【文章內容簡介】 行走運動控制過程的應用。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、智能控制技術的發(fā)展、對步行機器人運動學、動力學高效建模方法的提出以及生物學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動,壓縮空氣由步行機上部的管子傳輸,并由氣動作動力，驅動各關節(jié),使用獨特的機構來模仿肌肉的特性。與電機驅動相比,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），其采用基于神經振蕩子模型的CPG控制器和反射機制構成的控制系統(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)則表面的自適應步行能力。加拿大McGill大學的Martin Buehler本著“功能仿真”的目的，利用電動機作為驅動研制了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行走、轉彎、側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80年代初。1980年，中國科學院長春光學精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構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)和運動學方面的研究。1991年，上海交通大學馬培蓀等研制出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的控制體系及其設計進行了研究。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整體結構圖 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、仿生工程學、機構學、電學、控制學、傳感技術以及信息處理技術等多學科的一門綜合性高技術學科。到目前為止，盡管多足步行機器人技術有了很大的發(fā)展，國內外研究開發(fā)了很多原理樣機或實驗模型，但制約多足步行機器人技術進一步發(fā)展的基礎理論問題并沒有得到根本的解決。現階段的主要研究任務為：(1)步行機動力學的研究。雖然現在對步行機的動力學建模和計算問題已經有了很大提高，提出了多種與機器人廣義坐標和約束方程數目成線性關系的高效動力學算法，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和逆動力學的控制。(3)步行機機械結構的研究。從步行機的研究開始首先就對其機械結構進行了研究，目前多足步行機機體類型主要有：長方形，圓形和框架式。步行機的腿部機構的研究是熱點問題，采用何種機構能滿足產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計出新的腿部機構，具有柔性的腿機構是下一個研究焦點。第二章 六足機器人的機械結構 一般來說，腿的構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目較多，一般在四足以上。其腿分布于身體的兩側，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造方式，在機器人機構中的具體實現形式上，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設計，并以較少的自由度實現了基本的步行功能，減少了執(zhí)行電機，簡化了設計。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構的機器人。但是，過于簡單的腿部結構以及較少的自由度導致此類機器人難以完成復雜的動作，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、轉彎等功能，只是無法實現精確定位。圖2—1 單桿式腿結構機器人(埃萬斯機構) 該機構有各種衍化形式，是可用連桿曲線軌跡作為足端軌跡的一種步行機構，如圖2—2。以四桿機構為腿部機構的設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，達到使機器人平穩(wěn)運動的目的。其優(yōu)點在于結構簡單、輕便、可通過改變桿長實現不同軌跡的行走。本論文將詳細的就連桿機構設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?？s放機構由于在其運動主平面具有運動解藕性，易于控制，當縮放比大時，能以較小本體實現較大的空間運動等優(yōu)點，被廣泛應用于多足步行機器人的腿部機構?？s放式腿機構具有比例性，可將驅動器的推動距離比例放大為足端運動距離。以中南大學設計過的一款液壓控制的采用縮放式腿機構的六足機器人為例，其原理如圖2—3。其中AC//EO，EB//CF，當E點固定時，A點的運動將以KI=FD/OC的比例傳到F點。當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垂直方向與水平方向的分離驅動。這就是該機構的運動解藕性。，E點的沿Ox軸方向的移動以及整個機構繞Oy軸的轉動?？s放式步行機構的剛性較大，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，機構存在死點。由于機構至少需要兩個線性驅動關節(jié)，使得機械結構較大，質量較重。圖2—2 艾萬斯機構形式簡圖 圖2—3 縮放式機構示意圖 由于多關節(jié)機構具有活動范圍大，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)關節(jié)式機構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，且機構不存在死點的情況，機構比較簡單。但是剛性較差，傳動誤差大而且不易控制