【正文】 結(jié)合，它可以在復(fù)雜的路面上行走。這項工程的目標(biāo)是運用集成來自行為學(xué)實驗和無脊椎動物的神經(jīng)生 物學(xué)數(shù)據(jù)的低級行為指令，通過高級的控制模式來組成行為序列，實現(xiàn)復(fù)雜的行為。其采用機器人的行走控制基于兩個仿生控制元：中央模式生成元和基本運動的高級行為元。它是在前一代六足機器人 TUM的基礎(chǔ)上研制的。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 步行機 器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 對移動機器人的專門研究始于 60 年代末期。與此同時 ,最早的操作式步行機器人也研制成功 ,美國的 Shigley 和 Baldwin 都使用凸輪連桿機構(gòu)設(shè)計了機動的步行車，但由于技術(shù)水平限制，所設(shè)計的步行機效率低而且對地面的適應(yīng)性也差，從而開始了機器人步 行機構(gòu)方面的研究 ,以解決機器人在不規(guī)則環(huán)境中的運動問題。雖然整機操作比較費力，但實現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機發(fā)展史上的一個里程碑。 圖 1— 4 四足車 Walking Truck 隨著電子技術(shù)發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術(shù)進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。其采用多種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)移及跨越較小的障礙 物，計算機的任務(wù)為對機器人運動學(xué)進行計算以協(xié)調(diào)產(chǎn)生驅(qū)動的 18 個六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 電機，從而保證機器人的質(zhì)心落在支撐多邊形內(nèi)；為更好的適應(yīng)地形 ， 在以后的發(fā)展中又為其增加了力傳感器和視覺傳感器。 1985 年， Robert McGhee研制了一臺更先進的試驗樣機 —— 適應(yīng)性主動隔振步行機 (Adaptive Suspension Vehicle，簡稱 ASV,圖 1— 5)。 1983 年， Odetics 公司推出的六足機器人 Odex1，圖 1— 6 所示，把六條腿均勻分布在一個圓形框架上，可方便的實現(xiàn)全方位運動，而且能夠通過對形體的重構(gòu)改變機器人的形狀，是對傳統(tǒng)的長方形框架六足步行機的挑戰(zhàn)。 1993 年 ,美國卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機器人 DANTE，圖 1— 8 所示 ,用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其結(jié)構(gòu)由 2 個獨立的框架構(gòu)成。 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，可以以 英里的速度行進 ，其采用汽油動力。 2021 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。 2021～ 2021 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。 圖 1— 9 Biobot 六足機器蟲 圖 1— 10 Tekken 四足機器人六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 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。 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。 2021 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，質(zhì)量僅為 g，步行速度為 3 mm/s。 圖 1— 12 JTUWM 四足步行機器人 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 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 的現(xiàn)階段的研究任務(wù) 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。現(xiàn)階段的主要研究任務(wù)為： (1)步行機動力學(xué)的研究。 (2)機器人步態(tài)的研究。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。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。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。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 第二章 六足機器人的機械結(jié)構(gòu) 多足機器人的機構(gòu)類型 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。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 。 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 : 單連桿式 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。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。 圖 2— 1 單桿式腿結(jié)構(gòu)機器人 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 四連桿式 (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。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 。 縮放式 早期的四足、六足步行機器人都用過此類步行機構(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。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 。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。該機構(gòu)有 3 個自由度 .即A 點的沿 Oy 軸方向的移動， 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。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。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 。如圖 2— 4。從 1899 年 Muybridge 用連續(xù)攝影法研究動物的行走開始，人們對步行行走機構(gòu)的步態(tài)進行了大量的研究工作，尤其是近二三十年來，關(guān)于步態(tài)研究的重要成果不斷涌現(xiàn)。 三角步態(tài) 三角步態(tài)也稱交替三角步態(tài)，是“六足綱”昆蟲最常使用的一種步態(tài)，也被譽為最快速有效的靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。昆蟲三角步態(tài)的移動模式較簡單，非常適合步行架構(gòu)的機器人的直線行走，行進速度也比較快。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 跟導(dǎo)步態(tài) 通常，三角步態(tài)的研究通常都局限在平坦地面，并且假設(shè)對于不平地面也是合理的。 對于六足機器人來說，跟導(dǎo)步態(tài)的重點是選擇前兩足下一步的落點，而一對中足和一對后足的下一步落點由當(dāng)前前足和中足的立足點決定。 交替步態(tài) 與跟導(dǎo)步態(tài)類似，為了充分發(fā)揮六足機器人相對于輪式機器人在復(fù)雜地形的行走優(yōu)勢，交替步態(tài)成為新興的六足機器人研究的重點。 在交替 步態(tài)中，各腿的運動可分為抬升和前進兩個部分。同樣，在該腿觸地時，也會給相鄰各腿發(fā)出觸地信號。 由于各腿等待其相鄰?fù)扔|地的時間取決于其相鄰?fù)鹊膭幼骷捌溆|地位置，因而，對于崎嶇不平的地面而言，這種步態(tài)本身是不可預(yù)測的。 設(shè)計原理 六足仿生機器人采用六足昆蟲的行走步態(tài) ,步行時把 6 條足分為兩組 ,以一邊的前足 后足與另一邊的中足為一組 ,形成一個三角架支撐機體。行走時機體向前 ,并稍向外轉(zhuǎn) ,3 條足同時行動 ,然后再與另一組 3 條足交替進行。機器六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 人開始運動時左側(cè)的 2 號腿和右側(cè)的 6 號腿抬起 ,準(zhǔn)備向前擺動 ,另外 3 條腿 5 處于支撐狀態(tài) ,支撐機器人本體確保機器人的原有重心位置處于 3 條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi) ,使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒 ,見圖 2— 5a，擺動腿 6 向前跨步 ,見圖 2— 5b,支撐腿 5 一面支撐機器人本體