月面六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與行走控制方法綜述

王小濤 張 震 崔宇新 王衛(wèi)軍 韓亮亮 張崇峰

(1.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院, 南京 211106; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 210019; 3.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 北京 100191; 4.中國航天科技集團(tuán)有限公司空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201109)

1 引言

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星,是人類探索宇宙的第一站[1]。自20 世紀(jì)50 年代,蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆月球探測(cè)器月球1 號(hào)以來,除美國成功進(jìn)行了6 次載人探測(cè)外,其余各國對(duì)月球的探測(cè)均為無人探測(cè),開展了環(huán)繞、著陸、巡視等探測(cè)任務(wù)。著陸巡視探測(cè)能夠多點(diǎn)、實(shí)地獲取月球信息、開展原位分析工作,是月球探測(cè)最高效的探測(cè)方式之一[2]。

目前實(shí)際應(yīng)用的星表探測(cè)機(jī)器人多為輪式,如中國玉兔號(hào)月面巡視器以及美國好奇號(hào)火星巡視器。輪式探測(cè)器速度快、效率高、承載能力好,但在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上,其移動(dòng)效率與通過性降低,越障能力偏低[3]。隨著月球探測(cè)任務(wù)的深入,具有更多科學(xué)價(jià)值的坐標(biāo)逐漸成為新的探測(cè)興趣點(diǎn),如可能存在水冰的月球南極陰影區(qū)[4]。此區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜,存在巖洞、隕石坑、溝壑等復(fù)雜極端地形,對(duì)機(jī)器人的地形適應(yīng)性提出了更高的要求。

當(dāng)前,各研究機(jī)構(gòu)提出將履帶式、足式、翻滾、彈跳等新型移動(dòng)機(jī)器人用于星表探測(cè),目前多處于研發(fā)階段[5]。在沒有更多環(huán)境先驗(yàn)信息條件下,相比輪式機(jī)器人,足式機(jī)器人可以通過步態(tài)的變化適應(yīng)多變地形,具有更好的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性,特別適應(yīng)極端地形探測(cè)[6]。尤其六足機(jī)器人具有機(jī)構(gòu)冗余、行走靜態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn),是應(yīng)對(duì)月面復(fù)雜地形高機(jī)動(dòng)性移動(dòng)的典型解決方案。然而六足機(jī)器人也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大等問題,距離實(shí)際月面探測(cè)任務(wù)應(yīng)用中尚存在一定差距。

本文調(diào)研了月面六足機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,對(duì)制約其進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和行走控制方法等方面進(jìn)行梳理和總結(jié),以期為六足機(jī)器人在月面探測(cè)的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

2 月面六足機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)60 年代以來,以美國、德國等國家為首,世界各國紛紛開始六足探測(cè)機(jī)器人的研制,相繼研發(fā)了各種不同類型的原理樣機(jī)。

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University ,CMU)很早便開展了對(duì)腿足式機(jī)器人的研究,研發(fā)了一系列星球探測(cè)機(jī)器人,如Ambler、Dante Ⅱ等。1988—1991 年,CMU 與美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)聯(lián)合研制Ambler 機(jī)器人[7],如圖1(a)所示,機(jī)器人的每條腿均為直角坐標(biāo)式腿,借助腿內(nèi)齒條調(diào)節(jié)機(jī)體豎直方向位置,以此跨越障礙。1992 年,針對(duì)星表大坡度陡峭地形的探測(cè)任務(wù),CMU 研發(fā)了六足機(jī)器人Dante II,并在活火山上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[8],如圖1(b)所示,Dante II 機(jī)器人每條腿能夠獨(dú)立地調(diào)整豎直方向高度,以適應(yīng)崎嶇地形,并且采用繩索進(jìn)行牽引,使其能夠在懸崖峭壁上進(jìn)行上下攀爬。

圖1 CMU 研制的探測(cè)機(jī)器人Fig.1 Probe robot developed by CMU

2005 年,JPL 研制了著名的ATHLETE 機(jī)器人,其第一代樣機(jī)SDM 機(jī)器人被設(shè)想在月面運(yùn)送大質(zhì)量載人居留艙,如圖2(a)所示,SDM 機(jī)器人采用輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu),每條支腿具有6 個(gè)自由度,驅(qū)動(dòng)輪安裝在機(jī)械腿的末端[9]。2009 年,ATHLETE第二代樣機(jī)T12 成功面世,如圖2(b)所示,T12機(jī)器人由2 個(gè)三足機(jī)器人對(duì)接而成,每條支腿具有7 個(gè)自由度,運(yùn)動(dòng)比SDM 機(jī)器人更加靈活,負(fù)載能力也得到增強(qiáng)[10]。

2009 年,德國航天中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.,DLR)基于Hand II機(jī)械手指設(shè)計(jì)了一款月面六足爬行機(jī)器人Crawler[11],如圖3(a)所示,其被設(shè)想作為子機(jī)器人置于大型主機(jī)器人中,當(dāng)主機(jī)器人難以到達(dá)相對(duì)危險(xiǎn)的探測(cè)區(qū)域時(shí),釋放Crawler 機(jī)器人執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。

圖3 德國研制的六足探測(cè)機(jī)器人Fig.3 Hexapod robot developed by German

2010 年,德國人工智能研究中心(German Research Center for Artificial Intelligence,DFKI)研制出一款專門用于月球空間探索任務(wù)的六足機(jī)器人SpaceClimber,計(jì)劃觀測(cè)、存儲(chǔ)、分析隕石坑內(nèi)部的科學(xué)樣本[12],如圖3(b)所示,該機(jī)器人共有26 個(gè)自由度,每條腿具有4 個(gè)自由度,頭部和身體各有1 個(gè)自由度,以更好適應(yīng)崎嶇地形。在SpaceClimer 取得成功之后,DFKI 又提出了模塊化可重構(gòu)多機(jī)器人月面探測(cè)系統(tǒng)(Reconfigurable Integrated Multi - RobotExplorationSystem,RIMRES)的概念,研發(fā)了四輪腿機(jī)器人Sherpa 和蜘蛛式爬行機(jī)器人CREX,這2 個(gè)機(jī)器人子系統(tǒng)可單獨(dú)工作,也可通過機(jī)電接口重構(gòu)成一整體,進(jìn)行協(xié)同作業(yè)[13]。如圖3(c)所示,CREX 機(jī)器人繼承了SpaceClimer 的設(shè)計(jì),頭部集成了視覺相機(jī)及激光雷達(dá),利用其多冗余度特性實(shí)現(xiàn)在月球隕石坑等極端環(huán)境下探測(cè)工作。此外,DFKI 還制定了仿螳螂機(jī)器人MANTIS 的登月計(jì)劃,如圖3(d)所示,該機(jī)器人有4 條腿用于行進(jìn),剩余2 條腿采用了手腿復(fù)用的設(shè)計(jì),既可用于輔助行走,也可作為機(jī)械臂執(zhí)行空間操作任務(wù)[14]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)末,中國確定以“開展以月球探測(cè)為主的深空探測(cè)預(yù)先研究”為航天發(fā)展目標(biāo),眾多高校和航天科研院所相繼開展六足探測(cè)機(jī)器人的預(yù)研工作[15]。

2014 年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)莊紅超[16]基于昆蟲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款面向月面探測(cè)的大負(fù)重比六足機(jī)器人ELSpider,如圖4(a)所示,ELSpider 機(jī)器人每條腿上有3 個(gè)主動(dòng)自由度及1 個(gè)自適應(yīng)自由度(踝關(guān)節(jié)上的被動(dòng)球形關(guān)節(jié)),本體構(gòu)型為圓形,可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向,其負(fù)載能力遠(yuǎn)高于國內(nèi)外同期多數(shù)六足機(jī)器人。此外,張赫等[17]研發(fā)了兩代HITCR 機(jī)器人,以竹節(jié)蟲為仿生對(duì)象,每條腿包含脛節(jié)、股節(jié)和基節(jié),均采用高度集成的模塊化關(guān)節(jié),如圖4(b)所示,HITCR Ⅱ機(jī)器人通過足端三維力傳感器進(jìn)行柔順交互,提高了對(duì)月面崎嶇地形的適應(yīng)能力。

圖4 哈工大研制的六足探測(cè)機(jī)器人Fig.4 Hexapod robot developed by HIT

上海交通大學(xué)高峰等設(shè)計(jì)了多款六足探測(cè)機(jī)器人,最具代表性的是Octopus 系列機(jī)器人和青騅機(jī)器人。Octopus 機(jī)器人單腿是一個(gè)3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),如圖5(a)所示,每條腿的腳踝處都有1 個(gè)被動(dòng)的球形關(guān)節(jié),這使其具有較高的承載能力、載荷重量比和剛度[18]。圖5(b)所示為青騅機(jī)器人,該機(jī)器人采用直立姿態(tài)的機(jī)體布局,基于動(dòng)態(tài)交替三角步態(tài)和地形自適應(yīng)主動(dòng)柔順進(jìn)行控制,并集成了語音識(shí)別、自主跟隨等功能,可攜帶重型設(shè)備開展災(zāi)害現(xiàn)場救援作業(yè)[19]。在青騅機(jī)器人的基礎(chǔ)上,上海交通大學(xué)與航天五院總體部合作,研制了一款探月六足飛躍器,如圖5(c)所示,該機(jī)器人基于主被動(dòng)復(fù)合緩沖原理的控制方法,實(shí)現(xiàn)了著陸過程的緩沖、身體穩(wěn)定及著陸后的穩(wěn)定行走[20]。

圖5 上交大研制的探測(cè)六足機(jī)器人Fig.5 Hexapod robot developed by SJTU

此外,一些研究人員提出了變構(gòu)型六足機(jī)器人的概念。北京航空航天大學(xué)丁希侖等針對(duì)星表探測(cè)任務(wù),研制了一系列NOROS 六足機(jī)器人。最新一代NOROS 機(jī)器人的6 條支腿均勻分布在圓形機(jī)體周圍,每條腿具有3 個(gè)主動(dòng)自由度和1 個(gè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,如圖6(a)所示,該機(jī)器人將主動(dòng)輪安裝在膝關(guān)節(jié)位置,通過改變小腿構(gòu)型實(shí)現(xiàn)足式與輪式的切換,并可減少足式移動(dòng)時(shí)輪子與地面接觸磨損[21]。上海宇航系統(tǒng)工程研究所張?jiān)獎(jiǎng)椎萚22]模擬摩洛哥蜘蛛的行為,提出一種兼有快速通過性和良好環(huán)境適應(yīng)性的爬行滾動(dòng)一體化機(jī)器人方案,如圖6(b)所示,該機(jī)器人通過6 條腿的形態(tài)變化,具有爬行和滾動(dòng)2 種運(yùn)動(dòng)模式,可探索月球熔巖管等極端區(qū)域。

圖6 可變構(gòu)型六足探測(cè)機(jī)器人Fig.6 Hexapod robot with variable configuration

除上述六足機(jī)器人外,研究人員還研制了一些針對(duì)星表探測(cè)的四足機(jī)器人,這些四足機(jī)器人可靠性良好,并展現(xiàn)出優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能,對(duì)月面六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和行走控制等方面具有借鑒意義。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院針對(duì)低重力天體的探測(cè)任務(wù),專門開發(fā)了SpaceBok 四足機(jī)器人,如圖7(a)所示,該機(jī)器人每條腿有2 個(gè)自由度,采用1 組平行機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng),以減少腿部慣量,并使用彈性元件吸收和存儲(chǔ)能量,保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的跳躍性能[23]。DFKI 研制了一款仿黑猩猩探測(cè)機(jī)器人Charlie,如圖7(b)所示,其最大特點(diǎn)是可根據(jù)不同地形自主切換運(yùn)動(dòng)模式,平坦地形采用雙足方式行走,復(fù)雜地形則切換為四足爬行模式以提高穩(wěn)定性[24]。此外,波士頓動(dòng)力公司(Boston Dynamics,BDI)研制的Spot mini 機(jī)器人近期也被提出應(yīng)用于火星洞穴探測(cè)等復(fù)雜星表探測(cè)任務(wù)。該機(jī)器人采用純電驅(qū)動(dòng),可以輕松地穿越復(fù)雜地形,其仿生動(dòng)作非常流暢,并可實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)作[25]。

圖7 典型探測(cè)四足機(jī)器人Fig.7 Typical quadruped detection robot

3 月面六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

月面六足機(jī)器人是一種仿生機(jī)器人,仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)很大程度上影響機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性。本文從單腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、多足布局方式及足端構(gòu)型設(shè)計(jì)3 個(gè)維度梳理和總結(jié)了目前主流的六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,為月面六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可行方案參考。需要說明的是,由于四/六足機(jī)器人的腿部構(gòu)型可相互借鑒,因此下文單腿與足端構(gòu)型分析包含部分典型四足機(jī)器人。

3.1 單腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械腿是多足機(jī)器人自身的一個(gè)重要組成部分,其設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人的能量效率、行進(jìn)速度和靈活性等。研究人員從仿生學(xué)的角度出發(fā),從單腿自由度分配、傳動(dòng)方式及串并聯(lián)類型等維度展開深入研究,設(shè)計(jì)出了多種不同的單腿形式。

從單腿機(jī)構(gòu)自由度來看,一些地面足式機(jī)器人采用了1/2 自由度單腿設(shè)計(jì),如圖8(a)所示,六足彈跳機(jī)器人RHex 的單自由度C 形腿[26],圖8(b)所示Doggo 機(jī)器人的2 自由度5 桿同軸腿[27]。然而,1/2 自由度腿的足端運(yùn)動(dòng)范圍并不能覆蓋一個(gè)三維空間,因此現(xiàn)有的月面六足機(jī)器人單腿一般在3 個(gè)自由度以上,部分機(jī)器人單腿自由度甚至達(dá)到了6 個(gè)。

圖8 單腿1/2 自由度的多足機(jī)器人Fig.8 One or two DOF single leg robot

此外,在驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式上,目前有3 類主流的方案:①將電機(jī)直接置于關(guān)節(jié)處進(jìn)行驅(qū)動(dòng),如圖9(a)所示的SpaceClimber 單腿,直驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)在于膝關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)角度更大,小腿有更大的運(yùn)動(dòng)空間,但由于關(guān)節(jié)模塊往往較重,因此小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,對(duì)根關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出力矩有較高的要求;②將膝關(guān)節(jié)電機(jī)上置至髖關(guān)節(jié)處,兩電機(jī)同軸心布置,采用一組平面四連桿機(jī)構(gòu)鏈接上置電機(jī)和曲柄,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄,促使膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),如圖9(b)所示的青騅機(jī)器人單腿,該構(gòu)型大大減小了快速運(yùn)動(dòng)時(shí)腿部離心力和科氏力,有利于腿部快速擺動(dòng),但連桿機(jī)構(gòu)會(huì)限制膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行額外分析;方案③與②類似,區(qū)別在于使用同步帶進(jìn)行牽引力的傳動(dòng)。由于帶傳動(dòng)的特性,此構(gòu)型在緩和振動(dòng)載荷和抑制沖擊等方面有不錯(cuò)的效果,能更好實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高動(dòng)態(tài)性,但帶傳動(dòng)可能存在皮帶磨損、打滑等可靠性問題,因此常見于輕量化四足機(jī)器人,如圖9(c)所示的MIT Cheetah mini 機(jī)器人[28]。

圖9 單腿傳動(dòng)方案Fig.9 Single leg transmission scheme

從串并聯(lián)類型的角度來看,上述機(jī)械腿均為串聯(lián)式或混聯(lián)式,也有部分研究人員對(duì)并聯(lián)式機(jī)械腿展開了研究。上海交通大學(xué)孫喬等研制了Hexbot 系列機(jī)器人,如圖10(a)所示,Hexbot-IV機(jī)器人單腿的上半部分是一個(gè)三支鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu),包含1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)通用(RU)分支和2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)通用球形(RUS)分支,下半部分為仿哺乳動(dòng)物腿的Z 字形腿部骨架。北京理工大學(xué)陳志華等[29]研制了NAZA 機(jī)器人,如圖10(b)所示,該機(jī)器人單腿由Stewart 平臺(tái)倒置而來,在動(dòng)平臺(tái)上增加車輪驅(qū)動(dòng)裝置,可實(shí)現(xiàn)輪式、足式的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。一般來說,串聯(lián)式和混聯(lián)式機(jī)械腿結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)動(dòng)靈活,不足之處在于承載能力較小;而并聯(lián)式機(jī)械腿剛度大,承載能力強(qiáng),但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,足端工作空間小,移動(dòng)緩慢。

圖10 并聯(lián)腿方案Fig.10 Parallel leg scheme

3.2 足端構(gòu)型設(shè)計(jì)

月球表面覆蓋著一層松軟的月壤,當(dāng)六足機(jī)器人單腿處于支撐相時(shí),月壤表層剛度難以支撐機(jī)器人本體載荷,足端沉陷幾乎是不可避免的,如波士頓動(dòng)力公司的ATLAS 機(jī)器人在雪地斜坡上行走時(shí),本體載荷使足端發(fā)生沉陷[30]。為了解決這個(gè)問題,研究人員試圖對(duì)足端構(gòu)型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,使足地接觸力得到有效控制?，F(xiàn)有的月面六足機(jī)器人足端大致可以分為常規(guī)足、輪式足及仿生足3 類。

常規(guī)的足端構(gòu)型包括平底足、球形足、曲面足及C 形足等。平底足式如圖11(a)所示,其構(gòu)型簡單,底面多采用矩形或圓形,可攜帶較大的載荷重量,但步速偏慢,一般應(yīng)用在一些仿生昆蟲六足機(jī)器人上,如ELSpider、MANTIS 機(jī)器人。球形足應(yīng)用最為廣泛,在四/六足機(jī)器人上經(jīng)常可見,如圖11(b)所示,球形足可以從各個(gè)方向與地面接觸,與平底足相比具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能,但負(fù)重能力較弱,常被用于仿獵豹、狗等哺乳動(dòng)物的機(jī)器人上,如Cheetah mini 機(jī)器人、青騅機(jī)器人等。此外,部分機(jī)器人使用了曲面足,如圖11(c)所示的SpaceBok 機(jī)器人,曲面足承受沖擊和跨越障礙的能力較強(qiáng),且能量的循環(huán)利用率較高,但缺點(diǎn)是承載不足,可能會(huì)發(fā)生變形。C 形足可以看成一類特殊的曲面足,如圖11(d)所示,該構(gòu)型的腿部和足部合并為一個(gè)整體,在支撐軀體和水平牽引性能上均有良好的表現(xiàn),在材料的彈性變形范圍內(nèi)承受沖擊和跨越障礙的能力較強(qiáng),且能量的利用率較高,但采用C 形足方案的機(jī)器人單腿只有1個(gè)自由度,靈活性欠佳。

圖11 常規(guī)足端構(gòu)型方案Fig.11 Conventional foot configuration

輪腿式是一類特殊的足式機(jī)器人,可以歸為足端構(gòu)型的一種?，F(xiàn)有的輪足組合方式主要有3種:①輪為足式。將車輪直接安裝在機(jī)器人腿的末端,如圖12(a)所示的ATHLETE 機(jī)器足,車輪鎖定時(shí)可直接當(dāng)作機(jī)器人的足。在月面平坦地形下,此類機(jī)器人可有效利用輪式滾動(dòng)的高速特性;在陡坡、溝壑等地形下,鎖定輪軸將輪部作為輸出力矩的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),采用步行模式可以大大提高地形適應(yīng)性,但在步行模式下,車輪的某一局部長時(shí)間與地面摩擦,會(huì)造成車輪表面不規(guī)則的磨損。②輪足可變形式。如圖12(b)所示的LEON 機(jī)器人[31],該機(jī)器人通過重構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)輪腿切換,當(dāng)其伸展開來是普通的串聯(lián)腿,當(dāng)其折疊時(shí)變成環(huán)形結(jié)構(gòu),以輪式滾動(dòng)。這種特殊的輪足配置對(duì)加工制造的精度要求很高,且地形適應(yīng)性相對(duì)有限。③輪足切換式。如圖12(c)所示的NOROS 機(jī)器人,該機(jī)器人將車輪安裝在機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)位置,當(dāng)機(jī)器人站立步行時(shí),輪子不會(huì)與地面接觸,當(dāng)機(jī)器人小腿折疊時(shí),輪子與地面接觸,便可以實(shí)現(xiàn)輪行。

圖12 輪式足構(gòu)型方案Fig.12 Wheel foot configuration

以上所述的足端構(gòu)型都是非奇異的,然而也有少部分機(jī)器人受仿生學(xué)啟發(fā),采用仿生的奇異型足端。仿猩猩機(jī)器人Charlie 的后肢采用跖行足結(jié)構(gòu)(圖13(a)),足趾、足弓以及足跟周圍安裝了高密度陣列傳感器,設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[32]。仿壁虎爬行機(jī)器人 StickyBot 的足部具有四趾(圖13(b)),足體材料為帶有剛毛和匙突結(jié)構(gòu)的柔性聚合物薄板[33]。在不同的落地階段,足掌、足趾與硬質(zhì)地面產(chǎn)生分層的粘附作用。值得注意的是,不同于常規(guī)足端構(gòu)型與地面的平動(dòng)接觸,采用奇異型足端構(gòu)型的移動(dòng)機(jī)器人與地面的接觸以不同姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)接觸為主,其穩(wěn)定性一般優(yōu)于常規(guī)足,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性偏低。

圖13 仿生足構(gòu)型方案Fig.13 Bionic foot configuration

3.3 多足布局方式

目前,月面六足機(jī)器人的多足布局有2 類主流形式。早期研究人員受仿生原理啟發(fā),模仿蜘蛛、竹節(jié)蟲、螳螂、蝎子等爬行類昆蟲的特征,將根關(guān)節(jié)與機(jī)身豎直安裝,采用類昆蟲的爬行步態(tài)行進(jìn)。這種形式下的布局方式有六腿均勻分布和左右軸對(duì)稱分布2 種。

六腿均勻分布如圖14(a)所示,機(jī)器人的6 條腿間隔60°均勻分布在本體周圍,本體為六邊形或圓形。這種布局具有各向同性和對(duì)稱性,這種對(duì)稱優(yōu)勢(shì)使六足機(jī)器人可以擁有更多的前進(jìn)方向,具有較好的轉(zhuǎn)向能力,可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎;其缺點(diǎn)是每條腿自身所處的運(yùn)動(dòng)平面都不平行,要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)步態(tài),每條腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和參數(shù)都不相同,控制函數(shù)相對(duì)復(fù)雜[34]。典型的六腿均勻分布機(jī)器人有北航NOROS 系列機(jī)器人和哈工大ELSpider 機(jī)器人等。另一種布局方式如圖14(b)所示,將6 條腿分為2 組,安裝在機(jī)器人本體的兩側(cè),每側(cè)3 條腿。該布局下機(jī)體的中軸線多為優(yōu)勢(shì)前進(jìn)方向,當(dāng)機(jī)器人沿該方向行走時(shí),各腿可以利用最大的工作空間。此布局的優(yōu)點(diǎn)是每條腿自身所處的運(yùn)動(dòng)平面相互平行或?qū)ΨQ,較易實(shí)現(xiàn)6 條腿之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),缺點(diǎn)是機(jī)器人轉(zhuǎn)向性能較差,需要先通過步態(tài)調(diào)整軀干方位,增加了步態(tài)規(guī)劃的難度。

圖14 仿昆蟲式布局Fig.14 Insect layout configuration

近年來,仿生四足機(jī)器人展現(xiàn)了優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能,受此影響,部分研究人員不再將六足機(jī)器人局限在模擬昆蟲的行為上,而是試圖在六足機(jī)器人平臺(tái)模擬四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性,青騅機(jī)器人是其中的代表。研究人員將單腿的根關(guān)節(jié)水平安裝,形成一個(gè)側(cè)擺自由度,從而模擬四足哺乳動(dòng)物單腿構(gòu)型。這種設(shè)計(jì)下,機(jī)器人的六足分布產(chǎn)生了多種可能性,包括“222”布局(圖15(a))、“前3后3”布局等,后者按照四足機(jī)器人領(lǐng)域一貫的定義,可以進(jìn)一步分為內(nèi)膝肘式(圖15(b))、全肘式(圖15(c))、外膝肘式(圖15(d))等。在四足機(jī)器人領(lǐng)域,研究人員對(duì)內(nèi)膝肘式、全肘式、外膝肘式等構(gòu)型布局進(jìn)行了多方面的對(duì)比研究,三者在能耗、穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)力矩等方面各有不同。然而,六足機(jī)器人學(xué)界關(guān)于此類布局間的對(duì)比研究卻不多,需要進(jìn)一步加以探索。一般來說,外膝肘式和內(nèi)膝肘式的支撐面比較大,機(jī)器人的穩(wěn)定性比較好;全肘式由于具有統(tǒng)一的關(guān)節(jié)形式,控制相對(duì)簡單。

圖15 仿哺乳動(dòng)物式布局Fig.15 Mammalian layout configuration

4 月面六足機(jī)器人行走控制現(xiàn)狀

月球重力僅為地球的1/6,表層松軟的月壤與常規(guī)路面的力學(xué)特性存在很大差異,導(dǎo)致月面六足機(jī)器人的足地接觸力模型與地面機(jī)器人大相徑庭,可能會(huì)發(fā)生足端打滑和沖擊過大等問題。此外,月球表面遍布巖洞、陡坡、溝壑及隕石坑等極端地形,六足機(jī)器人極易發(fā)生傾覆,這對(duì)其行走控制提出了更高的要求。因此,不同工況下的步態(tài)規(guī)劃與切換、低重力環(huán)境下足力的分配與柔順,是決定六足機(jī)器人能否在月面環(huán)境下穩(wěn)定行走的關(guān)鍵和核心技術(shù)。

4.1 步態(tài)規(guī)劃與切換

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的腿間協(xié)調(diào)由步態(tài)保證,因而步態(tài)規(guī)劃對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性具有重要影響。目前研究人員對(duì)六足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃問題進(jìn)行了大量研究。McGhee 等[35]系統(tǒng)地給出了描述足式機(jī)器人步態(tài)的數(shù)學(xué)定義,現(xiàn)有六足機(jī)器人的數(shù)學(xué)描述大多由此而來。Gao 等[36]采用三角、對(duì)角和波浪3 種行走步態(tài)解決六足機(jī)器人的低能耗運(yùn)動(dòng)要求,圖16 為3 種步態(tài)的時(shí)序圖。另有研究人員 討 論 了 爬 坡、越 溝、爬 梯 等 特 殊 步 態(tài)[37],Furusho 等[38]、Estremera 等[39]以及Papadopoulos等[40]通過啟發(fā)式方法設(shè)計(jì)奔跑、爬坡等步態(tài)。在這些研究中,機(jī)器人均采用固定步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其中,三角步態(tài)應(yīng)用最廣泛,此步態(tài)下機(jī)器人始終有3 條腿處于支撐相,占空比為0.5,控制簡單且高效,因此現(xiàn)有的月面六足機(jī)器人大多將此設(shè)置為基礎(chǔ)步態(tài)或平坦地形下的常用步態(tài)。

圖16 六足機(jī)器人步態(tài)時(shí)序圖[36]Fig.16 Gait sequence diagram of hexapod robot[36]

然而,僅依靠某一種或幾種規(guī)劃好的規(guī)則周期步態(tài)無法滿足月面行走需求,研究人員提出了自由步態(tài)的概念以適應(yīng)崎嶇地形?，F(xiàn)有的自由步態(tài)規(guī)劃方法包括基于局部規(guī)則的步態(tài)規(guī)劃、CPG網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)[41]等。Cruse 等[42]通過對(duì)竹節(jié)蟲的研究,提出了作用在腿間的6 條基本規(guī)則,生成適合于機(jī)器人行走的自由步態(tài),并滿足了六足機(jī)器人的穩(wěn)定性。Fukuoka 等[43]采用Matsuoka 神經(jīng)振蕩器模擬CPG 信號(hào),將控制算法成功地應(yīng)用于Tekken 機(jī)器人上,實(shí)現(xiàn)了在崎嶇地形中的行走。Hwangbo 等[44]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和移植方法(圖17),使四足機(jī)器人ANYmal 獲得了比以往更快的奔跑速度和更有效的防跌倒的能力,同時(shí)兼具了計(jì)算的高效性和高能效性。然而,目前的自由步態(tài)規(guī)劃方法大多存在參數(shù)相互耦合、不易調(diào)節(jié)、難收斂、仿真移植性差等問題,在月面六足機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)中的應(yīng)用并不多。

圖17 ANYmal 機(jī)器人訓(xùn)練過程[44]Fig.17 Training process of ANYmal robot[44]

針對(duì)不同月面地形,研究人員提出了步態(tài)切換的概念,即在不同路況選用相應(yīng)步態(tài)以提高效率。與步態(tài)規(guī)劃相比,步態(tài)切換方面的研究相對(duì)較少。目前六足機(jī)器人的步態(tài)切換策略主要是先對(duì)不同的場景建立多種控制模型,然后基于時(shí)序和向量表對(duì)步態(tài)模式進(jìn)行選擇。

Yu 等[45]利用多尺度法對(duì)系統(tǒng)方程進(jìn)行求解,利用收縮理論和梯度理論設(shè)計(jì)了CPG 步態(tài)生成器,實(shí)現(xiàn)了六足機(jī)器人的步態(tài)生成和切換。Mao 等[46]提出一種基于穩(wěn)定性和干擾準(zhǔn)則的六足機(jī)器人在連續(xù)不可微地形上的步態(tài)切換方法,并在Hexa-XIII 機(jī)器人上進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn),如圖18 所示,實(shí)現(xiàn)了45°以上高難度樓梯上的步態(tài)切換。通過生成不同的步態(tài)模式,六足機(jī)器人的穩(wěn)定性比僅使用三角步態(tài)時(shí)更高,其生成的爬樓梯步態(tài)拓?fù)浒?-3 步態(tài)、2-4 步態(tài)和1-5步態(tài)。

圖18 Hexa-XIII 機(jī)器人爬樓梯的步態(tài)切換過程[46]Fig.18 Gait switching of Hexa-XIII when climbing stairs[46]

此外,對(duì)于機(jī)器人可能發(fā)生的傾覆問題,研究人員提出了傾覆恢復(fù)步態(tài)的概念。北京航空航天大學(xué)的NOROS 機(jī)器人規(guī)劃了一種傾倒恢復(fù)步態(tài),利用其機(jī)身關(guān)于水平面對(duì)稱的特性,直接改變機(jī)身的上下面,實(shí)現(xiàn)傾倒恢復(fù),如圖19 所示。這種步態(tài)切換策略極大地提高了機(jī)器人在極端地形行走的恢復(fù)能力?？偟膩碚f,目前的步態(tài)切換策略大多控制模型復(fù)雜,步態(tài)切換需要停下或者切入點(diǎn)固定,難以實(shí)現(xiàn)自由、平滑的切換,需要進(jìn)一步探究。

圖19 NOROS 傾覆恢復(fù)過程Fig.19 Overturn recovery process of NOROS robot

4.2 足力分配與柔順

六足機(jī)器人實(shí)際的足端接觸力在不加控制時(shí)呈現(xiàn)出不規(guī)則、不合理的力分布,最直觀的表現(xiàn)是位于支撐相的足端相互之間存在內(nèi)力對(duì)抗,很容易導(dǎo)致個(gè)別腿的關(guān)節(jié)力矩過大,造成結(jié)構(gòu)破壞以及足端打滑等問題。為了有效控制足端接觸力,首先要將地形環(huán)境約束、驅(qū)動(dòng)力約束及運(yùn)動(dòng)約束等作為輸入條件,對(duì)足端目標(biāo)進(jìn)行牽引力的分配;然后在足力分配的基礎(chǔ)上,結(jié)合關(guān)節(jié)力矩和位置等信息,進(jìn)行足端力的柔順控制。整個(gè)流程如圖20 所示。

圖20 足端力控制流程圖Fig.20 Flow chart of foot-end force control

對(duì)于機(jī)器人足力分配優(yōu)化的研究已開展多年,最初研究人員以足力的平方和最小為優(yōu)化目標(biāo),如1986 年Waldron 等[47]在ASV 機(jī)器人的研發(fā)中將足間內(nèi)力最小化作為目標(biāo)函數(shù),并取得了不錯(cuò)的效果。然而,在足式機(jī)器人中,內(nèi)力最小的需求并不像類似機(jī)械手抓取操作中那樣重要,因此此類目標(biāo)函數(shù)足力分配方案并不常見,研究人員逐漸將重點(diǎn)放在如何節(jié)約機(jī)器人的能耗方面。如Vidoni 等[48]通過對(duì)足式機(jī)器人腿部構(gòu)型的分析,得知通過足端力及關(guān)節(jié)力矩的合理分配可以最小化站立姿態(tài)的能耗。羅慶生等[49]通過簡化的足力分配模型對(duì)能耗問題進(jìn)行探討,并應(yīng)用于仿生蟹的研究。從機(jī)器人的設(shè)計(jì)角度來看,這些目標(biāo)函數(shù)的選取更加具備現(xiàn)實(shí)意義。

在足力的解算方法方面,逆?zhèn)畏ㄊ亲钤缡褂玫囊环N足力分配算法,解算速度快,但最大的問題是僅僅考慮了等式約束,無法對(duì)不等式約束進(jìn)行處理,因此無法保證解的有效性。后來,研究人員使用線性規(guī)劃法進(jìn)行足力解算,將目標(biāo)函數(shù)及約束都轉(zhuǎn)化成線性求解方式,但此種方法求解不等式約束時(shí)求解不連續(xù),有很大局限性。目前,二次規(guī)劃法是最主流的足力分配算法,將目標(biāo)函數(shù)定義為二次函數(shù),可以添加等式和不等式約束,從而滿足足力分配的復(fù)雜性要求。如Marhefka 等[50]建立了足式機(jī)器人的直流電動(dòng)機(jī)模型,通過二次規(guī)劃法求解以減小機(jī)器人能耗為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王冠宇等[51]提出一種分步二次規(guī)劃算法,該算法以足端法向力約束、關(guān)節(jié)力矩約束和摩擦錐約束為約束模型,以減小最大牽引系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),提高了ELSpider 六足機(jī)器人的爬坡能力,圖21 為該機(jī)器人的爬坡試驗(yàn)。

圖21 ELSpider 爬坡試驗(yàn)[51]Fig.21 Climbing test of ELSpider robot[51]

在機(jī)器人柔順控制領(lǐng)域,力/位混合控制和阻抗控制是經(jīng)典的柔順控制方法,最早應(yīng)用與機(jī)械臂領(lǐng)域。其中,力/位混合控制是一種直接力控制,適用于同時(shí)分別在不同方向?qū)嵤┝刂坪臀恢每刂?例如切削、拋光等操作場景。

與力/位混合控制不同,阻抗控制被認(rèn)為是一種間接力控制策略,通過調(diào)節(jié)機(jī)器人末端的剛度、阻尼和慣量,使力與位置滿足期望的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,這一特點(diǎn)與足式機(jī)器人落足過程相適應(yīng),所以在四/六足機(jī)器人柔順控制中應(yīng)用尤為廣泛。阻抗控制按照不同的內(nèi)環(huán)控制方式,可以分為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制2 種。

基于力的阻抗控制的思路為通過機(jī)器人腿部裝配的位移傳感器檢測(cè)足端位置,結(jié)合足力分配環(huán)節(jié)得到的足端期望力,利用力控制信號(hào)進(jìn)行修正,進(jìn)而模擬期望阻抗效果,因此這種控制策略特別適用于機(jī)器人足端位置變化比較明顯的場合,如液壓機(jī)器人、裝配了可伸縮式彈簧腿桿的機(jī)器人。這類機(jī)器腿具有一定彈性,在足地交互過程中,落地瞬間產(chǎn)生的接觸力會(huì)使機(jī)器腿反彈,利用模擬出的期望剛度和阻尼可以有效緩解整個(gè)系統(tǒng)的沖擊力。如BDI 的LittleDog 機(jī)器人以逆動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ),采用基于力的阻抗控制,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人斜坡、有裂縫的巖石、圓形巖石和圓木等各種未知地形下的穩(wěn)定行走,具有強(qiáng)大的地形適應(yīng)能力[52]。意大利技術(shù)研究所(Italian Institute of Technology,IIT)的電液混動(dòng)四足機(jī)器人HyQ 在阻抗控制的基礎(chǔ)上引入動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償環(huán)節(jié),減小機(jī)器人腿部重力和慣性力對(duì)阻抗控制的影響,實(shí)現(xiàn)了小跑、諧振跳、蹲跳著陸等步態(tài),其控制框圖如圖22 所示[53]。

圖22 HyQ 阻抗控制框圖[53]Fig.22 Impedance control diagram of HyQ[53]

另一種阻抗控制方法為基于位置的阻抗控制,也稱為導(dǎo)納控制,主要思路為通過機(jī)器人腿部安裝的力傳感器獲取足端力,結(jié)合期望位置,利用位置控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,從而模擬期望的阻抗效果,因此該方法需要實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人受力情況,通過所受外力來調(diào)整位置的變化,特別適應(yīng)于足端受力變化明顯的高剛度系統(tǒng)。如DLR-Crawler 機(jī)器人足端配備了六維力傳感器,通過位置阻抗控制有效降低了足端沖擊力。日本千葉大學(xué)Irawan等[54]針對(duì)六足機(jī)器人COMET-IV 提出了單腿阻抗控制和基于質(zhì)心的阻抗控制方法,實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人質(zhì)心和身體姿態(tài),如圖23 所示,實(shí)現(xiàn)了在柔軟地形上的行走。此外,研究人員還將魯棒控制、自適應(yīng)控制及模糊控制等先進(jìn)控制方法與阻抗控制相結(jié)合,應(yīng)用到六足機(jī)器人的足力柔順控制之中。Galvez等[55]將位置阻抗控制與PID 控制相結(jié)合,應(yīng)用于SILO4 電驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人中,在沒有摩擦力補(bǔ)償?shù)那闆r下依然得到了較好的位置跟蹤和足力響應(yīng)特性。Palis 等[56]首次提出了一種基于環(huán)境參數(shù)估計(jì)的方法,對(duì)阻抗控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在不同剛度地面的穩(wěn)定行走。朱雅光[57]提出一種自適應(yīng)-模糊的柔順控制算法,通過模糊控制器對(duì)自適應(yīng)控制器的參數(shù)進(jìn)行在線修正,以減少外部環(huán)境對(duì)足端接觸力的影響,從而提高六足機(jī)器人對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。

圖23 COMET-IV 在草地上行走[54]Fig.23 COMET-IV walking on the grass[54]

5 結(jié)束語

世界各研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了多種應(yīng)用于月球探測(cè)的六足機(jī)器人,目前多停留在概念設(shè)計(jì)或原理樣機(jī)試驗(yàn)階段。針對(duì)工程應(yīng)用的推進(jìn)需在以下方面加大研究:

1)提高機(jī)構(gòu)的可靠性。六足機(jī)器人的強(qiáng)地形適應(yīng)能力依賴大量的自由度,在機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度上高于輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人,這無疑造成了六足探測(cè)機(jī)器人可靠性偏低,工作性能不穩(wěn)定等問題,成為限制其在月球探測(cè)工程中實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要原因。因此,在滿足探測(cè)任務(wù)需求的前提下,盡可能簡化六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)復(fù)雜度,做好月面環(huán)境下多自由度機(jī)構(gòu)的防護(hù),提高機(jī)器人的硬件可靠性,是未來進(jìn)一步研究的重要方向。

2)提高控制的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有月面六足機(jī)器人的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)大多基于離線的步態(tài)規(guī)劃,即按照預(yù)先設(shè)定好的步態(tài)模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng),缺乏自主性和智能性,無法自主地解決足端沉陷、傾倒恢復(fù)等問題。此外,六足機(jī)器人特有的步態(tài)規(guī)劃、足端接觸力、主動(dòng)柔順等控制環(huán)節(jié)比傳統(tǒng)的輪式、履帶式探測(cè)器復(fù)雜得多,這對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此,探索更多高效、智能的步態(tài)規(guī)劃與切換、足力分配與柔順等行走控制方法,是亟需解決的關(guān)鍵問題。