四足機器人的應用
隨著社(she)會的(de)(de)(de)進步和(he)科技的(de)(de)(de)發展(zhan)，機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用領域逐漸擴大(da)，而人(ren)們對機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)功能需求(qiu)也越(yue)來越(yue)高。對于(yu)(yu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)來說，可(ke)(ke)(ke)以分(fen)為(wei)移(yi)(yi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)和(he)非(fei)移(yi)(yi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)。移(yi)(yi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)又可(ke)(ke)(ke)以分(fen)為(wei)輪(lun)式機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)、履帶式機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)和(he)足(zu)(zu)式機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)[1]。以往的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)表明，輪(lun)式車輛在(zai)相對平坦的(de)(de)(de)地(di)形上行(xing)駛時，具有(you)控制簡單(dan)、運動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)平穩快速的(de)(de)(de)特(te)點(dian)[2]，但(dan)在(zai)松軟(ruan)地(di)面或崎嶇不平的(de)(de)(de)地(di)形上行(xing)駛時，車輪(lun)的(de)(de)(de)移(yi)(yi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)效(xiao)率大(da)大(da)降(jiang)低甚至(zhi)無(wu)法移(yi)(yi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)，而足(zu)(zu)式機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)可(ke)(ke)(ke)以在(zai)非(fei)結(jie)構化和(he)惡劣的(de)(de)(de)環境中工作[3]。一般來說，四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)方式主要分(fen)為(wei)三類(lei)：液壓執行(xing)機(ji)(ji)(ji)(ji)構、氣(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)執行(xing)機(ji)(ji)(ji)(ji)構和(he)電動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)執行(xing)機(ji)(ji)(ji)(ji)構[4]。電動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)執行(xing)器(qi)(qi)(qi)控制精(jing)度(du)高，但(dan)可(ke)(ke)(ke)承擔的(de)(de)(de)負載(zai)較(jiao)小(xiao)；氣(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)執行(xing)機(ji)(ji)(ji)(ji)構由(you)于(yu)(yu)其(qi)非(fei)線性特(te)性而難(nan)以控制；液壓執行(xing)器(qi)(qi)(qi)由(you)于(yu)(yu)其(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)力強勁得到了廣泛(fan)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用。由(you)于(yu)(yu)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)可(ke)(ke)(ke)以適應(ying)(ying)復雜的(de)(de)(de)環境，因(yin)此四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用場景廣泛(fan)，但(dan)目前四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)發展(zhan)還(huan)不夠(gou)完善，大(da)多(duo)數四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)還(huan)停留在(zai)實驗室研(yan)究(jiu)和(he)演示階段，因(yin)此四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用都是潛在(zai)的(de)(de)(de)，本文列出了以下幾種(zhong)：
第一(yi)種為(wei)野(ye)外環(huan)境下(xia)的(de)運(yun)輸工(gong)具。在野(ye)外環(huan)境下(xia)，現有(you)的(de)人(ren)造陸地運(yun)輸工(gong)具都難以(yi)應用，大(da)多需要人(ren)力(li)和畜力(li)等傳統(tong)運(yun)輸方式。而四足(zu)機(ji)器人(ren)能夠在復雜的(de)野(ye)外環(huan)境下(xia)靈活運(yun)動，并可(ke)以(yi)承擔大(da)量負(fu)載(zai)，因此(ci)四足(zu)機(ji)器人(ren)可(ke)以(yi)作為(wei)一(yi)種潛在的(de)運(yun)輸工(gong)具幫助人(ren)類(lei)完成野(ye)外的(de)運(yun)輸任(ren)務。
第二種為危險環(huan)境下(xia)的(de)(de)(de)(de)偵查工具[5]。在危險的(de)(de)(de)(de)環(huan)境中，如地(di)震災區(qu)和戰場，存在很多需(xu)要(yao)探(tan)索(suo)但人(ren)力(li)難以(yi)(yi)到達的(de)(de)(de)(de)區(qu)域。四(si)(si)足(zu)動(dong)(dong)物有(you)著比人(ren)類(lei)更強(qiang)大的(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)能力(li)，所以(yi)(yi)四(si)(si)足(zu)機器(qi)人(ren)有(you)著潛在的(de)(de)(de)(de)幫(bang)助(zhu)人(ren)類(lei)探(tan)索(suo)復雜危險的(de)(de)(de)(de)未知環(huan)境的(de)(de)(de)(de)能力(li)。針對不同(tong)的(de)(de)(de)(de)任(ren)務機器(qi)人(ren)可(ke)以(yi)(yi)搭載不同(tong)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器(qi)，在災區(qu)救援中四(si)(si)足(zu)機器(qi)人(ren)可(ke)以(yi)(yi)幫(bang)助(zhu)人(ren)類(lei)發現幸(xing)存人(ren)員；在戰場上四(si)(si)足(zu)機器(qi)人(ren)可(ke)以(yi)(yi)幫(bang)助(zhu)士(shi)兵完成預探(tan)索(suo)任(ren)務，減(jian)少人(ren)員傷亡。
第三(san)種為(wei)服務(wu)型四(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)。四(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)可(ke)以完(wan)成四(si)足(zu)(zu)動物(wu)(wu)(如貓、狗等(deng))的(de)行為(wei)，如導盲和作(zuo)為(wei)寵(chong)物(wu)(wu)等(deng)，卻省(sheng)去了吃飯睡覺等(deng)普通(tong)動物(wu)(wu)必(bi)不可(ke)少的(de)行為(wei)，并且(qie)無需長時間的(de)人(ren)(ren)為(wei)訓練。因此(ci)四(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)可(ke)以作(zuo)為(wei)潛在的(de)服務(wu)型機器(qi)(qi)人(ren)(ren)，相比于普通(tong)的(de)四(si)足(zu)(zu)動物(wu)(wu)有著(zhu)方便、潔凈等(deng)優勢(shi)。
四(si)足(zu)機器(qi)人(ren)的發展也伴隨著一些新思路。例如將(jiang)機器(qi)人(ren)模塊(kuai)化使得機器(qi)人(ren)具有可重構性[6]，可變形(xing)態的輪(lun)足(zu)復合式機器(qi)人(ren)[7]，將(jiang)機器(qi)人(ren)整個身體(ti)變形(xing)為一個球體(ti)實現滾動等(deng)[8]。
1、四足機器人發展及研究現狀
自(zi)20世紀(ji)90年(nian)(nian)代起，由于(yu)電子計算機(ji)技術和(he)仿(fang)生學技術的飛速(su)發(fa)展(zhan)，四足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)也進(jin)入了(le)(le)(le)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)階段[9]。涌現(xian)了(le)(le)(le)一批(pi)可(ke)以通過控制(zhi)(zhi)算法實現(xian)各種運(yun)動步(bu)態并(bing)能夠完(wan)成簡(jian)單(dan)任務的四足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)。由Kimura等建造(zao)的Tekken IV，使用中央模(mo)式發(fa)生器(qi)(qi)(Central Pattern Generator，CPG)來(lai)控制(zhi)(zhi)腿(tui)的運(yun)動，并(bing)可(ke)以用多種步(bu)態行走(zou)。2007年(nian)(nian)，尚(shang)昆灣大學研制(zhi)(zhi)出了(le)(le)(le)AIDIN I四足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，能夠爬過斜(xie)坡，避免了(le)(le)(le)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的翻滾(gun)和(he)滑倒。在2013年(nian)(nian)他們還研制(zhi)(zhi)了(le)(le)(le)AIDIN III四足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，速(su)度可(ke)達(da)0.35m/s，可(ke)以用小跑的步(bu)態爬上20°的斜(xie)坡，且載荷可(ke)達(da)3kg。
隨著(zhu)四足機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)發展和近年來人(ren)(ren)工智能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)興起(qi)，使得(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)擁有(you)(you)自主性(xing)(xing)(xing)和智能(neng)(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)已經成為四足機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)重要組成部分(fen)，四足機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)逐漸擁有(you)(you)了感(gan)知(zhi)環(huan)境、自主規劃和與(yu)環(huan)境交互(hu)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)力(li)，研(yan)(yan)究(jiu)者也更(geng)多地著(zhu)眼(yan)于提高(gao)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)自主適(shi)應(ying)性(xing)(xing)(xing)和功能(neng)(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)。以波士(shi)頓動(dong)力(li)公司最具代表性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)產品Big Dog為例，Big Dog擁有(you)(you)強大的(de)(de)負載(zai)能(neng)(neng)(neng)力(li)，設(she)計(ji)初衷是在(zai)戰場上幫助(zhu)士(shi)兵運(yun)送物(wu)資。Big Dog長度約為1.1m，質量(liang)為20kg，是世界上第一款真正實現了野(ye)外行(xing)(xing)(xing)走的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)，其強大的(de)(de)環(huan)境適(shi)應(ying)能(neng)(neng)(neng)力(li)使得(de)該(gai)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)可以在(zai)山地和雪地自如行(xing)(xing)(xing)走。更(geng)為值得(de)一提的(de)(de)是Big Dog的(de)(de)平衡能(neng)(neng)(neng)力(li)，在(zai)冰面(mian)上受到巨大的(de)(de)側向(xiang)沖(chong)擊(ji)時，機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)可以憑借卓越的(de)(de)平衡能(neng)(neng)(neng)力(li)最終實現穩定站(zhan)立。Big Dog可以以4km/h的(de)(de)速度連續運(yun)行(xing)(xing)(xing)10km。
波士(shi)頓動力公司(si)又陸續推出了(le)幾代產品，2012年發布(bu)的(de)(de)(de)Cheetah獵豹仿(fang)生(sheng)四(si)足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)是目前室內奔跑(pao)速度(du)最快的(de)(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，在跑(pao)步(bu)機(ji)上可以達到(dao)45km/h的(de)(de)(de)速度(du)。2013年推出的(de)(de)(de)WildCat野貓四(si)足(zu)仿(fang)生(sheng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)可以在各種步(bu)態下靈活轉(zhuan)彎(wan)，且目前只有波士(shi)頓動力公司(si)能(neng)夠實現在奔跑(pao)步(bu)態時的(de)(de)(de)轉(zhuan)彎(wan)，是室外(wai)奔跑(pao)速度(du)最快的(de)(de)(de)四(si)足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，同時還具(ju)有較高的(de)(de)(de)能(neng)量效率。而(er)2016年推出的(de)(de)(de)SpotMini四(si)足(zu)仿(fang)生(sheng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)體(ti)型小巧(qiao)，質量僅約(yue)30kg，在崎嶇的(de)(de)(de)地形下比大型的(de)(de)(de)四(si)足(zu)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)更靈活。
波(bo)士(shi)頓動力各系列(lie)仿生四(si)足機器(qi)人如圖1所(suo)示。
圖(tu)1波(bo)士(shi)頓動(dong)力各系列(lie)仿生四足
針對(dui)四(si)足機器(qi)人(ren)的(de)(de)(de)奔跑和跳(tiao)躍能力，麻省理(li)工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)研制了(le)三代(dai)Cheetah獵(lie)(lie)(lie)豹(bao)(bao)機器(qi)人(ren)。第一代(dai)獵(lie)(lie)(lie)豹(bao)(bao)機器(qi)人(ren)可(ke)以(yi)實現高(gao)速(su)奔跑，通過(guo)4個設計原則最小化(hua)能量損失，運輸成本(ben)為0.51[10]；而第二代(dai)獵(lie)(lie)(lie)豹(bao)(bao)機器(qi)人(ren)奔跑速(su)度更快并可(ke)以(yi)在(zai)(zai)奔跑的(de)(de)(de)同時跨越45cm高(gao)度的(de)(de)(de)障礙物(wu)；第三代(dai)獵(lie)(lie)(lie)豹(bao)(bao)機器(qi)人(ren)可(ke)以(yi)實現不依(yi)賴視覺(jue)系(xi)統(tong)，通過(guo)觸覺(jue)信息敏捷地感覺(jue)周圍環境的(de)(de)(de)方式來進行運動(dong)，稱之為盲目運動(dong)，擁(yong)有(you)(you)在(zai)(zai)快速(su)移動(dong)時準確(que)處理(li)障礙物(wu)的(de)(de)(de)能力。第三代(dai)獵(lie)(lie)(lie)豹(bao)(bao)機器(qi)人(ren)還擁(yong)有(you)(you)很強的(de)(de)(de)平衡能力，可(ke)以(yi)在(zai)(zai)一條腿不動(dong)的(de)(de)(de)情況下完成三條腿的(de)(de)(de)前進，并且有(you)(you)著(zhu)極強的(de)(de)(de)跳(tiao)躍能力，可(ke)以(yi)原地跳(tiao)躍至高(gao)度超過(guo)自己(ji)體長的(de)(de)(de)桌面(mian)[11]。近(jin)期MIT又推出(chu)了(le)最新的(de)(de)(de)迷你獵(lie)(lie)(lie)豹(bao)(bao)，首(shou)次實現了(le)四(si)足機器(qi)人(ren)的(de)(de)(de)后空翻(fan)動(dong)作。
MIT各系(xi)列仿生四足機器(qi)人(ren)如圖2所示。
圖2 MIT各系列仿生四足
HyQ是(shi)(shi)由意大利工(gong)業技(ji)術研(yan)(yan)究(jiu)所(Italian Institute of Technology，IIT)研(yan)(yan)制的仿生四足移動機器(qi)人(ren)，不同于Big Dog技(ji)術上采取(qu)保密措施，HyQ是(shi)(shi)首個完全(quan)公開研(yan)(yan)究(jiu)方法(fa)和(he)設計資(zi)料的通用研(yan)(yan)究(jiu)平臺(tai)[12]。HyQ長(chang)為1.0m、高為0.98m、質量為95kg，速(su)度可達3～4m/s，續(xu)航(hang)時間不低于8h。2015年該(gai)研(yan)(yan)究(jiu)所又推出了新(xin)一(yi)代HyQ2Max機器(qi)人(ren)[13]。
StarlETH柔性(xing)四(si)足機(ji)(ji)器(qi)人(ren)是瑞士蘇(su)黎世(shi)聯(lian)邦(bang)理(li)工(gong)學院(yuan)研(yan)制的(de)一(yi)款(kuan)高(gao)效(xiao)節能的(de)四(si)足仿生機(ji)(ji)器(qi)人(ren)。受到自然界生物系統(tong)的(de)啟發，StarlETH能夠(gou)通(tong)過在(zai)關(guan)節處的(de)大(da)量柔順機(ji)(ji)構獲得自然動力(li)(li)，允許臨時(shi)能量存儲，提(ti)高(gao)了機(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)被動適應性(xing)[14]，使其具有(you)較高(gao)的(de)運(yun)(yun)動速(su)度和(he)強大(da)的(de)機(ji)(ji)動能力(li)(li)。基于這(zhe)種設(she)計，機(ji)(ji)器(qi)人(ren)總體功耗很低(di)，具有(you)很高(gao)的(de)能量效(xiao)率(lv)。蘇(su)黎世(shi)聯(lian)邦(bang)理(li)工(gong)學院(yuan)隨后又發布了ANYmal四(si)足機(ji)(ji)器(qi)人(ren)，該(gai)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)繼承(cheng)了StarlETH機(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)優點，質量約30kg，全速(su)運(yun)(yun)行(xing)功率(lv)低(di)于280W，可以(yi)在(zai)自主條件下運(yun)(yun)行(xing)2h以(yi)上，并(bing)具有(you)攀爬陡峭(qiao)樓梯的(de)能力(li)(li)。ANYmal機(ji)(ji)器(qi)人(ren)如圖3所示。
圖3 ANYmal四足機器人
國內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)四(si)足機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)研(yan)究起步(bu)較(jiao)(jiao)晚(wan)，處于(yu)模(mo)仿和(he)追趕的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)階段(duan)，但(dan)仍(reng)(reng)(reng)(reng)然有(you)(you)一(yi)些突出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)果(guo)。較(jiao)(jiao)有(you)(you)代(dai)表(biao)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)宇樹科技開(kai)發的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)四(si)足機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)萊卡(ka)(ka)狗(gou)。該(gai)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)質(zhi)量為(wei)22kg，自(zi)主(zhu)研(yan)發的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)系統能輸出(chu)18kW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)瞬時功率，該(gai)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)可(ke)(ke)在脫(tuo)離外(wai)部供電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)運(yun)(yun)行2～3h，如(ru)圖4所(suo)示。萊卡(ka)(ka)狗(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能與(yu)波士頓動(dong)(dong)(dong)力公司的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)SpotMini差(cha)距不大(da)，但(dan)還(huan)不夠成(cheng)熟(shu)，視覺(jue)導航及(ji)自(zi)主(zhu)性(xing)仍(reng)(reng)(reng)(reng)有(you)(you)待提高(gao)。浙江大(da)學團(tuan)隊發布的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)絕影和(he)赤兔(tu)是(shi)高(gao)校領(ling)域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)代(dai)表(biao)。赤兔(tu)采用(yong)電(dian)(dian)機(ji)(ji)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)，奔跑速度(du)可(ke)(ke)達(da)10km/h。山(shan)東大(da)學、北京理(li)工大(da)學和(he)哈(ha)爾濱工業(ye)大(da)學等高(gao)校在四(si)足機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)領(ling)域也都取得了(le)較(jiao)(jiao)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)績。國內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)四(si)足機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)研(yan)發愈來愈熱(re)，但(dan)仍(reng)(reng)(reng)(reng)與(yu)世界(jie)先(xian)進水平(ping)有(you)(you)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)距，主(zhu)要體現(xian)在仿生結構、驅(qu)動(dong)(dong)(dong)系統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能指(zhi)標和(he)自(zi)主(zhu)性(xing)不足方(fang)面。機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)關節(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)在較(jiao)(jiao)大(da)程(cheng)度(du)上依賴于(yu)國外(wai)，而(er)絕大(da)多(duo)數國內(nei)研(yan)發的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)四(si)足機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)仍(reng)(reng)(reng)(reng)處于(yu)實驗室研(yan)發階段(duan)，達(da)不到(dao)波士頓動(dong)(dong)(dong)力公司的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)系列機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)可(ke)(ke)以在野外(wai)長時間(jian)工作(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)水準，但(dan)這些成(cheng)果(guo)仍(reng)(reng)(reng)(reng)然大(da)大(da)推動(dong)(dong)(dong)了(le)國內(nei)在該(gai)領(ling)域技術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan)。近年來，國內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)產(chan)業(ye)也有(you)(you)了(le)突破性(xing)進展(zhan)(zhan)，銀弗科技發布的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)QDD系列電(dian)(dian)機(ji)(ji)是(shi)其中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)代(dai)表(biao)，該(gai)系列電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)行參數可(ke)(ke)以與(yu)一(yi)些世界(jie)一(yi)流的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)廠(chang)商(shang)相(xiang)比，雖(sui)然還(huan)沒有(you)(you)被大(da)規模(mo)使用(yong)，但(dan)仍(reng)(reng)(reng)(reng)然體現(xian)出(chu)了(le)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)產(chan)業(ye)帶動(dong)(dong)(dong)相(xiang)應(ying)產(chan)業(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)速發展(zhan)(zhan)。
圖(tu)4宇樹科技(ji)發布的(de)萊卡狗機器人
2、四足機器人仿生結構
四(si)足(zu)(zu)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)是一(yi)(yi)種仿生(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)，仿生(sheng)結構(gou)的(de)(de)設計(ji)是關(guan)(guan)鍵。目前對四(si)足(zu)(zu)動物(wu)仿生(sheng)學(xue)研究比(bi)較廣(guang)泛的(de)(de)是德國牧羊犬，也(ye)有基(ji)(ji)于獵(lie)豹(bao)的(de)(de)如MIT的(de)(de)獵(lie)豹(bao)系列仿生(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)，Ishii等還研制了基(ji)(ji)于小鼠(shu)的(de)(de)仿生(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)[15]。在(zai)研究時對其骨骼構(gou)造進行了分解(jie)研究，如圖(tu)5所(suo)示，可簡單(dan)地(di)把腿(tui)部分為前后(hou)結構(gou)。四(si)足(zu)(zu)生(sheng)物(wu)的(de)(de)腿(tui)部一(yi)(yi)般(ban)包括髖、膝和(he)踝(huai)3個(ge)關(guan)(guan)節。在(zai)行走(zou)過程中髖關(guan)(guan)節實現前后(hou)的(de)(de)擺(bai)(bai)動和(he)側擺(bai)(bai)調整方向，因此在(zai)結構(gou)上應該包括2個(ge)自(zi)由(you)度(du)；膝關(guan)(guan)節可簡化(hua)為1個(ge)自(zi)由(you)度(du)的(de)(de)前后(hou)擺(bai)(bai)動[16]；踝(huai)關(guan)(guan)節和(he)膝關(guan)(guan)節一(yi)(yi)樣為1個(ge)自(zi)由(you)度(du)的(de)(de)前后(hou)擺(bai)(bai)動，也(ye)可以(yi)將踝(huai)關(guan)(guan)節視(shi)為被動的(de)(de)彈性關(guan)(guan)節。腿(tui)部的(de)(de)這些自(zi)由(you)度(du)使(shi)得四(si)足(zu)(zu)動物(wu)可以(yi)在(zai)復雜的(de)(de)環境下(xia)靈活運動和(he)高(gao)速(su)奔跑(pao)。
四(si)足仿生機器人要像真實四(si)足動物(wu)一樣行走，首先要確(que)定腿部關節(jie)的(de)活(huo)(huo)動范圍。對此可(ke)以參考四(si)足動物(wu)的(de)生理結(jie)構特征，髖(kuan)關節(jie)的(de)活(huo)(huo)動范圍可(ke)以達(da)到(dao)50°～162°，膝關節(jie)的(de)活(huo)(huo)動范圍可(ke)以達(da)到(dao)41°～162°[17]。德國牧(mu)羊犬的(de)腿部關節(jie)活(huo)(huo)動范圍示意(yi)圖(tu)如圖(tu)6所示。
圖6四足(zu)動物腿部結構圖
2.1身體(ti)支架(jia)機構設計
四(si)足(zu)機(ji)器(qi)人身體(ti)設(she)計(ji)主要是腰(yao)部結構的設(she)計(ji)，腰(yao)部形式可劃(hua)分為主動腰(yao)部、被動腰(yao)部和(he)剛性腰(yao)部三(san)種。尾部在機(ji)器(qi)人運動中也(ye)具有重要作用[18-19]，但(dan)相關研究(jiu)較(jiao)少。
主(zhu)動腰部：即在四足(zu)機器(qi)人的(de)腰部安裝驅動器(qi)，增加(jia)自由度，從(cong)而提高四足(zu)機器(qi)人的(de)靈活性(xing)(xing)和可控性(xing)(xing)，但也會大大提高機器(qi)人的(de)控制難(nan)度，同時也會增加(jia)機器(qi)人的(de)自身質量。
被(bei)動腰部(bu)(bu)：即在四足機器人(ren)的腰部(bu)(bu)安裝被(bei)動彈性元件(jian)，從而減小機器人(ren)奔跑或跳躍時(shi)的振動與沖擊，同時(shi)也略微增大(da)了機器人(ren)的活動能(neng)力[20]。腰部(bu)(bu)彈性元件(jian)的收縮和(he)舒張可(ke)以臨時(shi)存儲和(he)釋放能(neng)量，提升機器人(ren)的能(neng)量效率，但(dan)也會給機器人(ren)帶來額(e)外(wai)的擾動，增加機器人(ren)的控制(zhi)難度。
剛(gang)性腰部：即前后(hou)身之(zhi)間為剛(gang)性連(lian)接，相較于(yu)另(ling)外(wai)兩種形式，結構簡單，控(kong)制難度(du)低(di)，成本低(di)。
2.2仿生四足腿部機構設計
2.2.1腿部(bu)關節設計
四(si)足機器(qi)人的(de)腿部(bu)關(guan)節(jie)(jie)也(ye)(ye)分為髖關(guan)節(jie)(jie)、膝關(guan)節(jie)(jie)和踝(huai)關(guan)節(jie)(jie)。一(yi)般來講，每(mei)一(yi)個(ge)自(zi)由度(du)(du)對應(ying)一(yi)個(ge)執(zhi)行器(qi)，一(yi)般是旋轉關(guan)節(jie)(jie)執(zhi)行器(qi)，Byeonghun等也(ye)(ye)實現了線性執(zhi)行器(qi)的(de)案例[21]。但對于真(zhen)(zhen)實的(de)動物，一(yi)個(ge)關(guan)節(jie)(jie)可(ke)以對應(ying)多個(ge)自(zi)由度(du)(du)，所以應(ying)用新型執(zhi)行機構(gou)，尤(you)其是大力矩多自(zi)由度(du)(du)的(de)執(zhi)行器(qi)，才能使四(si)足機器(qi)人真(zhen)(zhen)正地仿生(sheng)四(si)足動物。
四足動物(wu)的(de)(de)髖關節擁有2個自(zi)由度，為(wei)左右橫(heng)(heng)跨(kua)和(he)前后擺(bai)動，左右橫(heng)(heng)跨(kua)的(de)(de)自(zi)由度會給機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)帶來額(e)外的(de)(de)擾動，使得(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)更(geng)難控制，同時也增加了機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)機(ji)(ji)械結構設計(ji)的(de)(de)難度。所以MIT獵豹機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)系列的(de)(de)第(di)一代和(he)第(di)二代都(dou)沒(mei)有加入左右橫(heng)(heng)跨(kua)的(de)(de)自(zi)由度，目的(de)(de)是讓(rang)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)具有更(geng)快的(de)(de)奔(ben)跑速(su)度。但(dan)若(ruo)想讓(rang)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)像真(zhen)正(zheng)的(de)(de)四足動物(wu)那(nei)樣靈活運動，髖關節的(de)(de)橫(heng)(heng)跨(kua)自(zi)由度是不可或缺的(de)(de)。
膝關(guan)(guan)(guan)節(jie)擁有前(qian)后擺動的(de)(de)自由度(du)(du)，而膝關(guan)(guan)(guan)節(jie)相對于腿(tui)部轉(zhuan)動軸較遠(yuan)，因此膝關(guan)(guan)(guan)節(jie)的(de)(de)質量會很大(da)程(cheng)度(du)(du)上影響整(zheng)條腿(tui)的(de)(de)轉(zhuan)動慣量，若腿(tui)部的(de)(de)轉(zhuan)動慣量過(guo)大(da)，則不利(li)于腿(tui)部的(de)(de)高速運動。針對這(zhe)個問題，值得一提(ti)的(de)(de)是MIT的(de)(de)獵豹系(xi)列機(ji)器(qi)(qi)人。獵豹系(xi)列機(ji)器(qi)(qi)人采用(yong)創新(xin)的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)節(jie)設(she)計[22]，將驅(qu)動電機(ji)全部設(she)置在(zai)髖關(guan)(guan)(guan)節(jie)處，采用(yong)連桿(gan)傳(chuan)動的(de)(de)方式實現(xian)膝關(guan)(guan)(guan)節(jie)的(de)(de)運動。這(zhe)種設(she)計方式有效地減(jian)少了機(ji)器(qi)(qi)人腿(tui)部的(de)(de)轉(zhuan)動慣量，因此獵豹系(xi)列機(ji)器(qi)(qi)人可以高速奔跑(pao)，同(tong)時這(zhe)種設(she)計還為機(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)動力(li)學(xue)建(jian)模及控制算(suan)法的(de)(de)設(she)計提(ti)供了便利(li)。
踝關節(jie)(jie)擁有類(lei)似于(yu)髖關節(jie)(jie)的(de)2個自由度，但(dan)由于(yu)踝關節(jie)(jie)在動物(wu)行走(zou)時(shi)的(de)主要(yao)作用是調(diao)節(jie)(jie)足端與地面(mian)的(de)接(jie)觸，基(ji)本不提供動力，因此在設計四足機器(qi)人(ren)時(shi)一般將踝關節(jie)(jie)設計為被動的(de)彈性關節(jie)(jie)。
2.2.2四足腿(tui)部關節(jie)配(pei)置形式
四足機器人腿部關(guan)節配(pei)(pei)置(zhi)形式(shi)(shi)有(you)四種：全(quan)膝(xi)式(shi)(shi)、全(quan)肘(zhou)式(shi)(shi)、外膝(xi)肘(zhou)式(shi)(shi)和內膝(xi)肘(zhou)式(shi)(shi)。這(zhe)些關(guan)節配(pei)(pei)置(zhi)形式(shi)(shi)都(dou)能夠(gou)成功實(shi)現行(xing)走，且各有(you)優點。外膝(xi)肘(zhou)式(shi)(shi)和內膝(xi)肘(zhou)式(shi)(shi)配(pei)(pei)置(zhi)的(de)(de)支撐面比(bi)較大(da)，機器人的(de)(de)穩定性比(bi)較好(hao)；全(quan)膝(xi)式(shi)(shi)和全(quan)肘(zhou)式(shi)(shi)配(pei)(pei)置(zhi)由于(yu)具(ju)有(you)統一(yi)的(de)(de)關(guan)節形式(shi)(shi)，控(kong)制相(xiang)對簡單。
四足腿(tui)部(bu)關節(jie)各配置(zhi)形(xing)式如圖(tu)7所示。
圖7四足腿(tui)部關節配(pei)置(zhi)圖
2.3仿生四足(zu)足(zu)端設計
四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)(de)足(zu)(zu)(zu)(zu)端設(she)(she)計主(zhu)要有(you)三種形(xing)(xing)式，即(ji)圓(yuan)柱形(xing)(xing)足(zu)(zu)(zu)(zu)端(含半(ban)圓(yuan)柱形(xing)(xing)足(zu)(zu)(zu)(zu)端)、球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)足(zu)(zu)(zu)(zu)端(含半(ban)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)足(zu)(zu)(zu)(zu)端)及(ji)仿生足(zu)(zu)(zu)(zu)端。圓(yuan)柱形(xing)(xing)足(zu)(zu)(zu)(zu)端(或(huo)(huo)半(ban)圓(yuan)柱形(xing)(xing))就是(shi)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)(de)足(zu)(zu)(zu)(zu)端呈橫(heng)向的(de)(de)(de)(de)圓(yuan)柱或(huo)(huo)半(ban)圓(yuan)柱形(xing)(xing)，與(yu)地面(mian)接觸時(shi)是(shi)一(yi)個(ge)矩(ju)形(xing)(xing)平面(mian)。圓(yuan)形(xing)(xing)足(zu)(zu)(zu)(zu)端是(shi)目(mu)前四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)人最(zui)常見(jian)的(de)(de)(de)(de)足(zu)(zu)(zu)(zu)端設(she)(she)計，足(zu)(zu)(zu)(zu)端呈球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)或(huo)(huo)半(ban)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)，這(zhe)種設(she)(she)計的(de)(de)(de)(de)優點是(shi)機(ji)器(qi)人足(zu)(zu)(zu)(zu)端可以和(he)地面(mian)從各個(ge)方(fang)向接觸，具有(you)較(jiao)強的(de)(de)(de)(de)環境適應性。而真(zhen)正的(de)(de)(de)(de)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)動物足(zu)(zu)(zu)(zu)端是(shi)不規則的(de)(de)(de)(de)，有(you)爪(zhua)子和(he)肉墊等結(jie)構，與(yu)地面(mian)接觸時(shi)始終(zhong)都有(you)很強的(de)(de)(de)(de)抓地力。而目(mu)前仿生足(zu)(zu)(zu)(zu)端的(de)(de)(de)(de)研(yan)究尚不夠(gou)充分，真(zhen)正仿生的(de)(de)(de)(de)足(zu)(zu)(zu)(zu)端也(ye)并沒(mei)有(you)在四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)人上(shang)應用，因此仿生足(zu)(zu)(zu)(zu)端的(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計是(shi)未來(lai)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)人研(yan)究的(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)難點。
足(zu)端的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)一般選用(yong)具(ju)有(you)彈性的(de)(de)(de)橡(xiang)膠(jiao)和海(hai)綿等(deng)，但傳統的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)很難同時實現摩擦系數(shu)大、減震能力(li)強(qiang)(qiang)和柔(rou)性強(qiang)(qiang)等(deng)需求，因此將(jiang)新(xin)材(cai)(cai)料(liao)(liao)應(ying)用(yong)于四足(zu)機(ji)器人足(zu)端的(de)(de)(de)設計(ji)會使(shi)得機(ji)器人擁有(you)更強(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)環境適應(ying)能力(li)。而一些特殊的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，如(ru)仿生(sheng)壁虎足(zu)底材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)，還(huan)將(jiang)使(shi)得四足(zu)機(ji)器人能夠在更復雜的(de)(de)(de)環境中運(yun)動。
2.4機(ji)器人主要驅動硬件(jian)結構
機(ji)器人的主要驅動(dong)硬件(jian)結構包括主處(chu)理(li)器、電(dian)控系(xi)統和關(guan)節驅動(dong)器。
主(zhu)處(chu)(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)作用是完成機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)步(bu)態(tai)規(gui)(gui)劃、環境感知以(yi)(yi)及定位導航等(deng)，是機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)大腦(nao)。主(zhu)處(chu)(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)需(xu)要(yao)讀取(qu)機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)搭(da)載(zai)的(de)(de)各類傳感器(qi)(qi)(qi)(qi)，如(ru)視覺傳感器(qi)(qi)(qi)(qi)、關(guan)節編碼(ma)器(qi)(qi)(qi)(qi)數(shu)據(ju)、關(guan)節扭矩等(deng)信息，融合信息完成機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)步(bu)態(tai)規(gui)(gui)劃和路徑規(gui)(gui)劃，并(bing)將(jiang)規(gui)(gui)劃信息發(fa)送給機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)關(guan)節驅動器(qi)(qi)(qi)(qi)，使得機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)可以(yi)(yi)穩定地行走(zou)并(bing)躲(duo)避障礙。對于(yu)簡單(dan)的(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)，可以(yi)(yi)使用單(dan)片機(ji)、現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等(deng)小型(xing)處(chu)(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)；而對于(yu)大型(xing)的(de)(de)復雜的(de)(de)四足機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)，則需(xu)要(yao)高速(su)的(de)(de)可以(yi)(yi)搭(da)載(zai)操作系(xi)統的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)，例如(ru)Intel系(xi)列處(chu)(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)。
電控系(xi)統的作用是提供機(ji)器人各個部件所需(xu)要的能(neng)源。合(he)理設(she)計的電控系(xi)統可以保證(zheng)機(ji)器人長時間安(an)全運行。
圖8減速箱(xiang)及(ji)執行電(dian)機
關節(jie)驅(qu)(qu)動器(qi)(qi)(qi)和(he)執(zhi)行(xing)(xing)部(bu)件(jian)是使機(ji)器(qi)(qi)(qi)人得(de)以(yi)運(yun)動的(de)(de)(de)(de)關鍵部(bu)分，是機(ji)器(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)(de)(de)肌肉。為了使機(ji)器(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)(de)(de)運(yun)動關節(jie)輸出足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)扭(niu)矩(ju)，在(zai)執(zhi)行(xing)(xing)器(qi)(qi)(qi)與(yu)關節(jie)之間要(yao)(yao)增加減(jian)(jian)速齒(chi)輪(lun)箱，將高速低(di)扭(niu)矩(ju)的(de)(de)(de)(de)執(zhi)行(xing)(xing)器(qi)(qi)(qi)(如(ru)電(dian)機(ji))輸出轉化(hua)為低(di)速大扭(niu)矩(ju)的(de)(de)(de)(de)關節(jie)輸出。減(jian)(jian)速齒(chi)輪(lun)箱應(ying)盡(jin)量(liang)(liang)保證低(di)減(jian)(jian)速比，以(yi)減(jian)(jian)少能(neng)(neng)量(liang)(liang)損耗(hao)和(he)輸出精(jing)度(du)(du)，執(zhi)行(xing)(xing)器(qi)(qi)(qi)和(he)減(jian)(jian)速箱整體的(de)(de)(de)(de)設計體積(ji)應(ying)盡(jin)量(liang)(liang)小，例如(ru)ANYmal機(ji)器(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)速箱和(he)執(zhi)行(xing)(xing)電(dian)機(ji)如(ru)圖8所示。當關節(jie)驅(qu)(qu)動器(qi)(qi)(qi)得(de)到主處理器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)運(yun)動信息(xi)，為保證高精(jing)度(du)(du)低(di)延(yan)遲地驅(qu)(qu)動執(zhi)行(xing)(xing)部(bu)件(jian)，則執(zhi)行(xing)(xing)部(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)十分重(zhong)要(yao)(yao)，而執(zhi)行(xing)(xing)部(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)設計關鍵是高扭(niu)矩(ju)密度(du)(du)和(he)高功率密度(du)(du)。例如(ru)MIT自(zi)主研(yan)發的(de)(de)(de)(de)獵豹系列(lie)的(de)(de)(de)(de)電(dian)機(ji)，可以(yi)達(da)到33N·m的(de)(de)(de)(de)扭(niu)矩(ju)而質量(liang)(liang)僅1kg。而國(guo)產的(de)(de)(de)(de)電(dian)機(ji)仍達(da)不到機(ji)器(qi)(qi)(qi)人高速運(yun)動所需(xu)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)指(zhi)標。
四足機器人整(zheng)體的硬件結構如圖9所示。
圖9硬件結構框圖
3、四足機器人的控制
四足(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)涉及(ji)多個(ge)層次(ci)和方(fang)面，自1960年第一(yi)個(ge)可控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)四足(zu)(zu)(zu)步行機(ji)器(qi)(qi)人誕生以來[23]，許多學者就致力于機(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)運動規(gui)劃和控(kong)制(zhi)(zhi)問題(ti)(ti)(ti)，并取得了(le)長足(zu)(zu)(zu)的(de)(de)進展。但目前針對四足(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)問題(ti)(ti)(ti)依(yi)(yi)然(ran)沒有通(tong)用的(de)(de)框架和算法，雖然(ran)很多方(fang)法都經過(guo)實驗(yan)驗(yan)證，但找(zhao)到(dao)一(yi)種高效(xiao)通(tong)用的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)框架和算法依(yi)(yi)然(ran)是四足(zu)(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)人研究的(de)(de)重難點問題(ti)(ti)(ti)。
3.1四(si)足(zu)機器人的運動規劃
四(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)規劃是指在機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)運(yun)動(dong)(dong)時，選擇合理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地(di)面接觸(chu)點和(he)腿(tui)(tui)(tui)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)軌(gui)跡(ji)規劃，從而防止機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)傾倒，合理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腿(tui)(tui)(tui)部(bu)軌(gui)跡(ji)還可(ke)以減少機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)與地(di)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)沖擊。四(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)有(you)多種，常用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)對角(jiao)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)、蹦躍(yue)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)、疾(ji)馳(chi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)等，不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)適用于(yu)不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)速度[24]。四(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)也可(ke)以簡(jian)化成雙足(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)[25]。將(jiang)四(si)(si)足(zu)(zu)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一個(ge)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)循環(huan)視為1個(ge)周(zhou)期(qi)，則針對1個(ge)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)周(zhou)期(qi)，機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)腿(tui)(tui)(tui)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)為0～1，步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)周(zhou)期(qi)開始時，步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)為0，結束時步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)為1。對于(yu)不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)，機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)腿(tui)(tui)(tui)之間有(you)著不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)差(cha)，例如最簡(jian)單的(de)(de)(de)(de)(de)(de)對角(jiao)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)，機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)左(zuo)前腿(tui)(tui)(tui)和(he)右后腿(tui)(tui)(tui)為相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)，而右前腿(tui)(tui)(tui)與左(zuo)后腿(tui)(tui)(tui)為相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)，兩者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)差(cha)為0.5。通(tong)過改(gai)變腿(tui)(tui)(tui)部(bu)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)差(cha)實現不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)態(tai)。
3.1.1基(ji)于ZMP的步態規劃(hua)
零力(li)矩點(Zero Moment Point，ZMP)，是(shi)針對靜(jing)(jing)態(tai)步態(tai)穩(wen)定(ding)(ding)足(zu)(zu)式機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)通用(yong)(yong)方(fang)(fang)法，即在(zai)(zai)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)步態(tai)規劃時，計算機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)ZMP(在(zai)(zai)地(di)面(mian)(mian)上存在(zai)(zai)一點P，使得與(yu)地(di)面(mian)(mian)平(ping)行軸方(fang)(fang)向的(de)(de)、由慣性力(li)F=ma與(yu)重力(li)G所產生的(de)(de)凈力(li)矩為0的(de)(de)點)。使得ZMP始終(zhong)位于機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)足(zu)(zu)端與(yu)地(di)面(mian)(mian)的(de)(de)多個接(jie)觸點所圍(wei)成的(de)(de)多邊形內[26]，這樣可(ke)以保證機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)具(ju)有理想的(de)(de)靜(jing)(jing)平(ping)衡狀態(tai)。基于ZMP的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)方(fang)(fang)法在(zai)(zai)雙足(zu)(zu)和四足(zu)(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)上均(jun)廣泛(fan)使用(yong)(yong)，但ZMP算法的(de)(de)缺點也很(hen)(hen)明顯，只適用(yong)(yong)于靜(jing)(jing)態(tai)步態(tai)，對于復(fu)雜的(de)(de)動態(tai)步態(tai)，ZMP算法很(hen)(hen)難應用(yong)(yong)。
3.1.2基于CPG的步態規劃
CPG通過模擬生物的(de)(de)(de)(de)低(di)端神(shen)經(jing)元(yuan)，從(cong)而(er)生成機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)(de)步態規劃。該(gai)方(fang)法(fa)(fa)利用(yong)數學方(fang)法(fa)(fa)生成振(zhen)(zhen)蕩曲線(xian)，將其作為腿(tui)部關節的(de)(de)(de)(de)位置和(he)速度輸入，具(ju)(ju)有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)自(zi)穩(wen)定(ding)(ding)能(neng)力(li)，通過振(zhen)(zhen)蕩曲線(xian)還(huan)可以(yi)方(fang)便地(di)調(diao)節四(si)足機(ji)器(qi)人腿(tui)與腿(tui)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)位關系。但該(gai)方(fang)法(fa)(fa)仍有很(hen)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)局限性(xing)，由于依(yi)賴已知的(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)蕩器(qi)，盡管該(gai)方(fang)法(fa)(fa)具(ju)(ju)有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)自(zi)穩(wen)定(ding)(ding)能(neng)力(li)，但在面對復雜的(de)(de)(de)(de)地(di)形時，環境對機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)(de)擾動(dong)很(hen)大(da)(da)，CPG算法(fa)(fa)將不再適(shi)用(yong)。而(er)野(ye)外的(de)(de)(de)(de)地(di)形往往高度變化較大(da)(da)[27]，針對該(gai)問題，Saputra等提出了可變神(shen)經(jing)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)神(shen)經(jing)振(zhen)(zhen)蕩器(qi)，適(shi)應性(xing)更強[28]。
3.1.3基于SLIP的運動規劃
四(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)態運(yun)動(dong)(dong)規劃是四(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)運(yun)動(dong)(dong)規劃的(de)(de)(de)核心問題，目前(qian)被(bei)廣泛(fan)應用(yong)(yong)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)態運(yun)動(dong)(dong)模(mo)型(xing)是彈簧加載倒立擺(bai)(bai)理(li)論(lun)(Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP)模(mo)型(xing)。該模(mo)型(xing)將(jiang)(jiang)四(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)單條腿簡化為(wei)單自由(you)(you)度的(de)(de)(de)具有(you)柔性和阻抗(kang)的(de)(de)(de)單桿結(jie)構。利用(yong)(yong)SLIP模(mo)型(xing)，波士頓動(dong)(dong)力(li)公司的(de)(de)(de)創始(shi)人(ren)(ren)(ren)Raibert于(yu)20世(shi)紀80年(nian)代實現了(le)平(ping)衡腿的(de)(de)(de)控制步態，包括(kuo)單足(zu)(zu)、雙足(zu)(zu)和四(si)足(zu)(zu)。而Raibert提出的(de)(de)(de)“彈跳高度-前(qian)進速度-機(ji)(ji)體位姿”三體解耦控制被(bei)認為(wei)是工程(cheng)技(ji)術(shu)與(yu)理(li)論(lun)分析的(de)(de)(de)完美結(jie)合，近30年(nian)來仍然是足(zu)(zu)式機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)動(dong)(dong)平(ping)衡最有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)手段之一[29]。Piovan等還針對(dui)(dui)主動(dong)(dong)的(de)(de)(de)SLIP模(mo)型(xing)控制進行(xing)了(le)研究(jiu)[30]。針對(dui)(dui)各種各樣的(de)(de)(de)四(si)足(zu)(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)，Sehoon Ha等提出了(le)將(jiang)(jiang)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)參數(shu)化并(bing)與(yu)運(yun)動(dong)(dong)軌跡(ji)協同優(you)化的(de)(de)(de)新思路[31]。基于(yu)SLIP模(mo)型(xing)，機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)步態相位可(ke)以分為(wei)飛(fei)行(xing)相和擺(bai)(bai)動(dong)(dong)相，并(bing)由(you)(you)此可(ke)以得到簡化有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)動(dong)(dong)力(li)學模(mo)型(xing)，對(dui)(dui)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)運(yun)動(dong)(dong)進行(xing)有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)規劃。
3.1.4基于(yu)貝(bei)塞爾曲(qu)線的軌(gui)跡規劃
MIT獵豹系(xi)列機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的一代和二代采用(yong)了基于貝塞(sai)爾(er)曲(qu)(qu)線的腿(tui)部軌跡生成方(fang)(fang)法(fa)[32]。利用(yong)該方(fang)(fang)法(fa)，MIT獵豹細(xi)節機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)可(ke)以(yi)實現高速(su)運動狀態下的步態切換(huan)。對于機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)腳部的軌跡規劃問題的主要(yao)目(mu)標是(shi)：具有(you)足(zu)夠的離地間隙(xi)，從(cong)而保證機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)能跨越適(shi)當(dang)的障礙(ai)，并且要(yao)具有(you)理想的擺(bai)(bai)動腿(tui)回(hui)縮率(適(shi)當(dang)的擺(bai)(bai)動腿(tui)回(hui)縮率可(ke)以(yi)提高機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)運動時的穩定性，適(shi)當(dang)的腿(tui)部攻角可(ke)以(yi)降低(di)沖(chong)擊能量損失)，軌跡曲(qu)(qu)線通過一定數量且滿足(zu)機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)運動中速(su)度和加(jia)速(su)度要(yao)求的關(guan)鍵點，從(cong)而利用(yong)貝塞(sai)爾(er)曲(qu)(qu)線生成腿(tui)部運動軌跡。擺(bai)(bai)動相和支撐(cheng)相是(shi)分開設計的，支撐(cheng)相的軌跡是(shi)正弦曲(qu)(qu)線，2個軌跡圍繞著單個參考點來設計。這種方(fang)(fang)法(fa)使得MIT獵豹機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)擁(yong)有(you)更高效的運動規劃，但面對復(fu)雜的地形仍然不是(shi)通用(yong)方(fang)(fang)法(fa)。
3.2四足機器人的運動控制
動(dong)態(tai)穩定(ding)性是機器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)運動(dong)的(de)(de)關鍵[33]。四足機器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)運動(dong)控制是指在機器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)動(dong)態(tai)運動(dong)過程中，利用(yong)合理的(de)(de)算法(fa)對機器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)位置和關節力矩進行(xing)控制，從(cong)而實現機器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)動(dong)態(tai)穩定(ding)性和魯棒性[34]，并減少(shao)與地(di)面(mian)的(de)(de)沖擊。針對復雜環境開發的(de)(de)足式(shi)機器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)需(xu)要能夠保證良(liang)好的(de)(de)跟蹤性能和環境適(shi)應性的(de)(de)控制器(qi)[35]。
3.2.1柔順(shun)阻(zu)抗控制(zhi)
柔順性(xing)分為主動(dong)柔順和被動(dong)柔順兩種，機器人(ren)憑借柔順機構(gou)(如彈簧)，使其在與環境接(jie)觸時能(neng)夠對外部作用(yong)力產生自然(ran)順從，稱(cheng)為被動(dong)柔順性(xing)[36]；機器人(ren)利用(yong)力反饋信息(xi)采用(yong)一定的控(kong)制(zhi)方法去主動(dong)控(kong)制(zhi)作用(yong)力，稱(cheng)為主動(dong)柔順性(xing)[37]。
被動(dong)(dong)柔順(shun)(shun)控制的典型應用是串聯彈性驅動(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(Series Elastic Actuator，SEA)，通過(guo)在傳統的剛性致動(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)和(he)連(lian)桿之間(jian)放置被動(dong)(dong)柔順(shun)(shun)元件(jian)而設(she)計(ji)(ji)[38]。StarlETH機(ji)器(qi)(qi)(qi)人應用SEA[39]，可(ke)以精確地(di)控制關節扭矩(ju)和(he)存儲大量(liang)(liang)的能(neng)量(liang)(liang)，彈簧將(jiang)變速箱與連(lian)桿分離，使得機(ji)器(qi)(qi)(qi)人與地(di)面(mian)接觸時具有魯棒性。這種設(she)計(ji)(ji)有效地(di)減少了(le)StarlETH的能(neng)量(liang)(liang)損耗，總功(gong)率小于230W。
主動阻(zu)抗(kang)控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)典型應用是HYQ機(ji)器(qi)(qi)人(ren)[40]，通過實(shi)時改變電(dian)機(ji)PID控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)PD參(can)(can)數，相當于實(shi)時調整(zheng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)腿部的(de)(de)(de)剛度和阻(zu)尼，將(jiang)電(dian)機(ji)模(mo)擬成(cheng)被動柔順元(yuan)件。控(kong)制(zhi)(zhi)回(hui)路(lu)(lu)分(fen)為內(nei)環(huan)(huan)和外環(huan)(huan)，外環(huan)(huan)利用關節角位置作為反饋，輸出扭矩信號。該扭矩信號作為內(nei)環(huan)(huan)扭矩控(kong)制(zhi)(zhi)回(hui)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)參(can)(can)考(kao)，基于低階模(mo)型設(she)計了(le)高(gao)性能轉矩控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，在不(bu)需要實(shi)際(ji)彈簧的(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下成(cheng)功實(shi)現(xian)可調阻(zu)抗(kang)。
3.2.2前饋控制
機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的力矩(ju)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)是(shi)動(dong)態響(xiang)應(ying)最快的方法，針對四足機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的力矩(ju)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)，最常(chang)見的方法是(shi)前饋(kui)力矩(ju)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)。MIT二(er)代獵豹機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)針對跳(tiao)躍運動(dong)，以實(shi)現接(jie)觸界(jie)面的前饋(kui)力為(wei)基礎，實(shi)現對機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的力矩(ju)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)[41]。通過檢(jian)測(ce)驅動(dong)電機的輸出電流完成關節力矩(ju)的檢(jian)測(ce)，實(shi)現了對地面反作用力的高(gao)保真控(kong)(kong)(kong)制(zhi)。HYQ機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)將扭矩(ju)信號作為(wei)前饋(kui)參考，并基于低階模型(xing)設計了高(gao)性能轉(zhuan)矩(ju)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)[42]。
前饋力矩控制(zhi)和柔順(shun)控制(zhi)可(ke)以同時應用于四足機器人控制(zhi)，使得四足機器人同時具有柔順(shun)阻(zu)抗(kang)特性和快速的動態響應，控制(zhi)框(kuang)圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)10所(suo)示。
圖10前饋力(li)矩(ju)+柔順控制框圖
3.2.3分(fen)層操作空間控(kong)制
StarlETH機(ji)(ji)器人應用(yong)(yong)(yong)(yong)了基于(yu)分層任(ren)(ren)務(wu)優化(hua)的(de)(de)四足(zu)運(yun)動(dong)(dong)操作空(kong)間控(kong)制(Object-based Storage Controller，OSC)[43]。將(jiang)復雜的(de)(de)機(ji)(ji)器人行為通過(guo)一(yi)組簡(jian)單的(de)(de)最小二乘問(wen)題(ti)來描述，將(jiang)運(yun)動(dong)(dong)任(ren)(ren)務(wu)、扭(niu)(niu)矩任(ren)(ren)務(wu)和(he)接(jie)觸力(li)優化(hua)任(ren)(ren)務(wu)分為不同(tong)的(de)(de)優先級，使用(yong)(yong)(yong)(yong)了多個接(jie)觸點的(de)(de)浮動(dong)(dong)基礎系統的(de)(de)投影動(dong)(dong)力(li)學。首(shou)先對系統進(jin)(jin)(jin)行動(dong)(dong)力(li)學建模(mo)，建立了3個優化(hua)變(bian)量，分別(bie)是期望的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)、期望的(de)(de)關(guan)節(jie)扭(niu)(niu)矩和(he)期望的(de)(de)地面(mian)(mian)接(jie)觸力(li)。期望的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)為最高(gao)優先級。采用(yong)(yong)(yong)(yong)分割(ge)優化(hua)的(de)(de)方法，利用(yong)(yong)(yong)(yong)線性(xing)算(suan)子將(jiang)模(mo)型降階，分別(bie)忽略(lve)關(guan)節(jie)扭(niu)(niu)矩和(he)地面(mian)(mian)接(jie)觸力(li)，并利用(yong)(yong)(yong)(yong)QP求解器進(jin)(jin)(jin)行求解。最后使用(yong)(yong)(yong)(yong)最小二乘法分別(bie)對三種任(ren)(ren)務(wu)進(jin)(jin)(jin)行優化(hua)。OSC控(kong)制框圖(tu)如圖(tu)11所示。
圖11 OSC控制框圖
3.2.4模型預測控制
模(mo)型預測控制(zhi)(Model Predictive Control，MPC)是一(yi)(yi)類特殊(shu)的(de)(de)控制(zhi)。它的(de)(de)當(dang)(dang)前控制(zhi)動(dong)作(zuo)是在每一(yi)(yi)個采(cai)樣(yang)瞬間通過求(qiu)解(jie)一(yi)(yi)個有限時域開環最優控制(zhi)問題而獲(huo)得[44]，不需要建(jian)立復雜的(de)(de)非(fei)線性機器(qi)(qi)人模(mo)型。當(dang)(dang)前的(de)(de)控制(zhi)狀(zhuang)態作(zuo)為一(yi)(yi)個控制(zhi)周期的(de)(de)初始(shi)狀(zhuang)態，控制(zhi)器(qi)(qi)的(de)(de)解(jie)作(zuo)為第一(yi)(yi)個控制(zhi)輸出，本質上是一(yi)(yi)個求(qiu)解(jie)開環最優控制(zhi)的(de)(de)問題。MPC控制(zhi)框圖如圖12所(suo)示。
圖12 MPC控制框圖
典型案例是(shi)MIT獵豹(bao)三(san)代(dai)(dai)機(ji)器(qi)人[45]，針對MIT獵豹(bao)三(san)代(dai)(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)態(tai)運動(dong)問題(ti)使(shi)用(yong)(yong)了(le)凸(tu)優化模(mo)(mo)(mo)型預(yu)測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法。針對地面反作(zuo)用(yong)(yong)力(li)，利用(yong)(yong)離散時(shi)間有(you)限時(shi)域模(mo)(mo)(mo)型預(yu)測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)找到(dao)期望值。考慮(lv)地面反作(zuo)用(yong)(yong)力(li)而不是(shi)關節(jie)扭矩，因(yin)此預(yu)測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)不需(xu)要(yao)知(zhi)道腿的(de)(de)(de)(de)(de)配置(zhi)或運動(dong)。預(yu)測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)利用(yong)(yong)最小二乘法找到(dao)最優解。實驗表明，最終(zhong)第三(san)代(dai)(dai)cheetah完成了(le)各步態(tai)在跑步機(ji)上的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)速運動(dong)。對于非結構環境下的(de)(de)(de)(de)(de)步態(tai)模(mo)(mo)(mo)式，第三(san)代(dai)(dai)cheetah使(shi)用(yong)(yong)了(le)正則(ze)化模(mo)(mo)(mo)型預(yu)測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法[46]，目(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)降低解的(de)(de)(de)(de)(de)復(fu)雜性(xing)。由頂層的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)結構完成機(ji)器(qi)人運動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)期望軌(gui)跡，該(gai)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)足部(bu)和地面接觸的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)以及與(yu)地面接觸的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)。
3.2.5神經網絡自適應控制器
由于四足(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人是(shi)一個復雜的非線(xian)性模型(xing)，很難(nan)得(de)到精確的數學模型(xing)，因此采用(yong)神經(jing)網(wang)絡(Neural Network，NN)可以實(shi)現(xian)對(dui)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人動力(li)學方程未(wei)知部(bu)分(fen)的精確逼近，從而實(shi)現(xian)無需(xu)建模的控(kong)(kong)制(zhi)[47]。應(ying)用(yong)神經(jing)網(wang)絡可以使得(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人的適(shi)應(ying)性更強，針對(dui)四足(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人的神經(jing)網(wang)絡自(zi)適(shi)應(ying)控(kong)(kong)制(zhi)是(shi)近年來(lai)四足(zu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人研究領域的熱點。神經(jing)網(wang)絡自(zi)適(shi)應(ying)控(kong)(kong)制(zhi)框圖如圖13所示。
圖13神(shen)經網絡控制框圖
4、四足機器人的環境感知技術及智能化
伴隨著傳感(gan)(gan)(gan)(gan)技術(shu)的(de)(de)發展和(he)(he)多(duo)傳感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)融(rong)合(he)技術(shu)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)，在四足機器(qi)(qi)人(ren)上(shang)搭載(zai)相(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)傳感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)使(shi)得機器(qi)(qi)人(ren)可(ke)以和(he)(he)環境交互并提高(gao)其對(dui)環境的(de)(de)適應(ying)(ying)性已經(jing)成為研究(jiu)的(de)(de)重要方向。環境感(gan)(gan)(gan)(gan)知是(shi)實現(xian)機器(qi)(qi)人(ren)自主定位和(he)(he)導航的(de)(de)基礎技術(shu)，是(shi)機器(qi)(qi)人(ren)實現(xian)真(zhen)正自主的(de)(de)關鍵。
4.1傳感器和環境(jing)感知
傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)是(shi)(shi)(shi)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)知(zhi)的(de)(de)基礎和(he)關鍵元素。例如基于(yu)距(ju)離測(ce)(ce)量理論的(de)(de)三(san)維多(duo)層激光雷達將獲(huo)(huo)得足(zu)夠(gou)的(de)(de)數據，用(yong)于(yu)快速障礙(ai)物檢(jian)測(ce)(ce)。傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)獲(huo)(huo)取環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)信(xin)息(xi)(xi)(xi)是(shi)(shi)(shi)幫助機器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)獲(huo)(huo)取自身狀態信(xin)息(xi)(xi)(xi)和(he)周圍(wei)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)信(xin)息(xi)(xi)(xi)的(de)(de)技(ji)術。這(zhe)(zhe)(zhe)些傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可以分別稱為(wei)本(ben)體感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)知(zhi)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)外(wai)部(bu)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)知(zhi)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)：Bigdog有大約50個傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)來感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)知(zhi)它自己的(de)(de)狀態和(he)外(wai)部(bu)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)信(xin)息(xi)(xi)(xi)。而與外(wai)部(bu)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)相關的(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可分為(wei)視覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)非視覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。視覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)能(neng)夠(gou)獲(huo)(huo)取的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)(xi)種(zhong)(zhong)類(lei)繁多(duo)，是(shi)(shi)(shi)機器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)獲(huo)(huo)得環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)信(xin)息(xi)(xi)(xi)的(de)(de)重(zhong)(zhong)要途徑[48]，在(zai)某些情況下，這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)對(dui)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)信(xin)息(xi)(xi)(xi)的(de)(de)獲(huo)(huo)取是(shi)(shi)(shi)不(bu)可替(ti)代的(de)(de)，但是(shi)(shi)(shi)視覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)很容易(yi)(yi)受(shou)(shou)到(dao)光照和(he)陰影(ying)的(de)(de)影(ying)響[49]；非視覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，如激光傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、超聲波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)紅外(wai)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，都是(shi)(shi)(shi)基于(yu)距(ju)離測(ce)(ce)量理論，其測(ce)(ce)量精度(du)高于(yu)視覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，但這(zhe)(zhe)(zhe)些傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)(xi)僅(jin)限于(yu)距(ju)離和(he)強度(du)，容易(yi)(yi)受(shou)(shou)到(dao)鏡面反射或漫(man)反射的(de)(de)影(ying)響；其他(ta)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，如力、觸(chu)覺(jue)(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，也在(zai)機器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)知(zhi)中(zhong)起著重(zhong)(zhong)要作用(yong)。值得一提的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)波(bo)士頓(dun)動力公司的(de)(de)LS3機器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)，通(tong)過擴展(zhan)卡爾曼濾波(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)將立體攝像頭傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、慣(guan)性測(ce)(ce)量單元、腿部(bu)測(ce)(ce)距(ju)和(he)可選的(de)(de)間歇(xie)全球定(ding)位(wei)系統(Global Positioning System，GPS)位(wei)置更新融合在(zai)一起，以確保穩定(ding)、低延(yan)遲的(de)(de)性能(neng)[50]。
4.2自主化及(ji)智(zhi)能化
圖14 ANYmal爬樓梯(ti)
四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)最(zui)終的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)方向是(shi)(shi)擁(yong)有(you)(you)(you)(you)(you)自(zi)主(zhu)(zhu)性(xing)并幫(bang)助(zhu)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)類(lei)(lei)在復(fu)雜(za)(za)(za)的(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)下(xia)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)任務(wu)。實時定位與(yu)建圖(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)技術是(shi)(shi)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)實現自(zi)主(zhu)(zhu)性(xing)的(de)(de)(de)(de)關鍵，SLAM技術的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)是(shi)(shi)幫(bang)助(zhu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)傳感器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)數據的(de)(de)(de)(de)融合，最(zui)終實現機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)在環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)定位并建立所需的(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)地圖。通(tong)(tong)過集成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)SLAM技術，機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)可(ke)(ke)以完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)后續(xu)的(de)(de)(de)(de)導航、路徑規劃和(he)實時避(bi)障(zhang)，從而(er)(er)實現四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)自(zi)主(zhu)(zhu)性(xing)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)。智能(neng)(neng)化程度也(ye)是(shi)(shi)未來評(ping)價四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)重要指標之一。面對復(fu)雜(za)(za)(za)的(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)，機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)還應(ying)具有(you)(you)(you)(you)(you)穿越復(fu)雜(za)(za)(za)地形的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力，目前較先進的(de)(de)(de)(de)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)已經(jing)能(neng)(neng)夠完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)爬樓梯等(deng)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(例如圖14所示(shi)的(de)(de)(de)(de)ANYmal機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren))，而(er)(er)最(zui)終的(de)(de)(de)(de)目標是(shi)(shi)使四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)具有(you)(you)(you)(you)(you)在野外獨立自(zi)主(zhu)(zhu)運(yun)(yun)行的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力。真正(zheng)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)物(wu)不僅具有(you)(you)(you)(you)(you)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)自(zi)主(zhu)(zhu)性(xing)，還能(neng)(neng)夠完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)物(wu)種間(jian)(jian)協(xie)作(zuo)甚至與(yu)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)類(lei)(lei)協(xie)作(zuo)。因此未來的(de)(de)(de)(de)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)要幫(bang)助(zhu)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)類(lei)(lei)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)任務(wu)，就必(bi)須要有(you)(you)(you)(you)(you)較高的(de)(de)(de)(de)智能(neng)(neng)，例如能(neng)(neng)夠聽懂(dong)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)類(lei)(lei)的(de)(de)(de)(de)語言、通(tong)(tong)過肢體運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)與(yu)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)類(lei)(lei)的(de)(de)(de)(de)互動(dong)(dong)(dong)、執(zhi)行復(fu)雜(za)(za)(za)任務(wu)時有(you)(you)(you)(you)(you)一定的(de)(de)(de)(de)判斷能(neng)(neng)力和(he)與(yu)其他(ta)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)之間(jian)(jian)協(xie)同(tong)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)任務(wu)等(deng)。近(jin)年(nian)來，多(duo)智能(neng)(neng)體協(xie)同(tong)控制理(li)論(lun)發展(zhan)迅猛并應(ying)用(yong)在各個(ge)領(ling)域，若應(ying)用(yong)到四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)領(ling)域，使得機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)之間(jian)(jian)具有(you)(you)(you)(you)(you)相互協(xie)同(tong)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)任務(wu)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力，必(bi)將使四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)能(neng)(neng)夠完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)更(geng)(geng)加復(fu)雜(za)(za)(za)多(duo)樣的(de)(de)(de)(de)任務(wu)，四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)范圍(wei)也(ye)會更(geng)(geng)加廣泛。神(shen)經(jing)網(wang)絡的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)也(ye)為四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)智能(neng)(neng)化提供了新(xin)思路，將神(shen)經(jing)網(wang)絡應(ying)用(yong)于四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)，可(ke)(ke)以使得四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)擁(yong)有(you)(you)(you)(you)(you)學(xue)習(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力。機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)可(ke)(ke)以通(tong)(tong)過在復(fu)雜(za)(za)(za)的(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)中(zhong)運(yun)(yun)行來學(xue)習(xi)(xi)更(geng)(geng)為有(you)(you)(you)(you)(you)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)方式(shi)，這樣在制造機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)時，無需考(kao)慮機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)運(yun)(yun)行所需要面對的(de)(de)(de)(de)復(fu)雜(za)(za)(za)情況，而(er)(er)是(shi)(shi)通(tong)(tong)過學(xue)習(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)方式(shi)來適應(ying)環(huan)境(jing)。擁(yong)有(you)(you)(you)(you)(you)學(xue)習(xi)(xi)能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)(de)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)(zu)(zu)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)將更(geng)(geng)像(xiang)一個(ge)真實的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)物(wu)，能(neng)(neng)夠完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)更(geng)(geng)加復(fu)雜(za)(za)(za)的(de)(de)(de)(de)任務(wu)。
5、研究的不足及未來的關鍵性技術
5.1高強度的機械設計
機(ji)器(qi)人(ren)在(zai)移動時(shi)足(zu)(zu)端會受到(dao)地(di)面的(de)(de)巨大(da)沖擊(ji)，甚至(zhi)可以(yi)達到(dao)站立(li)狀(zhuang)態的(de)(de)幾十倍(bei)。目前的(de)(de)四足(zu)(zu)機(ji)器(qi)人(ren)研究領(ling)域(yu)(yu)依(yi)然(ran)沒有大(da)規模(mo)使用新材料(liao)，雖然(ran)使用主動柔(rou)順(shun)和被(bei)動柔(rou)順(shun)技術(shu)可以(yi)減弱沖擊(ji)，但(dan)當機(ji)器(qi)人(ren)需要(yao)負重時(shi)，高強度(du)的(de)(de)機(ji)構(gou)(gou)設計依(yi)然(ran)至(zhi)關重要(yao)。因此在(zai)未來的(de)(de)四足(zu)(zu)機(ji)器(qi)人(ren)研究中(zhong)，應用高強度(du)的(de)(de)輕質(zhi)材料(liao)及高強度(du)的(de)(de)機(ji)械(xie)結構(gou)(gou)創新是發展的(de)(de)重要(yao)領(ling)域(yu)(yu)。
5.2高帶寬執行(xing)器設計
機器(qi)人的(de)動態性(xing)能(neng)依賴(lai)于執行器(qi)的(de)帶寬，即執行器(qi)對信(xin)號的(de)響(xiang)應速度。尤其是奔跑和跳躍(yue)的(de)時候，需要執行器(qi)高速運動，對控制信(xin)號高速響(xiang)應，若帶寬不足則很難保(bao)持動態穩(wen)定(ding)。
5.3高能(neng)量密度執(zhi)行器(qi)及新執(zhi)行機構(gou)
高能(neng)(neng)量密度(du)的(de)執(zhi)行(xing)器(qi)(qi)可(ke)以(yi)在滿足功率(lv)時大(da)(da)大(da)(da)減小執(zhi)行(xing)器(qi)(qi)的(de)質量，從而(er)減輕機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)自重(zhong)，提升機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)負載能(neng)(neng)力，降低對(dui)機(ji)構強度(du)的(de)需求，并提高機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)續(xu)航能(neng)(neng)力。目(mu)前四(si)足機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)常用(yong)的(de)液(ye)壓、電驅動及氣動執(zhi)行(xing)器(qi)(qi)在原理上仍與真(zhen)實四(si)足動物的(de)肌(ji)肉有很大(da)(da)差異，無法像真(zhen)實的(de)動物一樣運動自如。因此機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)執(zhi)行(xing)器(qi)(qi)的(de)創新(xin)是(shi)四(si)足機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)研(yan)究的(de)重(zhong)要領域之(zhi)一。
5.4動態自平衡控制
機器人靜態(tai)(tai)(tai)穩(wen)定性判據已經(jing)發(fa)展的(de)非常(chang)成熟(shu)，但在(zai)機器人動(dong)態(tai)(tai)(tai)運(yun)動(dong)時，靜態(tai)(tai)(tai)穩(wen)定性判據難(nan)以滿足要(yao)求。而動(dong)態(tai)(tai)(tai)自平衡控(kong)(kong)制發(fa)展仍不足，依(yi)然沒有計算量低(di)(di)且適(shi)應性強的(de)通(tong)用方法。在(zai)未來的(de)四足機器人研究(jiu)領域，找到一(yi)種(zhong)計算量低(di)(di)，且可以適(shi)應各種(zhong)復雜(za)地(di)形的(de)具有普適(shi)性的(de)動(dong)態(tai)(tai)(tai)自平衡控(kong)(kong)制方法至關重(zhong)要(yao)。
5.5智能化
目前的(de)(de)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)普(pu)遍存在智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化(hua)(hua)和自主化(hua)(hua)程(cheng)度不(bu)足(zu)(zu)的(de)(de)問題，依賴于操作員對(dui)其進行控制。四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)若要完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)復(fu)雜的(de)(de)任務(wu)，就必須有和環(huan)境交互的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)力，因此(ci)SLAM技(ji)術、自主導(dao)航技(ji)術等智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化(hua)(hua)技(ji)術是未(wei)來(lai)(lai)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)發(fa)展(zhan)不(bu)可或缺的(de)(de)部分。隨著人(ren)(ren)(ren)工神經網(wang)絡和強化(hua)(hua)學(xue)習的(de)(de)發(fa)展(zhan)，將神經網(wang)絡和強化(hua)(hua)學(xue)習應(ying)用于四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)[51]，可以使得機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)更(geng)能(neng)(neng)(neng)適應(ying)非結構(gou)化(hua)(hua)的(de)(de)環(huan)境，未(wei)來(lai)(lai)的(de)(de)四(si)(si)(si)足(zu)(zu)機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)會更(geng)加自主和智(zhi)能(neng)(neng)(neng)。而隨著多(duo)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)體(ti)協(xie)同(tong)控制理論的(de)(de)發(fa)展(zhan)，機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)之(zhi)間協(xie)同(tong)完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)任務(wu)也越(yue)來(lai)(lai)越(yue)成(cheng)(cheng)為(wei)機器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)研(yan)究的(de)(de)重點。
5.6國內研究領域(yu)的不(bu)足
針對國(guo)內四足機(ji)器人研(yan)究領域(yu)，與(yu)波士頓動力公司和MIT的獵(lie)豹(bao)系列機(ji)器人的差距主要體現在仿生(sheng)結構、執行(xing)器參數及智能化等方面。
仿生結構(gou)方(fang)面，國內(nei)的四足機器(qi)人(ren)依(yi)然(ran)與真(zhen)實的動(dong)(dong)物(wu)相差甚遠，結構(gou)不(bu)夠(gou)靈活(huo)，感知方(fang)式(shi)仍然(ran)依(yi)賴于(yu)外部(bu)(bu)傳(chuan)感器(qi)，而真(zhen)實的動(dong)(dong)物(wu)更(geng)多地來自本(ben)體的感知，即觸覺。國內(nei)研(yan)發的四足機器(qi)人(ren)的結構(gou)設(she)計和運動(dong)(dong)方(fang)式(shi)與MIT系列機器(qi)人(ren)相比仍不(bu)夠(gou)仿生，對于(yu)真(zhen)實動(dong)(dong)物(wu)擁有(you)的踝部(bu)(bu)、腰部(bu)(bu)、尾部(bu)(bu)等研(yan)究不(bu)足，結構(gou)設(she)計上仍缺乏創新。
國(guo)產的(de)執行器(qi)(qi)相比(bi)于(yu)世界一(yi)流(liu)水平仍(reng)有(you)較大(da)差距，帶寬偏低且能量(liang)密度不高，所以國(guo)內的(de)四足(zu)機器(qi)(qi)人(ren)執行器(qi)(qi)大(da)多依(yi)賴(lai)于(yu)進口(kou)。而國(guo)產驅動器(qi)(qi)的(de)精(jing)度和(he)時(shi)效性也是制約國(guo)內四足(zu)機器(qi)(qi)人(ren)發展的(de)重要原因(yin)之一(yi)。
智能化方面(mian)的(de)(de)差(cha)距更(geng)為突出，國(guo)內的(de)(de)四(si)足機器(qi)人(ren)運動方式更(geng)保守、更(geng)僵硬，面(mian)對復(fu)雜的(de)(de)地形，抗干擾能力弱。波士頓動力公司發布的(de)(de)四(si)足機器(qi)人(ren)已經能夠(gou)完成搬箱子、開(kai)門等(deng)任(ren)務(wu)，LS3機器(qi)人(ren)能夠(gou)在(zai)野外連(lian)續運行幾小時以上；而國(guo)內的(de)(de)四(si)足機器(qi)人(ren)研究仍處(chu)于實(shi)驗室階段，還(huan)未(wei)有實(shi)現特(te)定任(ren)務(wu)和(he)野外長(chang)時間運行的(de)(de)能力。
整體上國內(nei)四足(zu)機器人研究(jiu)領域仍處于模仿的階段(duan)，創新性不(bu)足(zu)。若(ruo)要(yao)(yao)實現國產的四足(zu)機器人達到世界先(xian)進(jin)水平，不(bu)僅要(yao)(yao)在(zai)結構(gou)設(she)(she)計(ji)和執(zhi)行(xing)器設(she)(she)計(ji)等硬件方面有(you)所(suo)提升，更要(yao)(yao)在(zai)智能化等領域有(you)所(suo)創新和突破(po)。
6、結論
隨(sui)著越(yue)(yue)來(lai)(lai)(lai)越(yue)(yue)多的(de)(de)科研團隊加入對四(si)足(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)研究，四(si)足(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)領域(yu)的(de)(de)發展(zhan)日新月異，但仍有一(yi)些根本性(xing)的(de)(de)問題需要突破，四(si)足(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)未(wei)來(lai)(lai)(lai)的(de)(de)發展(zhan)趨勢是負重能力更(geng)強(qiang)和移動速度(du)更(geng)快、環境適應能力更(geng)強(qiang)、續航時間更(geng)長。而(er)隨(sui)著機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)學科與其他學科的(de)(de)融合，四(si)足(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)必(bi)(bi)將(jiang)越(yue)(yue)來(lai)(lai)(lai)越(yue)(yue)智能化，與真實四(si)足(zu)動物(wu)的(de)(de)差距(ju)會越(yue)(yue)來(lai)(lai)(lai)越(yue)(yue)小。目前已經有科研團隊在人(ren)(ren)(ren)造肌肉(rou)領域(yu)取(qu)得了突破性(xing)進展(zhan)，而(er)類肌肉(rou)的(de)(de)執行器(qi)必(bi)(bi)將(jiang)使四(si)足(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)發展(zhan)至一(yi)個全新的(de)(de)高度(du)，未(wei)來(lai)(lai)(lai)的(de)(de)四(si)足(zu)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)必(bi)(bi)將(jiang)可以(yi)幫助(zhu)人(ren)(ren)(ren)類完成更(geng)多更(geng)復雜的(de)(de)任務。