六足仿生机器人及其步态研究现状调查

六足仿生机器人及其步态研究现状调查

目录

引言 (6)

二．六足仿生机器人的发展现状 (6)

三．六足仿生机器人越障步态运动原理 (11)

四．六足机器人三角步态分析 (12)

五．六足机器人越障步态设计 (13)

六．六足仿生机器人越障步态的选择 (15)

结论 (17)

引言

步态是行走系统的迈步方式,即行走系统抬腿和放腿的顺序。由于开发步行机器人的需要,McGhee在1968年总结前人对动物步态研究成果的基础上,比较系统地给出了一系列描述和分析步态的严格的数学定义。之后各国学者在四足、六足、八足等多足步行机的静态稳定的规则周期步态的研究中取得了很多成果。这些成果包括各种步态特点及分类,如三角步态、波动步态、自由步态、跟随步态、步态参数及其相互关系等。

二．六足仿生机器人的发展现状

从 1959年美国制造出世界上第一台工业机器人起，在短短半个世纪的时间里，机器人的研究就已经历了4个发展阶段：工业机器人、遥控机器人、智能机器人和仿生机器人[2]。从机器人的角度来看，仿生机器人是机器人发展的最高阶段；从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学理论的完美综合与全面应用。本质上讲，仿生机器人指的是利用各种无机元器件和有机功能体所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境中灵活、可靠、高效地完成各种复杂任务的机器人系统[3]

近年来，随着昆虫仿生学理论与计算机技术的飞速发展，使得对多足仿生机器人的研究，成为大家关注的焦点。国内外多所大学和研究机构，相继成功研制出了性能卓越的多足仿生机器人。

六足机器人 Genghis（见图 1-1），由美国麻省理工学院人工智能实验室于1989 年研制，主要用于在地外行星（如火星）表面执行探测任务。每条腿 2 个旋转自由度，采用基于位置反馈的伺服电机驱动，集成了电流测量单元以获取关节力矩信息，装备了 2 个触须传感器、2 个单轴加速度计，可在复杂路面上高效行走。出于同样目的，MIT 于 20 世纪九十年代初研制了六足机器人Attila（见图 1-2）。每条腿 3 个旋转自由度，设计上采用模块化结构，各模块具有自身的传感器、驱动器和微处理器。具有较强的容错能力，可自动检测和识别硬件故障，并通过软件方式进行补偿。

为减少登陆作战时的危险，美国麻省理工学院研制了用于浅滩探雷的六足机器人Ariel（见图 1-3）。每条腿 2 个旋转自由度，具有翻转步行能力。电路和控制器都置于的密闭的空腔内，具有防水功能。配备了罗盘与姿态传感器，可对硬件故障进行自动检测。八足机器人 Lobster（见图 1-4）由美国东北大学水下研究实验室研制。每条腿 3 个旋转自由度，能够在复杂的水底环境中自主浮游和爬行。头部装有类似液动控制舵作用的 2 个钳爪，用于控制步行方向，步行时钳爪和尾部近似地伸展成三角形，以获得最大的稳定性。

六足机器人Robot II（见图 1-5），由美国凯斯西储大学机械及航天工程学院仿生机器人实验室研制。每条腿 4 个独立的自由度，3 个旋转主动自由度，

1个沿胫节轴线方向的被动柔顺自由度。采用电位计测量关节角位置，应变片则用于测量胫节上的轴向力，结合了足底反射机制以应对复杂的地形。六足机器人 Robot V（见图 1-6），以蟑螂为仿生原型制作，用于研究蟑螂的奔跑机制。前、中、后腿分别具有 5、4、3 个旋转自由度，股节安装了 6 块应变片，以形成载荷测量单元，提供 3 维足端力的精确测量值。沿用了 Robot II 的竹节虫步态控制器，采用人工肌肉驱动方式。

机器人 Scorpion（见图 1-7），由德国 Fraunhofer 自主智能系统研究所研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用微型伺服电机驱动，装备了1个摄相机和1个超声波声纳测距传感器。步态控制基于 CPG 原理，同时引入了反射机制以适应崎岖地形。六足机器人 Tarry II（见图 1-8），由德国杜伊斯堡大学机械工程学院研制。每条腿3个旋转自由度，采用舵机驱动，配备了足端接触觉传感器，用于测量姿态的两轴加速度计，股节安装的用于获取载荷信息的应变测量电路，以及躯干前端用于避障的超声波传感器，可实现崎岖地形全方位步行。

六足机器人 Spider-bot（见图 1-9），由美国加州理工大学喷气推进实验室研制。体积仅手掌大小、形似蜘蛛，采用超轻的晶圆电池提供动力，每条腿 3 个旋转自由度，采用舵机驱动。躯干前端的触须传感器，使机器人能以可预测的方式接近障碍或探测地形条件。机器人 Lauron IV（见图 1-10），由德国卡

尔斯鲁厄大学的 FZI 研究所研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用伺服电机驱动、皮带传动。胫节集成了 3 轴力传感器，可提供足端三维力信息，各关节电机装备有电流传感器，用于检测该关节作用力，躯干上配置加速度计和压电陀螺仪，可提供三维的角速度及加速度信息。

六足机器人 Hamlet（见图 1-11），由新西兰坎特伯雷大学机械工程学院研制。每条腿 3 个旋转自由度，采用微型伺服电机驱动、伞齿轮传动，装备了躯干姿态传感器和三维足端力传感器，采用足端力/位置混合控制。机器人MiniQuad II（见图 1-12），由华中科技大学机械科学与工程学院研制。每条腿 3个旋转自由度，采用直流伺服电机驱动、行星齿轮和蜗轮蜗杆传动，可通过改变足单元模块间的搭配变换成四足、六足等构形。基于腿臂融合、模块化设计思想，支持可重构和容错功能，具有全方位的移动能力。

机器人 LAVA（见图 1-13）由南洋理工大学机械与航天学院研制。每条腿 3个旋转自由度，采用伺服电机驱动、蜗轮蜗杆传动，腿部机构采用逆向差速齿轮驱动系统，具有移动与操作双重功能。采用力/位置混合控制，以增强地形适应能力。六足机器人 T-Hexs（见图 1-14），由日本 KIMURA 实验室研制。具有自主运作模式和操作者手柄遥控模式，单个操作者可同时控制多个机器人，完成物体的抓取以及搬运作业。