淺談四足機(jī)器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來

文 ／ 朱秋國 浙江大學(xué)

淺談四足機(jī)器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來

文 ／ 朱秋國 浙江大學(xué)

自然界中的四足哺乳動物遍布于地球各個大陸上，在地形環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)動靈活性和運(yùn)動效率等方面具有顯著優(yōu)勢，它們幾乎能在任何陸地上活動，不僅可以在崎嶇復(fù)雜地形環(huán)境下快速移動，有些還具有較好的負(fù)重能力。它們通過不同的方式適應(yīng)了環(huán)境的變遷，并在自然界中得以生存和繁衍。

四足機(jī)器人的發(fā)展軌跡

借鑒四足動物獨(dú)特的運(yùn)動特點(diǎn)，機(jī)器人學(xué)者開始了四足機(jī)器人的研究。

20世紀(jì)60年代，McGhee研制了世界上第一臺四足機(jī)器人。此后，國內(nèi)外研制了一批先進(jìn)的四足機(jī)器人，其中最具劃時(shí)代意義的當(dāng)屬美國波士頓動力公司的Big-Dog，其出眾的運(yùn)動能力以及強(qiáng)大的地形適應(yīng)能力，使得它能夠適應(yīng)山地、斜坡、叢林、冰面、雪地等復(fù)雜地形。近年來，具有強(qiáng)地形環(huán)境適應(yīng)能力、高動態(tài)運(yùn)動能力以及大負(fù)載能力的四足機(jī)器人越來越受到學(xué)者的重視。這些特點(diǎn)使四足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)輸、災(zāi)后救援、野外勘探、高危環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

20世紀(jì)80年代，MIT Leg-Lab開展了腿足動態(tài)運(yùn)動控制研究。他們在研制成功單腿機(jī)器人的基礎(chǔ)上，將控制算法拓展應(yīng)用到了四足機(jī)器人中。四足機(jī)器人類似于將四個單腿機(jī)器人前后兩兩結(jié)合在一起，并在該機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了踱步、對角小跑以及跳躍三種步態(tài)，這是早期運(yùn)動性能最為出色的四足機(jī)器人。這項(xiàng)研究為后續(xù)波士頓動力公司的四足機(jī)器人開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2005年，美國波士頓動力公司推出的BigDog是四足機(jī)器人發(fā)展的一個重要里程碑。BigDog采用了伺服液壓缸作為其腿部的驅(qū)動器，配套了汽油發(fā)動機(jī)，為負(fù)重型四足機(jī)器人的研制提供了新思路，成功地實(shí)現(xiàn)了雪地、冰面、瓦礫等復(fù)雜地面下的穩(wěn)定行，且在受到側(cè)向強(qiáng)擾動的情況下仍能保持平衡。LS3進(jìn)一步改進(jìn)了身體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更大的負(fù)載能力，對野外復(fù)雜地形的通過能力和適應(yīng)性有了進(jìn)一步提高。在快速性方面，Cheetah的室內(nèi)奔跑速度達(dá)到了45.5km/h，而WildCat在運(yùn)動時(shí)可以實(shí)現(xiàn)小跑、跳躍和奔跑間的相互切換，是目前唯一可以在室外完成gallop奔跑的四足機(jī)器人。

圖1 MIT早期的單腿、雙足和四足機(jī)器人

圖2 BigDog、LS3、Cheetah和WildCat

由于上述機(jī)器人的液壓伺服系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)提供動力，存在自身質(zhì)量重和噪聲大等問題，為此，波士頓動力公司研發(fā)了Spot和Spot Mini。Spot總重量約72千克，采用電液混合驅(qū)動，降低了運(yùn)動噪聲，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走、對角小跑等步態(tài)，通過搭載的感知單元，可以在野外環(huán)境下穩(wěn)定行走、上斜坡、上臺階，在受到側(cè)向推力時(shí)可以自主恢復(fù)平衡。Spot Mini重量更輕且完全采用電機(jī)驅(qū)動，極大地降低了運(yùn)動噪聲，運(yùn)動更為靈活，在Spot Mini上還可以搭載機(jī)械臂，完成物品抓取、遞送、開門等復(fù)雜動作。除此之外，在2012年MIT研制了全電機(jī)驅(qū)動的四足機(jī)器人Cheetah，該機(jī)器人通過力矩電機(jī)的反驅(qū)作用，實(shí)現(xiàn)對地面碰撞能量的回收，具有極高的能量利用率。采用虛擬力模型，通過地面反作用力控制，實(shí)現(xiàn)了trot和bound步態(tài)運(yùn)動，以及gallop步態(tài)的仿真控制。2016年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院推出了新一代四足機(jī)器人ANYmal，該機(jī)器人被設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境下的自主作業(yè)，其軀體上安裝了激光傳感器和攝像機(jī)，用以感知環(huán)境地形進(jìn)行地圖構(gòu)建和自定位，能夠自主規(guī)劃導(dǎo)航路徑并且合理選取落腳點(diǎn)，已被應(yīng)用于油氣站的工業(yè)檢測，在攜帶電池的情況下自重不超過30kg，能完成2小時(shí)自主巡檢作業(yè)。

我國四足機(jī)器人的研究進(jìn)展

國內(nèi)四足機(jī)器人的研究起步較晚，但也取得了一定的進(jìn)展。2010年，為了提高國內(nèi)四足機(jī)器人研究水平，縮小與國外的差距，國家863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域啟動了“高性能四足仿生機(jī)器人”項(xiàng)目，旨在開展新型仿生機(jī)構(gòu)、高功率密度驅(qū)動、集成環(huán)境感知、高速實(shí)時(shí)控制等四足仿生機(jī)器人核心技術(shù)研究，以建立高水平四足仿生機(jī)器人綜合集成平臺。山東大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)均展開了液壓驅(qū)動的四足機(jī)器人研究工作，分別研制了各自的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人樣機(jī)，在2013年國家地震緊急救援訓(xùn)練基地進(jìn)行了沙礫石地面、凹凸地形和坡道地形上的行走測試。中國北方車輛研究所研制的山地四足仿生機(jī)器人在“跨越險(xiǎn)阻2016”中正式亮相，比賽成績優(yōu)異。

圖3 Spot、pot Mini、MIT-Cheetah和ETH-ANYmal

圖4 山東大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國北方車輛研究所的四足機(jī)器人

浙江大學(xué)自2011年開始研究單腿機(jī)器人的動態(tài)平衡控制與高能效問題。先后開展了帶腳踝關(guān)節(jié)的單腿機(jī)器人高能效跳躍和欠驅(qū)動單腿機(jī)器人的動態(tài)平衡控制研究。針對冗余多關(guān)節(jié)單腿機(jī)器人，通過研究膝踝關(guān)節(jié)剛度匹配問題，使得膝踝在跳躍過程中呈現(xiàn)較高的協(xié)調(diào)性，從而實(shí)現(xiàn)了最高跳躍高度35cm，最高跳躍能效值CoT為0.29。而平面內(nèi)的單腿動態(tài)平衡跳躍運(yùn)動，在跳躍過程中不僅需要滿足預(yù)期的前進(jìn)速度，還要保持身體的平衡性，最終實(shí)現(xiàn)了0.8m/s的穩(wěn)定前進(jìn)跳躍。這些研究工作為后期研制四足機(jī)器人“赤兔”奠定了基礎(chǔ)。

圖5 單腿機(jī)器人高能效跳躍與動態(tài)平衡控制

2016年，浙江大學(xué)-南江機(jī)器人聯(lián)合研究中心在第3次世界互聯(lián)網(wǎng)大會上推出了四足仿生機(jī)器人“赤兔”?！俺嗤谩比?2個自由度，身長1m，寬0.5m、高0.6m，總重65kg，負(fù)載50kg，全身關(guān)節(jié)采用力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過加入小減速比的齒輪箱，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)的力矩、速度和位置控制?！俺嗤谩睓C(jī)器人具有爬坡、爬樓梯、崎嶇路面行走、小跑和奔跑等功能，目前最快跑步速度超過6km/h。

圖6 四足仿生機(jī)器人“赤兔”

在四足機(jī)器人爬行步態(tài)中，浙大根據(jù)步態(tài)特性引入了狀態(tài)機(jī)進(jìn)行步態(tài)控制，建立了在線運(yùn)動規(guī)劃流程，提出一種基于COG（Center of Gravity）穩(wěn)定性判據(jù)的路徑規(guī)劃方法與基于ZMP（Zero Moment Point）穩(wěn)定性判據(jù)的重心軌跡規(guī)劃方法，有效保證了四足機(jī)器人身體運(yùn)動軌跡的光滑性以及四足移動行走的穩(wěn)定性。對于未知地形，提出了一種足端軌跡規(guī)劃方法確保四足機(jī)器人有效實(shí)現(xiàn)未知復(fù)雜地形上的擺動腿跨步。同時(shí)，根據(jù)感知策略獲取的地形信息，提出了四足機(jī)器人軀體的質(zhì)心高度和姿態(tài)對于未知復(fù)雜地形的自適應(yīng)控制方法。

針對四足機(jī)器人的bound奔逃步態(tài)，浙大提出了一種豎直虛擬彈簧模型，通過規(guī)劃機(jī)器人對地面的反作用力輪廓和相應(yīng)控制率，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍運(yùn)動。同時(shí)，引入了相位實(shí)時(shí)反饋計(jì)算，用于修改機(jī)器人運(yùn)動過程中的節(jié)律偏差，最終實(shí)現(xiàn)了bound奔跑運(yùn)動，也是目前國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)奔跑的電驅(qū)型四足機(jī)器人。

四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢

縱觀國內(nèi)外四足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，我認(rèn)為四足機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢可能有以下幾方面：

四足機(jī)器人將根據(jù)負(fù)載大小決定驅(qū)動的類型，電機(jī)驅(qū)動四足機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)和控制相對容易，在低噪聲上具有優(yōu)勢，適用于中小型、低負(fù)載和低成本的平臺開發(fā)；而液壓驅(qū)動四足機(jī)器人盡管在運(yùn)動快速性和大負(fù)載上都可以發(fā)揮其優(yōu)勢，但是噪聲大，易漏油，更適用于室外應(yīng)用。

在快速穩(wěn)定上，除了波士頓動力公司之外，快速穩(wěn)定跑步控制仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因此開發(fā)快速跑步運(yùn)動，且具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的四足機(jī)器人仍然將是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖7 面向臺階地形的自適應(yīng)行走與前向跳躍運(yùn)動

腿足機(jī)器人由于每次落地與地面存在較大的碰撞，容易造成能量的損失，在有限能源的情況下，如何實(shí)現(xiàn)更加高能效的運(yùn)動，開發(fā)更好性能的仿生機(jī)構(gòu)和控制算法是未來的發(fā)展趨勢之一，另外結(jié)合腿足與輪式的優(yōu)勢，開發(fā)出具有更強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境的混雜機(jī)器人系統(tǒng)，也許是一種更好的方式。

發(fā)掘更多的應(yīng)用場景。由于四足機(jī)器人運(yùn)動性能和開發(fā)成本等約束，四足機(jī)器人的應(yīng)用仍然受到限制，因此如何結(jié)合國情特點(diǎn)，大膽開拓應(yīng)用示范，在科研教育、抗災(zāi)救險(xiǎn)、偵察巡邏、以及太空探索等場合積極探索，也十分必要。四足機(jī)器人開發(fā)者如何將開發(fā)機(jī)器人產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合也是未來需要考慮的重要問題之一。

浙江大學(xué)-南江機(jī)器人聯(lián)合研究中心研制的“赤兔”四足機(jī)器人致力于打造國內(nèi)四足機(jī)器人科研和教學(xué)的通用化平臺，為廣大機(jī)器人學(xué)者和愛好者提供高性價(jià)比的機(jī)器人開發(fā)平臺。該平臺不僅具備了基本的行走和跑跳功能，還為開發(fā)者提供了二次開發(fā)編程接口，開發(fā)者只需重新編寫程序即可體驗(yàn)運(yùn)動控制所帶來的獨(dú)特魅力。這種方式極大地減輕了研究者在工程量上的時(shí)間投入，使得大家可以集中精力研究機(jī)器人的運(yùn)動控制、以及智能感知與控制等算法上，更快地促進(jìn)我國機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

（作者系浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院、工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橥仁綑C(jī)器人、柔性機(jī)械手、醫(yī)療機(jī)器人以及人工智能等。）