基于TRIZ 理論的六足機器人步態規劃

張 媛 張 燕 陳耿彪 易海亮

1.湖南省生產力促進中心 湖南 長沙 410000；2.湖南金科財智管理顧問有限公司 湖南 長沙 410000

3.長沙理工大學 湖南 長沙 410000；4.湖南省科學技術事務中心 湖南 長沙 410000

0 引言

現代應用機器人按移動與否可以劃分為固定基座機器人和移動機器人，后者相對于前者具有更高的靈活性，可較好應用于服務行業和空間探索等領域。移動機器人的移動載體主要有輪式、履帶式和足式等三種。輪式機器人在平地運行可靠，但在崎嶇不平或松軟地面上，輪胎功能容易失效且能耗增加。為了改善輪式機器人的環境適應性，履帶式機器人隨后被研發出來，它能適應松軟地面且推進力得到提高，但機動性較差，在崎嶇不平環境下難以保持平衡。針對這些不足，受自然生物啟示，足式移動機器人應運而生，它不僅具有移動靈活、良好的機動性和能耗低等優點，而且還可以適應崎嶇的地面結構、輕松越過障礙物，具有廣闊的發展前景。作為其關鍵技術之一的步態規劃自然成為業界的研究熱點，綜述當前主流的步態技術，指出其存在的問題，并運用TRIZ理論優化現有步態或開發新的步態模式，以期對我國多足機器人研制和應用有所裨益。

1 現有步態規劃比較

多足機器人行走是由其各足按照周期性的規律(抬足和放足順序)協調運動，產生一系列連續的邁步動作來實現的。多足機器人的多足主要分為四足、六足和八足等幾種，其中六足機器人在穩定性上比四足機器人好，在控制方式上又比八足機器人簡單，最具代表性，本文以其為研究對象。當前常用的六足機器人步態有三角步態、波動步態、跟導步態和擺動踢足步態等四種，歸納各類步態的動作原理及特點如下。

1.1 三角步態 六足綱目昆蟲(蟑螂、螞蟻等)步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結構交替前行。身體左側的前、后足及右側的中足為一組，右側的前、后足和左側的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，如圖1所示，1、3、5為一組，4、6、2為另一組。

圖1 行走機構簡圖

三角步態行走法利用仿生原理，具有如下三個特點：(1)因其重心總是落在三角支架之內，可使機器人隨時保持穩定；(2)其行走軌跡為呈之字形的曲線，有利于增大向前的合力；(3)步態控制簡單，使用廣泛。

1.2 波動步態 波動步態其主要特征是四只或五只足同時著地作為支撐足，保證重心始終落在支撐足圍成的多邊形內，如圖2所示，所以穩定性好。因其只有一只足交替運動，所以，該步態主要適用于機器人在未知環境中的緩慢行進。

圖2 波動步態示意圖[1]

1.3 跟導步態 以圖1為例，跟導步態是指最前兩足1、4和中間兩足2、5的立足點分別是下一步中間兩足2、5和后兩足3和6的立足點。該步態主要可以實現跨越小于步長的溝槽以及越過小障礙，提高機器人的適應能力和越障能力。缺點是后足的自由調整受到限制。

1.4 擺動踢足步態 擺動踢足步態是針對圓形本體結構的六足機器人設計的，機器人足部呈輻射狀分布，容易實現全方向移動。這種運動方式主要應用于平坦地形結構中的直線行走，主要特點為：(1)增加了轉向的靈活性和越障能力；(2)降低能耗；(3)機器人的運動協調避免了足部間的相互干涉。

1.5 各種步態性能比較 將上述現有步態的性能進行對比，如下表1所示。

表1 現有步態性能對比

可見，綜合性能優良的步態規劃應具備的特征有：自適應性強，具備多種步態行走能力，并易于切換；穩定性好，在惡劣環境和外界擾動作用下仍能保持平衡；靈活性強，能實現速度的快速換接，以及360°無死角轉身。多足動物在行走時都具有爬行、小跑和奔跑等工況，但因技術局限，現有的多足機器人多局限于爬行行進。因此開發自適性、穩定性、靈活性強的多足仿生機器人步態具有重要的技術應用價值。

2 基于TRIZ的六足機器人步態規劃創新

TRIZ(發明問題解決理論)是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒研究成千上萬的專利后，發現了發明的模式而形成的創新理論。

發明問題解決理論的核心是技術進化法則。它指出技術系統一直處于進化之中，解決沖突是其進化的推動力。本文選用TRIZ不同的創新工具來解決六足機器人步態規劃存在的矛盾問題，助力六足機器人升級。

2.1 自適應性的技術矛盾解決方法 自適應性是指多足機器人能自我識別不同的地形環境，并依據環境采用相匹配的步態，且能夠在各種步態之間進行靈活、快速的切換。

可見，如果使六足機器人能在各種步態之間靈活、快速切換，那么機器人就具有在多種環境中以多種方式被使用的能力(即適應性)，但是對系統進行控制的難度變大了(即系統的復雜性)，這是典型的技術矛盾問題，可以使用如圖3所示的TRIZ技術矛盾解決流程解決。

圖3 TRIZ技術矛盾解決流程

根據改進參數——適應性和惡化參數——系統的復雜性，查阿奇舒勒矛盾矩陣表，得到解決問題的通用解(即發明原理)。

參考每個發明原理的指導原則，結合技術領域知識即可得到具體解決方案。本文選用28號發明原理，采用氣流和多孔軟管的柔性結構替代現有的關節式硬性結構，工作原理由現在的抓附式變為全新的噴氣式。

2.2 穩定性的物理矛盾解決方法 穩定性是指六足機器人在靜態和運動時都能保持身體平衡，核心是使機器人重心始終位于支撐足所圍成的多邊形內。

當六足機器人在平地上運動，按照某個步態行進，穩定性一般較高，但當機器人運動速度較快、沿斜坡向上爬行或越障時，機器人重心，足部受力情況等都會發生較大改變，穩定性會受影響。這就產生了一個物理矛盾：機器人的重心應該低，以便運動平穩；同時，機器人的重心又應該高，以便運動的跨度更大。

參考每個發明原理的指導原則，結合技術領域知識即可得到具體解決方案。本文選用13號發明原理——反向作用原理，當機器人出現傾覆趨勢時，使機器人重心偏向的一端往外噴氣體，以平衡重心偏離一端的勢能，使其不離開地面。

2.3 靈活性的技術矛盾解決方法 靈活性涉及到速度的快速切換和方向的無死角調整兩個方面。目前，研制的各種六足行走機器人往往采用單個電機驅動六足同時運動，這種方式雖然嚴格保證了六足行走步態的協調性，但限制動作的靈活性，且不能實現轉彎運動。

實現靈活性的理想狀態是實現工況之間自然過渡(主要工況為轉向，小跑，爬行)，無明顯的矛盾問題。

當物-場模型為不充分模型時，考慮引入第二個場和第三個物質，代替原有場和物質，采用生物電機實現實時控制。

選用系統級別分離方法，查分離方法與分明原理之間的對應關系表，得到解決問題的通用解(即發明原理)如表1所示。

表1 分離方法與分明原理之間的對應關系表(局部)

TRIZ理論的先進性在于它能夠幫助使用者快速準確地發現核心問題，并通過形式化手段，在相應的知識庫中，提供相應的解決原理，為使用者提出解決方案提供有力的工具。本文對多足機器人步態規劃的技術要點進行了歸納總結，詳細分析比較了現有步態的工作原理和優缺點，針對步態規劃存在的自適應性不強、穩定性差和靈活性不佳等技術難點，分別應用TRIZ理論的技術矛盾、物理矛盾和物-場模型得到相應的創新解決方案，創新流程及其結果可為多足機器人的步態開發與研究提供技術參考。