四足机器人机构及其控制系统的设计文献综述
2020-04-15 09:40:27
自然界中的四足哺乳动物遍布于地球各个大陆上,在地形环境适应性、运动灵活性和运动效率等方面具有显著优势,它们几乎能在任何陆地上活动,不仅可以在崎岖复杂地形环境下快速移动,有些还具有较好的负重能力。相比传统轮式或履带式车辆,四足哺乳动物能在崎岖不平地面上够保持支撑与平衡,灵活运动,能较好的适应环境,这充分体现出了四足移动方式的巨大优势与发展潜力:(1)四足移动方式的落足点是离散的,可以在工作空间内主动选择落足点,可以跨过障碍和深坑。(2)四足移动方式无横向运动约束,易于实现全方位移动。(3)足端运动与躯干质心运动解耦,可以实现主动隔振,在起伏不平地形移动时能保持躯干运动的平稳性。(4)可以用腿迈过障碍,避免质心上下浮动所需的额外能耗。
而基于四足哺乳动物以及四足运动方式进行仿生的四足机器人,具有像四足动物那样灵活运动的潜在能力,既有比双足机器人更好的稳定性,又有比六足机器人更简单的机构,是一种实用、有广阔应用前景的移动机器人。因此,国内外很多企业和高等院校等都进行了或正在进行着四足机器人的研发,主要是对四足动物的运动规律进行研究分析,并设计了许多不同样式的四足机器人。虽然受理论发展水平和材料、驱动机构性能的限制,目前世界上的四足机器人的运动性能与四足动物相比仍有较大差距,但也取得了很多研究成果。
四足机器人的研究从20世纪60年代起步,那时McGhee研制了世界上第一台四足机器人,此后四足机器人就因其本身的巨大优势被许多理论和应用研究者所关注。20世纪80年代,MIT Leg-Lab开展了腿足动态运动控制研究,他们在研制成功单腿机器人的基础上,将控制算法拓展应用到了四足机器人中。四足机器人类似于将四个单腿机器人前后两两结合在一起,并在该机器人上实现了踱步、对角小跑以及跳跃三种步态,这是早期运动性能最为出色的四足机器人。
2000年以后,现代四足步行仿生机器人的研制工作进入了快速发展的阶段,其中最具代表性的为波士顿动力学工程公司( Boston Dynamics)于 2005 年推出的一款四足机器人“BigDog”,也正是这款四足机器人让波士顿动力公司名声大噪。它由一台汽油发动机提供动力,发动机驱动液压系统,以液压系统作为驱动输出动力,进而控制每段肢体的动作,实现了躯体的灵活运动,具有较高的平衡性与抗干扰性。
LS3 机器人是波士顿动力公司继 Big Dog 之后推出的一款新型四足机器人,于 2012 首次公开亮相。与Big Dog相比,LS3的体型更为庞大,负载能力更强,移动速度也更快,实用性能有了大幅提升。LS3 继承了Big Dog的移动特性,通过借助地形感测、避障和 GPS 等技术,保障前行过程中的安全性,从而可以顺利到达目标地点。除此之外,LS3 采用计算机视觉技术,实现了自动跟踪,因此它无需搭载专用的驱动程序即可跟随目标人员前行。
Wild Cat是波士顿动力公司于2013年推出的一款四足机器人,采用复杂的步态算法,能够快速奔跑并提高能量利用效率,是室外运动奔跑速度最快的四足机器人。
2015年,波士顿动力公司推出了一款四足机器人“Spot”,其高度约为 0.94 米,重量约为75公斤,可背负45公斤的有效负载进行自由行动或奔跑,噪声更小,更加灵活,为高性能机器人设计提供了一种新的思路。
2016年,瑞士苏黎世联邦理工学院发布了新一代四足机器人ANYmal,这款机器人装备有多种传感器,体重轻巧,充电一次可工作2-4 小时,可以自主在不同工作环境中穿梭进行巡逻工作。。
2017年11月,波士顿动力公司对外展示了其研发的最新一款四足机器人Spot Mini。与Spot相比,SpotMini 的外形更加小巧,并且在头部增设了一副机械臂,机械臂的顶端是一个夹手,可以灵活操控物体,在实用性方面更加贴近生活,可以完成生活中的各项任务如:娱乐、安保、应急响应、物流、工程建设、看护等,体现了未来机器人的智能化、实用化时代的到来。
近年来,许多国内科研机构和研究学者们也对四足机器人投入了积极的研究,并取得一定的成果。国内四足机器人从20世纪90年代初开始起步,清华大学研制的QW-1四足机器人,实现了静步态下的全方位移动;上海交通大学研制了JTUWM系列四足机器人,完成了静步态、动步态下的运动分析与控制。2013年,山东大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学和上海交通大学研制了多台液压驱动四足机器人,无论是从移动速度还是负重能力方面,均较以往的电驱动机器人有大幅提升。