基于TRIZ 理論的六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃

張 媛 張 燕 陳耿彪 易海亮

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0 引言

現(xiàn)代應(yīng)用機(jī)器人按移動(dòng)與否可以劃分為固定基座機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人，后者相對于前者具有更高的靈活性，可較好應(yīng)用于服務(wù)行業(yè)和空間探索等領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)載體主要有輪式、履帶式和足式等三種。輪式機(jī)器人在平地運(yùn)行可靠，但在崎嶇不平或松軟地面上，輪胎功能容易失效且能耗增加。為了改善輪式機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性，履帶式機(jī)器人隨后被研發(fā)出來，它能適應(yīng)松軟地面且推進(jìn)力得到提高，但機(jī)動(dòng)性較差，在崎嶇不平環(huán)境下難以保持平衡。針對這些不足，受自然生物啟示，足式移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，它不僅具有移動(dòng)靈活、良好的機(jī)動(dòng)性和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以適應(yīng)崎嶇的地面結(jié)構(gòu)、輕松越過障礙物，具有廣闊的發(fā)展前景。作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的步態(tài)規(guī)劃自然成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)，綜述當(dāng)前主流的步態(tài)技術(shù)，指出其存在的問題，并運(yùn)用TRIZ理論優(yōu)化現(xiàn)有步態(tài)或開發(fā)新的步態(tài)模式，以期對我國多足機(jī)器人研制和應(yīng)用有所裨益。

1 現(xiàn)有步態(tài)規(guī)劃比較

多足機(jī)器人行走是由其各足按照周期性的規(guī)律(抬足和放足順序)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一系列連續(xù)的邁步動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。多足機(jī)器人的多足主要分為四足、六足和八足等幾種，其中六足機(jī)器人在穩(wěn)定性上比四足機(jī)器人好，在控制方式上又比八足機(jī)器人簡單，最具代表性，本文以其為研究對象。當(dāng)前常用的六足機(jī)器人步態(tài)有三角步態(tài)、波動(dòng)步態(tài)、跟導(dǎo)步態(tài)和擺動(dòng)踢足步態(tài)等四種，歸納各類步態(tài)的動(dòng)作原理及特點(diǎn)如下。

1.1 三角步態(tài) 六足綱目昆蟲(蟑螂、螞蟻等)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架，如圖1所示，1、3、5為一組，4、6、2為另一組。

圖1 行走機(jī)構(gòu)簡圖

三角步態(tài)行走法利用仿生原理，具有如下三個(gè)特點(diǎn)：(1)因其重心總是落在三角支架之內(nèi)，可使機(jī)器人隨時(shí)保持穩(wěn)定；(2)其行走軌跡為呈之字形的曲線，有利于增大向前的合力；(3)步態(tài)控制簡單，使用廣泛。

1.2 波動(dòng)步態(tài) 波動(dòng)步態(tài)其主要特征是四只或五只足同時(shí)著地作為支撐足，保證重心始終落在支撐足圍成的多邊形內(nèi)，如圖2所示，所以穩(wěn)定性好。因其只有一只足交替運(yùn)動(dòng)，所以，該步態(tài)主要適用于機(jī)器人在未知環(huán)境中的緩慢行進(jìn)。

圖2 波動(dòng)步態(tài)示意圖[1]

1.3 跟導(dǎo)步態(tài) 以圖1為例，跟導(dǎo)步態(tài)是指最前兩足1、4和中間兩足2、5的立足點(diǎn)分別是下一步中間兩足2、5和后兩足3和6的立足點(diǎn)。該步態(tài)主要可以實(shí)現(xiàn)跨越小于步長的溝槽以及越過小障礙，提高機(jī)器人的適應(yīng)能力和越障能力。缺點(diǎn)是后足的自由調(diào)整受到限制。

1.4 擺動(dòng)踢足步態(tài) 擺動(dòng)踢足步態(tài)是針對圓形本體結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人設(shè)計(jì)的，機(jī)器人足部呈輻射狀分布，容易實(shí)現(xiàn)全方向移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式主要應(yīng)用于平坦地形結(jié)構(gòu)中的直線行走，主要特點(diǎn)為：(1)增加了轉(zhuǎn)向的靈活性和越障能力；(2)降低能耗；(3)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)避免了足部間的相互干涉。

1.5 各種步態(tài)性能比較 將上述現(xiàn)有步態(tài)的性能進(jìn)行對比，如下表1所示。

表1 現(xiàn)有步態(tài)性能對比

可見，綜合性能優(yōu)良的步態(tài)規(guī)劃應(yīng)具備的特征有：自適應(yīng)性強(qiáng)，具備多種步態(tài)行走能力，并易于切換；穩(wěn)定性好，在惡劣環(huán)境和外界擾動(dòng)作用下仍能保持平衡；靈活性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)速度的快速換接，以及360°無死角轉(zhuǎn)身。多足動(dòng)物在行走時(shí)都具有爬行、小跑和奔跑等工況，但因技術(shù)局限，現(xiàn)有的多足機(jī)器人多局限于爬行行進(jìn)。因此開發(fā)自適性、穩(wěn)定性、靈活性強(qiáng)的多足仿生機(jī)器人步態(tài)具有重要的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。

2 基于TRIZ的六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃創(chuàng)新

TRIZ(發(fā)明問題解決理論)是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒研究成千上萬的專利后，發(fā)現(xiàn)了發(fā)明的模式而形成的創(chuàng)新理論。

發(fā)明問題解決理論的核心是技術(shù)進(jìn)化法則。它指出技術(shù)系統(tǒng)一直處于進(jìn)化之中，解決沖突是其進(jìn)化的推動(dòng)力。本文選用TRIZ不同的創(chuàng)新工具來解決六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃存在的矛盾問題，助力六足機(jī)器人升級(jí)。

2.1 自適應(yīng)性的技術(shù)矛盾解決方法 自適應(yīng)性是指多足機(jī)器人能自我識(shí)別不同的地形環(huán)境，并依據(jù)環(huán)境采用相匹配的步態(tài)，且能夠在各種步態(tài)之間進(jìn)行靈活、快速的切換。

可見，如果使六足機(jī)器人能在各種步態(tài)之間靈活、快速切換，那么機(jī)器人就具有在多種環(huán)境中以多種方式被使用的能力(即適應(yīng)性)，但是對系統(tǒng)進(jìn)行控制的難度變大了(即系統(tǒng)的復(fù)雜性)，這是典型的技術(shù)矛盾問題，可以使用如圖3所示的TRIZ技術(shù)矛盾解決流程解決。

圖3 TRIZ技術(shù)矛盾解決流程

根據(jù)改進(jìn)參數(shù)——適應(yīng)性和惡化參數(shù)——系統(tǒng)的復(fù)雜性，查阿奇舒勒矛盾矩陣表，得到解決問題的通用解(即發(fā)明原理)。

參考每個(gè)發(fā)明原理的指導(dǎo)原則，結(jié)合技術(shù)領(lǐng)域知識(shí)即可得到具體解決方案。本文選用28號(hào)發(fā)明原理，采用氣流和多孔軟管的柔性結(jié)構(gòu)替代現(xiàn)有的關(guān)節(jié)式硬性結(jié)構(gòu)，工作原理由現(xiàn)在的抓附式變?yōu)槿碌膰姎馐健?/p>

2.2 穩(wěn)定性的物理矛盾解決方法 穩(wěn)定性是指六足機(jī)器人在靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)時(shí)都能保持身體平衡，核心是使機(jī)器人重心始終位于支撐足所圍成的多邊形內(nèi)。

當(dāng)六足機(jī)器人在平地上運(yùn)動(dòng)，按照某個(gè)步態(tài)行進(jìn)，穩(wěn)定性一般較高，但當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較快、沿斜坡向上爬行或越障時(shí)，機(jī)器人重心，足部受力情況等都會(huì)發(fā)生較大改變，穩(wěn)定性會(huì)受影響。這就產(chǎn)生了一個(gè)物理矛盾：機(jī)器人的重心應(yīng)該低，以便運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；同時(shí)，機(jī)器人的重心又應(yīng)該高，以便運(yùn)動(dòng)的跨度更大。

參考每個(gè)發(fā)明原理的指導(dǎo)原則，結(jié)合技術(shù)領(lǐng)域知識(shí)即可得到具體解決方案。本文選用13號(hào)發(fā)明原理——反向作用原理，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)傾覆趨勢時(shí)，使機(jī)器人重心偏向的一端往外噴氣體，以平衡重心偏離一端的勢能，使其不離開地面。

2.3 靈活性的技術(shù)矛盾解決方法 靈活性涉及到速度的快速切換和方向的無死角調(diào)整兩個(gè)方面。目前，研制的各種六足行走機(jī)器人往往采用單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)六足同時(shí)運(yùn)動(dòng)，這種方式雖然嚴(yán)格保證了六足行走步態(tài)的協(xié)調(diào)性，但限制動(dòng)作的靈活性，且不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)靈活性的理想狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)工況之間自然過渡(主要工況為轉(zhuǎn)向，小跑，爬行)，無明顯的矛盾問題。

當(dāng)物-場模型為不充分模型時(shí)，考慮引入第二個(gè)場和第三個(gè)物質(zhì)，代替原有場和物質(zhì)，采用生物電機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

選用系統(tǒng)級(jí)別分離方法，查分離方法與分明原理之間的對應(yīng)關(guān)系表，得到解決問題的通用解(即發(fā)明原理)如表1所示。

表1 分離方法與分明原理之間的對應(yīng)關(guān)系表(局部)

TRIZ理論的先進(jìn)性在于它能夠幫助使用者快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)核心問題，并通過形式化手段，在相應(yīng)的知識(shí)庫中，提供相應(yīng)的解決原理，為使用者提出解決方案提供有力的工具。本文對多足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，詳細(xì)分析比較了現(xiàn)有步態(tài)的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，針對步態(tài)規(guī)劃存在的自適應(yīng)性不強(qiáng)、穩(wěn)定性差和靈活性不佳等技術(shù)難點(diǎn)，分別應(yīng)用TRIZ理論的技術(shù)矛盾、物理矛盾和物-場模型得到相應(yīng)的創(chuàng)新解決方案，創(chuàng)新流程及其結(jié)果可為多足機(jī)器人的步態(tài)開發(fā)與研究提供技術(shù)參考。