【正文】 式車輛。步行機(jī)器人腿式系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性：較好的機(jī)動(dòng)性 ,崎嶇路面上乘坐的舒適性 ,對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)。所以 ,這類機(jī)器人在軍事運(yùn)輸、海底探測(cè)、礦山 開采、星球探測(cè)、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行業(yè) ,有非基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 2 常廣闊的應(yīng)用前景 ,多足步行機(jī)器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 定位精度是衡量多足機(jī)器人性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，無論在理論上還是在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中都受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，由于工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，針對(duì)其誤差的研究已經(jīng)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，而多足步行機(jī)器人尚未能像工業(yè)機(jī)器人那樣大規(guī)模的應(yīng)用 ,其基礎(chǔ)理論的研究比較滯后 ,關(guān)于其位姿誤差分析的研究自今很少涉及。 通過多足步行機(jī)器人的位姿誤差分析，可以得到各個(gè)誤差源對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)輸出位姿的影響程度 ，從而可以發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，明確提高機(jī)器人精度的重點(diǎn)和方向，為改善機(jī)器人的設(shè)計(jì)質(zhì)量和提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)水平提供準(zhǔn)確可靠的資料和依據(jù)。因此，在多足步行機(jī)器人領(lǐng)域?qū)冗M(jìn)行研究是一項(xiàng)重要而富有實(shí)際意義的工作。 本課題的研究將介紹一種多足步行機(jī)器人的誤差分析的方法，以四足步行機(jī)器人為例，通過仿真驗(yàn)證該方法的可行性。該課題的研究將會(huì)促進(jìn)多足步行機(jī)器人向?qū)嵱没~進(jìn)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 多足步行機(jī)器人的 發(fā)展最早可追溯到中國古代三國時(shí)的“木牛流馬”。有據(jù)可查的是在 1893 年 Rygg 設(shè)計(jì) 的機(jī)械馬， 歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì) 的發(fā)展，特別是隨著 20 世紀(jì)后期計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù) 、 生物工程的飛速發(fā)展，多足步行機(jī)器人的研究已 經(jīng) 取得了長足的進(jìn)步。 20 世紀(jì) 60 年代初 ，由 美國的 Shigley 和 Baldwin 設(shè)計(jì)出 了 比履帶車或輪式車更為靈活的步行機(jī)。比較典型的是 由 Mosher（ 美國 ）在 1968 年設(shè)計(jì)的“ WalkingTruck” 四足車 [1]，如圖 11 所示。其四條腿采用液壓驅(qū)動(dòng)，手臂和腳安裝有位置傳感器，具有步行和爬越障礙的功能，因此， “ WalkingTruck” 被視為步行機(jī)發(fā)展史上一個(gè)里程碑。 在 1976 年 ， 日本的 Shiego Hirose 成功 研制 了 世界上第一臺(tái)四足步行機(jī)器人 KUMO，如圖 12 所示。 它的外形 像 一個(gè)蜘蛛，有四條腿，能夠爬行 [2]。 1983 年由美國研制的 “ ODEXI” 六足步行機(jī)器人， 6條腿沿圓周 均布 ,且每條腿 有 3個(gè)自由度 ,適于在狹小空間 里 運(yùn)動(dòng) ,還 可以上下臺(tái)階。 19841986 年東京大學(xué)的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Colliel 四足機(jī)器人，如圖 l3所示。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。 Collie2每條腿有 5個(gè)關(guān)節(jié)，且每個(gè)關(guān)節(jié) 都裝有電位器。該機(jī)器人 裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。 19841986 年東京大學(xué)的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Colliel 四足機(jī)器人，如圖 l3 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 3 圖 11 步行機(jī) “WalkingTruck” 圖 12 第一臺(tái)四足步行機(jī)器人 KUMO 所示。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。 Collie2每條腿有 5個(gè)關(guān)節(jié)，且每個(gè)關(guān)節(jié)都裝有電位器。該機(jī)器人 裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。 圖 13 Colliel 圖 14 Collie2 圖 15 “ Spiderrobot” 圖 16 “ Attila” 美國 NASA 研制的微型爬行機(jī)器人“ Spiderbot” ， 如圖 15所示 ,機(jī)器人外形 象 蜘蛛 , 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 4 重量輕 ,體積只有人頭部的一半大小 ,可以在不規(guī)則的星球表面爬行。 1990 年 初 由美國 MIT AI Lab 完成的仿昆蟲有腿行走機(jī)器人 Attila,如圖 16 所示 。 Attila 采用 了 模塊化設(shè)計(jì) , 頭、腿、身體都 有 各自的驅(qū)動(dòng)器 、 傳感器和子處理 器 ， 有 19個(gè)自由度。 等 研制的 TITAN 系列 四足步行 機(jī)器人歷經(jīng) 了八代。 TITANIII[4]，其 足由形狀記憶合金組成， 且 裝有信號(hào)處理系統(tǒng)和傳感器，可以自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)。 1994年研制 了 TITANVII，其 能夠 躲 避障 礙和 在陡峭和崎嶇 的地方步行 。 1996 年研制的四足機(jī)器人 TITANVIII，如圖 17 所示， 它 具有很 高的地面 適應(yīng)能力，腿能夠作為工作臂，用于排雷和探測(cè)地雷 [5]。 圖 17 TITANVIII 圖 18 ScoutI 加拿大 McGill 大學(xué)研制了四足機(jī)器人 ScoutI [6]，如圖 18 所示，機(jī)器人只有四個(gè)自由度，每條腿有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。能轉(zhuǎn)彎、步行和跨臺(tái)階，但可靠性較差。 ScoutII [7]，如圖 19所示，能完成奔跑和步行等運(yùn)動(dòng)。 1995 年 ， 日本的安達(dá)、小谷內(nèi) 等研究了手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人 MELMANTIS[8],能將腳的移動(dòng)和手臂的操作統(tǒng)一起來。該機(jī)器人可進(jìn)行地雷探測(cè)、森林采伐和拆除作業(yè)等。 1998 年由德國開發(fā)的四足機(jī)器人 BISAM[9]，如圖 110 所示。該機(jī)器人 4 條腿完全相圖 19 ScoutII 圖 110 BISAM 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 5 同，每條腿之間由 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)相連，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接軀干和腿部。該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。 西班牙開發(fā)的四足機(jī)器人 SIL04，如圖 111 所 示。機(jī)器人每條腿有 3 個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并裝有傾角器、編碼器、力傳感器和電位器。能在不平地面上行走，并能躲避障礙物。 圖 111 SIL04 圖 112 ASTERISK 2021 年由大阪大學(xué)的新井健生、田窪明仁等研制成功的新型手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人ASTERISK[8]，如圖 112 所示。該機(jī)器人有 6 條腿 , 且每條腿有 4 個(gè)自由度，具有用手搬運(yùn)物品及用腳移動(dòng)或進(jìn)行作業(yè)的雙重機(jī)能，具 有全方向移動(dòng)的機(jī)能和全方位均等的作業(yè)空間，可懸吊于天花板進(jìn)行作業(yè)或在不平地面上移動(dòng)。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有 6 個(gè) CCD 攝像機(jī)和 11 個(gè)傳感器。 國內(nèi) 從 20世紀(jì) 80 年代 末 90 年代初開始研究步行機(jī) [8]。 近年來 ,對(duì) 多足步行機(jī)器人 相關(guān) 技術(shù) 的研究取得了一系列 成果。 1980 年 ,中國科學(xué)院研制 成功了 八足步行 機(jī)器人 。 1989 年 ,北京航空航天大學(xué)研究 成功了四足步行機(jī)器人。 1990 年 ,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出了六足步行機(jī)器人 [10]。同年 ,清華大學(xué) 也研制成功了全方位三 足步行機(jī)器人 DTWN。 1991 年 ,上海交通大學(xué)研制了四足 步行機(jī)器人 JTUWM 系列 [11]。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機(jī)器人 [12]。 華中科技大學(xué) 研制 的 4+2多足步行機(jī)器 人 [13]。 從目前國內(nèi)外多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀可看出 ，多足步行機(jī)器人多作為一種移動(dòng)平臺(tái)，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。對(duì)有手腳融合功能的多足步行機(jī)器人的研究極少涉及。 2021 年由大阪大學(xué)的新井健生、田窪明仁等研制成功的新型手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人ASTERISK[8]，如圖 112 所示。該機(jī)器人有 6 條腿 , 且每條腿有 4 個(gè)自由 度，具有用手搬運(yùn)物品及用腳移動(dòng)或進(jìn)行作業(yè)的雙重機(jī)能，具有全方向移動(dòng)的機(jī)能和全方位均等的作業(yè)空基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 6 間，可懸吊于天花板進(jìn)行作業(yè)或在不平地面上移動(dòng)。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有 6 個(gè) CCD 攝像機(jī)和 11 個(gè)傳感器。 國內(nèi) 從 20世紀(jì) 80 年代 末 90 年代初開始研究 步行機(jī) [8]。 近 年來 ,對(duì) 多足步行機(jī)器人 相關(guān) 技術(shù) 的研究取得了一系列 成果。 1980 年 ,中國科學(xué)院研制 成功了 八足步行 機(jī)器人 。 1989 年 ,北京航空航天大學(xué)研究 成功了四足步行機(jī)器人。 1990 年 ,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出了六足步行機(jī)器人。同年 ,清華大學(xué) 也研制成功了全方位三 足步行機(jī)器 人 DTWN。 1991 年 ,上海交通大學(xué)研制了四足步行機(jī)器人 JTUWM 系列。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機(jī)器人。 華中科技大學(xué) 研制 的 4+2 多足步行機(jī)器 人 [14]。 從目前國內(nèi)外多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀可看出 ，多足步行機(jī)器人多作為一種移動(dòng)平臺(tái)，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。對(duì)有手腳融合功能的多足步行機(jī)器人的研究極少涉及。 行機(jī)器人誤差研究的現(xiàn)狀 機(jī)器人的實(shí)到位姿與理論位姿之間的偏差，稱為機(jī)器人的位姿誤差，這個(gè)指標(biāo)直接影響到多足步行機(jī)器人 定位精度。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，多足步行機(jī)器人機(jī)身可作為作業(yè)平臺(tái)搭載儀器設(shè)備，因此其定位精度直接影響到機(jī)器人的工作質(zhì)量。目前，有很多學(xué)者對(duì)并聯(lián)機(jī)器人誤差進(jìn)行了研究，由于多足步行機(jī)器人在瞬時(shí)類似于具有冗余驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，因此，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的誤差分析理論也可用于多足步行機(jī)器人的誤差研究中。 在國外，已有不少學(xué)者對(duì)機(jī)器人誤差建模進(jìn)行了研究。早在 1978 年， K J Waldron 和A Kuman 就提出了操作機(jī)器人的位置誤差問題。次年，他們又對(duì)機(jī)器人位置精度提出了機(jī)器人位姿誤差建模的矩陣法，在 DH 坐標(biāo)系中，采用兩個(gè) 3 3 旋轉(zhuǎn)變換矩陣和一個(gè) 3 維平移列矢量作為相鄰構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)換矩陣，并假設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，且不存在任何誤差，建立了機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達(dá)式。后來， A Kuman 和 S Prakash 引入結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差，導(dǎo)出了綜合考慮運(yùn)動(dòng)變量誤差和結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達(dá)式。 Chihaur Wu 將機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度分析方法應(yīng)用到靜態(tài)誤差分析中來，導(dǎo)出了由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量誤差引起的末端執(zhí)行器位置誤差變化規(guī)律。 Wang S M 和Ehmann 利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器誤差、鉸鏈自身誤差及鉸 鏈定位誤差建立可以直接微分的輸入輸出方程然后進(jìn)行直接微分，進(jìn)行誤差建模。 Timo 提出一種分析機(jī)器人精度的方法，根據(jù)輸入輸出方程微分推導(dǎo)求得輸出誤差與驅(qū)動(dòng)誤差與尺寸誤差的關(guān)系方程。 Han S Kim對(duì) Stewart 平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差范圍作了分析與綜合 ,通過對(duì)誤差模型特征值問題的分析，研究了特征值與位姿誤差和鉸點(diǎn)誤差界限的關(guān)系，提出了 Stewart基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 7 平臺(tái)誤差界限正逆解問題的分析方法，并以雙三角 Stewart 平臺(tái)為仿真對(duì)象，分析了動(dòng)平臺(tái)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)特征值的變化情況。 在國內(nèi)，關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的誤差理論已成為學(xué)者 的研究熱點(diǎn) [1520]。黃真教授 [21]采用螺旋理論對(duì)并聯(lián)機(jī)器人位姿誤差進(jìn)行了分析，其研究?jī)?nèi)容是分析已知尺寸誤差，控制誤差以及運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)末端位姿誤差的影響。汪勁松教授 [22]將 Stewart 平臺(tái)的各分支作為假想的單開鏈，利用串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) DH 方法，結(jié)合從運(yùn)動(dòng)學(xué)方程微分得到的結(jié)論，推導(dǎo)出Stewart 平臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)誤差和鉸鏈間隙誤差間的映射關(guān)系。徐衛(wèi)良 [23]則通過直接對(duì)各個(gè)原始誤差的微小位移矢量進(jìn)行合成，建立了機(jī)器人手部位姿誤差的數(shù)學(xué)模型。利用蒙特卡洛技術(shù)模擬服從某種概率分布的原始誤差，抽樣 計(jì)算機(jī)器人手部位姿誤差，然后在數(shù)值上完成了機(jī)器人在其可達(dá)工作空間內(nèi)的位姿誤差的各種概率分析。在誤差概率分析的基礎(chǔ)上，建立了以連桿參數(shù)公差為設(shè)計(jì)變量、公差制造成本為目標(biāo)函數(shù)、絕對(duì)位姿誤差滿足設(shè)計(jì)精度為約束條件的機(jī)器人機(jī)構(gòu)精度優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。洪林 [24]從典型結(jié)構(gòu) Stewart平臺(tái)出發(fā)，運(yùn)用并聯(lián)機(jī)器人輸入輸出微分關(guān)系，建立了機(jī)器人輸出位姿誤差正解的數(shù)學(xué)模型，全面分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和位姿參數(shù)對(duì)輸出位姿誤差的影響問題，研究了不同參數(shù)下奇異位形和機(jī)器人位姿正負(fù)偏差最大值出現(xiàn)的位置，結(jié)合對(duì)位姿正負(fù)偏差最大值的控制，提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)合理取值以有效避開誤差敏感區(qū)的可行方法。焦國太 [25]在剛性機(jī)器人精度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合柔性機(jī)器人的研究成果，對(duì)機(jī)器人位姿誤差的分析，充分考慮了連桿和關(guān)節(jié)柔性以及靜態(tài)誤差對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿精度的影響，將剛性機(jī)器人的精度分析方法和柔性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究相結(jié)合，建立了機(jī)器人的位姿誤差分析模型。祃琳 [36]以 3－ HSS 型并聯(lián)機(jī)床為對(duì)象，利用空間矢量鏈模型建立零部件制造誤差與動(dòng)平臺(tái)位姿誤差的映射關(guān)系，當(dāng)給定零部件制造公差后，利用該模型即可預(yù)估出動(dòng)平臺(tái)的位姿誤差。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果， 提出一種在給定刀具位姿允差條件下，以零部件制造公差加權(quán)歐氏范數(shù)最大為目標(biāo)，以角性公差和線性公差在同一精度等級(jí)下達(dá)到均衡為約束條件的精度設(shè)計(jì)方法。 本文研究?jī)?nèi)容 本文以四足步行機(jī)器人為研究對(duì)象，在討論其運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了誤差建模與分析的方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性 .本文的研究對(duì)于提高多足步行機(jī)器人的定位精度，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和優(yōu)化多足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要意義。 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究