文 ／ 朱秋國(guó) 浙江大學(xué)

淺談四足機(jī)器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來(lái)

文 ／ 朱秋國(guó) 浙江大學(xué)

自然界中的四足哺乳動(dòng)物遍布于地球各個(gè)大陸上，在地形環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)靈活性和運(yùn)動(dòng)效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，它們幾乎能在任何陸地上活動(dòng)，不僅可以在崎嶇復(fù)雜地形環(huán)境下快速移動(dòng)，有些還具有較好的負(fù)重能力。它們通過(guò)不同的方式適應(yīng)了環(huán)境的變遷，并在自然界中得以生存和繁衍。

四足機(jī)器人的發(fā)展軌跡

借鑒四足動(dòng)物獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，機(jī)器人學(xué)者開(kāi)始了四足機(jī)器人的研究。

20世紀(jì)60年代，McGhee研制了世界上第一臺(tái)四足機(jī)器人。此后，國(guó)內(nèi)外研制了一批先進(jìn)的四足機(jī)器人，其中最具劃時(shí)代意義的當(dāng)屬美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的Big-Dog，其出眾的運(yùn)動(dòng)能力以及強(qiáng)大的地形適應(yīng)能力，使得它能夠適應(yīng)山地、斜坡、叢林、冰面、雪地等復(fù)雜地形。近年來(lái)，具有強(qiáng)地形環(huán)境適應(yīng)能力、高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能力以及大負(fù)載能力的四足機(jī)器人越來(lái)越受到學(xué)者的重視。這些特點(diǎn)使四足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)輸、災(zāi)后救援、野外勘探、高危環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

20世紀(jì)80年代，MIT Leg-Lab開(kāi)展了腿足動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制研究。他們?cè)谘兄瞥晒瓮葯C(jī)器人的基礎(chǔ)上，將控制算法拓展應(yīng)用到了四足機(jī)器人中。四足機(jī)器人類(lèi)似于將四個(gè)單腿機(jī)器人前后兩兩結(jié)合在一起，并在該機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了踱步、對(duì)角小跑以及跳躍三種步態(tài)，這是早期運(yùn)動(dòng)性能最為出色的四足機(jī)器人。這項(xiàng)研究為后續(xù)波士頓動(dòng)力公司的四足機(jī)器人開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2005年，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司推出的BigDog是四足機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。BigDog采用了伺服液壓缸作為其腿部的驅(qū)動(dòng)器，配套了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，為負(fù)重型四足機(jī)器人的研制提供了新思路，成功地實(shí)現(xiàn)了雪地、冰面、瓦礫等復(fù)雜地面下的穩(wěn)定行，且在受到側(cè)向強(qiáng)擾動(dòng)的情況下仍能保持平衡。LS3進(jìn)一步改進(jìn)了身體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更大的負(fù)載能力，對(duì)野外復(fù)雜地形的通過(guò)能力和適應(yīng)性有了進(jìn)一步提高。在快速性方面，Cheetah的室內(nèi)奔跑速度達(dá)到了45.5km/h，而WildCat在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)小跑、跳躍和奔跑間的相互切換，是目前唯一可以在室外完成gallop奔跑的四足機(jī)器人。

圖1 MIT早期的單腿、雙足和四足機(jī)器人

圖2 BigDog、LS3、Cheetah和WildCat

由于上述機(jī)器人的液壓伺服系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，存在自身質(zhì)量重和噪聲大等問(wèn)題，為此，波士頓動(dòng)力公司研發(fā)了Spot和Spot Mini。Spot總重量約72千克，采用電液混合驅(qū)動(dòng)，降低了運(yùn)動(dòng)噪聲，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走、對(duì)角小跑等步態(tài)，通過(guò)搭載的感知單元，可以在野外環(huán)境下穩(wěn)定行走、上斜坡、上臺(tái)階，在受到側(cè)向推力時(shí)可以自主恢復(fù)平衡。Spot Mini重量更輕且完全采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，極大地降低了運(yùn)動(dòng)噪聲，運(yùn)動(dòng)更為靈活，在Spot Mini上還可以搭載機(jī)械臂，完成物品抓取、遞送、開(kāi)門(mén)等復(fù)雜動(dòng)作。除此之外，在2012年MIT研制了全電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人Cheetah，該機(jī)器人通過(guò)力矩電機(jī)的反驅(qū)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面碰撞能量的回收，具有極高的能量利用率。采用虛擬力模型，通過(guò)地面反作用力控制，實(shí)現(xiàn)了trot和bound步態(tài)運(yùn)動(dòng)，以及gallop步態(tài)的仿真控制。2016年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院推出了新一代四足機(jī)器人ANYmal，該機(jī)器人被設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境下的自主作業(yè)，其軀體上安裝了激光傳感器和攝像機(jī)，用以感知環(huán)境地形進(jìn)行地圖構(gòu)建和自定位，能夠自主規(guī)劃導(dǎo)航路徑并且合理選取落腳點(diǎn)，已被應(yīng)用于油氣站的工業(yè)檢測(cè)，在攜帶電池的情況下自重不超過(guò)30kg，能完成2小時(shí)自主巡檢作業(yè)。

我國(guó)四足機(jī)器人的研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人的研究起步較晚，但也取得了一定的進(jìn)展。2010年，為了提高國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人研究水平，縮小與國(guó)外的差距，國(guó)家863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域啟動(dòng)了“高性能四足仿生機(jī)器人”項(xiàng)目，旨在開(kāi)展新型仿生機(jī)構(gòu)、高功率密度驅(qū)動(dòng)、集成環(huán)境感知、高速實(shí)時(shí)控制等四足仿生機(jī)器人核心技術(shù)研究，以建立高水平四足仿生機(jī)器人綜合集成平臺(tái)。山東大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)均展開(kāi)了液壓驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人研究工作，分別研制了各自的液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人樣機(jī)，在2013年國(guó)家地震緊急救援訓(xùn)練基地進(jìn)行了沙礫石地面、凹凸地形和坡道地形上的行走測(cè)試。中國(guó)北方車(chē)輛研究所研制的山地四足仿生機(jī)器人在“跨越險(xiǎn)阻2016”中正式亮相，比賽成績(jī)優(yōu)異。

圖3 Spot、pot Mini、MIT-Cheetah和ETH-ANYmal

圖4 山東大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國(guó)北方車(chē)輛研究所的四足機(jī)器人

浙江大學(xué)自2011年開(kāi)始研究單腿機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡控制與高能效問(wèn)題。先后開(kāi)展了帶腳踝關(guān)節(jié)的單腿機(jī)器人高能效跳躍和欠驅(qū)動(dòng)單腿機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡控制研究。針對(duì)冗余多關(guān)節(jié)單腿機(jī)器人，通過(guò)研究膝踝關(guān)節(jié)剛度匹配問(wèn)題，使得膝踝在跳躍過(guò)程中呈現(xiàn)較高的協(xié)調(diào)性，從而實(shí)現(xiàn)了最高跳躍高度35cm，最高跳躍能效值CoT為0.29。而平面內(nèi)的單腿動(dòng)態(tài)平衡跳躍運(yùn)動(dòng)，在跳躍過(guò)程中不僅需要滿(mǎn)足預(yù)期的前進(jìn)速度，還要保持身體的平衡性，最終實(shí)現(xiàn)了0.8m/s的穩(wěn)定前進(jìn)跳躍。這些研究工作為后期研制四足機(jī)器人“赤兔”奠定了基礎(chǔ)。

圖5 單腿機(jī)器人高能效跳躍與動(dòng)態(tài)平衡控制

2016年，浙江大學(xué)-南江機(jī)器人聯(lián)合研究中心在第3次世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上推出了四足仿生機(jī)器人“赤兔”?！俺嗤谩比?2個(gè)自由度，身長(zhǎng)1m，寬0.5m、高0.6m，總重65kg，負(fù)載50kg，全身關(guān)節(jié)采用力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)加入小減速比的齒輪箱，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)的力矩、速度和位置控制?！俺嗤谩睓C(jī)器人具有爬坡、爬樓梯、崎嶇路面行走、小跑和奔跑等功能，目前最快跑步速度超過(guò)6km/h。

圖6 四足仿生機(jī)器人“赤兔”

在四足機(jī)器人爬行步態(tài)中，浙大根據(jù)步態(tài)特性引入了狀態(tài)機(jī)進(jìn)行步態(tài)控制，建立了在線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程，提出一種基于COG（Center of Gravity）穩(wěn)定性判據(jù)的路徑規(guī)劃方法與基于ZMP（Zero Moment Point）穩(wěn)定性判據(jù)的重心軌跡規(guī)劃方法，有效保證了四足機(jī)器人身體運(yùn)動(dòng)軌跡的光滑性以及四足移動(dòng)行走的穩(wěn)定性。對(duì)于未知地形，提出了一種足端軌跡規(guī)劃方法確保四足機(jī)器人有效實(shí)現(xiàn)未知復(fù)雜地形上的擺動(dòng)腿跨步。同時(shí)，根據(jù)感知策略獲取的地形信息，提出了四足機(jī)器人軀體的質(zhì)心高度和姿態(tài)對(duì)于未知復(fù)雜地形的自適應(yīng)控制方法。

針對(duì)四足機(jī)器人的bound奔逃步態(tài)，浙大提出了一種豎直虛擬彈簧模型，通過(guò)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人對(duì)地面的反作用力輪廓和相應(yīng)控制率，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，引入了相位實(shí)時(shí)反饋計(jì)算，用于修改機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的節(jié)律偏差，最終實(shí)現(xiàn)了bound奔跑運(yùn)動(dòng)，也是目前國(guó)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)奔跑的電驅(qū)型四足機(jī)器人。

四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

縱觀國(guó)內(nèi)外四足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，我認(rèn)為四足機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)可能有以下幾方面：

四足機(jī)器人將根據(jù)負(fù)載大小決定驅(qū)動(dòng)的類(lèi)型，電機(jī)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和控制相對(duì)容易，在低噪聲上具有優(yōu)勢(shì)，適用于中小型、低負(fù)載和低成本的平臺(tái)開(kāi)發(fā)；而液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人盡管在運(yùn)動(dòng)快速性和大負(fù)載上都可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，但是噪聲大，易漏油，更適用于室外應(yīng)用。

在快速穩(wěn)定上，除了波士頓動(dòng)力公司之外，快速穩(wěn)定跑步控制仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因此開(kāi)發(fā)快速跑步運(yùn)動(dòng)，且具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的四足機(jī)器人仍然將是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖7 面向臺(tái)階地形的自適應(yīng)行走與前向跳躍運(yùn)動(dòng)

腿足機(jī)器人由于每次落地與地面存在較大的碰撞，容易造成能量的損失，在有限能源的情況下，如何實(shí)現(xiàn)更加高能效的運(yùn)動(dòng)，開(kāi)發(fā)更好性能的仿生機(jī)構(gòu)和控制算法是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一，另外結(jié)合腿足與輪式的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出具有更強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境的混雜機(jī)器人系統(tǒng)，也許是一種更好的方式。

發(fā)掘更多的應(yīng)用場(chǎng)景。由于四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能和開(kāi)發(fā)成本等約束，四足機(jī)器人的應(yīng)用仍然受到限制，因此如何結(jié)合國(guó)情特點(diǎn)，大膽開(kāi)拓應(yīng)用示范，在科研教育、抗災(zāi)救險(xiǎn)、偵察巡邏、以及太空探索等場(chǎng)合積極探索，也十分必要。四足機(jī)器人開(kāi)發(fā)者如何將開(kāi)發(fā)機(jī)器人產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合也是未來(lái)需要考慮的重要問(wèn)題之一。

浙江大學(xué)-南江機(jī)器人聯(lián)合研究中心研制的“赤兔”四足機(jī)器人致力于打造國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人科研和教學(xué)的通用化平臺(tái)，為廣大機(jī)器人學(xué)者和愛(ài)好者提供高性?xún)r(jià)比的機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅具備了基本的行走和跑跳功能，還為開(kāi)發(fā)者提供了二次開(kāi)發(fā)編程接口，開(kāi)發(fā)者只需重新編寫(xiě)程序即可體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)控制所帶來(lái)的獨(dú)特魅力。這種方式極大地減輕了研究者在工程量上的時(shí)間投入，使得大家可以集中精力研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、以及智能感知與控制等算法上，更快地促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

（作者系浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院、工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橥仁綑C(jī)器人、柔性機(jī)械手、醫(yī)療機(jī)器人以及人工智能等。）