多足步行機(jī)器人概況.doc

多足步行機(jī)器人概況摘要：本文介紹了多足步行機(jī)器人的發(fā)展階段，指出了其的優(yōu)點，詳細(xì)的介紹國內(nèi)外多足機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，縱觀國內(nèi)外的發(fā)展成果，指出多足機(jī)器人的發(fā)展趨勢及存在的問題。關(guān)鍵詞：多足步行機(jī)器人，趨勢，問題Overview of Multi-legged Walking Robots（School of Electrical Engineering and Automation , Shanghai University, Shanghai 200072, China）Abstract：This article describes the development of multi-legged walking robots, points out the advantages, describs the development of domestic and foreign multi-legged robots situation in detail. looking at the fruits of development at home and abroad, we points out the development trends of multi-legged robots and existing problems.Key words：Multi-legged Walking Robots, trends, problems1.引言多足步行機(jī)器人是一種具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓?fù)溥\(yùn)動機(jī)構(gòu)，是模仿多足動物運(yùn)動形式的特種機(jī)器人，是一種智能型機(jī)器人,它是涉及到生物科學(xué)、仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)及信息處理技術(shù)等的一門綜合性高科技。所謂多足一般指四足及四足其以上，常見的多足步行機(jī)器人包括四足步行機(jī)器人、六足步行機(jī)器人、八足步行機(jī)器人等。步行機(jī)器人歷經(jīng)百年的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，歸納起來主要經(jīng)歷以下幾個階段:第一階段，以機(jī)械和液壓控制實現(xiàn)運(yùn)動的機(jī)器人。第二階段，以電子計算機(jī)技術(shù)控制的機(jī)器人。第三階段，多功能性和自主性的要求使得機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。與其他行走方式相比，足式行走機(jī)器人的優(yōu)點1：第一，足式機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是一系列離散的足印，輪式和履帶式機(jī)器人的則是一條條連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩(wěn)定支撐機(jī)器人的連續(xù)路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機(jī)器人在這種地形中已經(jīng)不適用。而足式機(jī)器人運(yùn)動時只需要離散的點接觸地面，對這種地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，正因為如此，足式機(jī)器人對環(huán)境的破壞程度也較小。第二，足式機(jī)器人的腿部具有多個自由度，使運(yùn)動的靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長度保持身體水平，也可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心的位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高。第三，足式機(jī)器人的身體與地面是分離的，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，機(jī)器人的身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動而不必考慮地面的粗糙程度和腿的放置位置。當(dāng)機(jī)器人需要攜帶科學(xué)儀器和工具工作時，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運(yùn)動，就可以達(dá)到對對象進(jìn)行操作的目的。2.研究主要成果 2.1國內(nèi)多足步行機(jī)器人的研究成果：1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列2四足步行機(jī)器人。JTUWM-III是模仿馬等四足哺乳動物的腿外形制成，每條腿有3個自由度，由直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動。在進(jìn)行步態(tài)研究的基礎(chǔ)上，通過對3個自由度的協(xié)調(diào)控制，可完成單腿在空間的移動。該機(jī)器人采用計算機(jī)模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng)，JTUWM-III以對角步態(tài)行走，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，采用力和位置混合控制，實現(xiàn)了四足步行機(jī)器人JTUWM-III的慢速動態(tài)行走，極限步速為1.7km/h。為了提高步行速度，將彈性步行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于該四足步行機(jī)器人，產(chǎn)生緩沖和儲能效果。2000年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出具有全方位運(yùn)動能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR3，如圖1所示。其第一代的每條腿只有2個自由度，無法實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，只能進(jìn)行直線式靜態(tài)步行，平均行走速度為1mm/s。將機(jī)體的主體部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，由上下兩層相互平行的三叉支架組成，將六足改進(jìn)為雙三足，引入身體轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，采用新型的組合偏動SMA驅(qū)動器，使新一代的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR具有全方位運(yùn)動能力。圖1 MDTWR雙三足步行機(jī)器人2002年，上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人4的研究，如圖2所示。該步行機(jī)器人外形尺寸為：長30mm，寬40mm，高20mm，質(zhì)量僅為6.3kg，步行速度為3mm/s。他們在分析六足昆蟲運(yùn)動機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用連桿曲線圖譜確定行走機(jī)構(gòu)的尺寸，采用微型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和皮帶傳動機(jī)構(gòu)，在步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計，步行實驗結(jié)果表明，該機(jī)器人具有較好的機(jī)動性。圖2微型六足仿生機(jī)器人2003年哈爾濱工程大學(xué)的孟慶鑫、袁鵬等進(jìn)行了兩棲仿生機(jī)器蟹的研究5，從兩棲仿生機(jī)器蟹的方案設(shè)計到控制框架構(gòu)建，研究了多足步行機(jī)的單足周期運(yùn)動規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機(jī)器蟹的單足運(yùn)動路線規(guī)劃方法，并從仿生學(xué)角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運(yùn)動的控制問題，建立了生成周期運(yùn)動的神經(jīng)振蕩子模型。2.2 國外多足步行機(jī)器人的研究成果1990年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制出用于外星探測的六足步行機(jī)器人AMBLER6，如圖3所示。該機(jī)器人采用了新型的腿機(jī)構(gòu)，由一個在水平面內(nèi)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)桿和在垂直平面內(nèi)作直線運(yùn)動的伸展桿組成，兩桿正交。該機(jī)器人由一臺32位的處理機(jī)來規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)動路線、控制運(yùn)動和監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，所用傳感器包括激光測距掃描儀、彩色攝像機(jī)、慣性基準(zhǔn)裝置和觸覺傳感器?？傎|(zhì)量為3，180kg，由于體積和質(zhì)量太大，最終沒被用于行星探測計劃。圖3六足步行機(jī)器人AMBLER1993年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE7，用于對南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其改進(jìn)型DANTE-II也在實際中得到了應(yīng)用，如圖4所示。1994年，DANTE-II對距離安克雷奇145 km的斯伯火山進(jìn)行了考察，傳回了各種數(shù)據(jù)及圖像。圖4八足步行機(jī)器人DANTE-II19962000年，美國羅克威爾公司在DARPA資助下，研制自主水下步行機(jī)ALUV8(Autonomous Legged Underwater Vehicle)，如圖5所示。該步行機(jī)模仿螃蟹的外形，每條腿有兩個自由度，具有兩棲運(yùn)動性能，可以隱藏在海浪下面，在水中步行，當(dāng)風(fēng)浪太大時，將腳埋入沙中。它的腳底裝有傳感器，用于探測岸邊的地雷，當(dāng)它遇到水雷時，自己爆炸同時引爆水雷。圖5 自主水下步行機(jī)ALUV 在對昆蟲步態(tài)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，2000年美國研制出六足仿生步行機(jī)器人Biobot9，如圖6所示。為了像昆蟲那樣在凸凹不平地面上仍能高速和靈活步行，采用氣動人工肌肉的方式，壓縮空氣由步行機(jī)上部的管子傳輸，并由氣動作動器驅(qū)動各關(guān)節(jié)，使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機(jī)驅(qū)動相比，該作動器能提供更大的力和更高的速度。圖6六足仿生步行機(jī)器人Biobot2008年，美國科學(xué)家最新研制的ATHLETE(全地形六足地外探測器)機(jī)器人，如圖7所示。對于未來月球基地建設(shè)和發(fā)展充當(dāng)著至關(guān)重要的角色。美國宇航局指出，ATHLETE機(jī)器人頂部可放置15噸重的月球基地裝置，它可以在月球上任意移動，能夠抵達(dá)任何目的地。當(dāng)在水平表面上時，ATHLETE機(jī)器人的車輪可加快行進(jìn)速度；當(dāng)遇到復(fù)雜的地形時，其靈活的6個爪子可以應(yīng)付各種地形。圖7全地形六足地外探測器ATHLETE日本對多足步行機(jī)的研究從20世紀(jì)80年代開始，并不斷進(jìn)行著技術(shù)創(chuàng)新，隨著計算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡單，其功能由單一功能到組合功能，并已研究出各種類型的步行機(jī)。主要有四足步行機(jī)、爬壁機(jī)器人、腿輪分離型步行機(jī)器人和手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人。1994年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩(Hiroshi Kimura)等研制成功四足步行機(jī)器人Patrush-II10，如圖8所示。該機(jī)器人用兩個微處理機(jī)控制，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動，每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤，每只腳安裝了兩個微開關(guān)，采用基于神經(jīng)振蕩子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的特點。圖8步行機(jī)器人Patrush-II20002003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行機(jī)器人Tekken10，如圖9所示。該機(jī)器人用一臺PC機(jī)系統(tǒng)控制，采用瑞士Maxon直流伺服電機(jī)驅(qū)動，每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤，并安裝了陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器。采用基于神經(jīng)振蕩子模型的CPG控制器和反射機(jī)制構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中CPG用于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動，而反射機(jī)制通過傳感器信號的反饋，來改變CPG的周期和相位輸出，Tekken能適應(yīng)中等不規(guī)則表面的自適應(yīng)步行。圖9步行機(jī)器人Tekken3.發(fā)展趨勢未來多足步行機(jī)器人的研究方向有如下幾個方面10：(1)足輪組合式步行機(jī)器人。足式移動機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過大的壕溝和臺階，其缺點是速度和效率均比較低。目前，足式移動機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用行星探測仍然是很困難的。足輪組合式步行機(jī)器人綜合了足式和輪式機(jī)器人的優(yōu)點，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力、較好的穩(wěn)定性和較高的能量效率。特別適合用于行星探測，在無法確定待探測地表狀態(tài)的情況下，采用足輪組合式步行機(jī)器人可提高步行速度和效率。在松軟或者崎嶇不平的行星地表，采用足輪組合式顯示出優(yōu)越性，在堅硬且較平坦的地表，由于沒有土壤變形引起的阻力，采用輪式結(jié)構(gòu)可有效提高其運(yùn)動速度。(2)微小型步行機(jī)器人。微型化是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢之一，是高技術(shù)成果的結(jié)晶。日本已研制出外形為：8.6mm9.3mm7.2mm的微型行走機(jī)器人。微型步行機(jī)器人有廣闊的應(yīng)用前景，如可將數(shù)以千計的微型步行機(jī)器人散布在星球上進(jìn)行探測；在考古研究中，該種機(jī)器人可步行進(jìn)入狹小的空間內(nèi)采集樣品等；可在狹小的空間如管道內(nèi)行走、作業(yè)和維修等。(3)仿生步行機(jī)器人。在步行機(jī)的腿上安裝彈性裝置或采用人工肌肉等柔性腿，就是結(jié)構(gòu)仿生的體現(xiàn)，采用形狀記憶合金驅(qū)動是材料仿生的體現(xiàn)。目前的步行機(jī)器人還遠(yuǎn)未達(dá)到像多足昆蟲那樣的步行機(jī)動性和靈活性，存在步行速度低，效率差等問題。進(jìn)一步深入研究功能、控制和群體仿生，提高步行機(jī)器人的速度和靈活性，充分實現(xiàn)多足步行機(jī)器人的優(yōu)點，是今后研究步行機(jī)器人的重點之一。4.存在問題當(dāng)今多足步行機(jī)器人面臨待解決的問題1,10：(1) 有些多足步行機(jī)器人的體積和重量很大。在實際應(yīng)用中未必有足夠大的空間能夠容納它們或者根本不允許體積較大的機(jī)器人出現(xiàn)。從實用化角度出發(fā)，這類多足步行機(jī)器人在小型化方面還需要進(jìn)行更深入的研究和改進(jìn)。尤其是機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件電路、電源系統(tǒng)、傳感器等，需要尋找體積更小、效率更高的替代品。(2) 大多數(shù)多足步行機(jī)器人研究平臺的承載能力不強(qiáng)， 從而導(dǎo)致它們沒有能力承載視覺設(shè)備。而且多足步行機(jī)器人的視覺研究也不太成熟，而視覺正是多足步行機(jī)器人實現(xiàn)自主化和智能化的關(guān)鍵之一。要解決這個問題，首先還需改進(jìn)現(xiàn)有多足步行機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計，使其能夠承受更大的負(fù)載；其次是改進(jìn)視覺圖像處理的算法，增強(qiáng)圖像處理的實時性、快速性和準(zhǔn)確性。(3) 步行敏捷性方面。多足步行機(jī)器人有很好的地面適應(yīng)能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在機(jī)器人動步態(tài)步行方面的研究比較缺乏。這就提出機(jī)器人動步行步態(tài)規(guī)劃問題。因此多足步行機(jī)器人對地面的適應(yīng)性和運(yùn)動的靈活性需要進(jìn)一步提高。(4) 多足步行機(jī)器人的控制方法需要改進(jìn)。多足步行機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜性使其控制算法復(fù)雜化。但有些算法由于其計算量很大， 所以對于機(jī)器人的實時控制很難實現(xiàn)甚至不能實現(xiàn)。因此需要簡化機(jī)器人控制算法， 實現(xiàn)用相對較簡單的控制算法獲得符合工作要求的控制效果的目標(biāo)。另外， 多足步行機(jī)器人現(xiàn)有的控制方法還有待完善和發(fā)展。(5)能源問題。尋求新型可靠的能源為機(jī)器人供電，實現(xiàn)機(jī)器人長時間在戶外行走的目標(biāo)。參考文獻(xiàn):1 劉靜,趙曉光,譚民.腿式機(jī)器人的研究綜述J.機(jī)器人,2006,28(1):82-86.2 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