在豎直平面行走的空缺。

圖4 SHeRo機器人

圖5 Abigaille-III機器人

為進行火星等不規(guī)則表面及危險環(huán)境的探測，美國麻省理工學院研制了一款基于視覺技術(shù)的六足爬行智能機器人Genghis(如圖6所示)［9］。該機器人配置了150多個傳感器用于感知外部環(huán)境和自身內(nèi)部的各種信息，能夠靈活地行走和避障。

圖6 Genghis機器人

美國NASA最新研制的六足機器人ATHLETE(如圖7所示)［10］有6條關(guān)節(jié)型腿，腿上安有輪子，這些輪子可以把機器人固定在地面上，以便ATHLETE從軟泥里爬出來分析地表特征，而且該機器人能夠在布滿巖石的堅硬地形上行走，可爬上坡度為36°的斜面，也可以順著陡峭斜坡下降，非常靈敏。與此同時，ATHLETE六足步行機器人頂部可以負重15 t。當在水平表面上行進時，ATHLETE機器人的車輪可加快行進速度。此外，其靈活的6足還可以應付其他各種復雜地形。

圖7 ATHLETE機器人

為了解決淺水區(qū)水雷的問題，美國羅克威爾公司推出了一種自主水下步行的六足仿螃蟹機器人ALUV(autonomous legged underwater vehicle)(如圖8所示)［11］。該機器人的每條腿有兩個自由度，具有兩棲運動性能，可以隱藏在海浪下面在水中步行。當海浪太大時，它可以將足部埋入沙中，避免被沖走。

圖8 ALUV機器人

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對于六足步行機器人的研究，國內(nèi)起步較晚。祝捷等［12］研制的SMA六足步行機器人每條腿有2個自由度，無法實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向，只能進行直線行駛，平均速度為1 mm/s(如圖9所示)。為了實現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能，研究者通過對主體部分進行改進，使其由上下兩層相互平行、由一根軸套連接在一起的三叉支架組成，利用組合偏動SMA驅(qū)動器實現(xiàn)了六足步行機器人的全方位運動。

圖9 SMA機器人

針對大多數(shù)足式機器人質(zhì)量較大的問題，徐小云等［13］進行了微型六足仿生機器人的研究(如圖10所示)。該步行機器人的長、寬、高僅為30，40，20 mm，質(zhì)量僅為 6.3 g，步行速度為 3 mm/s。采用微型直流電機、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和皮帶作為傳動機構(gòu)，在對步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎上進行控制系統(tǒng)軟硬件設計。步行實驗結(jié)果表明，該機器人具有較好的機動性。

圖10 微型六足仿生機器人

姜樹海等［14］設計的仿生甲蟲六足機器人每條腿有3個自由度，機體是以身體縱向中心線對稱的八邊形，6條腿均布身體兩側(cè)，所有腿關(guān)節(jié)均由伺服電機驅(qū)動。關(guān)節(jié)采用性能良好的合成塑料代替金屬構(gòu)件，有較好的柔韌性。軀體采用高強度鋁合金材料制作，腿部和關(guān)節(jié)之間的連接采用高強度塑料，這樣可以大大減輕整機的質(zhì)量，有利于提高奔跑的速度(如圖11所示)。該機器人長214 mm，寬140 mm，高60 mm，中間兩條腿著地點距離為 400 mm，前后兩條腿著地點距離為320 mm，質(zhì)量為1.86 kg。

圖11 仿甲蟲六足機器人

針對目前六足步行機器人串聯(lián)機械腿工作空間大、承載能力弱、穩(wěn)定性差的問題，Pan Yang［15］研制了六邊形結(jié)構(gòu)步行機器人“六爪章魚”(octopus robot)，其腿部為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，承載力大(如圖12所示)。該機器人整機高約1 m，6條腿中分別裝有3個電機，由18個電機驅(qū)動，可實現(xiàn)18個自由度變換，能夠靈活地沿各個方向穩(wěn)定行走，其負重為200 kg。“六爪章魚”機器人通過遠程人機結(jié)合控制，具備深入極端復雜危險環(huán)境的能力，可在核輻射、水下和火災等場景中完成搬運、探測和救援作業(yè)等多種任務。

圖12 “六爪章魚”步行機器人

2 六足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃

六足步行機器人的步態(tài)依照其結(jié)構(gòu)的不同而不同。步態(tài)指行走系統(tǒng)的邁步方式，是步行機器人各腿協(xié)調(diào)運行的規(guī)律，即行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。由于六足機器人腿部自由度較多，動力學和運動學特征復雜，因此六足步行機構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃和足部協(xié)調(diào)控制是步行機器人最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

2.1 三角步態(tài)

三角步態(tài)指六足機器人的兩組腿(身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足)中處于支撐三角形上的三條腿的動作完全一樣，均處于擺動相或支撐相。因此，在同一時間內(nèi)只有一組的3條足起行走作用:前足拉動本體，中足支撐本體，后足推動本體并進行本體轉(zhuǎn)向，3足同時作用，通過兩組足的交替完成行走。由于機體的重心必須落在支撐的三角支架之內(nèi)，所以這種行走方式的靈活性較大，穩(wěn)定性較高［13，16］。

Wettergreen［17］對 DanteⅡ型六足機器人進行了基于行為控制的自由步態(tài)的研究。蘇軍等［18］通過分析六足機器人機械結(jié)構(gòu)的運動學特征，從理論上規(guī)劃了直線行走和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并確定了直行的最大跨步和定點轉(zhuǎn)彎的最大轉(zhuǎn)角。但文中僅僅給出了仿真結(jié)果，并未詳細敘述六足機器人的實地檢驗效果。馮巍、漆向軍［19－20］借助慧魚仿生機器人包搭接出的六足步行機器人可以避開較小障礙物并具較好的機動性，但由于加工誤差和電機性能的差異，不可避免地會產(chǎn)生步態(tài)失調(diào)現(xiàn)象。針對上述問題，韓建海等［21］提出用光電開關(guān)作為六足步行機器人的步態(tài)檢測傳感器，通過光電開關(guān)發(fā)出的信號在PIC單片機控制下及時調(diào)整電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，糾正由于機械制造誤差造成的步態(tài)失衡現(xiàn)象，使機器人能夠按照規(guī)定的步態(tài)行走，大大提高了機器人的行走效率和使用壽命。

2.2 斜坡步態(tài)

機器人在現(xiàn)實環(huán)境中不可避免地會遇到斜坡地形。為了克服斜坡帶來的影響，李栓柱等［22］從機器人自身的關(guān)節(jié)角度出發(fā)設計了具有高穩(wěn)定裕度的斜坡步態(tài)，提高了機器人的行走穩(wěn)定性，但忽略了機器人在爬斜坡過程中的速度、負載能力、外力、重心多變等因素的影響。柳天虹等［23］提出了最小穩(wěn)定距離的方法。這種方法綜合考慮了外力、重心高度、自身質(zhì)量對機器人步行穩(wěn)定性的影響，可以較準確地分析機器人的步態(tài)穩(wěn)定性，為柔性機器人的研究奠定了基礎。

2.3 避障步態(tài)

截至目前，大多數(shù)的六足步行機器人步行狀態(tài)都是縱向三角步態(tài)。針對機器人如何高效地避開障礙物，劉連蕊等［24］提出了橫向三角步態(tài)(如圖13所示)，可以較穩(wěn)定地避開障礙物。但是橫向避障步態(tài)的靈活度、反應靈敏度不高，不適用于緊急情況。魏武等［25］基于橫向三角步態(tài)研制了適用于橋梁檢測、隧道探測等特殊場合的六足爬壁機器人，并在此基礎上提出了由橫向三角步態(tài)引出的橫向四角步態(tài)(如圖14所示)，同時驗證了其具有良好的機動性和安全性。Phuc等［26］從程序設計的角度出發(fā)研究了一種足式機器人翻越小型障礙物的算法，但沒有給出詳細的算法過程，也沒有研究足式機器人如何應對相對較大的障礙物。Hema等［27］根據(jù)這種情況給出了詳細的算法，使得機器人能夠較穩(wěn)定地跨越障礙物。

圖13 橫向三角步態(tài)

圖14 橫向四角步態(tài)

3 軌跡規(guī)劃與障礙識別

3.1 足端軌跡規(guī)劃

在多足步行機器人的行走過程中，落地點的選取及軌跡規(guī)劃對機器人步行的連貫性、穩(wěn)定性具有重要影響。對于六足步行機器人而言，較好的足端點軌跡應具有良好的起落、速度和加速度特性。

常見的足端軌跡有直線段、拋物線、擺線、心形線和樣條曲線等，它們都有各自的特點，可以通過初等函數(shù)、多項式插值等方法進行描述。采用初等函數(shù)描述機器人末端軌跡將不可避免地造成加速度突變的現(xiàn)象，這種突變會影響機器人行走的穩(wěn)定性，并造成驅(qū)動電機的超載。例如:一次函數(shù)最容易組合成給定的形狀，但往往會造成直線段連接點處加速度和速度的不連續(xù)性;拋物線起始角和終止角可變但高度不變，有利于避障，但在起落時會有沖擊現(xiàn)象存在［28］;擺線和心形線也存在著步長和步高關(guān)系同定不變以及起落角較小等問題;多項式插值能滿足軌跡1階、2階可導和連續(xù)，但由于采樣過多，會造成多項式插值階次過高而導致震蕩、行走不穩(wěn)等［29－30］。經(jīng)過多次研究發(fā)現(xiàn)，三次樣條曲線不僅能夠滿足軌跡曲線1階、2階可導和連續(xù)，而且軌跡線平滑、階次較低、震動較小，完全符合機器人的最佳行走性能［31］。足端軌跡規(guī)劃好后，針對如何調(diào)整落地點的位姿，趙龍海等［32］提出了一種基于落足點機器人位姿的調(diào)整策略，可以用于多足步行機器人自然地形全方位的運動規(guī)劃，并且適用于各種步態(tài)。

3.2 障礙識別

Mohd等［33］從視覺的角度出發(fā)研究出一種算法，能夠在一定程度上識別障礙物，但是忽略了信號的傳輸和處理速度，實用性較差。Choi等［34］根據(jù)激光原理提出了一種激光識別算法，可以精確地識別障礙物，且不易受環(huán)境的影響，但由于激光照射的距離與電功率有關(guān)，所以對電量供給有一定的要求。Budiharto等［35］從聽覺角度研究了一種聲控識別算法，在相對噪音小的室內(nèi)有很大的實用性，但在室外，當噪音較大時，這種方法就會因受到嚴重的干擾而失去作用。Jenog等［36］設計了熱成像識別算法，但受環(huán)境的影響較大。尤波等［37］從運動學的角度出發(fā)提出了一種障礙物自識別步態(tài)規(guī)劃策略，根據(jù)腿的落地時間和著力時間對機器人進行反饋，使得其做出能否跨越障礙物的判斷，這種方法在多障礙物的情況下有較好的應用。

4 進一步研究方向

自20世紀后期以來，國內(nèi)外學者雖然研究開發(fā)了許多機器人實驗模型和原理樣機，但總體而言，以六足步行機器人目前的基礎技術(shù)，還難以支持這類機器人的大規(guī)模實際應用［16］。六足步行機器人進一步的研究方向包括以下幾個方面:

1)步態(tài)規(guī)劃的全面性。目前，大多數(shù)步行機器人步態(tài)研究針對的環(huán)境都是較為常規(guī)的地形，對于泥土、沼澤和較為松軟地形的機器人的通過問題研究卻很少。此外，在泥濘地面和沼澤行進過程中的脫泥脫土問題、跌倒傾翻的自動恢復等問題也需要進一步加大研究力度。

2)仿生結(jié)構(gòu)的相似性。自然界中幾乎所有昆蟲的非對稱腿是不等長的，非等長的三足結(jié)構(gòu)具有重心平穩(wěn)、利于越障、轉(zhuǎn)彎靈活等優(yōu)點。然而，目前大多數(shù)步行機器人的腿部尺寸是一樣的，所以非等長腿步行機器人也是仿生六足步行機器人將來的研究趨勢。

3)結(jié)構(gòu)設計的柔性化。當前大多數(shù)步行機器人腿部結(jié)構(gòu)都是剛性的，這就不可避免地會產(chǎn)生碰撞、干涉，使得步行機器人行走穩(wěn)定性差、摩擦大、壽命小。為避免這些問題，柔性腿的設計是未來六足步行機器人實現(xiàn)穩(wěn)定行走的基礎。

4)控制算法的簡化性。由于六足步行機器人的結(jié)構(gòu)比較復雜，關(guān)節(jié)自由度較多，這就導致其控制算法非常復雜，因此應簡化機器人的控制算法，用較簡單的算法達到令人滿意的效果［38－39］。

5)步態(tài)規(guī)劃的智能化?，F(xiàn)有的步行機器人步態(tài)規(guī)劃都是建立在運動學的基礎上(包括正運動學和逆運動學)，且周圍環(huán)境已知，因此，步行機器人在識別未知的環(huán)境后能否自行使用智能化方法實現(xiàn)步態(tài)的生成和空間的精確定位就成為下一步研究的方向。

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