關(guān)于腿式機(jī)器人研究的討論

王剛

我們?yōu)槭裁匆芯坑型认到y(tǒng)呢？除了創(chuàng)造能夠?qū)嶋H運(yùn)行的機(jī)器人的滿足感之外，還有兩個(gè)重要的原因促使我們探深入索用腿運(yùn)動(dòng)這一課題。

首先是為了滿足可移動(dòng)性這一需求，這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)出一款能夠在現(xiàn)有車輛無法行駛的復(fù)雜地形中行駛的車輛。車輪在準(zhǔn)備好的路面（例如鐵軌和公路）上表現(xiàn)優(yōu)異，但在地形柔軟或不平整的地方表現(xiàn)不佳。由于這些限制，現(xiàn)有的輪式和履帶式車輛只能適應(yīng)一部分區(qū)域，而步行的動(dòng)物可以到達(dá)更大的區(qū)域。因此我們可以設(shè)計(jì)一種有腿的車輛，腿在崎嶇地形中提供更好的移動(dòng)性的，可以到達(dá)動(dòng)物可以到達(dá)的地方。

其次是機(jī)械腿可以使用支撐和牽引力分離的立足點(diǎn)，而車輪需要連續(xù)的支撐路徑。因此，有腿系統(tǒng)可以選擇可到達(dá)地形中最好的立足點(diǎn)；輪式系統(tǒng)必須滿足最壞的地形。拿梯子進(jìn)行舉例：梯級(jí)提供了支撐腿系統(tǒng)的立足點(diǎn)，但梯級(jí)之間的空間阻止了輪式系統(tǒng)的正常運(yùn)動(dòng)。

再者是有腿系統(tǒng)提供了主動(dòng)懸架，使主體的路徑與腳的路徑分離。盡管地形有明顯的變化，有效載荷仍可自由平穩(wěn)地行進(jìn)。有腿的系統(tǒng)也可以跨過障礙物。原則上，有腿車輛的性能在很大程度上與地面的粗糙程度無關(guān)。實(shí)用的有腿車輛的設(shè)計(jì)生產(chǎn)取決于工程科學(xué)的若干領(lǐng)域的發(fā)展，有腿的車輛將需要系統(tǒng)來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，對(duì)腿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，監(jiān)控和平衡，使用已知的立足點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，感知地形并找到下一個(gè)良好的立足點(diǎn)，并計(jì)算可行的立足點(diǎn)序列。這些任務(wù)大多數(shù)尚未得到較好的理論支持。但研究正在進(jìn)行中，如果這項(xiàng)研究成功，腿式車輛便可在復(fù)雜地形高效，快速地行駛，且不受到地面柔軟程度和粗糙程度的影響。這種車輛可用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)和軍事應(yīng)用。

最后是為了更好地理解人類和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。慢動(dòng)作電視重播向我們展示了運(yùn)動(dòng)員在空間中可以行走，跳躍，滑行以及以其他方式推動(dòng)身體，這些動(dòng)作具有多樣性和復(fù)雜性，但是我們依然能保持方向，平衡和速度，但是這種表現(xiàn)不僅限于職業(yè)運(yùn)動(dòng)員。從機(jī)械、感知、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)計(jì)算的角度來看，人類的各種運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性是多么不可思議。動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)中也表現(xiàn)出出色的協(xié)調(diào)性和靈活性。它們可以利用腿快速安全穿過森林和沼澤。盡管我們可以很好使用自己的腿技能，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)，我們?nèi)匀惶幱诶斫饪刂圃淼脑茧A段，這些原理是行走和跑步的基礎(chǔ)。那么動(dòng)物使靠什么控制機(jī)制完成這么復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)的呢？機(jī)器人又將如何向這種高級(jí)的控制機(jī)制邁進(jìn)呢？

從靜態(tài)來說，首先得了解機(jī)器人的姿勢問題?？刂葡到y(tǒng)中一個(gè)重要的部分：確定合適的身體俯仰角以保持身體直立。假設(shè)我們把機(jī)器人分為上身，大腿，小腿三部分，那么我們以膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)為軸，兩處各設(shè)置一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，將控制分區(qū)為這三個(gè)部分使得運(yùn)行更容易理解，簡化出一個(gè)相對(duì)簡單的控制系統(tǒng)。如果腳和地面之間有良好的牽引力，則圍繞髖部在身體和腿之間施加的扭矩使上身繞其俯仰軸線加速，在支撐期間，由于腿支撐身體的負(fù)荷，因此存在牽引力。同樣大小腿之間以膝關(guān)節(jié)為軸，也可存在類似性質(zhì)的力，通過兩個(gè)關(guān)節(jié)的完美配合，以使身體恢復(fù)到直立姿勢。為執(zhí)行控制任務(wù)的每個(gè)部分而實(shí)現(xiàn)的算法本身不難，各個(gè)控制算法的細(xì)節(jié)并不那么重要，因?yàn)榉纸馓峁┝藛为?dú)系統(tǒng)框架。但是小腿相對(duì)于大腿、大腿相對(duì)于身體的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的每個(gè)部分都表現(xiàn)得好像它只影響了行為的一個(gè)組成部分，但是其實(shí)是存在不完美的耦合的相互作用的。

從動(dòng)態(tài)來說，跳躍是重要的腿式系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式之一，腿式系統(tǒng)必須在三維空間中自我平衡。我們認(rèn)識(shí)到動(dòng)物運(yùn)動(dòng)主要是平面的動(dòng)作，盡管動(dòng)物是三維系統(tǒng)。我們從在跑步機(jī)上跳躍的袋鼠首先認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。

腿式系統(tǒng)的跳躍模型主要可以分為三種如圖1所示：垂直彈跳，雙腿垂直于地面，身體平行于地面，利用雙腿的伸縮完成彈跳動(dòng)作；異步位移性彈跳：當(dāng)兩只腳都在地上時(shí)，有一個(gè)蹺蹺板搖擺模式，其中腿保持垂直，但是一個(gè)變短，而另一個(gè)變長。在這種模式下，身體像蹺蹺板一樣搖晃。上腿交替做伸縮動(dòng)作完成跳躍動(dòng)作；同步位移性彈跳，這種模式有一個(gè)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)類似倒立擺。在這個(gè)模式中，身體保持水平，而腿繞著腳轉(zhuǎn)動(dòng)，雙腿同步向前彈跳。

行走也是重要的腿式系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式之一，對(duì)于像人類一樣運(yùn)行的兩足動(dòng)物，具有交替的支持期和完全離開地面時(shí)期，。由于腿部交替使用，一次只有一條腿活動(dòng)，另一條腿放在地上并轉(zhuǎn)移重心，一條腿可以在身體上施加扭矩。假設(shè)一條腿的行為不會(huì)被另一條腿干擾，跳躍，前進(jìn)行走和姿勢的單腿算法就會(huì)顯得簡單，但是實(shí)際上兩條腿之間依然存在耦合問題，所有研究機(jī)器人行走問題時(shí)，除了步態(tài)規(guī)劃之外還有解耦這一難題。

腿式系統(tǒng)機(jī)器人在運(yùn)輸行業(yè)以及醫(yī)療衛(wèi)生方面作為人工助理的潛力不言而喻。傳統(tǒng)的運(yùn)輸機(jī)器人多為輪式，其對(duì)路面要求過高，坑洼不平地帶，以及路面小的障礙物，都會(huì)去其造成損壞，這自然增加了公司維修的成本以及路面養(yǎng)護(hù)的成本。而腿式機(jī)器人對(duì)路面要求低，靈活性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性高，更適合作為運(yùn)輸機(jī)器人來使用。在醫(yī)療方面，腿式機(jī)器人可以代替輪椅以及假肢的作用，實(shí)現(xiàn)日常行走，上下樓，下蹲起來等日常功能，并保持其平衡。在私人助理方面，腿式機(jī)器人可以同時(shí)滿足不同場景，不同身高的人群使用，穩(wěn)定性強(qiáng)，平衡性可靠。

（作者單位：江蘇省鎮(zhèn)江市學(xué)府路301江蘇大學(xué)）