多足步行机器人研究状况及展望_黄俊军

2008年5月第36卷第5期

机床与液压

M A C H I N ET O O L ＆H Y D R A U L I C S

M a y 2008

V o l . 36N o . 5

多足步行机器人研究状况及展望

黄俊军, 葛世荣, 曹为

(中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所, 江苏徐州221008)

摘要:分析了国内外多足步行机器人的研究现状, 并给出了多足步行机器人存在的问题, 展望了多足步行机器人的发

展方向。

关键词:多足步行机器人; 群体协作; 可重组中图分类号:TH 122　　文献标识码:A　　文章编号:1001-3881(2008) 5-187-5

Mu l t i -f e e t Wa l kR o b o t R e s e a r c h a n dI t s F o r e c a s t

H U A N GJ u n j u n , G ES h i r o n g , C A OW e i

(I n s t i t u t e o f R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n d D i s a s t e r R e l i e f r o b o t , C h i n a U n i v e r s i t y o f

M i n i n g a n d T e c h n o l o g y , X u z h o u J i a n g s u 221008, C h i n a )

A b s t r a c t :Th e c u r r e n t s t a t u s d o m e s t i c a n do v e r s e a s w i t hr e s p e c t t o m u l t i -f e e t w a l kr o b o t w a s s u r v e y e d , a n dt h e p r o b l e m s t ob e

s o l v e d w e r es t a t e d a n dt h e f u t u r e d e v e l o p m e n t o f m u l t i -f e e t w a l kr o b o t w a s d i s c u s s e d .

K e y w o r d s :Mu l t i -f e e t w a l k r o b o t s ;C o m m u n i t y c o o p e r a t i o n ;r e o r g a n i z e

0　引言

在自然界和人类社会中, 存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合, 如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等, 对这些危险环境进行不断地探索和研究, 寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点, 从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时, 具有相当的优势:运动速度迅速、平稳, 结构和控制也较简单; 但在不平地面上行驶时, 能耗将大大增加; 而在松软地面或严重崎岖不平的地形上, 车轮的作用也将严重丧失, 移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力, 履带式移动方式应运而生, 但履带式机器人在不平地面上的机

[1]

动性仍然很差, 行驶时, 机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比, 在崎岖不平的路面, 步行机器人具有独特优越性能, 在这种背景下, 多足步行机

[2-3]

器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的

[4]

出现更加显示出步行机器人的优势。

第一, 多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印, 运动时只需要离散的点接触地面, 对环境的破坏程度也较小; 可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点, 对崎岖地形的适应性强。正因为如此, 多足步行机器人对环境的破坏程度也较小。轮式和履带

式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物, 可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限, 这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。

第二, 多足步行机器人的腿部具有多个自由度, 使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平, 也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置, 因此不易翻倒, 稳定性更高。

第三, 多足机器人的的身体与地面是分离的, 这种机械结构的优点在于:运动系统还具有主动隔振能力即允许机身运动轨迹和足运动轨迹解耦, 机器人的身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙度和腿的放置位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时, 首先将腿部固定, 然后精确控制身体在三维空间中的运动, 就可以达到对对象进行操作的目的。

第四, 步行机器人在不平路面和松软路面上的运动速度较高, 能耗较少。实验和观察研究表明, 在崎岖不平的坚硬地面上行驶(行走) 的平均速度:履带车辆为8～16k m /h, 轮式车辆为5～8k m /h, 而足式动物的奔跑最高可达56k m/h。在有25. 4c m 深软土的地面上, 履带车辆所需的推进功率为7460W/T, 轮式车辆为11300W/T, 而步行机器人只需5220W/T 。

当然, 多足步行机器人也存在一些不足之处。比如, 为使腿部协调稳定运动, 从机械结构设计到控制

[1]

收稿日期:2007-07-11

基金项目:国家“863”项目(编号:2006A A 004Z 208) 作者简介:黄俊军(1983—) , 男, 江苏南通人, 现为中国矿业大学机电工程学院硕士研究生, 专业为机械设计理论, 研究

。电话, l u a n g j u 126. c o m 。

·188·

机床与液压第36卷

系统算法都比较复杂; 相比自然界的节肢动物, 仿

[4]

生多足步行机器人的机动性还有很大差距。本文第二部分分阶段回顾了国内外多足步行机器人研究己取得的一些主要成果, 第三部分提出了多足步行机器人研究存在的问题, 第四部分展望了多足步行机器人的发展趋势。

统地给出了一系列描述和分析步态的严格数学研究, 为以后的步态研究奠定了数学基础。

这一阶段代表性的机器人还包括1983年美国研制的六足步行机器人“OD E X-Ⅰ”,其6条腿沿圆周方向布置, 每条腿上有3个自由度, 适于在狭小空间运动, 可以上下台阶。另外, 美国在航空领域、军事领域先后开发了多种不同用途的行走机器人, 如机器人“D A N T E ”,为八足步行机器人, 高约3m 、宽约2m , 重约400k g 。1993年1月, 用它对南极的埃里伯斯火山进行了考察, 改进后的“DA N -T E -Ⅱ”如图2所示,

在实践中得到了更广

[8]

泛的应用。

图2　八足步行机“DA N T EⅡ”

第三阶段, 多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。由于许多危险工作可以由机器人来完成, 这就要求机器人不但要具备完成各种任务的功能, 还必须有自适应的运动规划和控制性能。所以, 多足步行机器人的研究也进入了融合感知、规划和行动与交互的自主或与人共存的新一代机器人研究阶段。如美国N A S A 研制的用于航空领域的微型爬行机器人“S p i d e r -b o t ”,如图3

[5]

所示, 该机器人外形很像蜘蛛, 体积只有人头部的一半大小, 重量轻, 可以在不规则的星球表面爬行。机器人A t t i l a 由美国M I TA IL a b 于

1　国内外的发展现状

多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构, 是模仿多足动物运动形式的特种机器人, 是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上, 常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。自20世纪80年代机器人学开拓者、美国著名机器人学家R . B . M c G h e e 等开始研究四足步行机器人以来, 多足步行机器人的研究一直是众多学者关注的热点和难点, 其研究状况正如加拿大著名机器人学家J . A n g e l e s 教授所言的:“步行机器人的基础理论研究

[5]

步伐要远滞后于它的技术开发步伐”。

国内外多足步行机器人的发展最早可追溯到中国古代三国时的“木牛流马”。国外有据可查的记载是1893年R y g g 设计的机械马。此后步行机器人历经百年的发展, 取得了长足的进步, 归纳起来主要经历以

[5]

下几个阶段:

第一阶段, 以机械和液压控制实现运动的机器人。早在20世纪60年代初, 美国的S h i g l e y(1960年) 和B a l d w i n(1966年) 就使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为灵活的步行机。这一阶段比较典型的是美国的M o s h e r 于1968年设计的四足车“Wal k i n g T r u c k ”,如图1所示, 步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动, 安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。虽然整机操作比较费力, 但实现了步行及爬越障碍的功能, 被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑

。

但从步态规划的角度看, 这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义, 只能算作是人操作的机械移动装置。

第二阶段, 以电

图1　四足步行机子计算机技术控制的

　　　　“Wal k i n gT r u c k ”机器人。在这一阶段

的早期, 美国的M c G h e e 、前苏联的K u g u s h e v 等设计

[6-7]

的多足步行机器人, 这类机器人都成功的实现了对机器人多自由度腿运动的计算机控制。另外

, 图3　星球探测机器人　　“Sp i d e r -r o b o t ”

1990年初完成的仿昆

虫有腿行走机器人, 如图4所示, 采用模块化设计, 腿、头、身体都具有各自的传感器、驱动器和子处理

4　机器人“t i l a ”

第5期黄俊军等:多足步行机器人研究状况及展望

·189　　　·

器; 机器人的机构设计是冗余的, 有19个自由度,

遍布全身的60多个传感器和8个微处理器判断腿部对地面形态的反应以便控制机器人的运动。位于美国马萨诸塞州(麻省) 娜罕的东北大学海洋科学中心研制于1994年研究制造的下机器人“水下龙虾”B U R 001如图5所示

。

脑的遥控下, 可实现直走、转弯、爬梯、翻越45c m

[10]

高障碍物等动作。

图8　崎岖地形中和攀登楼梯的“RH e x ”

图5　“水下龙虾”B U R 001

美国密歇根大学、卡内基梅隆大学、U C 伯克利大学和加拿大M c G i l l 大学组成的研究组近几年来成功研制了图8所示的仿生自主机器人R H e x , 每条腿只有1个位于髋部的驱动器。控制器采用关节空间闭环、任务空间开环的控制策略, 通过改变5个参数值控制机器人的步态。实验证明, R H e x 可以较高速度穿越布有较大障碍物的路径, 平面上的速度可达到0. 15m /s。

西班牙C S I C 研究议会的I A I 研究中心近期研制的机器人S i l o 4和S i l o 6, 如图9所示, 其中图9(a ) 为S i l o 4, 图9(b ) 为S i l o 6。S i l o 6身长88c m , 中间身宽45c m , 两边身宽20c m , 高26c m , 主要用于基础性研究及教学工作。机器人每条腿有3个自由度, 为减少驱动腿尺寸和重量, 驱动电机平行放置。这种结构形式便于机器人防水, 防爆设计, 也便于两个电机同时控制一个关节的运动, 可以实现类似哺乳动物型行

[12]

走和昆虫型行走, 稳定性高、能耗少。

[9, 11]

美国伊利诺斯大学D e l c o m y n 和N e l s c o n 于20世

纪末, 对蟑螂的生理结构进行仔细研究后, 制造了著名的仿生机器人B i o b o t 如图6所示, 该机器人的体积为58c m×14c m×23c m , 质量11k g , 站立时离地面15c m ; 每条腿都分为3段, 分别对应于蟑螂腿部的髋(C o a x ) 、股节(F e m u r ) 和胫节(T i b i a ) 3个主要部分。腿部的设计有两个特点:前、中、后三对腿的长度不同, 比例为1∶1. 1∶1. 5, 其中前腿长38c m ; 前、中、后三对腿的髋部与身体的连接角度也不[9]

同。这样, 尽管腿部安放紧凑也不会在行走中发生机械碰撞

。

图9　机器人“Si l o 4”和“S i l o 6”

在国内, 对多足步行机器人的研究是在20世纪80年代末90年代初起步的, 近些年来, 多足步行机

器人技术也有了较大的发展。中国科学院长春光学精

印度于2002年研制了六足行走式机器人“舞王”,如图7所示, 该机器人身高约1. 8m , 质量250多千克, 六条腿安装在六角形的底盘, 形似蜘蛛。在

基座上还装有用于控制和监视的电脑, 在无线台式电

密机械研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学等单位和院校都先后开展了多足

[5]

步行机器人技术的研究。

其中比较有代表性的有上海交通大学研制的小型六足仿生机器人, 如图10(a ) 所示, 长30m m 、宽

·190·

机床与液压第36卷

40m m 、高20m m , 质量6. 3g , 步行速度达到3m m /s。该学校还研制了一种仿哺乳动物的关节式四足步行机器人“JT U W M ”,如图10(b ) 所示, 它能以对角线步态行走。其足底安装了P V D F 测力传感器, 上位机利用模糊神经网络系统对力反馈信息进行处理, 调整步

[13]

行参数, 提高了步行的稳定性。

正是多足步行机器人实现自主化和智能化的关键之

一。要解决这个问题, 首先还需改进现有多足步行机器人的机械机构设计, 使其能够承受更大的负载; 其次是改进视觉图像处理的算法, 增强图像处理的实时性、快速性和准确性。

(3) 步行敏捷性方面。多足步行机器人有很好的地面适应能力, 但在某些地貌, 其行走效率很低, 而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此多足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。(4) 多足步行机器人的控制方法需要改进。多足步行机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化。但有些算法由于其计算量很大, 所以对于机器人的实时控制很难实现甚至不能实现。因此需要简化机器人控制算法, 实现用相对较简单的控制算法获得符合工作

[4]

图10　上海交通大学研制的多足步行机器人

中国科学院沈阳自动化所成功研制了水下全方位六足步行机器人L R-1。清华大学开发了“D T -WM ”———框架式双三足步行机器人、五足爬杆机器人

[14]

要求的控制效果的目标。另外, 多足步行机器人现有

的控制方法还有待完善和发展。

(5) 能源问题。为了延长机器人的续航能力, 故需寻求新型可靠的能源为机器人供电, 实现机器人

[4]

长时间在户外行走的目的。

。上海交通大学祝捷等人研究的S M A 驱动的微

[15]

型双三足步行机器人等等。但与工业机器人相比, 三十多年来步行机器人的研究进展缓慢, 除很少几台投入实际试用外, 大多数研究开发工作基本上没有走出实验室。我国目前尚未有适用于矿井这一非结构环境多足步行机器人的研究。

此外, 对多足步行机器人的步态依照机器人结构的不同而各有不同, 比较典型的研究工作有H i r o s e 等对四足步行机器人做了基于对角线原理的步态研究, 但这种步态存在死锁问题, 且不具有全方位性;P a l 等应用启发式图形搜索算法保证机器人单条腿的最佳跨步和落地点, 但在步行完一个步态周期后, 要进行姿态调整, 无法实现连续性步行。J u n g -M i nY a n g

[16]

等对冗余的四足步态进行了研究。赵铁石等对蟹型步行机进行了步态研究, 甘建国等对六足步行机的跟导步态研究等等。

[10]

2　存在的问题

多足步行机器人仍面临许多待解决的问题:(1) 有些多足步行机器人的体积和重量很大。在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现。从实用化角度出发, 这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进。尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等, 需要寻找体积更小、效率更高的替代品。

(2) 大多数多足步行机器人研究平台的承载能[17]

力不强, 从而导致它们没有能力承载视觉设备。, 3　展望

随着对多足步行机器人的研究的日益深入和发展, 多足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高, 自主化和智能化也将逐步的实现, 从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用, 因而具有广阔的应用前景。

纵览当前多足步行机器人的发展, 多足步行机器人有以下几个值得关注的趋势:

(1) 多足步行机器人群体协作

多个多足步行机器人协调合作共同完成某项任务。与单个多足步行机器人相比, 多个多足步行机器人的总负荷更大, 可以携带的仪器和工具更多, 功能性更强。它们之间通过通信进行协调, 也可以按照某

[18]

种规则指定主机器人和从机器人, 从而按照一定的队形和顺序对目标进行不同的测量和操作。而当其中某一多足步行机器人出现故障时, 其它机器人还可

[4]

以照常工作, 大大提高了工作效率和可靠性。

(2) 多足步行机器人的智能化

传统步态规划的方法是在机器人逆运动学的基础上, 并且己知步行环境, 来计算机器人各驱动关节转角的。这就提出了在机器人对未知环境的识别后, 具有普遍实用意义的智能化的自主步态规划生成及控制的研究, 以及对机器人实现步行空间精度定位问题的研究。

(3) 多足步行机器人的模块化和可重组

针对不同的工作环境, 机器人需要根据环境的变。

第5期黄俊军等:多足步行机器人研究状况及展望

·191　　　·

机器人则可以根据环境的不同进行自重构。自重构多

足步行机器人比起固定结构的多足步行机器人对地形的适应性更强, 可应用的场合更多。因此, 自重构机器人是多足步行机器人的发展方向之一。

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(4) :11-15.

2002

(上接第176页)

　　　　　　gl u D i s k(o b j , m i n R a d i u s , m o u t R a -d i u s , 100, 1) ;

g l T r a n s l a t e f (0. 0, 0. 0, m h e i g h t ) ; g l u D i s k(o b j , m i n R a d i u s , m o u t R a -d i u s , 100, 1) ;

　　}　　gl P o p M a t r i x() ; }

在所有步骤进行完毕后, 通过单击工具栏上的B u i l d 按钮实现对所写程序的编译。运行结果如图3所示(生成模型所涉及到的参数可参考图2) 。

图3　生成模型简图

3　结束语

本文主要针对在W i n d o w s 环境下使用V C 及O p e n G L 实现三维物体的建模及显示进行了研究, 提出了O p e n G L 在Wi n d o w s 下实现的具体步骤, 并通过给定参数图示了生成的具体模型, 初步完成了简易数控切割系统的开发。参考文献

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28(1) :109-

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E l f e i