【分析】国内外四足机器人的发展历史、发展趋势

【分析】国内外四足机器人的发展历史、发展趋势

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四足机器人是如何发展的?


1968年由美国GE公司Ralph Moshe设计的在崎岖地形下帮助步兵携带的设备Walking Truck[9]如图1-1,该设备是由四条相同的机械腿与机体相连接,机械腿是由三个转动副组成有三个自由度,能够实现足端两个方向的转动和一个方向的移动,机器人的整体运动是由操作人员通过控制换向阀控制四肢的动作来实现的,通过液压伺服系统提供的各关节动力,实现身体姿势和腿部的复杂运动。在操作过程中主要依靠设备中的力反馈,操纵者来判断运动情况。由于当时的设备限制不具备智能控制,虽然操作起来比较费力,但也实现了运动承载功能,仍是一项代表性的研究成果。

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美国波士顿动力学公司自1992年创立以来便开始研发机器人,并于 2005 年研发了四腿机器人 Big Dog[10]如图 1-2。它主要是用四足哺乳动物的结构为仿生参考来进行设计制造的,它的单腿运动主要是靠三个转动副和一个移动副来完成,整体结构拥有 12 或 16 个主动自由度,驱动方式主要以内燃机为动力源驱动液压系统来完成,在运动过程中通过机载系统对机器人的姿态和环境进行检测,然后利用虚拟模型对机器人进行模拟仿真和运动规划,再根据实际的动力学进行输出,从而完成整体的运动,这种运动方式使得机器人具有很强的地形适应性。

此外,美国波士顿动力公司在 Big Dog 基础上又研制了 Cheetah、Little Dog[11],如图 1-3、图 1-4 所示,其中 Cheetah 是世界上速度最快的机器人的记录,它的速度每小时超过 29 英里,动力来自于液压泵。其中 Little Dog 用于研究动态控制、复杂地形感知和运动行为关联的通用机器人,能够实现根据自身特点在复杂地形移动的能力。

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美国斯坦福大学与俄勒冈州立大学移动实验室共同研发了一款四足机器人KOLT[12],如图 1-5 所示,其结构是以大山羊为仿生对象进行设计,每条腿有 3个自由度,通过电磁驱动来实现机器人的运动,可以实现在平坦地面高速跑步运动。从 1976 年起,日本东京工业大学先后研究出一系列机器人,如 KUMO—I 四足机器人、PV—II 以及 TITIN[13]系列四足机器人。其中,KUMO—I[14]四足机器人外观形似蜘蛛,能越过较小的障碍物,TITIN 系列四足机器人中最具有代表性的是 TITIN—VIII[15],如图 1-6 所示,腿部采用这三个转动副为驱动来实现机器的移动,拥有三个自由度,具有多种步行步态,有较高的自适应能力。TITAN—XI[16]能够利用检测到的路面情况对机器人运动进行调整,可以应用于大型工程施工中,能在混凝土斜坡上运动。

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2011 年,日本东京大学研发了四足机器人 PLGORAS[17],如图 1-7 所示,机器人采用 ABS 树脂和碳纤维增强复合材料等制作而成,机器人采用前腿两段驱动,后腿三段驱动,整体具有 10 个自由度,能够实现走、跑、跳等功能,最大亮点在于它是通过模拟神经系统”自主”进行移动的,不需要提前对机器人的动作进行编程。

加拿大麦吉尔大学研发了Scout系列和PAW 系列四足机器人[18],其结构简单,自由度相对较少便于控制,Scout II 每条腿有两个自由度,在腿设计上增加了弹性元件,能够实现机器人在弹跳步态下的奔跑和转向,PAW在Scout II的基础上对足端添加了主动轮,能够实现轮腿或轮腿复合的一系列运动。

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德国移动机器人智能架构研究中心研制的一款猿猴类型的机器人 Charlie,如图1-8 所示,机器人可以四肢着地进行攀爬移动,就像是真正的灵长类动物一样,这是世界上第一款配备了驱动脊椎和机械腿的机器人,这可以使机器人在越障或攀爬高山时更加稳定,即使摔倒也可以重新爬起来。

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意大利技术学院开发的具有代表性的液压动力四足机器人Hyq[19],如图1-9所示。机器人有 12 个自由度,其中 8 个为液压驱动,4 个为电动,每个腿都设计了踝关节和足端,能够实现静态步行和单腿竖直平面跳跃。

国内研究现状及发展趋势

20世纪80年代开始,我国相关高校和科研院所对四足机器人展开系统研究。虽然基础较弱、起步较晚,但得到了国家的极大重视,其研究列入了国家”863″计划。目前,国内有关四足机器人研究的中坚力量主要集中在高校和少数研究机构,其中上海交通大学、清华大学、山东大学、北京理工大学、同济大学等高校的研究工作及其成果比较具有代表性。

国内最早进行四足机器人研究的是以上海交通大学马培荪教授为主的研究人员。他们研制的关节式哺乳动物型四足机器人 JTUMM—III[20],整体有 12 个自由度,采用直流伺服电机进行驱动,利用它的足端压力传感器,通过位置和力的混合控制,实现了机器人的低速动态行走运动。

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上海交大研制的”智慧小象”机器人,如图 1-11 所示,机器人整体拥有 12 个自由度,每条机械腿有 3 个驱动,腿部下部采用四边形放大机构,机身装有力觉测量与实时感知信息反馈系统,能够使机器人有在惯性力和外力冲击下自动回复平衡的能力。机身可以随身携带动力源,同时可以实现远程操纵。

国内外研究难点及发展趋势;

总体来说,四足机器人的发展趋势在不同技术层面和不同地区呈现不同的侧重方向。

从地区分布上说,国外对四足机器人的研究起步早、基础厚、水平高。对四足器人的驱动方式、运动形式、稳定依据判定等存在技术分歧的部分都进行过各种技术探索与科学尝试,多传感器融合技术也得到初步验证。尤其应当看到的是,美国由于军方的介入,其最新一代样机已经接近实用,这使其居于世界领先的地位。国内对四足机器人的研究因起步晚、基础弱、水平低,特别是在系统理念、关键器件、基础术等方面存在较大差距等原因,在四足机器人的行进速度、负载能力等硬性指标上以及针对地形和扰动的自适应控制技术方面均和国外研究水平相差甚远,需要奋起直追,迎头赶上。

从技术层面看,四足机器人从最初的完全人工操作到现在具有一定的智能化程度其相关技术如计算机视觉、自动控制、人工智能、步态规划和能源供应等都取得了较大的进展。此外,四足机器人的行走模式经过了一个漫长的发展时期,从最初的静态稳定步行到特定环境中的动态稳定步行,再到在非结构化环境下的较为实用的动态定步行,四足机器人在步行适应性方面已经有了长足的进步。随着微处理器性能的步提升,越来越先进的理论和算法被应用到四足机器人的步态控制中,通过控制统、机械系统、环境之间的相互耦合传递运动,使四足机器人具有良好的稳定性和适应性。

总体设计改进分析:

若想研制出强劲、性能稳定、行走可靠并能实际应用的四足机器人,需要攻克以下几个技术难点。

①四足机器人有效作业时长的提高;
②四足机器人运动时各个关节驱动单元的协调控制;
③四足机器人静止步态和动态步态的稳定实现;
④四足机器人运行过程中所产生的机械噪声的降低;
⑤改变现有的离线预编程步态,提高步态的实时适应性和自平衡能力;
⑥优化四足机器人的整体重量和体积,提高机器人通过复杂地形的能力。

要有效解决以上问题,必须合理进行四足机器人的系统设计。需要在机械结计、动力单元匹配、能源系统选择及控制系统搭建等方面开展深入研究应当看到,一些早期的四足机器人其控制系统多采用移植了实时操作系统的机以构成控制系统的核心,执行单元的驱动模块多采用通用器件搭建。

CPG控制方法的引入与改进:

①CPG模型参数整定方法;
②步态转换问题;
③对动物整个运动控制系统进行模拟;
④实现机器人整体姿态与步态规划的联动控制。

目前,世界上各国研发出来的四足机器人离模仿自然界中的动物还有不小的差距,还有一段路要走。


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