【正文】 式車輛。步行機器人腿式系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性：較好的機動性 ,崎嶇路面上乘坐的舒適性 ,對地形的適應(yīng)能力強。所以 ,這類機器人在軍事運輸、海底探測、礦山開采、星球探測、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器人的運動精度研究 2 常廣闊的應(yīng)用前景 ,多足步行機器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。 定位精度是衡量多足機器人性能的一個重要指標，因此，無 論在理論上還是在實驗當(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)機器人的廣泛應(yīng)用，針對其誤差的研究已經(jīng)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，而多足步行機器人尚未能像工業(yè)機器人那樣大規(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。 通過多足步行機器人的位姿誤差分析，可以得到各個誤差源對機器人機構(gòu)輸出位姿的影響程度，從而可以發(fā)現(xiàn)機構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，明確提高機器人精度的重點和方向，為改善機器人的設(shè)計質(zhì)量和提高機器人的設(shè)計水平提供準確可靠的資料和依據(jù)。因此，在多足步行機器人領(lǐng)域?qū)冗M行研究是一項重要 而富有實際意義的工作。 本課題的研究將介紹一種多足步行機器人的誤差分析的方法，以四足步行機器人為例，通過仿真驗證該方法的可行性。該課題的研究將會促進多足步行機器人向?qū)嵱没~進。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 多足步行機器人的研究現(xiàn)狀 多足步行機器人的 發(fā)展最早可追溯到中國古代三國時的“木牛流馬”。有據(jù)可查的是在 1893 年 Rygg 設(shè)計的機械馬， 歷經(jīng)一個多世紀 的發(fā)展，特別是隨著 20 世紀后期計算機技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù) 、 生物工程的飛速發(fā)展，多足步行機器人的研究已 經(jīng) 取得了長足的進步。 20 世紀 60 年代初 ，由 美國的 Shigley 和 Baldwin 設(shè)計出 了 比履帶車或輪式車更為靈活的步行機。比較典型的是 由 Mosher（ 美國 ）在 1968 年設(shè)計的“ WalkingTruck” 四足車 [1]，如圖 11 所示。其四條腿采用液壓驅(qū)動，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” 被視為步行機發(fā)展史上一個里程碑。 在 1976 年 ， 日本的 Shiego Hirose 成功 研制 了 世界上第一臺四足步行機器人 KUMO，如圖 12 所示。 它的外形 像 一個蜘蛛，有四條腿，能夠爬行 [2]。 1983 年由美國研制的 “ ODEXI” 六足步行機器人， 6條腿沿圓周 均布 ,且每條腿 有 3個自由度 ,適于在狹小空間 里 運動 ,還 可以上下臺階。 19841986 年東京大學(xué)的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Colliel 四足機器人，如圖 l3所示。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。 Collie2每條腿有 5個關(guān)節(jié)，且每個關(guān)節(jié)都裝有電位器。該機器人 裝有實時操作系統(tǒng) ， 實現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。 19841986 年東京大學(xué)的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Colliel 四足機器人，如圖 l3 基于手腳融合的多足步行機器人的運動精度研究 3 圖 11 步行機 “WalkingTruck” 圖 12 第一臺四足步行機器人 KUMO 所示。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。 Collie2每條腿有 5個關(guān)節(jié)，且每個關(guān)節(jié)都裝有電位器。該機器人 裝有實時操作系統(tǒng) ， 實現(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 微型爬行機器人“ Spiderbot” ， 如圖 15所示 ,機器人外形 象 蜘蛛 , 基于手腳融合的多足步行機器人的運動精度研究 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器人 Attila,如圖 16 所示 。 Attila 采用 了 模塊化設(shè)計 , 頭、腿、身體都 有 各自的驅(qū)動器 、 傳感器和子處理 器 ， 有 19個自由度。 等 研制的 TITAN 系列 四足步行 機器人歷經(jīng) 了八代。 TITANIII[4]，其 足由形狀記憶合金組成， 且 裝有信號處理系統(tǒng)和傳感器，可以自動檢測與地面接觸的狀態(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，用于排雷和探測地雷 [5]。 圖 17 TITANVIII 圖 18 ScoutI 加拿大 McGill 大學(xué)研制了四足機器人 ScoutI [6]，如圖 18 所示，機器人只有四個自由度，每條腿有一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。能轉(zhuǎn)彎、步行和跨臺階，但可靠性較差。 ScoutII [7]，如圖 19所示，能完成奔跑和步行等運動。 1995 年 ， 日本的安達、小谷內(nèi) 等研究了手腳統(tǒng)一型步行機器人 MELMANTIS[8],能將腳的移動和手臂的操作統(tǒng)一起來。該機器人可進行地雷探測、森林采伐和拆除作業(yè)等。 1998 年由德國開發(fā)的四足機器人 BISAM[9]，如圖 110 所示。該機器人 4 條腿完全相圖 19 ScoutII 圖 110 BISAM 基于手腳融合的多足步行機器人的運動精度研究 5 同，每條腿之間由 3 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)相連，另一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接軀干和腿部。該機器人實現(xiàn)了實時控制。 西班牙開發(fā)的四足機器人 SIL04，如圖 111 所 示。機器人每條腿有 3 個回轉(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)一型步行機器人ASTERISK[8]，如圖 112 所示。該機器人有 6 條腿 , 且每條腿有 4 個自由度，具有用手搬運物品及用腳移動或進行作業(yè)的雙重機能，具有全方向移動的機能和全方位均等的作業(yè)空間，可懸吊于天花板進行作業(yè)或在不平地面上移動。采用電機驅(qū)動，有 6 個 CCD 攝像機和 11 個傳感器。 國內(nèi) 從 20世紀 80 年代 末 90 年代初開始研究步行機 [8]。 近年來 ,對 多足步行機器人 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 機器人 。 1989 年 ,北京航空航天大學(xué)研究 成功了四足步行機器人。 1990 年 ,中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出了六足步行機器人 [10]。同年 ,清華大學(xué) 也研制成功了全方位三 足步行機器人 DTWN。 1991 年 ,上海交通大學(xué)研制了四足步行機器人 JTUWM 系列 [11]。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機器人MDTWR。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機器人 [12]。 華中科技大學(xué) 研制 的 4+2多足步 行機器 人 [13]。 從目前國內(nèi)外多足步行機器人的研究現(xiàn)狀可看出 ，多足步行機器人多作為一種移動平臺，很難實現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。對有手腳融合功能的多足步行機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)一型步行機器人ASTERISK[8]，如圖 112 所示。該機器人有 6 條腿 , 且每條腿有 4 個自由度，具有用手搬運物品及用腳移動或進行作業(yè)的雙重機能，具有全方向移動的機能和全方位均等的作業(yè)空基于手腳融合的多足步行機器人的運動精度研究 6 間，可懸吊于天花板進行作業(yè)或在不平地面上移動。采用電機驅(qū)動，有 6 個 CCD 攝像機和 11 個傳感器 。 國內(nèi) 從 20世紀 80 年代 末 90 年代初開始研究 步行機 [8]。 近 年來 ,對 多足步行機器人 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 機器人 。 1989 年 ,北京航空航天大學(xué)研究 成功了四足步行機器人。 1990 年 ,中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出了六足步行機器人。同年 ,清華大學(xué) 也研制成功了全方位三 足步行機器人 DTWN。 1991 年 ,上海交通大學(xué)研制了四足步行機器人 JTUWM 系列。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機器人MDTWR。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機器人。 華中科技大學(xué) 研制 的 4+2 多足步行機器 人 [14]。 從目前國內(nèi)外多足步行機器人的研究現(xiàn)狀可看出 ，多足步行機器人多作為一種移動平臺，很難實現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。對有手腳融合功能的多足步行機器人的研究極少涉及。 行機器人誤差研究的現(xiàn)狀 機器人的實到位姿與理論位姿之間的偏差，稱為機器人的位姿誤差，這個指標直接影響到多足步行機器人定位精度。在很多應(yīng)用場合，多足步行機器人機身可作為作業(yè)平臺搭載儀器設(shè)備，因此其定位精度直接影響到機器人的工作質(zhì)量。目前，有很多學(xué)者對并聯(lián)機器人誤差進行了研究，由于多足步行機器人在瞬時類 似于具有冗余驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)，因此，對并聯(lián)機器人的誤差分析理論也可用于多足步行機器人的誤差研究中。 在國外，已有不少學(xué)者對機器人誤差建模進行了研究。早在 1978 年， K J Waldron 和A Kuman 就提出了操作機器人的位置誤差問題。次年，他們又對機器人位置精度提出了機器人位姿誤差建模的矩陣法，在 DH 坐標系中，采用兩個 3 3 旋轉(zhuǎn)變換矩陣和一個 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，建立了機器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達式。后來， A Kuman 和 S Prakash 引入結(jié) 構(gòu)參數(shù)誤差，導(dǎo)出了綜合考慮運動變量誤差和結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的機器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達式。 Chihaur Wu 將機器人機構(gòu)運動速度分析方法應(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)運動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 利用坐標轉(zhuǎn)換方法，針對并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動器誤差、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行直接微分，進行誤差建模。 Timo 提出一種分析機器人精度的方法，根據(jù)輸入輸出方程微分推導(dǎo)求得輸出誤差與驅(qū)動誤差與尺寸誤差的關(guān)系方程。 Han S Kim對 Stewart 平臺的并聯(lián)機器人運動誤差范圍作了分析與綜合 ,通過對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誤差界限的關(guān)系，提出了 Stewart基于手腳融合的多足步行機器人的運動精度研究 7 平臺誤差界限正逆解問題的分析方法，并以雙三角 Stewart 平臺為仿真對象，分析了動平臺平移和轉(zhuǎn)動時特征值的變化情況。 在國內(nèi)，關(guān)于并聯(lián)機器人的誤差理論已成為學(xué)者的研究熱點 [1520]。黃真教授 [21]采用螺旋理論對并聯(lián)機器人位姿誤差進行了分析，其研究內(nèi)容是分析已知尺寸誤差，控制誤差以及運動副間隙對末端位姿誤差的影響。汪勁松教授 [22]將 Stewart 平臺的各分支作為假想的單開鏈，利用串聯(lián)機器人運動學(xué) DH 方法，結(jié)合從運動學(xué)方程微分得到的結(jié)論，推導(dǎo)出Stewart 平臺并聯(lián)機器人終端運動誤差和鉸鏈間隙誤差間的映射關(guān)系。徐衛(wèi)良 [23]則通過直接對各個原始誤差的微小位移矢量進行合成，建立了機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，抽樣計算機器人手部位姿誤差，然后在數(shù)值上完成了機器人在其可達工作空間內(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)計變量、公差制造成本為目標函數(shù)、絕對位姿誤差 滿足設(shè)計精度為約束條件的機器人機構(gòu)精度優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。洪林 [24]從典型結(jié)構(gòu) Stewart平臺出發(fā)，運用并聯(lián)機器人輸入輸出微分關(guān)系，建立了機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)下奇異位形和機器人位姿正負偏差最大值出現(xiàn)的位置，結(jié)合對位姿正負偏差最大值的控制，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]在剛性機器人精度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合柔性機器人的研究成果，對機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)誤差對機 器人末端執(zhí)行器位姿精度的影響，將剛性機器人的精度分析方法和柔性機器人的運動學(xué)和動力學(xué)研究相結(jié)合，建立了機器人的位姿誤差分析模型。祃琳 [36]以 3－ HSS 型并聯(lián)機床為對象，利用空間矢量鏈模型建立零部件制造誤差與動平臺位姿誤差的映射關(guān)系，當(dāng)給定零部件制造公差后，利用該模型即可預(yù)估出動平臺的位姿誤差。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，以角性公差和線性公差在同一精度等級下達到均衡為約束條件的精度設(shè)計方法。 本文研究內(nèi)容 本文以四足步行機器人為研 究對象，在討論其運動學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了誤差建模與分析的方法，并結(jié)合實驗驗證該方法的可行性 .本文的研究對于提高多足步行機器人的定位精度，運動穩(wěn)定性和優(yōu)化多足步行機器人的設(shè)計具有重要意義。 基于手腳融合的多足步行機器人的運動精度研究 8