【文章內(nèi)容簡介】 過程的應(yīng)用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足機器人用于為軍隊運輸裝備，其高3英尺，重165磅，其采用汽油動力。圖1—5 Adaptive Suspension Vehicle 圖1—6 Odex1步行機器人圖1—7 MIT腿部實驗室的四足和雙足機器人 圖1—8 DANTE步行機器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對步行機器人運動學(xué)、動力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。2000年美國研制出六足仿生步行機器人Biobot（圖1—9）,采用氣動人工肌肉的方式驅(qū)動,壓縮空氣由步行機上部的管子傳輸,并由氣動作動力，驅(qū)動各關(guān)節(jié),使用獨特的機構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機驅(qū)動相比,該作動器能提供更大的力和更高的速度，使機器人像昆蟲那樣在凸凹不平地面上仍能高速和靈活步行。2000～2003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行機器人Tekken（圖1—10），其采用基于神經(jīng)振蕩子模型的CPG控制器和反射機制構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中CPG用于生成機體和四條腿的節(jié)律運動，而反射機制通過傳感器信號的反饋，來改變CPG的周期和相位輸出,Tekken具有中等不規(guī)則表面的自適應(yīng)步行能力。加拿大McGill大學(xué)的Martin Buehler本著“功能仿真”的目的，利用電動機作為驅(qū)動研制了Scout I、Scout II四足步行機器人和RHex六足機器人，如圖1—11所示，雖然這類機器人的每個腿中具有較少自由度但能實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)向行走和上下臺階等運動。圖1—9 Biobot六足機器蟲 圖1—10 Tekken四足機器人圖1—11 Scout I、Scout II四足機器人和RHex六足機器人我國步行機器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀(jì)80年代初。1980年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機,主要用于海底探測作業(yè),并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。1989年，北京航空航天大學(xué)孫漢旭博士進行了四足步行機的研究，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗；錢晉武博士對地、壁兩用六足步行機器人進行了步態(tài)和運動學(xué)方面的研究。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人，該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng),JTUWMIII以對角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測力傳感器，如圖1—12。2002年，上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進行微型六足仿生機器人的研究，如圖1—13所示，該步行機器人外形尺寸為：長30 mm、寬40 mm、高20 mm， g，步行速度為3 mm/s。此外還有清華大學(xué)開發(fā)的DTWN框架式雙三足機器人，圖1—14所示；華中科技大學(xué)研制了“4+2”多足步行機器人和MiniQuad多足步行機器人，圖1—15所示，同時對多足步行機器人的運動規(guī)劃與控制，以及機器人的腿、臂功能融合和模塊化實現(xiàn)的控制體系及其設(shè)計進行了研究。圖1—12 JTUWM四足步行機器人圖1—13微型六足機器人圖1—14 DTWN整體結(jié)構(gòu)圖 圖1—15“4+2”多足步行機器人步行機器人是涉及到生物科學(xué)、仿生工程學(xué)、機構(gòu)學(xué)、電學(xué)、控制學(xué)、傳感技術(shù)以及信息處理技術(shù)等多學(xué)科的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。到目前為止，盡管多足步行機器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，國內(nèi)外研究開發(fā)了很多原理樣機或?qū)嶒災(zāi)Ｐ?，但制約多足步行機器人技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決。現(xiàn)階段的主要研究任務(wù)為：(1)步行機動力學(xué)的研究。雖然現(xiàn)在對步行機的動力學(xué)建模和計算問題已經(jīng)有了很大提高，提出了多種與機器人廣義坐標(biāo)和約束方程數(shù)目成線性關(guān)系的高效動力學(xué)算法，但是把其用于對機器人的實時控制仍不能得到理想的效果。(2)機器人步態(tài)的研究。早期步行機一般采用規(guī)則步態(tài)，其優(yōu)點是容易控制，但不適合復(fù)雜的地形。后來的提出的自由步態(tài)和規(guī)則步態(tài)具有相反的優(yōu)缺點。目前已經(jīng)提出了許多不同類型的步態(tài)，使步行機具有了多種運動的可能。但是如何選擇和組合步態(tài)以及在步態(tài)生成后，對步態(tài)的控制問題還沒有很好的解決，目前有兩種方法分別為基于逆運動學(xué)和逆動力學(xué)的控制。(3)步行機機械結(jié)構(gòu)的研究。從步行機的研究開始首先就對其機械結(jié)構(gòu)進行了研究，目前多足步行機機體類型主要有：長方形，圓形和框架式。步行機的腿部機構(gòu)的研究是熱點問題，采用何種機構(gòu)能滿足產(chǎn)生機器人足部的理想的運動軌跡，同時能通過簡單的算法對其運動進行控制的要求，促使研究者們不斷設(shè)計出新的腿部機構(gòu)，具有柔性的腿機構(gòu)是下一個研究焦點。第二章 六足機器人的機械結(jié)構(gòu) 一般來說，腿的構(gòu)造形式可分為昆蟲類和哺乳動物類兩種不同形式。昆蟲類生物其腿的數(shù)目較多，一般在四足以上。其腿分布于身體的兩側(cè)，身體重心低，穩(wěn)定性好，且運動靈活，但過低的重心不利于昆蟲的越障能力。喃乳動物的行走腿則通常為兩足或四足，且腿多分布于身體下方，重心高，便于快速奔跑和越障，但在轉(zhuǎn)向等需要靈活性的場合不如昆蟲類有優(yōu)勢。 無論是昆蟲類亦或哺乳動物類的腿的構(gòu)造方式，在機器人機構(gòu)中的具體實現(xiàn)形式上，一般有以下幾種方式: 出于簡易靈活、價格低廉的角度考慮，一些功能單一、以娛樂性為主機器人的六條腿采用單連桿機構(gòu)設(shè)計，并以較少的自由度實現(xiàn)了基本的步行功能，減少了執(zhí)行電機，簡化了設(shè)計。目前市面上有很多諸如此類的爬蟲玩具，如圖2一1所示為常見的單桿式腿結(jié)構(gòu)的機器人。但是，過于簡單的腿部結(jié)構(gòu)以及較少的自由度導(dǎo)致此類機器人難以完成復(fù)雜的動作，實用性較差。不過這類機器人也可以通過簡單的控制完成倒退、轉(zhuǎn)彎等功能，只是無法實現(xiàn)精確定位。圖2—1 單桿式腿結(jié)構(gòu)機器人(埃萬斯機構(gòu)) 該機構(gòu)有各種衍化形式，是可用連桿曲線軌跡作為足端軌跡的一種步行機構(gòu)，如圖2—2。以四桿機構(gòu)為腿部機構(gòu)的設(shè)計原則和目的都是為了盡可能保證足端運動軌跡的平整性，達(dá)到使機器人平穩(wěn)運動的目的。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、輕便、可通過改變桿長實現(xiàn)不同軌跡的行走。本論文將詳細(xì)的就連桿機構(gòu)設(shè)計六足行走機器人展開討論。 早期的四足、六足步行機器人都用過此類步行機構(gòu)?？s放機構(gòu)由于在其運動主平面具有運動解藕性，易于控制，當(dāng)縮放比大時，能以較小本體實現(xiàn)較大的空間運動等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于多足步行機器人的腿部機構(gòu)。縮放式腿機構(gòu)具有比例性，可將驅(qū)動器的推動距離比例放大為足端運動距離。以中南大學(xué)設(shè)計過的一款液壓控制的采用縮放式腿機構(gòu)的六足機器人為例，其原理如圖2—3。其中AC//EO，EB//CF，當(dāng)E點固定時，A點的運動將以KI=FD/OC的比例傳到F點。當(dāng)A點固定時，E點的運動將以K=KI+1的比例傳到F點。因此可以用A點和E點的獨立控制來實現(xiàn)垂直方向與水平方向的分離驅(qū)動。這就是該機構(gòu)的運動解藕性。，E點的沿Ox軸方向的移動以及整個機構(gòu)繞Oy軸的轉(zhuǎn)動?？s放式步行機構(gòu)的剛性較大，傳動誤差較小，腿部末端在機體下部的運動空間較大，在機體上部的運動空間較小，機構(gòu)存在死點。由于機構(gòu)至少需要兩個線性驅(qū)動關(guān)節(jié)，使得機械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重。圖2—2 艾萬斯機構(gòu)形式簡圖 圖2—3 縮放式機構(gòu)示意圖 由于多關(guān)節(jié)機構(gòu)具有活動范圍大，靈活性好的優(yōu)點，所以為近幾年步行機器人采用。此外，開環(huán)關(guān)節(jié)式機構(gòu)的末端操作點無論是在機體的上部還是下部都有非常大的運動空間，且機構(gòu)不存在死點的情況，機構(gòu)比較簡單。但是剛性較差，傳動誤差大而且不易控制。