六足步行机器人----毕设文献综述

燕山大学

本科毕业设计（论文）文献综述

课题名称：步行机器人的研究

学院（系）：机械工程学院

年级专业： 05级机电1班

学生姓名：

指导教师：

完成日期： 2009年3月2号

一、课题国内外现状

多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构, 是模仿多足动物运动形式的特种机器人, 是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上, 常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等[4]。

步行机器人历经百年的发展, 取得了长足的进步, 归纳起来主要经历以下几个阶段[5]:

第一阶段, 以机械和液压控制实现运动的机器人。

第二阶段, 以电子计算机技术控制的机器人。

第三阶段, 多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。

雷静桃等在文献[1]中对美国、日本等机器人研究大国及我国的多足步行机器人研究发展进行了综述,对多足步行机器人急需解决的问题进行了论述,并对未来可能的研究发展方向进行了展望。

刘静等在文献[10]中分析了国内外腿式机器人的研究现状,讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性和控制算法方面的现有研究方法,给出了腿式机器人研究存在的问题,展望了腿式机器人的发展方向.

安丽桥等在文献[9]中介绍了一种应用两个电机驱动的六脚足式步行机器人,并对该机器人的运动机理与步态进行了分析,经样机实验,所设计的机器人可实现前进、后退、遇障转弯等功能,具有结构简单,控制便捷,行走稳定的特点。

曾桂英等在文献[2]中提出了一种采用液压驱动的缩放式腿机构的结构设计, 并针对六足行走方式, 完成了液压驱动原理设计及PLC控制设计。

马东兴等在文献[11]中研究了一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pro /E和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用ADAMS仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。

王新杰等在文献[7]中建立了一个连续转动式腿机构的四足步行机器人

模型,并规划了该机器人的一种直线爬行步态,利用ADAMS虚拟样机软件对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线,分析了四个髋关节的驱动力矩在步行过程中的变化情况。通过仿真,验证了步态规划的合理性,同时为进一步选择电机、分析机器人系统的动态特性提供了依据。

徐轶群等在文献[6]中结合实际, 详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系, 并在此基础上给出了四足步行机器人腿部机构和驱动控制方案。

王刚等在文献[3]中详细介绍了一种新型多足仿生机器人步行足的关节结构。新型多足仿生机器人步行足关节采用谐波减速器作为传动部件, 其传动比大、可靠性高、结构紧凑, 特别适合应用于微小型机器人的关节设计中, 在一定程度上解决了以往传动方式传动效率低, 传动比小, 且没有自锁能力等问题。采用新型多足仿生机器人步行足关节完成了3 个自由度的仿生机器人步行足和八足仿生机器人的设计, 验证了关节应用的可行性。

郭鸿勋等在文献[8]中针对一种自主研制的具有全方位运动功能的六足步行机器人原型机,介绍了该机器人的运动功能要求,对比分析了不同腿机构形式和整体布局模式对机器人的影响,确定合理腿机构和布局模式;在理论上描述了机器人机械系统结构原理,验算了整机的运动自由度并描述腿机构静力学极限力的求解规则;结构上详细描述了模块化腿臂融合机构的部件组成、功能特性和传动形式;最后通过实验和数据验证了该机械系统满足机械强度和步行运动功能的要求。

二、研究主要成果

国内多足步行机器人的研究成果[1]：

1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM[1]系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成,每条腿有3个自由度,由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上,通过对3个自由度的协调控制,可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统, JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器,利用人工神经网络和模糊算法相结合,采用力和位置混合控制,实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走,极限步速为1.7 km/h。为了提高步行速

度,将弹性步行机构应用于该四足步行机器人,产生缓冲和储能效果。

2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进,开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR[1],如图7所示。其第一代的每条腿只有2个自由度,无法实现机器人的转向,只能进行直线式静态步行,平均行走速度为1 mm/s。将机体的主体部分进行改进设计,由上下两层相互平行的三叉支架组成,将六足改进为双三足,引入身体转动关节,采用新型的组合偏动SMA驱动器,使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。

2002年,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人

的研究[1],如图8所示。该步行机器人外形尺寸为：长30 mm,宽40 mm,高20 mm,质量仅为6.3 kg,步行速度为3 mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上,利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸,采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构,在步态和稳定性分析的基础上,进行控制系统软、硬件设计,步行实验结果表明,该机器人具有较好的机动性图7 MDTWR双三足步行机器人图8 微型六足仿生机器人

2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究,从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建[1],研究了多足步行机的

单足周期运动规律,提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法,并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题,建立了生成周期运动的神经振荡子模型。

国外多足步行机器人的研究成果[1]

1990年,美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER[1],如图1所示。该机器人采用了新型的腿机构,由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成,两杆正交。该机器人

由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态,所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3 180 kg,由于体积和质量太大,最终没被用于行星探测计划。

1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE[1],用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察,其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用,如图2所示。1994年,DANTE-II对距离安克雷奇145 km的斯伯火山进行了考察,传回了各种数据及图像。

图1 AMBLER 图2 DANTE-II

1996~2000年,美国罗克威尔公司在DARPA资助下,研制自主水下步行机ALUV [1](Autonomous Legged UnderwaterVehicle),如图3所示。该步行机模仿螃蟹的外形,每条腿有两个自由度,具有两栖运动性能,可以隐藏在海浪下面,在水中步行,当风浪太大时,将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器,用于探测岸边的地雷,当它遇到水雷时,自己爆炸同时引爆水雷。

在对昆虫步态进行研究的基础上,2000年美国研制出六足仿生步行机

器人Biobot[1],如图4所示。为了像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行,采用气动人工肌肉的方式,压缩空气由步行机上部的管子传输,并由气动作动器驱动各关节,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比,该作动器能提供更大的力和更高的速度。

图3 ALUV步行机图4 Biobot

日本对多足步行机的研究从20世纪80年代开始,并不断进行着技术创新,随着计算机和控制技术的发展,其机械结构由复杂到简单,其功能由单一功能到组合功能,并已研究出各种类型的步行机。主要有四足步行机、爬壁机器人、腿轮分离型步行机器人和手脚统一型步行机器人。

1994年,日本电气通信大学的木村浩(Hiroshi Kimura)等研制成功四足步行机器人Patrush-II[1],如图5所示。该机器人用两个微处理机控制,采用直流伺服电机驱动,每个关节安装了一个光电码盘,每只脚安装了两个微开关,采用基于神经振荡子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略,能够实现不规则地面的自适应动态步行,显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的特点。

2000~2003年,日本的木村浩等又研制成功四足步行机器人Tekken[1],如图6所示。该机器人用一台PC机系统控制,采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动,每个关节安装了一个光电码盘,并安装了陀螺仪、倾角计和触觉传感器。采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的控制系统,其中CPG用于生成机体和四条腿的节律运动,而反射机制通过传感器信号的反馈,来改变CPG的周期和相位输出,Tekken能适应中等不规则表面的自适应步行。

图5 Patrush-II 图6 Tekken

三、发展趋势

未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面：

(1)腿轮组合式步行机器人。[1]腿式移动机器人地形适应能力强,能越过大的壕沟和台阶,其缺点是速度和效率均比较低。目前,腿式移动机器人系统应用行星探测仍然是很困难的。腿轮组合式步行机器人综合了腿式和

轮式机器人的优点,具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率。特别适合用于行星探测,在无法确定待探测地表状态的情况下,采用腿轮组合式步行机器人可提高步行速度和效率。在松软或者崎岖不平的行星地表,采用腿轮组合式显示出优越性,在坚硬且较平坦的地表,由于没有土壤变形引起的阻力,采用轮式结构可有效提高其运动速度。

(2)微小型步行机器人。[5]微型化是工业发展的必然趋势之一,是高技术成果的结晶。日本已研制出外形为：8.6 mm×9.3 mm×7.2 mm的微型行走机器人。微型步行机器人有广阔的应用前景,如可将数以千计的微型步行机器人散布在星球上进行探测;在考古研究中,该种机器人可步行进入狭小的空间内采集样品等；可在狭小的空间如管道内行走、作业和维修等。

(3)仿生步行机器人。[10]在步行机的腿上安装弹性装置或采用人工肌肉等柔性腿,就是结构仿生的体现,采用形状记忆合金驱动是材料仿生的体现。目前的步行机器人还远未达到像多足昆虫那样的步行机动性和灵活性,存在步行速度低,效率差等问题。进一步深入研究功能、控制和群体仿生,提高步行机器人的速度和灵活性,充分实现多足步行机器人的优点,是今后研究步行机器人的重点之一。

四、存在问题

黄俊军等在文献[4]中通过对文献[14 ][15 ][16][ 17]总结，得出当今四足步行机器人面临待解决的问题：

(1) 有些四足步行机器人的体积和重量很大。[15]在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现。从实用化角度出发, 这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进。尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等, 需要寻找体积更小、效率更高的替代品。

(2) 大多数四足步行机器人研究平台的承载能力不强, 从而导致它们没有能力承载视觉设备。[16]而且四足步行机器人的视觉研究也不太成熟, 而视觉正是多足步行机器人实现自主化和智能化的关键之一。要解决这个问题, 首先还需改进现有四足步行机器人的机械机构设计, 使其能够承受更大的负载; 其次是改进视觉图像处理的算法, 增强图像处理的实时性、快速性和准确性。

(3) 步行敏捷性方面。[17]四足步行机器人有很好的地面适应能力, 但在某些地貌, 其行走效率很低,而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此四足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。

(4) 四足步行机器人的控制方法需要改进。[14][4]四足步行机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化。但有些算法由于其计算量很大, 所以对于机器人的实时控制很难实现甚至不能实现。因此需要简化机器人控制算法, 实现用相对较简单的控制算法获得符合工作要求的控制效果的目标。另外, 四足步行机器人现有的控制方法还有待完善和发展。

五、主要参考文献

【1】雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望[D].北京: 北京航空航天大学汽车工程系,200609.

【2】曾桂英，刘少军.六足步行机器人的设计研究.中南大学机电工程学院, 长沙410083

【3】王刚，孟庆鑫, 陈东良, 季宝锋, 刘德峰.一种新型多足仿生机器人步行足关节结构研究.哈尔滨工程大学机电工程学院, 哈尔滨150001

【4】黄俊军，葛世荣，曹为.多足步行机器人研究状况及展望[D]. 江苏徐州：中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所, 221008.

【5】陈学东.多足步行机器人运动规划与控制[M ].中科技大学出版社 , 2006121.

【6】徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制[D].厦门集美大学.200108

【7】王新杰，黄涛，陈鹿明.四足步行机器人爬行步态的计算机仿真[D].郑州.200704

【8】郭鸿勋，陈学东.六足步行机器人机械系统[D].武汉：华中科技大学.200804

【9】安丽桥，朱磊.六脚足式步行机器人的设计与制作[D].上海：上海交通大学. 200602

【10】刘静，赵晓光，谭民.腿式机器人的研究综述[J].中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100080

【11】马东兴，王延华，岳林.新型四足机器人步态仿真与实现[J].南京航

空航天大学机电学院，江苏南京，210016.

【12】Wang,Xinjie; Chen,Xuedong; Jia,Wenchuan; Sun,Yi; Pu,Huayan ;Forward Kinematics Analysis and 3-Dimmision Gait Simulation of a MiniQuad Walking Robot[J] .Mechatronics and Automation, 2007. ICMA 2007. International Conference on 5-8 Aug. 2007 Page(s):1932 – 1937

【13】Sun,Yi (School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology); Chen,Xuedong; Yan,Tianhong; Jia,Wenchuan.Modules design of a reconfigurable multi-legged walking robot[J]. Source: 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006, p1444-1449 【14】Menon C, Sitti M. A biomimetic climbing robot based on the gecko [ J ]. Journal ofBionic Engineering. 2006, 3 (3) : 1152125. 【15】Menon C, SittiM. Biologically insp ired adhesion based surface climbing robots[A]. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation[C]. Barcelona, Spain, 2005:

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【16】Park S,Lee Y J. Discontinuous zigzag gait p lanning of a quadruped walking robot with a waistjoint[J]. Advanced Robotics,2007, 21 (1) : 14321642.

【17】 P.S. Pa .Design of a modular assembly of four-footed robots with multiple functions.Graduate School of Toy and Game Design[D], National Taipei University of Education, No. 134, Sec. 2, Heping E. Rd., Taipei City 106, Taiwan, ROC