一.引言 随着机器人技术的发展和社会需求的日益扩长，使步行机器人得到广泛的关注，步行爬坡机器人在采矿、林业砍伐、农业水果采摘、果树喷药、海底排雷、地质勘探、考古、火山探险、滑沙、滑雪、滑草速降运动、星球勘测、水下打捞、军事情报侦察、教育及娱乐等多个行业显示出巨大的应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。 步行机器人与其他轮式、履带式爬坡机器人相比，其运动特性具有以下特点。 1.1 步行机器人具有很好的地面自适应性 步行爬坡机器人可以在凹凸不平的坡度上利用其离散的立足点来选择最优的地面支撑点，并可以跨越一定大小的障碍物继续前进。轮式或履带式的爬坡机器人由于与地面的接触面积大，当面临斜坡地形上各种恶劣的地面条件时，其通过性受到很大限制。 1.2 步行机器人的足运动系统稳定 步行爬坡机器人的足运动系统可以保证机身不随地面晃动，即它的运动系统可以允许机身运动轨迹与足运动轨迹解耦。尽管斜坡表面凹凸不平，机身运动仍然可以做到相当平稳[1]。 1.3 步行机器人工作效率高 步行爬坡机器人在松软的斜坡上运动时，其工作效率不会损失很多。这是因为脚在松软的地面走时，由于地面的变形是离散的，而且脚还可以利用下沉产生推力，即脚的运动能量变成地面弹性体的位能储存。当足前进时，这个位能又释放出来，因而可以减少步行爬坡机器人动能的损失，使步行爬坡机器人在保持较高的行支，使它耗费很少的能量。 以上这些特点，使得步行机器人被广泛的关注。 二.国内步行机器人研究成果 1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM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,如图1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1mm/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,如图2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1 MDTWR双三足步行机器人 图2 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,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. 三.国外步行机器人的研究成果 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,如图3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3180 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,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4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3 AMBLER 图4 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如图5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Biobot,如图6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5 ALUV步行机 图6 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,如图7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,如图8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7 Patrush-II 图8 Tekken 四．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。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。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。 五. 存在问题 黄俊军等在文献[4]中通过对文献[7 ][9 ][10]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。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。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