混合式機器人

左良 李卓誠

摘要：隨著電子計算機的高速發展，計算機的算力得到了質的提升，一方面以神經網絡為代表的足式機器人控制算法得到廣泛應用，仿生足式機器人的發展進入一個新的階段，足式機器人可以像現實中的動物一樣，完成后空翻、爬樓梯甚至是跑酷這類的復雜動作。另一方面視覺識別等傳感器的發展使機器人的感知能力大大提升，機器人可以對身邊復雜環境做出更深刻的認識和判斷，使機器人獨立完成復雜任務成為了可能。足式機器人比傳統的輪式或履帶式機器人更加靈活，對環境的適應性更強，成為完成在復雜環境中完成復雜任務的首選，而四足機器人作為最合理的足式機器人之一，具有比六足或八足機器人結構上更簡單，比兩足機器人的動態和靜態穩定性更好等優點，成為了仿生足式機器人的研究熱點。但足式機器人本身也存在一些問題，比如在平坦的城市路面，由于四足機器人本身的剛性結構，足式機器人運動過程中沖擊較大，加速了自身零部件的磨損，在運動速度和效率上比不上輪式或者履帶式機器人，因此，近些年來混合式四足機器人得到了人們重視。本文主要向各位讀者介紹國內外混合式四足機器人，并比較分析其中的優缺點。

足部輪式混合機器人

目前，最流行的混合式機器人就是在足部安裝有獨立電機驅動輪的四足機器人， 這種機器人在輪子制動時可以同普通的四足機器人一樣完成各種躍障動作，而當機器人的輪子轉動時，機器人可以像高級越野車一樣在城市的路面行駛，機器人四肢安裝的關節電機可以根據路面進行調整，始終保持機器人的平穩行駛。但是這種機器人本身也存在一些缺陷，安裝在足部的輪子如果過小會影響整體機器人的平穩性，產生的震動會加速機械零部件的磨損，也會影響機器人的行駛速度，而如果機器人足部的輪子過大則會影響機器人的靈活性，影響機器人在通道中上下樓梯。

美國NASA曾經研制了一款六足混合式機器人，打算用于其它行星的地表勘測，這種機器人更多情況下適用于在四面相對平坦的野外地形，相信在不久的未來，這樣的機器人將成為人類探索其他行星的好幫手。

可變形的混合式機器人

如圖2所示，這是一款國外創新公司設計的一種具有兩種模式的六足機器人，設計人員從沙漠中一種蜘蛛的運動中得到了靈感，這種蜘蛛在遇到緊急情況時會利用利用自己的腿來做后空翻，從而使自己在沙漠中快速運動。這種翻滾式混合機器人在一般情況下僅用四條腿運動，而有快速運動需要時，機器人的四條腿會拼合成兩個圓圈，而另外的兩條腿會像船槳一樣撥動地面，驅動機器人向前滾動。這種機器人在運動方式上極具創新，但是也存在這兩個很嚴重的缺陷，首先是機器人在翻滾運動中并非是完全可控的，無法完成對機器人運動的精確控制，另一方面機器人在翻滾過程中大量的傳感器都將不能被使用，例如如果激光雷達和深度相機這樣的傳感器固定在機器人的軀干上，傳感器將會隨機器人一起翻滾，最終導致無法完成其正常功能。但是這種機器人在能耗上卻表現非常突出，噪音也非常小，可以在野外執行較為特殊的任務。

如圖3所示，這是一款來自我國臺灣一所高校設計研發的一款折疊式混合四足機器人。這種機器人通過腿部的電機可以將輪子折疊起來，從而實現機器人輪足兩種模式的轉換。這種機器人核心要解決一個問題，那就是負責折疊輪子的電機將隨輪子一同轉動，電機的驅動和控制電路的布置需要做特別的設計，以保證電機的線路不會纏繞在機器人腿部。

從圖中我們也可以看到這類機器人也存在一些顯著的缺陷，那就是機器人半圓形的腿部形狀非常不利于機器人的躍障，在躍障過程中，機器人的腹部將會與臺階發生碰撞，從而降低了機器人的越障能力。

如圖4所示，這是一款來腿部可以展開的混合式機器人模型，機器人腿部的舵機可以將輪子展開從而將機器人轉化為足式機器人，這種機器人同樣也存在這兩個缺陷，第一個缺陷同圖3所示的機器人一樣，機器人的腿部電機隨輪子一起轉動，也需要設計特殊的電路傳導裝置，第二個缺陷是機器人的腿部結構比較臃腫，機器人在處于足式模式下，不具有較好的靈活性。

混合是四足機器人的控制

在混合是四足機器人的控制方面，一般情況下擁有兩套不同的模式，分別針對于足式和輪式這兩種模式，通過機器人本身搭載的激光雷達和深度相機來感知周邊環境，并判斷機器人應該轉換為何種模式，目前隨著人工智能技術的不斷提升，機器人已經可以具備自我感知周邊環境并做出自己判斷的能力了。在處于足式模式下，機器人一般采用中樞神經控制器CPG（Central pattern generators）產生相位互鎖的節律信號來控制機器人的腿部運動，其中融合神經網絡控制算法對機器人系統進行訓練，實現機器人在復雜環境下的運動控制。而處于輪式模式的機器人在控制方面相對傳統，對于腿部自由度較少的機器人可以采用差速轉向，對于腿部自由度高的機器人可以采用更為靈活的控制方式。

太原理工大學 山西省太原市 030024