關于腿式機器人研究的討論

王剛

我們為什么要研究有腿系統呢？除了創造能夠實際運行的機器人的滿足感之外，還有兩個重要的原因促使我們探深入索用腿運動這一課題。

首先是為了滿足可移動性這一需求，這就需要我們設計出一款能夠在現有車輛無法行駛的復雜地形中行駛的車輛。車輪在準備好的路面（例如鐵軌和公路）上表現優異，但在地形柔軟或不平整的地方表現不佳。由于這些限制，現有的輪式和履帶式車輛只能適應一部分區域，而步行的動物可以到達更大的區域。因此我們可以設計一種有腿的車輛，腿在崎嶇地形中提供更好的移動性的，可以到達動物可以到達的地方。

其次是機械腿可以使用支撐和牽引力分離的立足點，而車輪需要連續的支撐路徑。因此，有腿系統可以選擇可到達地形中最好的立足點；輪式系統必須滿足最壞的地形。拿梯子進行舉例：梯級提供了支撐腿系統的立足點，但梯級之間的空間阻止了輪式系統的正常運動。

再者是有腿系統提供了主動懸架，使主體的路徑與腳的路徑分離。盡管地形有明顯的變化，有效載荷仍可自由平穩地行進。有腿的系統也可以跨過障礙物。原則上，有腿車輛的性能在很大程度上與地面的粗糙程度無關。實用的有腿車輛的設計生產取決于工程科學的若干領域的發展，有腿的車輛將需要系統來控制關節運動，對腿的運動進行規劃，監控和平衡，使用已知的立足點產生運動，感知地形并找到下一個良好的立足點，并計算可行的立足點序列。這些任務大多數尚未得到較好的理論支持。但研究正在進行中，如果這項研究成功，腿式車輛便可在復雜地形高效，快速地行駛，且不受到地面柔軟程度和粗糙程度的影響。這種車輛可用于工業，農業和軍事應用。

最后是為了更好地理解人類和動物的運動。慢動作電視重播向我們展示了運動員在空間中可以行走，跳躍，滑行以及以其他方式推動身體，這些動作具有多樣性和復雜性，但是我們依然能保持方向，平衡和速度，但是這種表現不僅限于職業運動員。從機械、感知、運動控制、數據計算的角度來看，人類的各種運動的協調性是多么不可思議。動物在運動中也表現出出色的協調性和靈活性。它們可以利用腿快速安全穿過森林和沼澤。盡管我們可以很好使用自己的腿技能，但是對于運動，我們仍然處于理解控制原理的原始階段，這些原理是行走和跑步的基礎。那么動物使靠什么控制機制完成這么復雜的運動的呢？機器人又將如何向這種高級的控制機制邁進呢？

從靜態來說，首先得了解機器人的姿勢問題。控制系統中一個重要的部分：確定合適的身體俯仰角以保持身體直立。假設我們把機器人分為上身，大腿，小腿三部分，那么我們以膝關節和髖關節為軸，兩處各設置一個動力系統，將控制分區為這三個部分使得運行更容易理解，簡化出一個相對簡單的控制系統。如果腳和地面之間有良好的牽引力，則圍繞髖部在身體和腿之間施加的扭矩使上身繞其俯仰軸線加速，在支撐期間，由于腿支撐身體的負荷，因此存在牽引力。同樣大小腿之間以膝關節為軸，也可存在類似性質的力，通過兩個關節的完美配合，以使身體恢復到直立姿勢。為執行控制任務的每個部分而實現的算法本身不難，各個控制算法的細節并不那么重要，因為分解提供了單獨系統框架。但是小腿相對于大腿、大腿相對于身體的運動控制系統的每個部分都表現得好像它只影響了行為的一個組成部分，但是其實是存在不完美的耦合的相互作用的。

從動態來說，跳躍是重要的腿式系統運動形式之一，腿式系統必須在三維空間中自我平衡。我們認識到動物運動主要是平面的動作，盡管動物是三維系統。我們從在跑步機上跳躍的袋鼠首先認識到這一點。

腿式系統的跳躍模型主要可以分為三種如圖1所示：垂直彈跳，雙腿垂直于地面，身體平行于地面，利用雙腿的伸縮完成彈跳動作；異步位移性彈跳：當兩只腳都在地上時，有一個蹺蹺板搖擺模式，其中腿保持垂直，但是一個變短，而另一個變長。在這種模式下，身體像蹺蹺板一樣搖晃。上腿交替做伸縮動作完成跳躍動作；同步位移性彈跳，這種模式有一個擺動運動，系統類似倒立擺。在這個模式中，身體保持水平，而腿繞著腳轉動，雙腿同步向前彈跳。

行走也是重要的腿式系統運動形式之一，對于像人類一樣運行的兩足動物，具有交替的支持期和完全離開地面時期，。由于腿部交替使用，一次只有一條腿活動，另一條腿放在地上并轉移重心，一條腿可以在身體上施加扭矩。假設一條腿的行為不會被另一條腿干擾，跳躍，前進行走和姿勢的單腿算法就會顯得簡單，但是實際上兩條腿之間依然存在耦合問題，所有研究機器人行走問題時，除了步態規劃之外還有解耦這一難題。

腿式系統機器人在運輸行業以及醫療衛生方面作為人工助理的潛力不言而喻。傳統的運輸機器人多為輪式，其對路面要求過高，坑洼不平地帶，以及路面小的障礙物，都會去其造成損壞，這自然增加了公司維修的成本以及路面養護的成本。而腿式機器人對路面要求低，靈活性強，機動性高，更適合作為運輸機器人來使用。在醫療方面，腿式機器人可以代替輪椅以及假肢的作用，實現日常行走，上下樓，下蹲起來等日常功能，并保持其平衡。在私人助理方面，腿式機器人可以同時滿足不同場景，不同身高的人群使用，穩定性強，平衡性可靠。

（作者單位：江蘇省鎮江市學府路301江蘇大學）