四足機(jī)器人的應(yīng)用
隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，而人們對機(jī)器人的功能需求也越來越高。對于機(jī)器人來說，可以分為移動機(jī)器人和非移動機(jī)器人。移動機(jī)器人又可以分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和足式機(jī)器人[1]。以往的研究表明，輪式車輛在相對平坦的地形上行駛時，具有控制簡單、運(yùn)動平穩(wěn)快速的特點(diǎn)[2]，但在松軟地面或崎嶇不平的地形上行駛時，車輪的移動效率大大降低甚至無法移動，而足式機(jī)器人可以在非結(jié)構(gòu)化和惡劣的環(huán)境中工作[3]。一般來說，四足機(jī)器人的驅(qū)動方式主要分為三類：液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]。電動執(zhí)行器控制精度高，但可承擔(dān)的負(fù)載較小；氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于其非線性特性而難以控制；液壓執(zhí)行器由于其動力強(qiáng)勁得到了廣泛的應(yīng)用。由于四足機(jī)器人可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，因此四足機(jī)器人的應(yīng)用場景廣泛，但目前四足機(jī)器人發(fā)展還不夠完善，大多數(shù)四足機(jī)器人還停留在實(shí)驗(yàn)室研究和演示階段，因此四足機(jī)器人的應(yīng)用都是潛在的，本文列出了以下幾種：
第一種為野外環(huán)境下的運(yùn)輸工具。在野外環(huán)境下，現(xiàn)有的人造陸地運(yùn)輸工具都難以應(yīng)用，大多需要人力和畜力等傳統(tǒng)運(yùn)輸方式。而四足機(jī)器人能夠在復(fù)雜的野外環(huán)境下靈活運(yùn)動，并可以承擔(dān)大量負(fù)載，因此四足機(jī)器人可以作為一種潛在的運(yùn)輸工具幫助人類完成野外的運(yùn)輸任務(wù)。
第二種為危險環(huán)境下的偵查工具[5]。在危險的環(huán)境中，如地震災(zāi)區(qū)和戰(zhàn)場，存在很多需要探索但人力難以到達(dá)的區(qū)域。四足動物有著比人類更強(qiáng)大的運(yùn)動能力，所以四足機(jī)器人有著潛在的幫助人類探索復(fù)雜危險的未知環(huán)境的能力。針對不同的任務(wù)機(jī)器人可以搭載不同的傳感器，在災(zāi)區(qū)救援中四足機(jī)器人可以幫助人類發(fā)現(xiàn)幸存人員；在戰(zhàn)場上四足機(jī)器人可以幫助士兵完成預(yù)探索任務(wù)，減少人員傷亡。
第三種為服務(wù)型四足機(jī)器人。四足機(jī)器人可以完成四足動物(如貓、狗等)的行為，如導(dǎo)盲和作為寵物等，卻省去了吃飯睡覺等普通動物必不可少的行為，并且無需長時間的人為訓(xùn)練。因此四足機(jī)器人可以作為潛在的服務(wù)型機(jī)器人，相比于普通的四足動物有著方便、潔凈等優(yōu)勢。
四足機(jī)器人的發(fā)展也伴隨著一些新思路。例如將機(jī)器人模塊化使得機(jī)器人具有可重構(gòu)性[6]，可變形態(tài)的輪足復(fù)合式機(jī)器人[7]，將機(jī)器人整個身體變形為一個球體實(shí)現(xiàn)滾動等[8]。
1、四足機(jī)器人發(fā)展及研究現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代起，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿生學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，四足機(jī)器人也進(jìn)入了高速發(fā)展階段[9]。涌現(xiàn)了一批可以通過控制算法實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動步態(tài)并能夠完成簡單任務(wù)的四足機(jī)器人。由Kimura等建造的Tekken IV，使用中央模式發(fā)生器(Central Pattern Generator，CPG)來控制腿的運(yùn)動，并可以用多種步態(tài)行走。2007年，尚昆灣大學(xué)研制出了AIDIN I四足機(jī)器人，能夠爬過斜坡，避免了機(jī)器人的翻滾和滑倒。在2013年他們還研制了AIDIN III四足機(jī)器人，速度可達(dá)0.35m/s，可以用小跑的步態(tài)爬上20°的斜坡，且載荷可達(dá)3kg。
隨著四足機(jī)器人的發(fā)展和近年來人工智能的興起，使得機(jī)器人擁有自主性和智能性已經(jīng)成為四足機(jī)器人研究的重要組成部分，四足機(jī)器人逐漸擁有了感知環(huán)境、自主規(guī)劃和與環(huán)境交互的能力，研究者也更多地著眼于提高機(jī)器人的自主適應(yīng)性和功能性。以波士頓動力公司最具代表性的產(chǎn)品Big Dog為例，Big Dog擁有強(qiáng)大的負(fù)載能力，設(shè)計(jì)初衷是在戰(zhàn)場上幫助士兵運(yùn)送物資。Big Dog長度約為1.1m，質(zhì)量為20kg，是世界上第一款真正實(shí)現(xiàn)了野外行走的機(jī)器人，其強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力使得該機(jī)器人可以在山地和雪地自如行走。更為值得一提的是Big Dog的平衡能力，在冰面上受到巨大的側(cè)向沖擊時，機(jī)器人可以憑借卓越的平衡能力最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定站立。Big Dog可以以4km/h的速度連續(xù)運(yùn)行10km。
波士頓動力公司又陸續(xù)推出了幾代產(chǎn)品，2012年發(fā)布的Cheetah獵豹仿生四足機(jī)器人是目前室內(nèi)奔跑速度最快的機(jī)器人，在跑步機(jī)上可以達(dá)到45km/h的速度。2013年推出的WildCat野貓四足仿生機(jī)器人可以在各種步態(tài)下靈活轉(zhuǎn)彎，且目前只有波士頓動力公司能夠?qū)崿F(xiàn)在奔跑步態(tài)時的轉(zhuǎn)彎，是室外奔跑速度最快的四足機(jī)器人，同時還具有較高的能量效率。而2016年推出的SpotMini四足仿生機(jī)器人體型小巧，質(zhì)量僅約30kg，在崎嶇的地形下比大型的四足機(jī)器人更靈活。
波士頓動力各系列仿生四足機(jī)器人如圖1所示。
圖1波士頓動力各系列仿生四足
針對四足機(jī)器人的奔跑和跳躍能力，麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)研制了三代Cheetah獵豹機(jī)器人。第一代獵豹機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)高速奔跑，通過4個設(shè)計(jì)原則最小化能量損失，運(yùn)輸成本為0.51[10]；而第二代獵豹機(jī)器人奔跑速度更快并可以在奔跑的同時跨越45cm高度的障礙物；第三代獵豹機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不依賴視覺系統(tǒng)，通過觸覺信息敏捷地感覺周圍環(huán)境的方式來進(jìn)行運(yùn)動，稱之為盲目運(yùn)動，擁有在快速移動時準(zhǔn)確處理障礙物的能力。第三代獵豹機(jī)器人還擁有很強(qiáng)的平衡能力，可以在一條腿不動的情況下完成三條腿的前進(jìn)，并且有著極強(qiáng)的跳躍能力，可以原地跳躍至高度超過自己體長的桌面[11]。近期MIT又推出了最新的迷你獵豹，首次實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的后空翻動作。
MIT各系列仿生四足機(jī)器人如圖2所示。
圖2 MIT各系列仿生四足
HyQ是由意大利工業(yè)技術(shù)研究所(Italian Institute of Technology，IIT)研制的仿生四足移動機(jī)器人，不同于Big Dog技術(shù)上采取保密措施，HyQ是首個完全公開研究方法和設(shè)計(jì)資料的通用研究平臺[12]。HyQ長為1.0m、高為0.98m、質(zhì)量為95kg，速度可達(dá)3～4m/s，續(xù)航時間不低于8h。2015年該研究所又推出了新一代HyQ2Max機(jī)器人[13]。
StarlETH柔性四足機(jī)器人是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制的一款高效節(jié)能的四足仿生機(jī)器人。受到自然界生物系統(tǒng)的啟發(fā)，StarlETH能夠通過在關(guān)節(jié)處的大量柔順機(jī)構(gòu)獲得自然動力，允許臨時能量存儲，提高了機(jī)器人的被動適應(yīng)性[14]，使其具有較高的運(yùn)動速度和強(qiáng)大的機(jī)動能力?；谶@種設(shè)計(jì)，機(jī)器人總體功耗很低，具有很高的能量效率。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院隨后又發(fā)布了ANYmal四足機(jī)器人，該機(jī)器人繼承了StarlETH機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)量約30kg，全速運(yùn)行功率低于280W，可以在自主條件下運(yùn)行2h以上，并具有攀爬陡峭樓梯的能力。ANYmal機(jī)器人如圖3所示。
圖3 ANYmal四足機(jī)器人
國內(nèi)的四足機(jī)器人研究起步較晚，處于模仿和追趕的階段，但仍然有一些突出的成果。較有代表性的是宇樹科技開發(fā)的四足機(jī)器人萊卡狗。該機(jī)器人質(zhì)量為22kg，自主研發(fā)的電機(jī)系統(tǒng)能輸出18kW的瞬時功率，該機(jī)器人可在脫離外部供電的情況下運(yùn)行2～3h，如圖4所示。萊卡狗的性能與波士頓動力公司的SpotMini差距不大，但還不夠成熟，視覺導(dǎo)航及自主性仍有待提高。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布的機(jī)器人絕影和赤兔是高校領(lǐng)域的代表。赤兔采用電機(jī)驅(qū)動，奔跑速度可達(dá)10km/h。山東大學(xué)、北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校在四足機(jī)器人領(lǐng)域也都取得了較好的成績。國內(nèi)的四足機(jī)器人研發(fā)愈來愈熱，但仍與世界先進(jìn)水平有一定的差距，主要體現(xiàn)在仿生結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標(biāo)和自主性不足方面。機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動器在較大程度上依賴于國外，而絕大多數(shù)國內(nèi)研發(fā)的四足機(jī)器人仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，達(dá)不到波士頓動力公司的系列機(jī)器人可以在野外長時間工作的水準(zhǔn)，但這些成果仍然大大推動了國內(nèi)在該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。近年來，國內(nèi)的電機(jī)產(chǎn)業(yè)也有了突破性進(jìn)展，銀弗科技發(fā)布的QDD系列電機(jī)是其中的代表，該系列電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)可以與一些世界一流的電機(jī)廠商相比，雖然還沒有被大規(guī)模使用，但仍然體現(xiàn)出了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)帶動相應(yīng)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。
圖4宇樹科技發(fā)布的萊卡狗機(jī)器人
2、四足機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)
四足機(jī)器人是一種仿生機(jī)器人，仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。目前對四足動物仿生學(xué)研究比較廣泛的是德國牧羊犬，也有基于獵豹的如MIT的獵豹系列仿生機(jī)器人，Ishii等還研制了基于小鼠的仿生機(jī)器人[15]。在研究時對其骨骼構(gòu)造進(jìn)行了分解研究，如圖5所示，可簡單地把腿部分為前后結(jié)構(gòu)。四足生物的腿部一般包括髖、膝和踝3個關(guān)節(jié)。在行走過程中髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)前后的擺動和側(cè)擺調(diào)整方向，因此在結(jié)構(gòu)上應(yīng)該包括2個自由度；膝關(guān)節(jié)可簡化為1個自由度的前后擺動[16]；踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)一樣為1個自由度的前后擺動，也可以將踝關(guān)節(jié)視為被動的彈性關(guān)節(jié)。腿部的這些自由度使得四足動物可以在復(fù)雜的環(huán)境下靈活運(yùn)動和高速奔跑。
四足仿生機(jī)器人要像真實(shí)四足動物一樣行走，首先要確定腿部關(guān)節(jié)的活動范圍。對此可以參考四足動物的生理結(jié)構(gòu)特征，髖關(guān)節(jié)的活動范圍可以達(dá)到50°～162°，膝關(guān)節(jié)的活動范圍可以達(dá)到41°～162°[17]。德國牧羊犬的腿部關(guān)節(jié)活動范圍示意圖如圖6所示。
圖6四足動物腿部結(jié)構(gòu)圖
2.1身體支架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
四足機(jī)器人身體設(shè)計(jì)主要是腰部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，腰部形式可劃分為主動腰部、被動腰部和剛性腰部三種。尾部在機(jī)器人運(yùn)動中也具有重要作用[18-19]，但相關(guān)研究較少。
主動腰部：即在四足機(jī)器人的腰部安裝驅(qū)動器，增加自由度，從而提高四足機(jī)器人的靈活性和可控性，但也會大大提高機(jī)器人的控制難度，同時也會增加機(jī)器人的自身質(zhì)量。
被動腰部：即在四足機(jī)器人的腰部安裝被動彈性元件，從而減小機(jī)器人奔跑或跳躍時的振動與沖擊，同時也略微增大了機(jī)器人的活動能力[20]。腰部彈性元件的收縮和舒張可以臨時存儲和釋放能量，提升機(jī)器人的能量效率，但也會給機(jī)器人帶來額外的擾動，增加機(jī)器人的控制難度。
剛性腰部：即前后身之間為剛性連接，相較于另外兩種形式，結(jié)構(gòu)簡單，控制難度低，成本低。
2.2仿生四足腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1腿部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
四足機(jī)器人的腿部關(guān)節(jié)也分為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。一般來講，每一個自由度對應(yīng)一個執(zhí)行器，一般是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)執(zhí)行器，Byeonghun等也實(shí)現(xiàn)了線性執(zhí)行器的案例[21]。但對于真實(shí)的動物，一個關(guān)節(jié)可以對應(yīng)多個自由度，所以應(yīng)用新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其是大力矩多自由度的執(zhí)行器，才能使四足機(jī)器人真正地仿生四足動物。
四足動物的髖關(guān)節(jié)擁有2個自由度，為左右橫跨和前后擺動，左右橫跨的自由度會給機(jī)器人帶來額外的擾動，使得機(jī)器人更難控制，同時也增加了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。所以MIT獵豹機(jī)器人系列的第一代和第二代都沒有加入左右橫跨的自由度，目的是讓機(jī)器人具有更快的奔跑速度。但若想讓機(jī)器人像真正的四足動物那樣靈活運(yùn)動，髖關(guān)節(jié)的橫跨自由度是不可或缺的。
膝關(guān)節(jié)擁有前后擺動的自由度，而膝關(guān)節(jié)相對于腿部轉(zhuǎn)動軸較遠(yuǎn)，因此膝關(guān)節(jié)的質(zhì)量會很大程度上影響整條腿的轉(zhuǎn)動慣量，若腿部的轉(zhuǎn)動慣量過大，則不利于腿部的高速運(yùn)動。針對這個問題，值得一提的是MIT的獵豹系列機(jī)器人。獵豹系列機(jī)器人采用創(chuàng)新的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)[22]，將驅(qū)動電機(jī)全部設(shè)置在髖關(guān)節(jié)處，采用連桿傳動的方式實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動。這種設(shè)計(jì)方式有效地減少了機(jī)器人腿部的轉(zhuǎn)動慣量，因此獵豹系列機(jī)器人可以高速奔跑，同時這種設(shè)計(jì)還為機(jī)器人的動力學(xué)建模及控制算法的設(shè)計(jì)提供了便利。
踝關(guān)節(jié)擁有類似于髖關(guān)節(jié)的2個自由度，但由于踝關(guān)節(jié)在動物行走時的主要作用是調(diào)節(jié)足端與地面的接觸，基本不提供動力，因此在設(shè)計(jì)四足機(jī)器人時一般將踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為被動的彈性關(guān)節(jié)。
2.2.2四足腿部關(guān)節(jié)配置形式
四足機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)配置形式有四種：全膝式、全肘式、外膝肘式和內(nèi)膝肘式。這些關(guān)節(jié)配置形式都能夠成功實(shí)現(xiàn)行走，且各有優(yōu)點(diǎn)。外膝肘式和內(nèi)膝肘式配置的支撐面比較大，機(jī)器人的穩(wěn)定性比較好；全膝式和全肘式配置由于具有統(tǒng)一的關(guān)節(jié)形式，控制相對簡單。
四足腿部關(guān)節(jié)各配置形式如圖7所示。
圖7四足腿部關(guān)節(jié)配置圖
2.3仿生四足足端設(shè)計(jì)
四足機(jī)器人的足端設(shè)計(jì)主要有三種形式，即圓柱形足端(含半圓柱形足端)、球形足端(含半球形足端)及仿生足端。圓柱形足端(或半圓柱形)就是四足機(jī)器人的足端呈橫向的圓柱或半圓柱形，與地面接觸時是一個矩形平面。圓形足端是目前四足機(jī)器人最常見的足端設(shè)計(jì)，足端呈球形或半球形，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人足端可以和地面從各個方向接觸，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。而真正的四足動物足端是不規(guī)則的，有爪子和肉墊等結(jié)構(gòu)，與地面接觸時始終都有很強(qiáng)的抓地力。而目前仿生足端的研究尚不夠充分，真正仿生的足端也并沒有在四足機(jī)器人上應(yīng)用，因此仿生足端的設(shè)計(jì)是未來四足機(jī)器人研究的一個難點(diǎn)。
足端的材料一般選用具有彈性的橡膠和海綿等，但傳統(tǒng)的材料很難同時實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)大、減震能力強(qiáng)和柔性強(qiáng)等需求，因此將新材料應(yīng)用于四足機(jī)器人足端的設(shè)計(jì)會使得機(jī)器人擁有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。而一些特殊的材料，如仿生壁虎足底材料的應(yīng)用，還將使得四足機(jī)器人能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動。
2.4機(jī)器人主要驅(qū)動硬件結(jié)構(gòu)
機(jī)器人的主要驅(qū)動硬件結(jié)構(gòu)包括主處理器、電控系統(tǒng)和關(guān)節(jié)驅(qū)動器。
主處理器的作用是完成機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃、環(huán)境感知以及定位導(dǎo)航等，是機(jī)器人的大腦。主處理器需要讀取機(jī)器人搭載的各類傳感器，如視覺傳感器、關(guān)節(jié)編碼器數(shù)據(jù)、關(guān)節(jié)扭矩等信息，融合信息完成機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃和路徑規(guī)劃，并將規(guī)劃信息發(fā)送給機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，使得機(jī)器人可以穩(wěn)定地行走并躲避障礙。對于簡單的機(jī)器人，可以使用單片機(jī)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)等小型處理器；而對于大型的復(fù)雜的四足機(jī)器人，則需要高速的可以搭載操作系統(tǒng)的處理器，例如Intel系列處理器。
電控系統(tǒng)的作用是提供機(jī)器人各個部件所需要的能源。合理設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)可以保證機(jī)器人長時間安全運(yùn)行。
圖8減速箱及執(zhí)行電機(jī)
關(guān)節(jié)驅(qū)動器和執(zhí)行部件是使機(jī)器人得以運(yùn)動的關(guān)鍵部分，是機(jī)器人的肌肉。為了使機(jī)器人的運(yùn)動關(guān)節(jié)輸出足夠的扭矩，在執(zhí)行器與關(guān)節(jié)之間要增加減速齒輪箱，將高速低扭矩的執(zhí)行器(如電機(jī))輸出轉(zhuǎn)化為低速大扭矩的關(guān)節(jié)輸出。減速齒輪箱應(yīng)盡量保證低減速比，以減少能量損耗和輸出精度，執(zhí)行器和減速箱整體的設(shè)計(jì)體積應(yīng)盡量小，例如ANYmal機(jī)器人的減速箱和執(zhí)行電機(jī)如圖8所示。當(dāng)關(guān)節(jié)驅(qū)動器得到主處理器的運(yùn)動信息，為保證高精度低延遲地驅(qū)動執(zhí)行部件，則執(zhí)行部件的性能十分重要，而執(zhí)行部件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是高扭矩密度和高功率密度。例如MIT自主研發(fā)的獵豹系列的電機(jī)，可以達(dá)到33N·m的扭矩而質(zhì)量僅1kg。而國產(chǎn)的電機(jī)仍達(dá)不到機(jī)器人高速運(yùn)動所需的性能指標(biāo)。
四足機(jī)器人整體的硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9硬件結(jié)構(gòu)框圖
3、四足機(jī)器人的控制
四足機(jī)器人的控制涉及多個層次和方面，自1960年第一個可控制的四足步行機(jī)器人誕生以來[23]，許多學(xué)者就致力于機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃和控制問題，并取得了長足的進(jìn)展。但目前針對四足機(jī)器人的控制問題依然沒有通用的框架和算法，雖然很多方法都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但找到一種高效通用的控制框架和算法依然是四足機(jī)器人研究的重難點(diǎn)問題。
3.1四足機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃
四足機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃是指在機(jī)器人運(yùn)動時，選擇合理的地面接觸點(diǎn)和腿部的軌跡規(guī)劃，從而防止機(jī)器人傾倒，合理的腿部軌跡還可以減少機(jī)器人與地面的沖擊。四足機(jī)器人的步態(tài)有多種，常用的有對角步態(tài)、蹦躍步態(tài)、疾馳步態(tài)等，不同的步態(tài)適用于不同的機(jī)器人速度[24]。四足機(jī)器人的步態(tài)也可以簡化成雙足的步態(tài)[25]。將四足機(jī)器人的一個步態(tài)循環(huán)視為1個周期，則針對1個步態(tài)周期，機(jī)器人腿部的步態(tài)相位為0～1，步態(tài)周期開始時，步態(tài)相位為0，結(jié)束時步態(tài)相位為1。對于不同的步態(tài)，機(jī)器人的不同腿之間有著不同的相位差，例如最簡單的對角步態(tài)，機(jī)器人的左前腿和右后腿為相同的步態(tài)相位，而右前腿與左后腿為相同的步態(tài)相位，兩者的相位差為0.5。通過改變腿部之間的相位差實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)器人步態(tài)。
3.1.1基于ZMP的步態(tài)規(guī)劃
零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point，ZMP)，是針對靜態(tài)步態(tài)穩(wěn)定足式機(jī)器人的通用方法，即在機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃時，計(jì)算機(jī)器人的ZMP(在地面上存在一點(diǎn)P，使得與地面平行軸方向的、由慣性力F=ma與重力G所產(chǎn)生的凈力矩為0的點(diǎn))。使得ZMP始終位于機(jī)器人足端與地面的多個接觸點(diǎn)所圍成的多邊形內(nèi)[26]，這樣可以保證機(jī)器人具有理想的靜平衡狀態(tài)。基于ZMP的穩(wěn)定方法在雙足和四足機(jī)器人上均廣泛使用，但ZMP算法的缺點(diǎn)也很明顯，只適用于靜態(tài)步態(tài)，對于復(fù)雜的動態(tài)步態(tài)，ZMP算法很難應(yīng)用。
3.1.2基于CPG的步態(tài)規(guī)劃
CPG通過模擬生物的低端神經(jīng)元，從而生成機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。該方法利用數(shù)學(xué)方法生成振蕩曲線，將其作為腿部關(guān)節(jié)的位置和速度輸入，具有一定的自穩(wěn)定能力，通過振蕩曲線還可以方便地調(diào)節(jié)四足機(jī)器人腿與腿之間的相位關(guān)系。但該方法仍有很大的局限性，由于依賴已知的振蕩器，盡管該方法具有一定的自穩(wěn)定能力，但在面對復(fù)雜的地形時，環(huán)境對機(jī)器人的擾動很大，CPG算法將不再適用。而野外的地形往往高度變化較大[27]，針對該問題，Saputra等提出了可變神經(jīng)元的神經(jīng)振蕩器，適應(yīng)性更強(qiáng)[28]。
3.1.3基于SLIP的運(yùn)動規(guī)劃
四足機(jī)器人的動態(tài)運(yùn)動規(guī)劃是四足機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的核心問題，目前被廣泛應(yīng)用的動態(tài)運(yùn)動模型是彈簧加載倒立擺理論(Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP)模型。該模型將四足機(jī)器人的單條腿簡化為單自由度的具有柔性和阻抗的單桿結(jié)構(gòu)。利用SLIP模型，波士頓動力公司的創(chuàng)始人Raibert于20世紀(jì)80年代實(shí)現(xiàn)了平衡腿的控制步態(tài)，包括單足、雙足和四足。而Raibert提出的“彈跳高度-前進(jìn)速度-機(jī)體位姿”三體解耦控制被認(rèn)為是工程技術(shù)與理論分析的完美結(jié)合，近30年來仍然是足式機(jī)器人動平衡最有效的手段之一[29]。Piovan等還針對主動的SLIP模型控制進(jìn)行了研究[30]。針對各種各樣的四足機(jī)器人，Sehoon Ha等提出了將機(jī)器人參數(shù)化并與運(yùn)動軌跡協(xié)同優(yōu)化的新思路[31]?；赟LIP模型，機(jī)器人的步態(tài)相位可以分為飛行相和擺動相，并由此可以得到簡化有效的機(jī)器人動力學(xué)模型，對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行有效的規(guī)劃。
3.1.4基于貝塞爾曲線的軌跡規(guī)劃
MIT獵豹系列機(jī)器人的一代和二代采用了基于貝塞爾曲線的腿部軌跡生成方法[32]。利用該方法，MIT獵豹細(xì)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動狀態(tài)下的步態(tài)切換。對于機(jī)器人腳部的軌跡規(guī)劃問題的主要目標(biāo)是：具有足夠的離地間隙，從而保證機(jī)器人能跨越適當(dāng)?shù)恼系K，并且要具有理想的擺動腿回縮率(適當(dāng)?shù)臄[動腿回縮率可以提高機(jī)器人運(yùn)動時的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)耐炔抗ソ强梢越档蜎_擊能量損失)，軌跡曲線通過一定數(shù)量且滿足機(jī)器人運(yùn)動中速度和加速度要求的關(guān)鍵點(diǎn)，從而利用貝塞爾曲線生成腿部運(yùn)動軌跡。擺動相和支撐相是分開設(shè)計(jì)的，支撐相的軌跡是正弦曲線，2個軌跡圍繞著單個參考點(diǎn)來設(shè)計(jì)。這種方法使得MIT獵豹機(jī)器人擁有更高效的運(yùn)動規(guī)劃，但面對復(fù)雜的地形仍然不是通用方法。
3.2四足機(jī)器人的運(yùn)動控制
動態(tài)穩(wěn)定性是機(jī)器人運(yùn)動的關(guān)鍵[33]。四足機(jī)器人的運(yùn)動控制是指在機(jī)器人動態(tài)運(yùn)動過程中，利用合理的算法對機(jī)器人的位置和關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動態(tài)穩(wěn)定性和魯棒性[34]，并減少與地面的沖擊。針對復(fù)雜環(huán)境開發(fā)的足式機(jī)器人需要能夠保證良好的跟蹤性能和環(huán)境適應(yīng)性的控制器[35]。
3.2.1柔順阻抗控制
柔順性分為主動柔順和被動柔順兩種，機(jī)器人憑借柔順機(jī)構(gòu)(如彈簧)，使其在與環(huán)境接觸時能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然順從，稱為被動柔順性[36]；機(jī)器人利用力反饋信息采用一定的控制方法去主動控制作用力，稱為主動柔順性[37]。
被動柔順控制的典型應(yīng)用是串聯(lián)彈性驅(qū)動器(Series Elastic Actuator，SEA)，通過在傳統(tǒng)的剛性致動器和連桿之間放置被動柔順元件而設(shè)計(jì)[38]。StarlETH機(jī)器人應(yīng)用SEA[39]，可以精確地控制關(guān)節(jié)扭矩和存儲大量的能量，彈簧將變速箱與連桿分離，使得機(jī)器人與地面接觸時具有魯棒性。這種設(shè)計(jì)有效地減少了StarlETH的能量損耗，總功率小于230W。
主動阻抗控制的典型應(yīng)用是HYQ機(jī)器人[40]，通過實(shí)時改變電機(jī)PID控制器的PD參數(shù)，相當(dāng)于實(shí)時調(diào)整機(jī)器人腿部的剛度和阻尼，將電機(jī)模擬成被動柔順元件。控制回路分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，外環(huán)利用關(guān)節(jié)角位置作為反饋，輸出扭矩信號。該扭矩信號作為內(nèi)環(huán)扭矩控制回路的參考，基于低階模型設(shè)計(jì)了高性能轉(zhuǎn)矩控制器，在不需要實(shí)際彈簧的情況下成功實(shí)現(xiàn)可調(diào)阻抗。
3.2.2前饋控制
機(jī)器人的力矩控制是動態(tài)響應(yīng)最快的方法，針對四足機(jī)器人的力矩控制，最常見的方法是前饋力矩控制。MIT二代獵豹機(jī)器人針對跳躍運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)接觸界面的前饋力為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的力矩控制[41]。通過檢測驅(qū)動電機(jī)的輸出電流完成關(guān)節(jié)力矩的檢測，實(shí)現(xiàn)了對地面反作用力的高保真控制。HYQ機(jī)器人將扭矩信號作為前饋參考，并基于低階模型設(shè)計(jì)了高性能轉(zhuǎn)矩控制器[42]。
前饋力矩控制和柔順控制可以同時應(yīng)用于四足機(jī)器人控制，使得四足機(jī)器人同時具有柔順阻抗特性和快速的動態(tài)響應(yīng)，控制框圖如圖10所示。
圖10前饋力矩+柔順控制框圖
3.2.3分層操作空間控制
StarlETH機(jī)器人應(yīng)用了基于分層任務(wù)優(yōu)化的四足運(yùn)動操作空間控制(Object-based Storage Controller，OSC)[43]。將復(fù)雜的機(jī)器人行為通過一組簡單的最小二乘問題來描述，將運(yùn)動任務(wù)、扭矩任務(wù)和接觸力優(yōu)化任務(wù)分為不同的優(yōu)先級，使用了多個接觸點(diǎn)的浮動基礎(chǔ)系統(tǒng)的投影動力學(xué)。首先對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)建模，建立了3個優(yōu)化變量，分別是期望的運(yùn)動、期望的關(guān)節(jié)扭矩和期望的地面接觸力。期望的運(yùn)動為最高優(yōu)先級。采用分割優(yōu)化的方法，利用線性算子將模型降階，分別忽略關(guān)節(jié)扭矩和地面接觸力，并利用QP求解器進(jìn)行求解。最后使用最小二乘法分別對三種任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。OSC控制框圖如圖11所示。
圖11 OSC控制框圖
3.2.4模型預(yù)測控制
模型預(yù)測控制(Model Predictive Control，MPC)是一類特殊的控制。它的當(dāng)前控制動作是在每一個采樣瞬間通過求解一個有限時域開環(huán)最優(yōu)控制問題而獲得[44]，不需要建立復(fù)雜的非線性機(jī)器人模型。當(dāng)前的控制狀態(tài)作為一個控制周期的初始狀態(tài)，控制器的解作為第一個控制輸出，本質(zhì)上是一個求解開環(huán)最優(yōu)控制的問題。MPC控制框圖如圖12所示。
圖12 MPC控制框圖
典型案例是MIT獵豹三代機(jī)器人[45]，針對MIT獵豹三代的動態(tài)運(yùn)動問題使用了凸優(yōu)化模型預(yù)測控制方法。針對地面反作用力，利用離散時間有限時域模型預(yù)測控制器找到期望值?？紤]地面反作用力而不是關(guān)節(jié)扭矩，因此預(yù)測控制器不需要知道腿的配置或運(yùn)動。預(yù)測控制器利用最小二乘法找到最優(yōu)解。實(shí)驗(yàn)表明，最終第三代cheetah完成了各步態(tài)在跑步機(jī)上的高速運(yùn)動。對于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的步態(tài)模式，第三代cheetah使用了正則化模型預(yù)測控制方法[46]，目的是降低解的復(fù)雜性。由頂層的控制結(jié)構(gòu)完成機(jī)器人運(yùn)動的期望軌跡，該控制方法的目的是控制足部和地面接觸的位置以及與地面接觸的力。
3.2.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器
由于四足機(jī)器人是一個復(fù)雜的非線性模型，很難得到精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network，NN)可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人動力學(xué)方程未知部分的精確逼近，從而實(shí)現(xiàn)無需建模的控制[47]。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以使得機(jī)器人的適應(yīng)性更強(qiáng)，針對四足機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制是近年來四足機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制框圖如圖13所示。
圖13神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制框圖
4、四足機(jī)器人的環(huán)境感知技術(shù)及智能化
伴隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用，在四足機(jī)器人上搭載相應(yīng)的傳感器使得機(jī)器人可以和環(huán)境交互并提高其對環(huán)境的適應(yīng)性已經(jīng)成為研究的重要方向。環(huán)境感知是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)技術(shù)，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正自主的關(guān)鍵。
4.1傳感器和環(huán)境感知
傳感器是環(huán)境感知的基礎(chǔ)和關(guān)鍵元素。例如基于距離測量理論的三維多層激光雷達(dá)將獲得足夠的數(shù)據(jù)，用于快速障礙物檢測。傳感器獲取環(huán)境信息是幫助機(jī)器人獲取自身狀態(tài)信息和周圍環(huán)境信息的技術(shù)。這些傳感器可以分別稱為本體感知傳感器和外部感知傳感器：Bigdog有大約50個傳感器來感知它自己的狀態(tài)和外部環(huán)境信息。而與外部傳感器相關(guān)的傳感器可分為視覺傳感器和非視覺傳感器。視覺傳感器能夠獲取的信息種類繁多，是機(jī)器人獲得環(huán)境信息的重要途徑[48]，在某些情況下，這種傳感器對環(huán)境信息的獲取是不可替代的，但是視覺傳感器很容易受到光照和陰影的影響[49]；非視覺傳感器，如激光傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器，都是基于距離測量理論，其測量精度高于視覺傳感器，但這些傳感器的信息僅限于距離和強(qiáng)度，容易受到鏡面反射或漫反射的影響；其他傳感器，如力、觸覺傳感器，也在機(jī)器人環(huán)境感知中起著重要作用。值得一提的是波士頓動力公司的LS3機(jī)器人，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器將立體攝像頭傳感器、慣性測量單元、腿部測距和可選的間歇全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)位置更新融合在一起，以確保穩(wěn)定、低延遲的性能[50]。
4.2自主化及智能化
圖14 ANYmal爬樓梯
四足機(jī)器人最終的發(fā)展方向是擁有自主性并幫助人類在復(fù)雜的環(huán)境下完成任務(wù)。實(shí)時定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)技術(shù)是四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主性的關(guān)鍵，SLAM技術(shù)的作用是幫助機(jī)器人完成傳感器數(shù)據(jù)的融合，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在環(huán)境中的定位并建立所需的環(huán)境地圖。通過集成SLAM技術(shù)，機(jī)器人可以完成后續(xù)的導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和實(shí)時避障，從而實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的自主性運(yùn)動。智能化程度也是未來評價四足機(jī)器人的重要指標(biāo)之一。面對復(fù)雜的環(huán)境，機(jī)器人還應(yīng)具有穿越復(fù)雜地形的能力，目前較先進(jìn)的四足機(jī)器人已經(jīng)能夠完成爬樓梯等動作(例如圖14所示的ANYmal機(jī)器人)，而最終的目標(biāo)是使四足機(jī)器人具有在野外獨(dú)立自主運(yùn)行的能力。真正的動物不僅具有運(yùn)動的自主性，還能夠完成物種間協(xié)作甚至與人類協(xié)作。因此未來的四足機(jī)器人要幫助人類完成任務(wù)，就必須要有較高的智能，例如能夠聽懂人類的語言、通過肢體運(yùn)動完成與人類的互動、執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時有一定的判斷能力和與其他四足機(jī)器人之間協(xié)同完成任務(wù)等。近年來，多智能體協(xié)同控制理論發(fā)展迅猛并應(yīng)用在各個領(lǐng)域，若應(yīng)用到四足機(jī)器人領(lǐng)域，使得機(jī)器人之間具有相互協(xié)同完成任務(wù)的能力，必將使四足機(jī)器人能夠完成更加復(fù)雜多樣的任務(wù)，四足機(jī)器人的應(yīng)用范圍也會更加廣泛。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也為四足機(jī)器人的智能化提供了新思路，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于四足機(jī)器人，可以使得四足機(jī)器人擁有學(xué)習(xí)的能力。機(jī)器人可以通過在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行來學(xué)習(xí)更為有效的運(yùn)動方式，這樣在制造機(jī)器人時，無需考慮機(jī)器人運(yùn)行所需要面對的復(fù)雜情況，而是通過學(xué)習(xí)的方式來適應(yīng)環(huán)境。擁有學(xué)習(xí)能力的四足機(jī)器人將更像一個真實(shí)的動物，能夠完成更加復(fù)雜的任務(wù)。
5、研究的不足及未來的關(guān)鍵性技術(shù)
5.1高強(qiáng)度的機(jī)械設(shè)計(jì)
機(jī)器人在移動時足端會受到地面的巨大沖擊，甚至可以達(dá)到站立狀態(tài)的幾十倍。目前的四足機(jī)器人研究領(lǐng)域依然沒有大規(guī)模使用新材料，雖然使用主動柔順和被動柔順技術(shù)可以減弱沖擊，但當(dāng)機(jī)器人需要負(fù)重時，高強(qiáng)度的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)依然至關(guān)重要。因此在未來的四足機(jī)器人研究中，應(yīng)用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料及高強(qiáng)度的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是發(fā)展的重要領(lǐng)域。
5.2高帶寬執(zhí)行器設(shè)計(jì)
機(jī)器人的動態(tài)性能依賴于執(zhí)行器的帶寬，即執(zhí)行器對信號的響應(yīng)速度。尤其是奔跑和跳躍的時候，需要執(zhí)行器高速運(yùn)動，對控制信號高速響應(yīng)，若帶寬不足則很難保持動態(tài)穩(wěn)定。
5.3高能量密度執(zhí)行器及新執(zhí)行機(jī)構(gòu)
高能量密度的執(zhí)行器可以在滿足功率時大大減小執(zhí)行器的質(zhì)量，從而減輕機(jī)器人自重，提升機(jī)器人負(fù)載能力，降低對機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的需求，并提高機(jī)器人的續(xù)航能力。目前四足機(jī)器人常用的液壓、電驅(qū)動及氣動執(zhí)行器在原理上仍與真實(shí)四足動物的肌肉有很大差異，無法像真實(shí)的動物一樣運(yùn)動自如。因此機(jī)器人執(zhí)行器的創(chuàng)新是四足機(jī)器人研究的重要領(lǐng)域之一。
5.4動態(tài)自平衡控制
機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，但在機(jī)器人動態(tài)運(yùn)動時，靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)難以滿足要求。而動態(tài)自平衡控制發(fā)展仍不足，依然沒有計(jì)算量低且適應(yīng)性強(qiáng)的通用方法。在未來的四足機(jī)器人研究領(lǐng)域，找到一種計(jì)算量低，且可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形的具有普適性的動態(tài)自平衡控制方法至關(guān)重要。
5.5智能化
目前的四足機(jī)器人普遍存在智能化和自主化程度不足的問題，依賴于操作員對其進(jìn)行控制。四足機(jī)器人若要完成復(fù)雜的任務(wù)，就必須有和環(huán)境交互的能力，因此SLAM技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)等智能化技術(shù)是未來四足機(jī)器人發(fā)展不可或缺的部分。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的發(fā)展，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用于四足機(jī)器人[51]，可以使得機(jī)器人更能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，未來的四足機(jī)器人會更加自主和智能。而隨著多智能體協(xié)同控制理論的發(fā)展，機(jī)器人之間協(xié)同完成任務(wù)也越來越成為機(jī)器人研究的重點(diǎn)。
5.6國內(nèi)研究領(lǐng)域的不足
針對國內(nèi)四足機(jī)器人研究領(lǐng)域，與波士頓動力公司和MIT的獵豹系列機(jī)器人的差距主要體現(xiàn)在仿生結(jié)構(gòu)、執(zhí)行器參數(shù)及智能化等方面。
仿生結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)的四足機(jī)器人依然與真實(shí)的動物相差甚遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)不夠靈活，感知方式仍然依賴于外部傳感器，而真實(shí)的動物更多地來自本體的感知，即觸覺。國內(nèi)研發(fā)的四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動方式與MIT系列機(jī)器人相比仍不夠仿生，對于真實(shí)動物擁有的踝部、腰部、尾部等研究不足，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍缺乏創(chuàng)新。
國產(chǎn)的執(zhí)行器相比于世界一流水平仍有較大差距，帶寬偏低且能量密度不高，所以國內(nèi)的四足機(jī)器人執(zhí)行器大多依賴于進(jìn)口。而國產(chǎn)驅(qū)動器的精度和時效性也是制約國內(nèi)四足機(jī)器人發(fā)展的重要原因之一。
智能化方面的差距更為突出，國內(nèi)的四足機(jī)器人運(yùn)動方式更保守、更僵硬，面對復(fù)雜的地形，抗干擾能力弱。波士頓動力公司發(fā)布的四足機(jī)器人已經(jīng)能夠完成搬箱子、開門等任務(wù)，LS3機(jī)器人能夠在野外連續(xù)運(yùn)行幾小時以上；而國內(nèi)的四足機(jī)器人研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，還未有實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)和野外長時間運(yùn)行的能力。
整體上國內(nèi)四足機(jī)器人研究領(lǐng)域仍處于模仿的階段，創(chuàng)新性不足。若要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)的四足機(jī)器人達(dá)到世界先進(jìn)水平，不僅要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和執(zhí)行器設(shè)計(jì)等硬件方面有所提升，更要在智能化等領(lǐng)域有所創(chuàng)新和突破。
6、結(jié)論
隨著越來越多的科研團(tuán)隊(duì)加入對四足機(jī)器人的研究，四足機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，但仍有一些根本性的問題需要突破，四足機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢是負(fù)重能力更強(qiáng)和移動速度更快、環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)、續(xù)航時間更長。而隨著機(jī)器人學(xué)科與其他學(xué)科的融合，四足機(jī)器人必將越來越智能化，與真實(shí)四足動物的差距會越來越小。目前已經(jīng)有科研團(tuán)隊(duì)在人造肌肉領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，而類肌肉的執(zhí)行器必將使四足機(jī)器人發(fā)展至一個全新的高度，未來的四足機(jī)器人必將可以幫助人類完成更多更復(fù)雜的任務(wù)。