毕业设计文献综述 六足步行机器人

燕山大学

本科毕业设计（论文）文献综述

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一、课题国内外现状

步行机器人，简称步行机 ,是一种智能型机器人 , 它是涉及到生物科学 , 仿生学 , 机构学 , 传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技 . 在崎岖路面上 ,步行车辆优于轮式或履带式车辆 .腿式系统有很大的优越以及较好的机动性 , 崎岖路面上乘坐的舒适性 ,对地形的适应能力强 .所以 ,这类机器人在军事运输 , 海底探测 , 矿山开采 , 星球探测 , 残疾人的轮椅 , 教育及娱乐等众多行业 ,有非常广阔的应用前景 , 多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。

步行机器人历经百年的发展, 取得了长足的进步, 归纳起来主要经历以下几个阶段[5]:

第一阶段, 以机械和液压控制实现运动的机器人。

第二阶段, 以电子计算机技术控制的机器人。

第三阶段, 多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。

闰尚彬,韩宝玲,罗庆生针对仿生六足步行机器人关节较多,其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状,采用Solidworks软件与MSC.ADAMS 软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析.通过仿真,验证了所设计的三角步态的适用性和所选择的三次样条曲线作为机器人足端点轨迹曲线方案的可行性.

韩宝玲王秋丽罗庆生基于六足仿生步行机器人机构学特性的研究,采用数值分析法求解了机器人步行足的足端工作空间,利用虚拟样机技术计算了机器人的灵活度,从两方面综合衡量六足仿生步行机器人的工作能力,并以六足步行机器人各腿节比例关系的确定为例,介绍了六足步行机器人结构优化的具体方案.

苏军陈学东田文罡研究六足步行机器人全方位行走步态，分析其静态稳定性；规划了典型直线行走步态和定点转弯步态，确定了直线行走步态最大跨步和定点转弯步态最大转角；进行了步态控制算法模拟仿真及实地步行实验。

王绍治郭伟于海涛李满天根据CPG双层网络的特点,采用分层分布式系统架构研究制了一种机器人运动控制系统.其基于FPGA的星型总线,在保证通信速率的同时提高了系统抗干扰能力.在单足控制器中嵌入双NIOS 完成CPG网络解算和电机运动控制.

郭少晶韩宝玲罗庆生针对采用电池供电的六足仿生步行机器人其工作时间受限的情况,提出了将动态电源管理、实时任务调度和运动策略规划等方法,综合运用于其控制系统,且更为全面地考虑了机器人系统的能耗等级.这种方法对于降低机器人的系统能耗起到了实质性的作用,其整体思路与技术途径可为降低其它类似的多足步行机器人的系统能耗, 陈甫臧希喆赵杰闫继宏从机械结构、运动模式和步态控制3个方面, 对六足步行机器人的仿生机制进行了分析. 提出一种灵活度评价函数, 基

于该函数对六足机器人的结构参数进行了优化; 推导了步态模式与步行速度关系的数学表达; 构建了分布式局部规则网络, 可自适应地调整错乱的腿间相序,生成静态稳定的自由步态.仿真实验验证了上述仿生机制的有效性。

王立刘连蕊高建华针对六足步行机器人在非结构化地形下运动时方向转动角度大小对控制的影响,运用差分控制方法导出六足步行机器人在非结构化地形下行走时各足端的方位信息,在保持机体和足端协调性的同时,保证机器人在运动过程中不与复杂的地面发生接触,顺利地完成机器人左右转弯运动.在仿真实验中得到了满意的结果,为将来的实际应用奠定基础。

杨立辉罗庆生王秋丽毛新通过对六足步行机器人步行足的运动学分析，按照坐标系的建立原则，选取机构中的转动副作为关节变量，推导出各关节的广义变换矩阵，得到了步行足足端的运动学方程，求出步行足足端点运动学的正解坐标系，利用paul等人提出的代数解法进行了运动学逆解分析，并借助计算机对其逆解进行了验证，为后续的运动学分析和轨迹规划奠定了基础。

张伏张国英邱兆美毛鹏军对双足人、四足动物、六足昆虫的行走方式和躯体形态以及它们在步态、体态方面的差别进行了综合论述,进而对不同行走方式的机器人的步态策略进行了论述,并对行走机构足数与性能进行了定性评价,展望了动物步态和仿生步行机器人研究的发展前景.

二、研究主要成果

1 美国多足步行机器人的发展近况

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AMBL ER[2 ] , 如图1 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3 180 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[3 ] ,如图2 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。

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 (Autonomous Legged UnderwaterVehicle) [4 ] ,如图3 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人Biobot[1],如图4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。

三、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。[1]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。[5]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。

(3)仿生步行机器人。[10]在步行机的腿上安装弹性装置或采用人工肌肉等柔性腿,就是结构仿生的体现,采用形状记忆合金驱动是材料仿生的体现。目前的步行机器人还远未达到像多足昆虫那样的步行机动性和灵活性,存在步行速度低,效率差等问题。进一步深入研究功能、控制和群体仿生,提高步行机器人的速度和灵活性,充分实现多足步行机器人的优点,是今后研究步行机器人的重点之一。

四、存在问题

黄俊军等在文献[4]中通过对文献[14 ][15 ][16][ 17]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。[15]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。[16]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, 增强图像处理的实时性、快速性和准确性。

(3) 步行敏捷性方面。[17]四足步行机器人有很好的地面适应能力, 但在

某些地貌, 其行走效率很低,而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此四足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。

(4) 四足步行机器人的控制方法需要改进。[14][4]四足步行机器人系统的

复杂性使其控制算法复杂化。但有些算法由于其计算量很大, 所以对于机器

人的实时控制很难实现甚至不能实现。因此需要简化机器人控制算法, 实现用相对较简单的控制算法获得符合工作要求的控制效果的目标。另外, 四足步行机器人现有的控制方法还有待完善和发展。

五、主要参考文献

【1】韩宝玲王秋丽罗庆生六足仿生步行机器人足端工作空间和灵活度研究《机械设计与研究》 2006 第4期

【2】闰尚彬韩宝玲罗庆生仿生六足步行机器人步态轨迹的研究与仿

真

《计算机仿真》 2007 第10期

【3】苏军陈学东田文罡六足步行机器人全方位步态的研究《机械与

电子》 2004 第3期

【4】王绍治郭伟于海涛李满天基于CPG的六足步行机器人运动控制系统研究《机械与电子》 2010 第8期

【5】郭少晶韩宝玲罗庆生六足仿生步行机器人系统节能技术的研究《机

械与电子》 2007 第4期

【6】陈甫臧希喆赵杰闫继宏六足步行机器人仿生机制研究《机械与电

子》 2009 第9期

【7】王立刘连蕊高建华六足步行机器人非结构化地形下的方向控制研究

《浙江理工大学学报》 2010 第2期

【8】杨立辉罗庆生王秋丽毛新新型仿生六足机器人步行足运动学分析与研究《机械设计与制造》 2006 第9期

【9】张伏张国英邱兆美毛鹏军仿生地面行走机构的步态研究现状与进

展

《农机化研究》 2011 第1期

【10】Sun,Yi (School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology); Chen,Xuedong; Yan,Tianhong;

Jia,Wenchuan.Modules design of a reconfigurable multi-legged walking robot[J]. Source: 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006, p1444-1449

【11】D.E.Orin.Supervisory Control of a Multilegged Robot，Int.J.Robotics Research,1982,Vol.1,No.1,pp.79-91

【12】N.Koyachi.The World of Multi-Legged Robots,J.of Robotics Society of Japan,1993，Vol.11,No.3,pp.379-384

【13】R.B McGhee.Some finite state aspects of legged locomotion，Mathematics Bioscientes,1968,2：67-84

【14】Park S,Lee Y J. Discontinuous zigzag gait p lanning of a quadruped walking robot with a waistjoint[J]. Advanced Robotics,2007,

21 (1) : 14321642.

指导教师审阅签字：

年月日

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