越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)分析

譚永營+杜斌+周浩森

摘 要：對越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)的研究成果進(jìn)行了分析，從仿生結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和行走步態(tài)三個(gè)方面對越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總價(jià)。

關(guān)鍵詞：四足步行機(jī)動(dòng)平臺;機(jī)械結(jié)構(gòu);驅(qū)動(dòng)方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.028

越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺是在對自然界四足動(dòng)物越障原理研究的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的步行機(jī)器人。足式運(yùn)動(dòng)方式可利用離散的地面支撐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。步行機(jī)動(dòng)平臺比輪式越障平臺適應(yīng)復(fù)雜地形的能力更強(qiáng)，比履帶式越障平臺運(yùn)動(dòng)更加靈活。隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)展和任務(wù)需求的多樣化，越障型步行機(jī)動(dòng)平臺越來越引起人們的重視。步行機(jī)動(dòng)平臺技術(shù)的水平已成為一個(gè)國家綜合技術(shù)水平的標(biāo)志。

1 早期越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早具有越障能力的四足步行機(jī)動(dòng)平臺是1968年出現(xiàn)在美國的Walking Truck。雖然它是一個(gè)有人駕駛的機(jī)器并且操作費(fèi)力，但是各腿在液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)了對某些簡單障礙爬越[1]。可見，四足步行機(jī)動(dòng)平臺的越障能力在其早期樣機(jī)中即為一項(xiàng)基本功能。

日本東京工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)室研制成功了TITAN系列四足步行機(jī)動(dòng)平臺[2]。TITAN-VIII機(jī)動(dòng)平臺是其中的典型代表，其足底裝備可自動(dòng)檢測足端與地面接觸狀態(tài)的傳感器，并且配有姿態(tài)控制系統(tǒng)以便于及時(shí)根據(jù)環(huán)境狀況調(diào)解機(jī)體位姿，使其適應(yīng)復(fù)雜地形的能力更強(qiáng)。TITAN系列的步行機(jī)動(dòng)平臺腿部均采用仿爬行動(dòng)物的結(jié)構(gòu)，每條腿均有3個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)方式采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

這一時(shí)期的越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺還有西班牙工業(yè)自動(dòng)化協(xié)會開發(fā)了SILO4四足步行機(jī)動(dòng)平臺[3]等。早期的越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的理論研究。由于相關(guān)技術(shù)的限制，其越障性能還十分有限，并且復(fù)雜能力較差，運(yùn)動(dòng)速度慢。

2 高性能越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以后，步行機(jī)動(dòng)平臺的應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)向野外未知的非結(jié)構(gòu)地形。隨著人們對四足哺乳動(dòng)物研究的深入，較多的仿生學(xué)理論應(yīng)用于越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺。步行機(jī)動(dòng)平臺的腿部結(jié)構(gòu)多采用仿哺乳動(dòng)物的串聯(lián)式腿部結(jié)構(gòu)，機(jī)體攜帶較多的傳感器，控制算法更加智能。并且機(jī)動(dòng)平臺的更加接近自然界的四足動(dòng)物。

2006年，波士頓動(dòng)力公司研制出了高動(dòng)態(tài)越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺—第一代“Bigdog”。其單腿有3個(gè)主動(dòng)自由度，四條腿的關(guān)節(jié)均采用了膝式關(guān)節(jié)的配置方式。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第一代“Bigdog”實(shí)現(xiàn)了行走和對角小跑步態(tài)，但在復(fù)雜環(huán)境中容易失穩(wěn) [4]。2008年 第二代“Bigdog”被公布了出來，其每條腿具有4個(gè)主動(dòng)自由度，腿部結(jié)構(gòu)更加強(qiáng)調(diào)仿生學(xué)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)更加粗壯，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。并且實(shí)現(xiàn)了在車轍、山地、丘陵以及淺灘的穩(wěn)定行走[5]。

2011年波士頓動(dòng)力公司發(fā)布了第三代“Bigdog”原理樣機(jī)[6]。其單腿具有3個(gè)主動(dòng)自由度，驅(qū)動(dòng)方式仍然沿用了以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的液壓驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)配置方式采用了前膝后肘的方式。LS3是在滿足實(shí)用功能的前提下對“Bigdog”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，將有腿步行系統(tǒng)和負(fù)載能力較好地結(jié)合在了一起，是世界上負(fù)載型四足步行機(jī)動(dòng)平臺的典型代表。

2015年2月，波士頓動(dòng)力公司公布了最新研制成功的Spot四足步行機(jī)動(dòng)平臺[7]。與“Bigdog”系列相比，其前后腿均采用的是全肘式關(guān)節(jié)配置方式，靈活性更好。動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)變成了電機(jī)，但關(guān)節(jié)仍然延續(xù)液壓驅(qū)動(dòng)的方式。從發(fā)布的資料可以得到它能夠在臺階、山地等復(fù)雜路面穩(wěn)定地行走。

受“Bigdog”四足步行機(jī)動(dòng)平臺的影響，意大利理工學(xué)院研制了HyQ四足步行機(jī)動(dòng)平臺[8]。其驅(qū)動(dòng)方式為電液混合驅(qū)動(dòng)，單腿有三個(gè)主動(dòng)自由度，側(cè)擺關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動(dòng)。HyQ四足步行機(jī)動(dòng)平臺目在不平坦路面中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定行走。

3 越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺仿生結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。四足動(dòng)物腿部結(jié)構(gòu)的仿生學(xué)研究是設(shè)計(jì)步行機(jī)動(dòng)平臺腿部結(jié)構(gòu)的前提。四足動(dòng)物眾多長骨之間連接而成了腿部的特殊結(jié)構(gòu)和冗余自由度。四足步行機(jī)動(dòng)平臺要實(shí)現(xiàn)行走，首先需要確定腿的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置和腿部的自由度數(shù)。

通過對“Bigdog”系列步行機(jī)動(dòng)平臺的對比發(fā)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)平臺腿部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能有顯著影響。作為“Bigdog” 系列最早期的一款，第一代“Bigdog”采用了前后腿均為膝式關(guān)節(jié)的配置方式，其各項(xiàng)性能均較一般。第二代“Bigdog”采用的是前肘后膝的關(guān)節(jié)對頂配置方式，同時(shí)增加了一個(gè)自由度，這使其運(yùn)動(dòng)非常靈活。第三代“Bigdog”LS3采用的是前膝后肘的關(guān)節(jié)配置方式，各關(guān)節(jié)粗壯有力，使其負(fù)載能力非常強(qiáng)，越野性能非常好。而Spot采用的則是前后腿均為肘式關(guān)節(jié)的配置方式，使其有較好的地形適應(yīng)能力，并且運(yùn)動(dòng)學(xué)性能非常好。

通過對常見大型四足哺乳動(dòng)物狗、羊、馬的骨骼結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物單腿一般有五個(gè)自由度[9]。這些冗余自由度使動(dòng)物運(yùn)動(dòng)非常靈活，適應(yīng)復(fù)雜地形的能力很強(qiáng)。為減小控制系統(tǒng)的壓力，降低步行機(jī)動(dòng)平臺系統(tǒng)的復(fù)雜程度，大多數(shù)的四足步行機(jī)動(dòng)平臺均采用單腿3個(gè)自由度配置，分別是髖側(cè)擺自由度、髖前擺自由度和膝關(guān)節(jié)自由度。這種自由度配置是在復(fù)雜野外環(huán)境中自由行走所需要的最少自由度，LS3即為采用單腿三自由度的典型代表。

（2）越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。類似于人類的心臟，步行機(jī)動(dòng)平臺的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是其實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的核心，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞直接決定了機(jī)動(dòng)平臺的行走速度和負(fù)載能力。目前常見的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為兩類發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電源-電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。endprint

發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是應(yīng)用較普遍的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，將低壓油變?yōu)楦邏河停ㄟ^伺服閥等流量控制元件控制液壓缸的油液體積，對活塞桿實(shí)現(xiàn)位置控制，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率質(zhì)量比大，燃料的添加較方便，續(xù)航里程長，系統(tǒng)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好，動(dòng)態(tài)特性受負(fù)載變化的影響小。但是由于液壓油的可壓縮性和液壓回路的遲滯性，使液壓驅(qū)動(dòng)位置控制精度較低，穩(wěn)定性也較差。

電源-電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是目前采用較多的高精度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其原理較簡單各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)接受來自電源的電能，直接各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。與發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，電源-電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)速度較快，但無法滿足大功率的要求，并且功率比也沒有液壓驅(qū)動(dòng)高。

（3）越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺的行走步態(tài)。步態(tài)是機(jī)動(dòng)平臺行走過程中起落腿和機(jī)體移動(dòng)規(guī)律的總結(jié)。機(jī)動(dòng)平臺的步態(tài)研究，尤其是其越障步態(tài)研究，是實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定行走的基礎(chǔ)。四足步行機(jī)動(dòng)平臺的步態(tài)多是模仿自然界常見大型哺乳動(dòng)物狗、羊或者馬等的步態(tài)。根據(jù)其行走過程中占空系數(shù)的不同可以將步態(tài)分為靜步態(tài)和動(dòng)步態(tài)[10]。四足步行機(jī)動(dòng)平臺常見的步態(tài)有協(xié)調(diào)靜步態(tài)、間歇靜步態(tài)和對角步態(tài)等。目前，對四足動(dòng)物在平地行走步態(tài)的研究已較完備，相應(yīng)的四足步行機(jī)動(dòng)平臺基本上實(shí)現(xiàn)了以多種步態(tài)在平地上運(yùn)動(dòng)。但對于四足步行機(jī)動(dòng)平臺的復(fù)雜環(huán)境中的步態(tài)，目前研究還不足。

4 結(jié)論

越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺是未來復(fù)雜地形環(huán)境中機(jī)動(dòng)平臺的發(fā)展方向之一。早期的越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單粗暴，導(dǎo)致其效率特別低，行走速度較慢。隨著仿生學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，機(jī)動(dòng)平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)問題已初步解決。機(jī)動(dòng)平臺有了一定的越障能力和機(jī)動(dòng)性能。液壓驅(qū)動(dòng)的方式也滿足了機(jī)動(dòng)平臺不同步態(tài)下的力矩需求。但如何使其能量利用率盡量高，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能更好，在復(fù)雜環(huán)境中行走穩(wěn)定性更好，仍然是越障型四足步行機(jī)動(dòng)平臺面臨的問題之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] D.J. Todd.Walking machine：An introduction to legged robots[M].London：Chapman&Hall 1968，1985.

[2]Shigeo Hirose，Kan Yoneda，Riki Furuya，Tatsuo Takagi.Dynamic and Static Fusion Control of Quadruped Walking Vehicle[J].Workshop on Intelligent Robots and Systems，1989：199-208.

[3] J.A Galvez， Joaquin Estremera，Pablo Gonzalez de Santos. A new legged-robot configuration for research in force distribution[J]，Mechatronics， 2003（13）：907-932.

[4] Buehler M， Playter R，Raibert M. Robots step outside[J].Adaptive Motion of Animals and Machines，2005.

[5] M.Raibert， Blankespoor，G.Nelson. Bigdog ，the rough-terrain quadruped robot[C]，Proceeding of the 17th World Congress，International Federation of Automatic Control，2008.

[6]Boston Dynamics AlphaDog Quadruped Rpbot Prototype on Video[OL].http：//spectrum.ieee.org/automaton/robotics/military-robots/boston-dynamics-alphadog-prototype-on video，2013-3-5.

[7]谷歌展示最新四足機(jī)器人Spot：踢不倒的“不倒翁”[EB/OL]. http：//www.sxaxrobot.com/industryNews/213.jhtml，2015-02-13.

[8] Claudio.HyQ-Design and Development of a Hydralically Actuated Quadruped Robot [D]. Italy：University of Genoa，2010：58～60.

[9] 王立鵬.液壓四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制與步態(tài)規(guī)劃研究[D].北京理工大學(xué)，2014.

[10]陸衛(wèi)麗，卞新高，焦健，朱燈林.四足爬行機(jī)器人步態(tài)分析與運(yùn)動(dòng)控制[J].機(jī)電工程，2012，29（8）.endprint