劉慶運(yùn)，景甜甜

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

自然界中總有一些地方是人類無法到達(dá)的，如火山、災(zāi)難礦井、行星表面等。對(duì)于這些環(huán)境的探索與研究，人類一直在尋找一系列合適的方法和途徑，機(jī)器人的出現(xiàn)為解決這些問題提供了可能。目前，機(jī)器人已由最初的輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人發(fā)展到多足步行機(jī)器人。研究表明，輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制相對(duì)簡(jiǎn)單，在相對(duì)平坦的地形上行駛時(shí)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)，但在不規(guī)則崎嶇地面上行駛時(shí)振動(dòng)劇烈、行走不穩(wěn)、能耗大，而且車輪在泥濘、凹凸不平和松軟的地面上將會(huì)喪失作用力，運(yùn)動(dòng)效率大大降低。履帶式機(jī)器人的履帶覆蓋面積大，能夠適應(yīng)松軟和較為不平的地況，但行走速度相對(duì)較慢、機(jī)動(dòng)性差，行駛時(shí)晃動(dòng)較為嚴(yán)重［1］。多足步行機(jī)器人包括四足、六足、八足機(jī)器人，常見的為六足機(jī)器人。與輪式、履帶式機(jī)器人相比，六足步行機(jī)器人具有冗余驅(qū)動(dòng)、多支鏈、時(shí)變拓?fù)涞淖闶綑C(jī)構(gòu)，可模仿六足昆蟲的運(yùn)動(dòng)形式，具有以下獨(dú)特的性能:①其運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的落地點(diǎn)，行走時(shí)只需點(diǎn)接觸地面，可以選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)進(jìn)行落足，環(huán)境適應(yīng)性好，機(jī)動(dòng)性高;②腿部具有較多的自由度，可通過調(diào)節(jié)腿的位姿和長(zhǎng)度保持機(jī)體的平衡，不易傾翻，運(yùn)動(dòng)靈活，穩(wěn)定性高;③機(jī)體懸空，可避免地形給機(jī)體帶來的震動(dòng);④在不平路面和松軟地形上的運(yùn)動(dòng)速度快，能耗較低［2］。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，六足步行機(jī)器人在軍事運(yùn)輸、海底探測(cè)、礦山開采、星球探測(cè)、教育及娛樂等眾多領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景，一直是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文就國(guó)內(nèi)外在六足步行機(jī)器人樣機(jī)研制、步態(tài)規(guī)劃等方面取得的研究成果和今后的研究方向進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述。

1 六足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

大多數(shù)的六足步行機(jī)器人的研究靈感來源于自然界的昆蟲。2000年，Delcomyn［3］參考美國(guó)蟑螂，研制出六足仿生機(jī)器人Biobot(如圖1所示)。該機(jī)器人的尺寸是58 cm×14 cm×23 cm，身體和腿的尺寸大概是相應(yīng)蟑螂尺寸的12～17倍，腿部結(jié)構(gòu)和比例與蟑螂類似:髖節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)的長(zhǎng)度比是1∶1∶1.5，當(dāng)它直立時(shí)距離地面15 cm。為了像昆蟲那樣在凹凸不平的地面高速、靈活地步行，采用氣動(dòng)人工肌肉的驅(qū)動(dòng)方式。壓縮空氣由步行機(jī)上部的管子傳輸，利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)，以此模仿肌肉的性能。與電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)相比，該驅(qū)動(dòng)器能夠提供更大的力和更高的速度，而且降低了能耗。

圖1 Biobot機(jī)器人

2002年，美國(guó)密歇根大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)合作組成的研究團(tuán)隊(duì)通過模仿蟑螂成功地研制了仿生六足步行機(jī)器人RHex［4］(如圖2所示)。它以三角步態(tài)進(jìn)行行走，每條腿有1個(gè)自由度，且具有柔順性，唯一的驅(qū)動(dòng)器安裝于腿的髖部，腿可以旋轉(zhuǎn)一周?？刂破鞑捎藐P(guān)節(jié)空間閉環(huán)、任務(wù)空間開環(huán)的控制策略，通過改變5個(gè)參數(shù)值控制機(jī)器人的步態(tài)，平均速度可達(dá)0.5 m/s。

圖2 RHex機(jī)器人

美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)和美國(guó)海軍研究院研制的全地形適應(yīng)性仿蟑螂兩棲機(jī)器人WhegsⅣ如圖3所示［5－6］。該機(jī)器人的腿為三輻輪機(jī)構(gòu)腿，采用柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，相鄰兩腿間有60°的相位差，在陸地和水下都可以按照三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)，越障時(shí)由異步步態(tài)變?yōu)橥讲綉B(tài)，可提高越障能力。螺旋狀的輪輻可以推動(dòng)其在水下運(yùn)動(dòng)，通過體關(guān)節(jié)正負(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上升和下潛。該機(jī)器人控制相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度較快，但因腿部的自由度少，導(dǎo)致靈活性較低，難以跨越大的障礙物，容易傾翻，狀態(tài)恢復(fù)較困難。

圖3 WhegsⅣ機(jī)器人

Mahdi Agheli［7］設(shè)計(jì)的六足步行機(jī)器人 SHe-Ro重心可上下移動(dòng)，可靈活跨越溝渠，主要用于橋梁、管道、儲(chǔ)罐等較窄環(huán)境的檢測(cè)、修復(fù)和安裝等(如圖 4所示)。Michael Henrey等［8］根據(jù)壁虎的爬行特征制作了六足爬行機(jī)器人Abigaille-III(如圖5所示)，其足端附有雙層粘合劑，有較好的吸力和抓取力，可靈活地在光滑豎直面上爬行，能夠連續(xù)行走4 h。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由24個(gè)微型齒輪電機(jī)組成，通過5～6條腿爬行，每條腿上有3～4個(gè)電機(jī)。這種爬壁機(jī)器人填補(bǔ)了陸地六足步行機(jī)器人不能在豎直平面行走的空缺。

圖4 SHeRo機(jī)器人

圖5 Abigaille-III機(jī)器人

為進(jìn)行火星等不規(guī)則表面及危險(xiǎn)環(huán)境的探測(cè)，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制了一款基于視覺技術(shù)的六足爬行智能機(jī)器人Genghis(如圖6所示)［9］。該機(jī)器人配置了150多個(gè)傳感器用于感知外部環(huán)境和自身內(nèi)部的各種信息，能夠靈活地行走和避障。

圖6 Genghis機(jī)器人

美國(guó)NASA最新研制的六足機(jī)器人ATHLETE(如圖7所示)［10］有6條關(guān)節(jié)型腿，腿上安有輪子，這些輪子可以把機(jī)器人固定在地面上，以便ATHLETE從軟泥里爬出來分析地表特征，而且該機(jī)器人能夠在布滿巖石的堅(jiān)硬地形上行走，可爬上坡度為36°的斜面，也可以順著陡峭斜坡下降，非常靈敏。與此同時(shí)，ATHLETE六足步行機(jī)器人頂部可以負(fù)重15 t。當(dāng)在水平表面上行進(jìn)時(shí)，ATHLETE機(jī)器人的車輪可加快行進(jìn)速度。此外，其靈活的6足還可以應(yīng)付其他各種復(fù)雜地形。

圖7 ATHLETE機(jī)器人

為了解決淺水區(qū)水雷的問題，美國(guó)羅克威爾公司推出了一種自主水下步行的六足仿螃蟹機(jī)器人ALUV(autonomous legged underwater vehicle)(如圖8所示)［11］。該機(jī)器人的每條腿有兩個(gè)自由度，具有兩棲運(yùn)動(dòng)性能，可以隱藏在海浪下面在水中步行。當(dāng)海浪太大時(shí)，它可以將足部埋入沙中，避免被沖走。

圖8 ALUV機(jī)器人

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

對(duì)于六足步行機(jī)器人的研究，國(guó)內(nèi)起步較晚。祝捷等［12］研制的SMA六足步行機(jī)器人每條腿有2個(gè)自由度，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，只能進(jìn)行直線行駛，平均速度為1 mm/s(如圖9所示)。為了實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能，研究者通過對(duì)主體部分進(jìn)行改進(jìn)，使其由上下兩層相互平行、由一根軸套連接在一起的三叉支架組成，利用組合偏動(dòng)SMA驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了六足步行機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)。

圖9 SMA機(jī)器人

針對(duì)大多數(shù)足式機(jī)器人質(zhì)量較大的問題，徐小云等［13］進(jìn)行了微型六足仿生機(jī)器人的研究(如圖10所示)。該步行機(jī)器人的長(zhǎng)、寬、高僅為30，40，20 mm，質(zhì)量?jī)H為 6.3 g，步行速度為 3 mm/s。采用微型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和皮帶作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在對(duì)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(jì)。步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人具有較好的機(jī)動(dòng)性。

圖10 微型六足仿生機(jī)器人

姜樹海等［14］設(shè)計(jì)的仿生甲蟲六足機(jī)器人每條腿有3個(gè)自由度，機(jī)體是以身體縱向中心線對(duì)稱的八邊形，6條腿均布身體兩側(cè)，所有腿關(guān)節(jié)均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。關(guān)節(jié)采用性能良好的合成塑料代替金屬構(gòu)件，有較好的柔韌性。軀體采用高強(qiáng)度鋁合金材料制作，腿部和關(guān)節(jié)之間的連接采用高強(qiáng)度塑料，這樣可以大大減輕整機(jī)的質(zhì)量，有利于提高奔跑的速度(如圖11所示)。該機(jī)器人長(zhǎng)214 mm，寬140 mm，高60 mm，中間兩條腿著地點(diǎn)距離為 400 mm，前后兩條腿著地點(diǎn)距離為320 mm，質(zhì)量為1.86 kg。

圖11 仿甲蟲六足機(jī)器人

針對(duì)目前六足步行機(jī)器人串聯(lián)機(jī)械腿工作空間大、承載能力弱、穩(wěn)定性差的問題，Pan Yang［15］研制了六邊形結(jié)構(gòu)步行機(jī)器人“六爪章魚”(octopus robot)，其腿部為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，承載力大(如圖12所示)。該機(jī)器人整機(jī)高約1 m，6條腿中分別裝有3個(gè)電機(jī)，由18個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)18個(gè)自由度變換，能夠靈活地沿各個(gè)方向穩(wěn)定行走，其負(fù)重為200 kg?！傲φ卖~”機(jī)器人通過遠(yuǎn)程人機(jī)結(jié)合控制，具備深入極端復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境的能力，可在核輻射、水下和火災(zāi)等場(chǎng)景中完成搬運(yùn)、探測(cè)和救援作業(yè)等多種任務(wù)。

圖12 “六爪章魚”步行機(jī)器人

2 六足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃

六足步行機(jī)器人的步態(tài)依照其結(jié)構(gòu)的不同而不同。步態(tài)指行走系統(tǒng)的邁步方式，是步行機(jī)器人各腿協(xié)調(diào)運(yùn)行的規(guī)律，即行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。由于六足機(jī)器人腿部自由度較多，動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征復(fù)雜，因此六足步行機(jī)構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃和足部協(xié)調(diào)控制是步行機(jī)器人最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

2.1 三角步態(tài)

三角步態(tài)指六足機(jī)器人的兩組腿(身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足)中處于支撐三角形上的三條腿的動(dòng)作完全一樣，均處于擺動(dòng)相或支撐相。因此，在同一時(shí)間內(nèi)只有一組的3條足起行走作用:前足拉動(dòng)本體，中足支撐本體，后足推動(dòng)本體并進(jìn)行本體轉(zhuǎn)向，3足同時(shí)作用，通過兩組足的交替完成行走。由于機(jī)體的重心必須落在支撐的三角支架之內(nèi)，所以這種行走方式的靈活性較大，穩(wěn)定性較高［13，16］。

Wettergreen［17］對(duì) DanteⅡ型六足機(jī)器人進(jìn)行了基于行為控制的自由步態(tài)的研究。蘇軍等［18］通過分析六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，從理論上規(guī)劃了直線行走和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并確定了直行的最大跨步和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的最大轉(zhuǎn)角。但文中僅僅給出了仿真結(jié)果，并未詳細(xì)敘述六足機(jī)器人的實(shí)地檢驗(yàn)效果。馮巍、漆向軍［19－20］借助慧魚仿生機(jī)器人包搭接出的六足步行機(jī)器人可以避開較小障礙物并具較好的機(jī)動(dòng)性，但由于加工誤差和電機(jī)性能的差異，不可避免地會(huì)產(chǎn)生步態(tài)失調(diào)現(xiàn)象。針對(duì)上述問題，韓建海等［21］提出用光電開關(guān)作為六足步行機(jī)器人的步態(tài)檢測(cè)傳感器，通過光電開關(guān)發(fā)出的信號(hào)在PIC單片機(jī)控制下及時(shí)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，糾正由于機(jī)械制造誤差造成的步態(tài)失衡現(xiàn)象，使機(jī)器人能夠按照規(guī)定的步態(tài)行走，大大提高了機(jī)器人的行走效率和使用壽命。

2.2 斜坡步態(tài)

機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不可避免地會(huì)遇到斜坡地形。為了克服斜坡帶來的影響，李栓柱等［22］從機(jī)器人自身的關(guān)節(jié)角度出發(fā)設(shè)計(jì)了具有高穩(wěn)定裕度的斜坡步態(tài)，提高了機(jī)器人的行走穩(wěn)定性，但忽略了機(jī)器人在爬斜坡過程中的速度、負(fù)載能力、外力、重心多變等因素的影響。柳天虹等［23］提出了最小穩(wěn)定距離的方法。這種方法綜合考慮了外力、重心高度、自身質(zhì)量對(duì)機(jī)器人步行穩(wěn)定性的影響，可以較準(zhǔn)確地分析機(jī)器人的步態(tài)穩(wěn)定性，為柔性機(jī)器人的研究奠定了基礎(chǔ)。

2.3 避障步態(tài)

截至目前，大多數(shù)的六足步行機(jī)器人步行狀態(tài)都是縱向三角步態(tài)。針對(duì)機(jī)器人如何高效地避開障礙物，劉連蕊等［24］提出了橫向三角步態(tài)(如圖13所示)，可以較穩(wěn)定地避開障礙物。但是橫向避障步態(tài)的靈活度、反應(yīng)靈敏度不高，不適用于緊急情況。魏武等［25］基于橫向三角步態(tài)研制了適用于橋梁檢測(cè)、隧道探測(cè)等特殊場(chǎng)合的六足爬壁機(jī)器人，并在此基礎(chǔ)上提出了由橫向三角步態(tài)引出的橫向四角步態(tài)(如圖14所示)，同時(shí)驗(yàn)證了其具有良好的機(jī)動(dòng)性和安全性。Phuc等［26］從程序設(shè)計(jì)的角度出發(fā)研究了一種足式機(jī)器人翻越小型障礙物的算法，但沒有給出詳細(xì)的算法過程，也沒有研究足式機(jī)器人如何應(yīng)對(duì)相對(duì)較大的障礙物。Hema等［27］根據(jù)這種情況給出了詳細(xì)的算法，使得機(jī)器人能夠較穩(wěn)定地跨越障礙物。

圖13 橫向三角步態(tài)

圖14 橫向四角步態(tài)

3 軌跡規(guī)劃與障礙識(shí)別

3.1 足端軌跡規(guī)劃

在多足步行機(jī)器人的行走過程中，落地點(diǎn)的選取及軌跡規(guī)劃對(duì)機(jī)器人步行的連貫性、穩(wěn)定性具有重要影響。對(duì)于六足步行機(jī)器人而言，較好的足端點(diǎn)軌跡應(yīng)具有良好的起落、速度和加速度特性。

常見的足端軌跡有直線段、拋物線、擺線、心形線和樣條曲線等，它們都有各自的特點(diǎn)，可以通過初等函數(shù)、多項(xiàng)式插值等方法進(jìn)行描述。采用初等函數(shù)描述機(jī)器人末端軌跡將不可避免地造成加速度突變的現(xiàn)象，這種突變會(huì)影響機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，并造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的超載。例如:一次函數(shù)最容易組合成給定的形狀，但往往會(huì)造成直線段連接點(diǎn)處加速度和速度的不連續(xù)性;拋物線起始角和終止角可變但高度不變，有利于避障，但在起落時(shí)會(huì)有沖擊現(xiàn)象存在［28］;擺線和心形線也存在著步長(zhǎng)和步高關(guān)系同定不變以及起落角較小等問題;多項(xiàng)式插值能滿足軌跡1階、2階可導(dǎo)和連續(xù)，但由于采樣過多，會(huì)造成多項(xiàng)式插值階次過高而導(dǎo)致震蕩、行走不穩(wěn)等［29－30］。經(jīng)過多次研究發(fā)現(xiàn)，三次樣條曲線不僅能夠滿足軌跡曲線1階、2階可導(dǎo)和連續(xù)，而且軌跡線平滑、階次較低、震動(dòng)較小，完全符合機(jī)器人的最佳行走性能［31］。足端軌跡規(guī)劃好后，針對(duì)如何調(diào)整落地點(diǎn)的位姿，趙龍海等［32］提出了一種基于落足點(diǎn)機(jī)器人位姿的調(diào)整策略，可以用于多足步行機(jī)器人自然地形全方位的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并且適用于各種步態(tài)。

3.2 障礙識(shí)別

Mohd等［33］從視覺的角度出發(fā)研究出一種算法，能夠在一定程度上識(shí)別障礙物，但是忽略了信號(hào)的傳輸和處理速度，實(shí)用性較差。Choi等［34］根據(jù)激光原理提出了一種激光識(shí)別算法，可以精確地識(shí)別障礙物，且不易受環(huán)境的影響，但由于激光照射的距離與電功率有關(guān)，所以對(duì)電量供給有一定的要求。Budiharto等［35］從聽覺角度研究了一種聲控識(shí)別算法，在相對(duì)噪音小的室內(nèi)有很大的實(shí)用性，但在室外，當(dāng)噪音較大時(shí)，這種方法就會(huì)因受到嚴(yán)重的干擾而失去作用。Jenog等［36］設(shè)計(jì)了熱成像識(shí)別算法，但受環(huán)境的影響較大。尤波等［37］從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度出發(fā)提出了一種障礙物自識(shí)別步態(tài)規(guī)劃策略，根據(jù)腿的落地時(shí)間和著力時(shí)間對(duì)機(jī)器人進(jìn)行反饋，使得其做出能否跨越障礙物的判斷，這種方法在多障礙物的情況下有較好的應(yīng)用。

4 進(jìn)一步研究方向

自20世紀(jì)后期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然研究開發(fā)了許多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮順訖C(jī)，但總體而言，以六足步行機(jī)器人目前的基礎(chǔ)技術(shù)，還難以支持這類機(jī)器人的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用［16］。六足步行機(jī)器人進(jìn)一步的研究方向包括以下幾個(gè)方面:

1)步態(tài)規(guī)劃的全面性。目前，大多數(shù)步行機(jī)器人步態(tài)研究針對(duì)的環(huán)境都是較為常規(guī)的地形，對(duì)于泥土、沼澤和較為松軟地形的機(jī)器人的通過問題研究卻很少。此外，在泥濘地面和沼澤行進(jìn)過程中的脫泥脫土問題、跌倒傾翻的自動(dòng)恢復(fù)等問題也需要進(jìn)一步加大研究力度。

2)仿生結(jié)構(gòu)的相似性。自然界中幾乎所有昆蟲的非對(duì)稱腿是不等長(zhǎng)的，非等長(zhǎng)的三足結(jié)構(gòu)具有重心平穩(wěn)、利于越障、轉(zhuǎn)彎靈活等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前大多數(shù)步行機(jī)器人的腿部尺寸是一樣的，所以非等長(zhǎng)腿步行機(jī)器人也是仿生六足步行機(jī)器人將來的研究趨勢(shì)。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的柔性化。當(dāng)前大多數(shù)步行機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)都是剛性的，這就不可避免地會(huì)產(chǎn)生碰撞、干涉，使得步行機(jī)器人行走穩(wěn)定性差、摩擦大、壽命小。為避免這些問題，柔性腿的設(shè)計(jì)是未來六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走的基礎(chǔ)。

4)控制算法的簡(jiǎn)化性。由于六足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，關(guān)節(jié)自由度較多，這就導(dǎo)致其控制算法非常復(fù)雜，因此應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)器人的控制算法，用較簡(jiǎn)單的算法達(dá)到令人滿意的效果［38－39］。

5)步態(tài)規(guī)劃的智能化?，F(xiàn)有的步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃都是建立在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上(包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué))，且周圍環(huán)境已知，因此，步行機(jī)器人在識(shí)別未知的環(huán)境后能否自行使用智能化方法實(shí)現(xiàn)步態(tài)的生成和空間的精確定位就成為下一步研究的方向。

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