譚永營,杜 斌,周浩森（.裝甲兵工程學院機械工程系,北京 0007; .湖南大學機械與運載工程學院,長沙 4008; .裝甲兵學院,安徽 蚌埠 000）

越障型四足步行機動平臺的關鍵技術分析

譚永營1,杜 斌2,周浩森3
（1.裝甲兵工程學院機械工程系,北京 100072; 2.湖南大學機械與運載工程學院,長沙 410082; 3.裝甲兵學院,安徽 蚌埠 233000）

對越障型四足步行機動平臺國內(nèi)外主要研究機構的研究成果進行了分析，從仿生結構、驅動系統(tǒng)和行走步態(tài)三個方面對越障型四足步行機動平臺的關鍵技術進行了總價。

四足步行機動平臺；機械結構；驅動方式

越障型四足步行機動平臺是在對自然界四足動物越障原理研究的基礎上研發(fā)出來的能夠適應復雜地形的步行機器人。足式運動方式可利用離散的地面支撐點實現(xiàn)穩(wěn)定的運動。步行機動平臺比輪式越障平臺適應復雜地形的能力更強，比履帶式越障平臺運動更加靈活。隨著人類活動范圍的擴展和任務需求的多樣化，越障型步行機動平臺越來越引起人們的重視。步行機動平臺技術的水平已成為一個國家綜合技術水平的標志。

1 早期越障型四足步行機動平臺發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早具有越障能力的四足步行機動平臺是1968年出現(xiàn)在美國的Walking Truck。雖然它是一個有人駕駛的機器并且操作費力，但是各腿在液壓驅動機構的作用下實現(xiàn)了對某些簡單障礙爬越[1]。可見，四足步行機動平臺的越障能力在其早期樣機中即為一項基本功能。

日本東京工業(yè)大學的機器人研究實驗室研制成功了TITAN系列四足步行機動平臺[2]。TITAN-VIII機動平臺是其中的典型代表，其足底裝備可自動檢測足端與地面接觸狀態(tài)的傳感器，并且配有姿態(tài)控制系統(tǒng)以便于及時根據(jù)環(huán)境狀況調(diào)解機體位姿，使其適應復雜地形的能力更強。TITAN系列的步行機動平臺腿部均采用仿爬行動物的結構，每條腿均有3個自由度，驅動方式采用的是電機驅動。

這一時期的越障型四足步行機動平臺還有西班牙工業(yè)自動化協(xié)會開發(fā)了SILO4四足步行機動平臺[3]等。早期的越障型四足步行機動平臺主要應用于實驗室相關的理論研究。由于相關技術的限制，其越障性能還十分有限，并且復雜能力較差，運動速度慢。

2 高性能越障型四足步行機動平臺發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀90年代以后，步行機動平臺的應用環(huán)境轉向野外未知的非結構地形。隨著人們對四足哺乳動物研究的深入，較多的仿生學理論應用于越障型四足步行機動平臺。步行機動平臺的腿部結構多采用仿哺乳動物的串聯(lián)式腿部結構，機體攜帶較多的傳感器，控制算法更加智能。并且機動平臺的更加接近自然界的四足動物。

2006年，波士頓動力公司研制出了高動態(tài)越障型四足步行機動平臺—第一代“Bigdog”。其單腿有3個主動自由度，四條腿的關節(jié)均采用了膝式關節(jié)的配置方式。驅動系統(tǒng)為以發(fā)動機為動力源的液壓驅動系統(tǒng)。第一代“Bigdog”實現(xiàn)了行走和對角小跑步態(tài)，但在復雜環(huán)境中容易失穩(wěn)[4]。2008年 第二代“Bigdog”被公布了出來，其每條腿具有4個主動自由度，腿部結構更加強調(diào)仿生學設計，關節(jié)更加粗壯，運動更加平穩(wěn)。并且實現(xiàn)了在車轍、山地、丘陵以及淺灘的穩(wěn)定行走[5]。

2011年波士頓動力公司發(fā)布了第三代“Bigdog”原理樣機[6]。其單腿具有3個主動自由度，驅動方式仍然沿用了以發(fā)動機為動力源的液壓驅動，關節(jié)配置方式采用了前膝后肘的方式。LS3是在滿足實用功能的前提下對“Bigdog”的結構進行了簡化，將有腿步行系統(tǒng)和負載能力較好地結合在了一起，是世界上負載型四足步行機動平臺的典型代表。

2015年2月，波士頓動力公司公布了最新研制成功的Spot四足步行機動平臺[7]。與“Bigdog”系列相比，其前后腿均采用的是全肘式關節(jié)配置方式，靈活性更好。動力源由發(fā)動機變成了電機，但關節(jié)仍然延續(xù)液壓驅動的方式。從發(fā)布的資料可以得到它能夠在臺階、山地等復雜路面穩(wěn)定地行走。

圖1 Spot步行機動平臺

受“Bigdog”四足步行機動平臺的影響，意大利理工學院研制了ΗyQ四足步行機動平臺[8]。其驅動方式為電液混合驅動，單腿有三個主動自由度，側擺關節(jié)采用伺服電機驅動，髖關節(jié)和膝關節(jié)采用液壓驅動。ΗyQ四足步行機動平臺目在不平坦路面中實現(xiàn)了穩(wěn)定行走。

圖2 HyQ步行機動平臺

3 越障型四足步行機動平臺的關鍵技術分析

（1）越障型四足步行機動平臺仿生結構。機械結構是機械系統(tǒng)實現(xiàn)其各項功能的基礎。四足動物腿部結構的仿生學研究是設計步行機動平臺腿部結構的前提。四足動物眾多長骨之間連接而成了腿部的特殊結構和冗余自由度。四足步行機動平臺要實現(xiàn)行走，首先需要確定腿的拓撲結構配置和腿部的自由度數(shù)。

通過對“Bigdog”系列步行機動平臺的對比發(fā)現(xiàn)，機動平臺腿部的拓撲結構設計對其運動學和動力學性能有顯著影響。作為“Bigdog”系列最早期的一款，第一代“Bigdog”采用了前后腿均為膝式關節(jié)的配置方式，其各項性能均較一般。第二代“Bigdog”采用的是前肘后膝的關節(jié)對頂配置方式，同時增加了一個自由度，這使其運動非常靈活。第三代“Bigdog”LS3采用的是前膝后肘的關節(jié)配置方式，各關節(jié)粗壯有力，使其負載能力非常強，越野性能非常好。而Spot采用的則是前后腿均為肘式關節(jié)的配置方式，使其有較好的地形適應能力，并且運動學性能非常好。

通過對常見大型四足哺乳動物狗、羊、馬的骨骼結構研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物單腿一般有五個自由度[9]。這些冗余自由度使動物運動非常靈活，適應復雜地形的能力很強。為減小控制系統(tǒng)的壓力，降低步行機動平臺系統(tǒng)的復雜程度，大多數(shù)的四足步行機動平臺均采用單腿3個自由度配置，分別是髖側擺自由度、髖前擺自由度和膝關節(jié)自由度。這種自由度配置是在復雜野外環(huán)境中自由行走所需要的最少自由度，LS3即為采用單腿三自由度的典型代表。

（2）越障型四足步行機動平臺的驅動系統(tǒng)。類似于人類的心臟，步行機動平臺的驅動系統(tǒng)是其實現(xiàn)各項功能的核心，驅動系統(tǒng)性能的好壞直接決定了機動平臺的行走速度和負載能力。目前常見的驅動系統(tǒng)可分為兩類發(fā)動機-液壓驅動系統(tǒng)和電源-電機驅動系統(tǒng)。

發(fā)動機-液壓驅動系統(tǒng)是應用較普遍的驅動系統(tǒng)，其工作原理是發(fā)動機帶動液壓泵工作，將低壓油變?yōu)楦邏河?，通過伺服閥等流量控制元件控制液壓缸的油液體積，對活塞桿實現(xiàn)位置控制，驅動各關節(jié)運動。發(fā)動機-液壓驅動系統(tǒng)功率質量比大，燃料的添加較方便，續(xù)航里程長，系統(tǒng)響應動態(tài)響應能力好，動態(tài)特性受負載變化的影響小。但是由于液壓油的可壓縮性和液壓回路的遲滯性，使液壓驅動位置控制精度較低，穩(wěn)定性也較差。

電源-電機驅動系統(tǒng)是目前采用較多的高精度驅動系統(tǒng)，其原理較簡單各驅動關節(jié)電機接受來自電源的電能，直接各驅動關節(jié)電機實現(xiàn)相應的運動。與發(fā)動機-液壓驅動系統(tǒng)相比，電源-電機驅動系統(tǒng)其運動精度高、響應速度較快，但無法滿足大功率的要求，并且功率比也沒有液壓驅動高。

（3）越障型四足步行機動平臺的行走步態(tài)。步態(tài)是機動平臺行走過程中起落腿和機體移動規(guī)律的總結。機動平臺的步態(tài)研究，尤其是其越障步態(tài)研究，是實現(xiàn)其復雜環(huán)境中穩(wěn)定行走的基礎。四足步行機動平臺的步態(tài)多是模仿自然界常見大型哺乳動物狗、羊或者馬等的步態(tài)。根據(jù)其行走過程中占空系數(shù)的不同可以將步態(tài)分為靜步態(tài)和動步態(tài)[10]。四足步行機動平臺常見的步態(tài)有協(xié)調(diào)靜步態(tài)、間歇靜步態(tài)和對角步態(tài)等。目前，對四足動物在平地行走步態(tài)的研究已較完備，相應的四足步行機動平臺基本上實現(xiàn)了以多種步態(tài)在平地上運動。但對于四足步行機動平臺的復雜環(huán)境中的步態(tài)，目前研究還不足。

4 結論

越障型四足步行機動平臺是未來復雜地形環(huán)境中機動平臺的發(fā)展方向之一。早期的越障型四足步行機動平臺機械結構簡單粗暴，導致其效率特別低，行走速度較慢。隨著仿生學技術的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，機動平臺機械結構問題已初步解決。機動平臺有了一定的越障能力和機動性能。液壓驅動的方式也滿足了機動平臺不同步態(tài)下的力矩需求。但如何使其能量利用率盡量高，運動學和動力學性能更好，在復雜環(huán)境中行走穩(wěn)定性更好，仍然是越障型四足步行機動平臺面臨的問題之一。

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[2]Shigeo Hirose,Kan Yoneda,Riki Furuya,Tatsuo Takagi.Dynamic and Static Fusion Control of Quadruped Walking Vehicle[J]. Workshop on Intelligent Robots and Systems,1989:199-208.

[3] J.A Galvez, Joaquin Estremera,Pablo Gonzalez de Santos. A new legged-robot configuration for research in force distribution[J],Mechatronics, 2003(13):907-932.

[4] Buehler M, Playter R,Raibert M. Robots step outside[J]. Adaptive Motion of Animals and Machines,2005.

[5] M.Raibert, Blankespoor,G.Nelson. Bigdog ,the roughterrain quadruped robot[C],Proceeding of the 17th World Congress,International Federation of Automatic Control,2008.

[6]Boston Dynamics AlphaDog Quadruped Rpbot Prototype on Video[OL].http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/ military-robots/boston-dynamics-alphadog-prototype-on video,2013-3-5.

[7]谷歌展示最新四足機器人Spot:踢不倒的“不倒翁”[EB/OL]. http://www.sxaxrobot.com/industryNews/213.jhtml,2015-02-13.

[8] Claudio.HyQ-Design and Development of a Hydralically Actuated Quadruped Robot [D]. Italy:University of Genoa,2010:58ˉ60.

[9] 王立鵬.液壓四足機器人驅動控制與步態(tài)規(guī)劃研究[D].北京理工大學,2014.

[10]陸衛(wèi)麗,卞新高,焦健,朱燈林.四足爬行機器人步態(tài)分析與運動控制[J].機電工程,2012,29(8).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.028