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国内外四足机器人的发展历史、发展趋势

导读:帮助步兵在1968年美国葛公司Ralph Moshe设计的险峻地形下搬运的设备Walking Truck 美国波士顿动力学公司自1992年成立以来,开始了机器人的开发,2005年开发了四脚机器人Big Do

帮助步兵在1968年美国葛公司Ralph Moshe设计的险峻地形下搬运的设备Walking Truck

 

美国波士顿动力学公司自1992年成立以来,开始了机器人的开发,2005年开发了四脚机器人Big Dog[10]。 它主要是以四足哺乳动物的结构为仿生设计制造的,其单足运动主要由三个旋转副和一个移动副完成,整体结构具有12或16个主动自由度,驱动方式主要以内燃机为动力源驱动液压系统完成, 在运动中通过机载系统检测机器人的姿态和环境,并利用虚拟模型进行机器人的仿真和运动规划,根据实际动力学输出,完成整体运动,该运动方式使机器人具有较强的地形适应性。

另外,美国波士顿动力公司根据Big Dog开发了Cheetah、Little Dog[11],如图1-3、图1-4所示,其中Cheetah是世界上最快的机器人记录,其速度每小时超过29英里,动力来自液压泵。 其中Little Dog用于动态控制、研究复杂地形感觉与运动行为的关系的通用机器人,能够根据自己的特征实现复杂地形移动能力。  

 

美国斯坦福大学和俄勒冈州立大学的移动实验室共同开发的四足机器人KOLT[12],如图1~5所示,将大山羊作为仿生设计,每只脚有3个自由度,通过电磁驱动实现了机器人的运动,实现了在平坦的地面上高速行驶的运动。 从1976年开始,日本东京工业大学相继研究了KUMO—I四足机器人、PV—II以及TITIN[13]系列四足机器人等一系列机器人。 其中KUMO—I[14]四足机器人外观像蜘蛛一样,能够跨越小障碍物,TITIN系列四足机器人中最具代表性的是tien―viii[15],如图1―6所示,脚部以这三个旋转副为驱动力实现了机械的移动,有三个 TITAN—XI[16]可利用检测到的路面状况调整机器人的运动,应用于大型工程施工,可移动混凝土斜面。  

 

2011年,东京大学开发了四足机器人PLGORAS[17],如图1-7所示,机器人由ABS树脂和碳纤维强化复合材料等制成,机器人采用前脚2段驱动、后脚3段驱动,整体具有10自由度,能够实现行走、跑步、跳跃等功能。 最大的亮点是通过模拟神经系统“自主”移动,不需要事先编程机器人的动作。

加拿大麦吉尔大学开发了Scout系列和PAW系列四足机器人[18],其结构简单,自由度较小,Scout II各腿有两个自由度,在腿的设计中添加了弹性元件,可实现机器人在跳跃步态下的跑步和转向,PAW基于Scout II

 

德国移动机器人智能体系结构研究中心开发的猴型机器人查理,如图1~8所示,机器人像真正的灵长类一样,世界上首次具备移动脊椎和机械腿的机器人,机器人在障碍和爬山时稳定,跌倒也能站起来。

 

意大利技术学院开发的代表性液压动力四足机器人Hyq[19]如图1-9所示。 机器人有12个自由度,其中8个由液压驱动,4个由电动驱动,在各自的腿上设计脚关节和脚端,实现静态步行和单腿垂直平面跳跃。

国内研究现状及发展趋势

从20世纪80年代开始,我国相关大学和科研院所开展了四足机器人系统研究。 基础薄弱,起步较晚,但得到国家的大力重视,其研究进入国家“863”计划。 目前国内四足机器人研究的骨干力量主要集中在高校和少数研究机构,其中上海交通大学、清华大学、山东大学、北京理工大学、同济大学等大学的研究工作及其成果具有比较代表性。

国内最早研究四足机器人的是以上海交通大学的马培荪教授为中心的研究者。 他们开发的关节式哺乳动物型四足机器人JTUMM—III[20],总共有12个自由度,由直流伺服电机驱动,利用其脚端压力传感器,通过位置和力的混合控制实现了机器人的低速动态步行运动。  

 

上海交大开发的“智能小象”机器人,如图1-11所示,机器人整体有12个自由度,各机械腿有3个驱动,腿下部采用四边形放大机构,机体配备强大的感觉测量和实时感觉信息反馈系统,机器人在惯性力和外力的冲击下自动平衡 本体可以一边携带动力源一边远程操作。

国内外研究难点与发展趋势

总的来说,四足机器人的发展趋势在不同的技术水平和地区呈现出不同的方向。

从地域分布来说,国外四足机器人研究起步快,基础厚,水平高。 针对四足步行者驱动方式、运动形式、稳定依据判定等技术差异部分,进行了各种技术探索和科学尝试,也初步验证了多传感器融合技术。 特别是美国,由于军队的介入,最新一代的原型接近实用,领先于世界。 由于国内四足机器人研究起步缓慢、基础薄弱、水平低,特别是系统理念、关键设备、基础技术等方面存在较大差异等原因,在四足机器人行走速度、负荷能力等硬指标上,以及对地形和干扰的适应控制技术方面与国外研究水平相差甚远

从技术水平看,四足机器人从最初的完全人工操作到现在一定智能水平的相关技术,如计算机视觉、自动控制、人工智能、步态规划和能源供应等取得了重大进展。 并且,四足机器人的步行模式经过了漫长的发展期,从最初的静态稳定步行到特定环境下的动态稳定步行,再到非结构化环境下比较实用的动态固定步行,四足机器人在步行适应性上取得了很大的进步。 随着微处理器性能的提高,先进的理论和算法应用于四足机器人的步态控制,通过控制系统、机械系统、环境之间的相互耦合传递运动,使四足机器人具有良好的稳定性和适应性。

总体设计改进分析:

要开发强大、性能稳定、行走可靠、实用的四足机器人,必须克服以下几个技术难点。

①提高四足机器人的有效作业时间

②四足机器人运动时各关节驱动单元的协调控制

③稳定实现四足机器人的静止步态和动态步态

④降低四足机器人运行过程中产生的机械噪音

⑤改变现有的离线预先程序步态,提高步态的实时适应性和自平衡能力

⑥优化四足机器人的整体重量和体积,提高机器人通过复杂地形的能力。

要有效解决以上问题,必须合理进行四足机器人的系统设计。 机械接触合计、动力单元匹配、能源系统选择和控制系统构建等方面需要深入研究。 一些早期的四足机器人控制系统采用移植实时操作系统的机器人构成控制系统的核心,执行单元的驱动模块多采用通用设备构建。

引入和改进CPG控制方法:

①CPG模型参数整定方法

②步态转换问题

③模拟整个动物运动控制系统;

④实现机器人整体姿态与步态规划的联动控制。

目前,世界各国开发的四足机器人,为了模仿自然界的动物,还有相当大的差距。


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