【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行走運(yùn)動(dòng)控制過程的應(yīng)用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足機(jī)器人用于為軍隊(duì)運(yùn)輸裝備，其高3英尺，重165磅，其采用汽油動(dòng)力。圖1—5 Adaptive Suspension Vehicle 圖1—6 Odex1步行機(jī)器人圖1—7 MIT腿部實(shí)驗(yàn)室的四足和雙足機(jī)器人 圖1—8 DANTE步行機(jī)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(duì)步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)促使了步行機(jī)器人向模仿生物的方向發(fā)展。2000年美國(guó)研制出六足仿生步行機(jī)器人Biobot（圖1—9）,采用氣動(dòng)人工肌肉的方式驅(qū)動(dòng),壓縮空氣由步行機(jī)上部的管子傳輸,并由氣動(dòng)作動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié),使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比,該作動(dòng)器能提供更大的力和更高的速度，使機(jī)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(jī)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(jī)制構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中CPG用于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，而反射機(jī)制通過傳感器信號(hào)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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)研制了Scout I、Scout II四足步行機(jī)器人和RHex六足機(jī)器人，如圖1—11所示，雖然這類機(jī)器人的每個(gè)腿中具有較少自由度但能實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)向行走和上下臺(tái)階等運(yùn)動(dòng)。圖1—9 Biobot六足機(jī)器蟲 圖1—10 Tekken四足機(jī)器人圖1—11 Scout I、Scout II四足機(jī)器人和RHex六足機(jī)器人我國(guó)步行機(jī)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(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式步行機(jī),主要用于海底探測(cè)作業(yè),并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗(yàn)。1989年，北京航空航天大學(xué)孫漢旭博士進(jìn)行了四足步行機(jī)的研究，試制成功一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)；錢晉武博士對(duì)地、壁兩用六足步行機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)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(jī)器人，該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)模擬電路兩級(jí)分布式控制系統(tǒng),JTUWMIII以對(duì)角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，如圖1—12。2002年，上海交通大學(xué)的顏國(guó)正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究，如圖1—13所示，該步行機(jī)器人外形尺寸為：長(zhǎng)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(jī)器人，圖1—14所示；華中科技大學(xué)研制了“4+2”多足步行機(jī)器人和MiniQuad多足步行機(jī)器人，圖1—15所示，同時(shí)對(duì)多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，以及機(jī)器人的腿、臂功能融合和模塊化實(shí)現(xiàn)的控制體系及其設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。圖1—12 JTUWM四足步行機(jī)器人圖1—13微型六足機(jī)器人圖1—14 DTWN整體結(jié)構(gòu)圖 圖1—15“4+2”多足步行機(jī)器人步行機(jī)器人是涉及到生物科學(xué)、仿生工程學(xué)、機(jī)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(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)了很多原理樣機(jī)或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ停萍s多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決?，F(xiàn)階段的主要研究任務(wù)為：(1)步行機(jī)動(dòng)力學(xué)的研究。雖然現(xiàn)在對(duì)步行機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算問題已經(jīng)有了很大提高，提出了多種與機(jī)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(dòng)力學(xué)算法，但是把其用于對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制仍不能得到理想的效果。(2)機(jī)器人步態(tài)的研究。早期步行機(jī)一般采用規(guī)則步態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。目前已經(jīng)提出了許多不同類型的步態(tài)，使步行機(jī)具有了多種運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)的控制。(3)步行機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究。從步行機(jī)的研究開始首先就對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，目前多足步行機(jī)機(jī)體類型主要有：長(zhǎng)方形，圓形和框架式。步行機(jī)的腿部機(jī)構(gòu)的研究是熱點(diǎn)問題，采用何種機(jī)構(gòu)能滿足產(chǎn)生機(jī)器人足部的理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)能通過簡(jiǎn)單的算法對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的要求，促使研究者們不斷設(shè)計(jì)出新的腿部機(jī)構(gòu)，具有柔性的腿機(jī)構(gòu)是下一個(gè)研究焦點(diǎn)。第二章 六足機(jī)器人的機(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng)靈活，但過低的重心不利于昆蟲的越障能力。喃乳動(dòng)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(chǎng)合不如昆蟲類有優(yōu)勢(shì)。 無論是昆蟲類亦或哺乳動(dòng)物類的腿的構(gòu)造方式，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的具體實(shí)現(xiàn)形式上，一般有以下幾種方式: 出于簡(jiǎn)易靈活、價(jià)格低廉的角度考慮，一些功能單一、以娛樂性為主機(jī)器人的六條腿采用單連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以較少的自由度實(shí)現(xiàn)了基本的步行功能，減少了執(zhí)行電機(jī)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。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(jī)器人。但是，過于簡(jiǎn)單的腿部結(jié)構(gòu)以及較少的自由度導(dǎo)致此類機(jī)器人難以完成復(fù)雜的動(dòng)作，實(shí)用性較差。不過這類機(jī)器人也可以通過簡(jiǎn)單的控制完成倒退、轉(zhuǎn)彎等功能，只是無法實(shí)現(xiàn)精確定位。圖2—1 單桿式腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人(埃萬斯機(jī)構(gòu)) 該機(jī)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(jī)構(gòu)，如圖2—2。以四桿機(jī)構(gòu)為腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和目的都是為了盡可能保證足端運(yùn)動(dòng)軌跡的平整性，達(dá)到使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、可通過改變桿長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)不同軌跡的行走。本論文將詳細(xì)的就連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)六足行走機(jī)器人展開討論。 早期的四足、六足步行機(jī)器人都用過此類步行機(jī)構(gòu)。縮放機(jī)構(gòu)由于在其運(yùn)動(dòng)主平面具有運(yùn)動(dòng)解藕性，易于控制，當(dāng)縮放比大時(shí)，能以較小本體實(shí)現(xiàn)較大的空間運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)?？s放式腿機(jī)構(gòu)具有比例性，可將驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)距離比例放大為足端運(yùn)動(dòng)距離。以中南大學(xué)設(shè)計(jì)過的一款液壓控制的采用縮放式腿機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人為例，其原理如圖2—3。其中AC//EO，EB//CF，當(dāng)E點(diǎn)固定時(shí)，A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以KI=FD/OC的比例傳到F點(diǎn)。當(dāng)A點(diǎn)固定時(shí)，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以K=KI+1的比例傳到F點(diǎn)。因此可以用A點(diǎn)和E點(diǎn)的獨(dú)立控制來實(shí)現(xiàn)垂直方向與水平方向的分離驅(qū)動(dòng)。這就是該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解藕性。，E點(diǎn)的沿Ox軸方向的移動(dòng)以及整個(gè)機(jī)構(gòu)繞Oy軸的轉(zhuǎn)動(dòng)?？s放式步行機(jī)構(gòu)的剛性較大，傳動(dòng)誤差較小，腿部末端在機(jī)體下部的運(yùn)動(dòng)空間較大，在機(jī)體上部的運(yùn)動(dòng)空間較小，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)。由于機(jī)構(gòu)至少需要兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重。圖2—2 艾萬斯機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖 圖2—3 縮放式機(jī)構(gòu)示意圖 由于多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有活動(dòng)范圍大，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，所以為近幾年步行機(jī)器人采用。此外，開環(huán)關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)的末端操作點(diǎn)無論是在機(jī)體的上部還是下部都有非常大的運(yùn)動(dòng)空間，且機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)的情況，機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但是剛性較差，傳動(dòng)誤差大而且不易控制