論多足機(jī)器人多元研究方向

王晨淶

（重慶大學(xué)，重慶 400000）

機(jī)器人能夠代替人完成重復(fù)耗時(shí)、危害生命安全，甚至人類無法完成的任務(wù)，逐漸成為一個(gè)熱門研究話題。以移動(dòng)方式來分類，機(jī)器人主要分為三類。輪式機(jī)器人，能夠穩(wěn)定快速地在平坦的地形移動(dòng)；履帶式機(jī)器人，通過分擔(dān)總重量到一較大平面上，也相當(dāng)于為輪子提供穩(wěn)定的移動(dòng)平面，使機(jī)器人能夠在較為不平或松軟的路面上行進(jìn)。然而以上兩種機(jī)器人均不能很好地適應(yīng)有障礙、地勢起伏大等不規(guī)則地形，非傳統(tǒng)的足式機(jī)器人則可以克服這一困難。足式機(jī)器人最典型的特征是其立足點(diǎn)的離散型，僅需要不斷選擇很小的最佳支撐面，就可以在一些惡劣地形以效率最高的方式快速地移動(dòng)。另外，多足機(jī)器人在一些對機(jī)器人機(jī)體平穩(wěn)度要求很高的情形下適應(yīng)性很強(qiáng)，這一方面是因?yàn)槊織l足都可以主動(dòng)減少震動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)大的避震器，另一方面因?yàn)闄C(jī)器人的機(jī)體可以和足成非耦合的狀態(tài)，使機(jī)器人在不平坦的路面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體仍能穩(wěn)定保持一定角度。然而多足機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的多重選擇性和復(fù)雜性，多足間協(xié)調(diào)控制運(yùn)動(dòng)，從控制上講與環(huán)境交互，多變量，以及變量間非線性，強(qiáng)耦合關(guān)系都使得多足機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，但為了讓機(jī)器人適應(yīng)地球上絕大多數(shù)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，對多足機(jī)器人的研究也在持續(xù)升溫。

1 研究概況

國外：1994年，日本電信大學(xué)在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，將動(dòng)物的CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于多足機(jī)器人的控制，基于神經(jīng)振蕩器模型，成功實(shí)現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行。這種控制方法引起了廣泛關(guān)注并在之后成為多足機(jī)器人控制的主要研究方法。之后的日本又在CPG 的基礎(chǔ)上，通過傳感器檢測環(huán)境信息為中樞模式發(fā)生器提供反饋信號以及加入腿部局部反饋信號驅(qū)動(dòng)的方式等，使多足機(jī)器人更加具有環(huán)境的適應(yīng)能力。從20世紀(jì)90年代開始，美國的多足機(jī)器人研究也大有進(jìn)展?？▋?nèi)基梅隆的有纜八足步行機(jī)器人DANTE-II成功對位于南極的火山進(jìn)行探測，也有羅克威爾的模仿螃蟹的水下兩棲自主步行機(jī)器人。更新的，有美國宇航局研制的六足機(jī)器人ATHLETE，可在輪式快速移動(dòng)和六足步行適應(yīng)極端地形進(jìn)行切換，還有現(xiàn)在頗富爭議的波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的狗型四足機(jī)器人，定位應(yīng)用于不平的地面上的軍方輸送物資。

另外，在世界其他國家也有引人注目的多足機(jī)器人研究，如西班牙國家研究委員會工業(yè)自動(dòng)化研究所的SILO-4，SILO-6的四足以及六足機(jī)器人，采用模塊化結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于不規(guī)則地面的行走。英國設(shè)計(jì)師研制的類似駕駛工具的采用了渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的螳螂六足機(jī)器人。

國內(nèi)：國內(nèi)的多足機(jī)器人研究從20世紀(jì)90年代才初步形成規(guī)模，但之后有了顯著的發(fā)展，縮小了與國外的差距。比較典型的有，華中科技大學(xué)研發(fā)了可重構(gòu)MiniQuad四足機(jī)器人且建立了其動(dòng)力學(xué)模型，對機(jī)器人姿態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。北京航空大學(xué)對六邊形對稱分布的NOROS六足機(jī)器人從行走能力，穩(wěn)定性和能耗的角度對三種不同步態(tài)進(jìn)行了比較（擺動(dòng)步態(tài)，踢腿步態(tài)以及混合步態(tài)）。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了仿生螃蟹的兩棲八足機(jī)器人并伴生了交錯(cuò)等相位波動(dòng)步態(tài)，在六足機(jī)器人上對機(jī)器人的落足點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化以及做了基于足力分布的姿態(tài)調(diào)整以保證穩(wěn)定性，還開發(fā)了以CAN總線為基準(zhǔn)的四足機(jī)器人等。另外還有上海交通大學(xué)研究的SMA驅(qū)動(dòng)的微型雙三足步行機(jī)器人以及清華大學(xué)的DT-WM框架式雙三足步行機(jī)器人，五足爬行機(jī)器人等。

1.1 一般多足機(jī)器人結(jié)構(gòu)

多足機(jī)器人結(jié)構(gòu)的搭建很大程度上依賴生物仿生學(xué)，在大自然長期的選擇下，留下的生物特征必定是適應(yīng)對應(yīng)環(huán)境的最優(yōu)選擇，所以多足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和自然界中很多動(dòng)物類似。以最常見的四足機(jī)器人和六足機(jī)器人為例來說一說常見的結(jié)構(gòu)。四足機(jī)器人的腿部排列結(jié)構(gòu)一般參照四足動(dòng)物，在多足機(jī)器人學(xué)中被簡化為矩形排列，單腿結(jié)構(gòu)變化多，較為復(fù)雜。常見的有三自由度的并可根據(jù)不同關(guān)節(jié)形式配置分為全肘式，全膝式，內(nèi)膝肘式，外膝肘式四種。利用足式機(jī)器人與地面離散化接觸的特點(diǎn)，為了簡化結(jié)構(gòu)和控制，也有優(yōu)化單自由度的四足機(jī)器人。另外，有的機(jī)器人為了執(zhí)行更復(fù)雜的功能，如需要在足式和輪式結(jié)構(gòu)間切換，在單腿添加了更多的自由度，到四個(gè)甚至以上。六足機(jī)器人在機(jī)體結(jié)構(gòu)上就會更復(fù)雜一些。很多六足機(jī)器人參照昆蟲來制造的，由軀體和足兩個(gè)基本部分組成。六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一是考慮到六足在機(jī)體的布置方式。研究者會在基本原則下，即腿部和關(guān)節(jié)間的不互相干涉，從機(jī)體的穩(wěn)定性，以控制性以及易加工性等進(jìn)行選擇。常見的有被廣泛采用的矩形，具有結(jié)構(gòu)控制簡單的特點(diǎn)；也有最接近昆蟲仿生的橢圓形或者六邊形排布，其減少了足間干涉，以增大足的運(yùn)動(dòng)范圍的方式提高了機(jī)體穩(wěn)定性；還有圓形布置，轉(zhuǎn)向性和穩(wěn)定性均有優(yōu)勢，但因足間控制軌跡的不同，在控制上更具挑戰(zhàn)性。另外，尺寸上也會有要求，如機(jī)體與腿部的尺寸比列，腿部節(jié)段尺寸比列。一些研究者會根據(jù)昆蟲腿部尺寸比例設(shè)計(jì)六足機(jī)器人的三段式的單足結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)昆蟲的股節(jié)，脛節(jié)以及跗節(jié)。

1.2 步態(tài)規(guī)劃

步態(tài)是指步行腿各腿動(dòng)作順序和方式規(guī)律。多足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜，如何合理規(guī)劃每一條腿的運(yùn)動(dòng)軌跡使多足機(jī)器人協(xié)調(diào)地穿越地形一直是多足機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。一種常見的步態(tài)分組方式是以機(jī)器人在行走時(shí)步行腿跟關(guān)節(jié)軸心線與機(jī)體面的位置關(guān)系來劃分。步行腿關(guān)節(jié)軸心線與機(jī)體面垂直被稱為擺動(dòng)步態(tài)，參照爬行類動(dòng)物；步行腿關(guān)節(jié)軸心線與機(jī)體面平行被稱為踢腿步態(tài)，參照哺乳類動(dòng)物。從目前研究較多的四足和六足機(jī)器人的步態(tài)來分析。四足機(jī)器人的步態(tài)可分為：行走，機(jī)體中心永遠(yuǎn)落在三條支撐腿構(gòu)成的三角形內(nèi)，穩(wěn)定，慢速；對角小跑，斜對角的兩條腿為支撐腿，支撐線落于身體正下方，穩(wěn)定性較前一種弱，中速；踱步，支撐腿為同邊的兩條腿，機(jī)體會有翻滾動(dòng)作，穩(wěn)定性較差，腿之間不會有干涉現(xiàn)象，速度較快；跳躍，前后雙腿交替作為支撐腿，機(jī)體有明顯的俯仰運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性差但速度很快；奔跑，前雙腿先后著地然后后雙腿先后著地，穩(wěn)定性差，高速步態(tài)。按占地系數(shù)來說，四足機(jī)器人步態(tài)可以分為走和跑，按對稱性來說，被分為對稱步態(tài)和非對稱步態(tài)。對稱步態(tài)有著穩(wěn)定且易于規(guī)劃和控制等優(yōu)點(diǎn)，是主流研究步態(tài)，但隨著人們對機(jī)器人性能要求的不斷提高，四足機(jī)器人需要采用多種步態(tài)甚至在其間變化來適應(yīng)特殊環(huán)境，這在自然界中也許十分簡單，但對于機(jī)器人還是極具挑戰(zhàn)的。對于六足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，規(guī)則周期步態(tài)是目前研究比較成功的一大類步態(tài)，適應(yīng)平坦的地形。規(guī)則周期步態(tài)中，常用的步態(tài)又有三角步態(tài)，四角步態(tài)，五角步態(tài)，定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)以及橫向步態(tài)等。三角步態(tài)為其中最典型的一種步態(tài)，將六條分為兩組，身體一側(cè)的前后足與另一側(cè)的中足為一組，兩足腿交替擺動(dòng)和支撐，在以形成穩(wěn)定三角形穩(wěn)定機(jī)體的同時(shí)快速移動(dòng)。四角步態(tài)和五角步態(tài)對應(yīng)支撐腿分別有四條和五條，擺動(dòng)腿則分別為兩條和一條。橫向步態(tài)也屬于三角步態(tài)的一種，但混合了擺動(dòng)步態(tài)和踢腿步態(tài)的特點(diǎn)，機(jī)體的全方位移動(dòng)離不開橫向步態(tài)。定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)也與三角步態(tài)類似，以機(jī)體中心軸線為旋轉(zhuǎn)軸，將腿分為兩組在支撐，擺動(dòng)間交替完成定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎。在具體實(shí)施哪種步態(tài)時(shí)，我們主要考慮它的速度和穩(wěn)定性?；诶碚摴酵茖?dǎo)得知，在基本影響因素相同的情況下，只有各腿在單次支撐擺動(dòng)交替周期內(nèi)的支撐時(shí)間影響機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)速度，且互成反比。因此，支撐相時(shí)間最長的三角步態(tài)類型的移動(dòng)速度最快。而穩(wěn)定性方面，通過穩(wěn)定裕度定量計(jì)算得到五角步態(tài)的穩(wěn)定性最高。在自然界中，這也是一個(gè)很容易理解的原理，多足動(dòng)物要實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)的條件就是盡量減少腿部觸地的時(shí)間，但同時(shí)觸地時(shí)間的減少使得動(dòng)物軀體在運(yùn)動(dòng)中會產(chǎn)生不同種類的移動(dòng)，也就是降低了穩(wěn)定性。對于復(fù)雜的地形，規(guī)則周期步態(tài)是不夠的，因此，有了更為繁瑣但適應(yīng)性更好的自由步態(tài)規(guī)劃。自由步態(tài)規(guī)劃則是讓機(jī)器人的步態(tài)和環(huán)境產(chǎn)生交互，使機(jī)器人依據(jù)實(shí)時(shí)地形自由地規(guī)劃步態(tài)達(dá)到調(diào)速、轉(zhuǎn)彎、避障等目的。自由步態(tài)比規(guī)則周期步態(tài)更能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)地形，更具實(shí)用性，但難度也更大。

1.3 控制方面

多足機(jī)器人自由度多，各運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)，需協(xié)調(diào)控制，運(yùn)動(dòng)控制十分復(fù)雜。多足機(jī)器人控制方法主要分為三種：（1）建模法，這是一種經(jīng)典的控制方法，對多足機(jī)器人環(huán)境建立數(shù)學(xué)模型，然后通過制定的規(guī)則管控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式。這種控制方法可以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)。不過這種方法在控制過程中需要進(jìn)行大量測量與計(jì)算，速度較慢，控制的實(shí)時(shí)性不好。（2）行為法，該方法是機(jī)器人在被寫入一些模型化通用的運(yùn)動(dòng)和功能后，通過與外界交互感知產(chǎn)生輸入信號并刺激機(jī)器人對大量動(dòng)作比較后選擇，組合產(chǎn)生一組最優(yōu)的行為模式輸出，但在這種方法中，機(jī)器人的動(dòng)作庫很有限，而且感知靈活度不夠，使得其不能應(yīng)用在復(fù)雜的地形中。（3）最后一種方法是當(dāng)前最熱門的CPG控制法，也就是中樞模式發(fā)生器控制法。CPG模仿動(dòng)物的脊髓（脊椎動(dòng)物）或者胸腹神經(jīng)節(jié)（無脊椎動(dòng)物），也就是動(dòng)物的中樞模式發(fā)生器。將多足機(jī)器人的各足看作神經(jīng)元，通過交替觸發(fā)各足實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。各足之前的神經(jīng)元會相互產(chǎn)生抑制或者促進(jìn)來達(dá)到全局性的多足協(xié)調(diào)作用。另外，它可以在無高層上位機(jī)信號輸入的情況下自主產(chǎn)生穩(wěn)定地震蕩行為，通過重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多運(yùn)動(dòng)模式的輸出。同時(shí)，CPG控制也經(jīng)常與反射模型或者與高層主動(dòng)控制信號輸入相結(jié)合，可以接受操作者的主觀控制或者來自外部的反饋信號，并經(jīng)由CPG進(jìn)行修正，一面實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)節(jié)律的動(dòng)態(tài)調(diào)整，一面提高對環(huán)境的適應(yīng)能力。以上三種方法都有各自的特點(diǎn)，其中CPG控制方法具有更突出的優(yōu)勢，通過使系統(tǒng)更好地關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生節(jié)律振蕩輸出；利用自然穩(wěn)固的相位關(guān)系，輸出動(dòng)作模式多；能夠接受高層信號并實(shí)行調(diào)整，也可以輸出自激發(fā)信號。結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)性強(qiáng)的CPG控制法成為了多足機(jī)器人的主流控制方法。然而基于CPG原理的步態(tài)規(guī)劃，其理論還處于未成熟階段，規(guī)劃出的步態(tài)與生物節(jié)律還有一定差距。因此，基于CPG的多足機(jī)器人控制研究是多足機(jī)器人的研究熱點(diǎn)之一。

2 結(jié)語

從多足機(jī)器人進(jìn)入研究視野并逐漸得到廣泛的關(guān)注和高度的重視，國內(nèi)外均在多足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及控制方面有重大進(jìn)展，研制了各種多足機(jī)器人樣機(jī)并以不同的控制方法能夠初步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)地形以規(guī)劃運(yùn)動(dòng)行為執(zhí)行指令。然而這離真正穩(wěn)定高效地將機(jī)器人應(yīng)用到實(shí)際之中還有一定差距，接近生物仿生的最終目的還有距離。因此，還需要在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)上從足到機(jī)體再到整機(jī)，在基于節(jié)律和學(xué)習(xí)行為的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃上以及整機(jī)協(xié)調(diào)控制等方面，做出技術(shù)上的重要大突破來使得機(jī)器人更加靈活地執(zhí)行更加高級的仿生運(yùn)動(dòng)，有更高的魯棒性和實(shí)用性，進(jìn)一步開發(fā)多足機(jī)器人的潛能。

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