月面六足機器人機構設計與行走控制方法綜述

王小濤 張 震 崔宇新 王衛軍 韓亮亮 張崇峰

(1.南京航空航天大學航天學院, 南京 211106; 2.上海宇航系統工程研究所, 上海 210019; 3.北京航空航天大學電子信息工程學院, 北京 100191; 4.中國航天科技集團有限公司空間結構與機構技術實驗室, 上海 201109)

1 引言

月球是地球唯一的天然衛星,是人類探索宇宙的第一站[1]。自20 世紀50 年代,蘇聯發射世界上第一顆月球探測器月球1 號以來,除美國成功進行了6 次載人探測外,其余各國對月球的探測均為無人探測,開展了環繞、著陸、巡視等探測任務。著陸巡視探測能夠多點、實地獲取月球信息、開展原位分析工作,是月球探測最高效的探測方式之一[2]。

目前實際應用的星表探測機器人多為輪式,如中國玉兔號月面巡視器以及美國好奇號火星巡視器。輪式探測器速度快、效率高、承載能力好,但在松軟地面或嚴重崎嶇不平的地形上,其移動效率與通過性降低,越障能力偏低[3]。隨著月球探測任務的深入,具有更多科學價值的坐標逐漸成為新的探測興趣點,如可能存在水冰的月球南極陰影區[4]。此區域內地形復雜,存在巖洞、隕石坑、溝壑等復雜極端地形,對機器人的地形適應性提出了更高的要求。

當前,各研究機構提出將履帶式、足式、翻滾、彈跳等新型移動機器人用于星表探測,目前多處于研發階段[5]。在沒有更多環境先驗信息條件下,相比輪式機器人,足式機器人可以通過步態的變化適應多變地形,具有更好的靈活性和環境適應性,特別適應極端地形探測[6]。尤其六足機器人具有機構冗余、行走靜態穩定的特點,是應對月面復雜地形高機動性移動的典型解決方案。然而六足機器人也存在結構復雜、控制難度大等問題,距離實際月面探測任務應用中尚存在一定差距。

本文調研了月面六足機器人的國內外研究現狀,對制約其進一步發展的機構設計和行走控制方法等方面進行梳理和總結,以期為六足機器人在月面探測的實際工程應用提供參考。

2 月面六足機器人發展現狀

2.1 國外發展現狀

自20 世紀60 年代以來,以美國、德國等國家為首,世界各國紛紛開始六足探測機器人的研制,相繼研發了各種不同類型的原理樣機。

美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University ,CMU)很早便開展了對腿足式機器人的研究,研發了一系列星球探測機器人,如Ambler、Dante Ⅱ等。1988—1991 年,CMU 與美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)聯合研制Ambler 機器人[7],如圖1(a)所示,機器人的每條腿均為直角坐標式腿,借助腿內齒條調節機體豎直方向位置,以此跨越障礙。1992 年,針對星表大坡度陡峭地形的探測任務,CMU 研發了六足機器人Dante II,并在活火山上進行了實驗[8],如圖1(b)所示,Dante II 機器人每條腿能夠獨立地調整豎直方向高度,以適應崎嶇地形,并且采用繩索進行牽引,使其能夠在懸崖峭壁上進行上下攀爬。

圖1 CMU 研制的探測機器人Fig.1 Probe robot developed by CMU

2005 年,JPL 研制了著名的ATHLETE 機器人,其第一代樣機SDM 機器人被設想在月面運送大質量載人居留艙,如圖2(a)所示,SDM 機器人采用輪腿復合結構,每條支腿具有6 個自由度,驅動輪安裝在機械腿的末端[9]。2009 年,ATHLETE第二代樣機T12 成功面世,如圖2(b)所示,T12機器人由2 個三足機器人對接而成,每條支腿具有7 個自由度,運動比SDM 機器人更加靈活,負載能力也得到增強[10]。

2009 年,德國航天中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.,DLR)基于Hand II機械手指設計了一款月面六足爬行機器人Crawler[11],如圖3(a)所示,其被設想作為子機器人置于大型主機器人中,當主機器人難以到達相對危險的探測區域時,釋放Crawler 機器人執行探測任務。

圖3 德國研制的六足探測機器人Fig.3 Hexapod robot developed by German

2010 年,德國人工智能研究中心(German Research Center for Artificial Intelligence,DFKI)研制出一款專門用于月球空間探索任務的六足機器人SpaceClimber,計劃觀測、存儲、分析隕石坑內部的科學樣本[12],如圖3(b)所示,該機器人共有26 個自由度,每條腿具有4 個自由度,頭部和身體各有1 個自由度,以更好適應崎嶇地形。在SpaceClimer 取得成功之后,DFKI 又提出了模塊化可重構多機器人月面探測系統(Reconfigurable Integrated Multi - RobotExplorationSystem,RIMRES)的概念,研發了四輪腿機器人Sherpa 和蜘蛛式爬行機器人CREX,這2 個機器人子系統可單獨工作,也可通過機電接口重構成一整體,進行協同作業[13]。如圖3(c)所示,CREX 機器人繼承了SpaceClimer 的設計,頭部集成了視覺相機及激光雷達,利用其多冗余度特性實現在月球隕石坑等極端環境下探測工作。此外,DFKI 還制定了仿螳螂機器人MANTIS 的登月計劃,如圖3(d)所示,該機器人有4 條腿用于行進,剩余2 條腿采用了手腿復用的設計,既可用于輔助行走,也可作為機械臂執行空間操作任務[14]。

2.2 國內發展現狀

20 世紀末,中國確定以“開展以月球探測為主的深空探測預先研究”為航天發展目標,眾多高校和航天科研院所相繼開展六足探測機器人的預研工作[15]。

2014 年,哈爾濱工業大學莊紅超[16]基于昆蟲結構設計了一款面向月面探測的大負重比六足機器人ELSpider,如圖4(a)所示,ELSpider 機器人每條腿上有3 個主動自由度及1 個自適應自由度(踝關節上的被動球形關節),本體構型為圓形,可實現零半徑轉向,其負載能力遠高于國內外同期多數六足機器人。此外,張赫等[17]研發了兩代HITCR 機器人,以竹節蟲為仿生對象,每條腿包含脛節、股節和基節,均采用高度集成的模塊化關節,如圖4(b)所示,HITCR Ⅱ機器人通過足端三維力傳感器進行柔順交互,提高了對月面崎嶇地形的適應能力。

圖4 哈工大研制的六足探測機器人Fig.4 Hexapod robot developed by HIT

上海交通大學高峰等設計了多款六足探測機器人,最具代表性的是Octopus 系列機器人和青騅機器人。Octopus 機器人單腿是一個3 自由度并聯機構,如圖5(a)所示,每條腿的腳踝處都有1 個被動的球形關節,這使其具有較高的承載能力、載荷重量比和剛度[18]。圖5(b)所示為青騅機器人,該機器人采用直立姿態的機體布局,基于動態交替三角步態和地形自適應主動柔順進行控制,并集成了語音識別、自主跟隨等功能,可攜帶重型設備開展災害現場救援作業[19]。在青騅機器人的基礎上,上海交通大學與航天五院總體部合作,研制了一款探月六足飛躍器,如圖5(c)所示,該機器人基于主被動復合緩沖原理的控制方法,實現了著陸過程的緩沖、身體穩定及著陸后的穩定行走[20]。

圖5 上交大研制的探測六足機器人Fig.5 Hexapod robot developed by SJTU

此外,一些研究人員提出了變構型六足機器人的概念。北京航空航天大學丁希侖等針對星表探測任務,研制了一系列NOROS 六足機器人。最新一代NOROS 機器人的6 條支腿均勻分布在圓形機體周圍,每條腿具有3 個主動自由度和1 個主動輪的轉動自由度,如圖6(a)所示,該機器人將主動輪安裝在膝關節位置,通過改變小腿構型實現足式與輪式的切換,并可減少足式移動時輪子與地面接觸磨損[21]。上海宇航系統工程研究所張元勛等[22]模擬摩洛哥蜘蛛的行為,提出一種兼有快速通過性和良好環境適應性的爬行滾動一體化機器人方案,如圖6(b)所示,該機器人通過6 條腿的形態變化,具有爬行和滾動2 種運動模式,可探索月球熔巖管等極端區域。

圖6 可變構型六足探測機器人Fig.6 Hexapod robot with variable configuration

除上述六足機器人外,研究人員還研制了一些針對星表探測的四足機器人,這些四足機器人可靠性良好,并展現出優越的動態性能,對月面六足機器人的機構設計和行走控制等方面具有借鑒意義。蘇黎世聯邦理工學院針對低重力天體的探測任務,專門開發了SpaceBok 四足機器人,如圖7(a)所示,該機器人每條腿有2 個自由度,采用1 組平行機構進行傳動,以減少腿部慣量,并使用彈性元件吸收和存儲能量,保證機器人實現優異的跳躍性能[23]。DFKI 研制了一款仿黑猩猩探測機器人Charlie,如圖7(b)所示,其最大特點是可根據不同地形自主切換運動模式,平坦地形采用雙足方式行走,復雜地形則切換為四足爬行模式以提高穩定性[24]。此外,波士頓動力公司(Boston Dynamics,BDI)研制的Spot mini 機器人近期也被提出應用于火星洞穴探測等復雜星表探測任務。該機器人采用純電驅動,可以輕松地穿越復雜地形,其仿生動作非常流暢,并可實現多機協作[25]。

圖7 典型探測四足機器人Fig.7 Typical quadruped detection robot

3 月面六足機器人機構設計現狀

月面六足機器人是一種仿生機器人,仿生機構的設計很大程度上影響機器人整體的運動性能和穩定性。本文從單腿機構設計、多足布局方式及足端構型設計3 個維度梳理和總結了目前主流的六足機器人機構設計方案,為月面六足機器人的機構設計提供可行方案參考。需要說明的是,由于四/六足機器人的腿部構型可相互借鑒,因此下文單腿與足端構型分析包含部分典型四足機器人。

3.1 單腿機構設計

機械腿是多足機器人自身的一個重要組成部分,其設計優劣直接影響到機器人的能量效率、行進速度和靈活性等。研究人員從仿生學的角度出發,從單腿自由度分配、傳動方式及串并聯類型等維度展開深入研究,設計出了多種不同的單腿形式。

從單腿機構自由度來看,一些地面足式機器人采用了1/2 自由度單腿設計,如圖8(a)所示,六足彈跳機器人RHex 的單自由度C 形腿[26],圖8(b)所示Doggo 機器人的2 自由度5 桿同軸腿[27]。然而,1/2 自由度腿的足端運動范圍并不能覆蓋一個三維空間,因此現有的月面六足機器人單腿一般在3 個自由度以上,部分機器人單腿自由度甚至達到了6 個。

圖8 單腿1/2 自由度的多足機器人Fig.8 One or two DOF single leg robot

此外,在驅動傳動方式上,目前有3 類主流的方案:①將電機直接置于關節處進行驅動,如圖9(a)所示的SpaceClimber 單腿,直驅的優點在于膝關節處的轉動角度更大,小腿有更大的運動空間,但由于關節模塊往往較重,因此小腿的轉動慣量較大,對根關節電機的轉速和輸出力矩有較高的要求;②將膝關節電機上置至髖關節處,兩電機同軸心布置,采用一組平面四連桿機構鏈接上置電機和曲柄,電機轉動帶動曲柄,促使膝關節產生運動,如圖9(b)所示的青騅機器人單腿,該構型大大減小了快速運動時腿部離心力和科氏力,有利于腿部快速擺動,但連桿機構會限制膝關節的活動范圍,所以在設計時需要對膝關節的運動空間進行額外分析;方案③與②類似,區別在于使用同步帶進行牽引力的傳動。由于帶傳動的特性,此構型在緩和振動載荷和抑制沖擊等方面有不錯的效果,能更好實現機器人高動態性,但帶傳動可能存在皮帶磨損、打滑等可靠性問題,因此常見于輕量化四足機器人,如圖9(c)所示的MIT Cheetah mini 機器人[28]。

圖9 單腿傳動方案Fig.9 Single leg transmission scheme

從串并聯類型的角度來看,上述機械腿均為串聯式或混聯式,也有部分研究人員對并聯式機械腿展開了研究。上海交通大學孫喬等研制了Hexbot 系列機器人,如圖10(a)所示,Hexbot-IV機器人單腿的上半部分是一個三支鏈并聯機構,包含1 個轉動通用(RU)分支和2 個轉動通用球形(RUS)分支,下半部分為仿哺乳動物腿的Z 字形腿部骨架。北京理工大學陳志華等[29]研制了NAZA 機器人,如圖10(b)所示,該機器人單腿由Stewart 平臺倒置而來,在動平臺上增加車輪驅動裝置,可實現輪式、足式的復合運動。一般來說,串聯式和混聯式機械腿結構緊湊,運動靈活,不足之處在于承載能力較小;而并聯式機械腿剛度大,承載能力強,但結構相對復雜,足端工作空間小,移動緩慢。

圖10 并聯腿方案Fig.10 Parallel leg scheme

3.2 足端構型設計

月球表面覆蓋著一層松軟的月壤,當六足機器人單腿處于支撐相時,月壤表層剛度難以支撐機器人本體載荷,足端沉陷幾乎是不可避免的,如波士頓動力公司的ATLAS 機器人在雪地斜坡上行走時,本體載荷使足端發生沉陷[30]。為了解決這個問題,研究人員試圖對足端構型進行拓撲優化,使足地接觸力得到有效控制。現有的月面六足機器人足端大致可以分為常規足、輪式足及仿生足3 類。

常規的足端構型包括平底足、球形足、曲面足及C 形足等。平底足式如圖11(a)所示,其構型簡單,底面多采用矩形或圓形,可攜帶較大的載荷重量,但步速偏慢,一般應用在一些仿生昆蟲六足機器人上,如ELSpider、MANTIS 機器人。球形足應用最為廣泛,在四/六足機器人上經常可見,如圖11(b)所示,球形足可以從各個方向與地面接觸,與平底足相比具有優異的動態性能,但負重能力較弱,常被用于仿獵豹、狗等哺乳動物的機器人上,如Cheetah mini 機器人、青騅機器人等。此外,部分機器人使用了曲面足,如圖11(c)所示的SpaceBok 機器人,曲面足承受沖擊和跨越障礙的能力較強,且能量的循環利用率較高,但缺點是承載不足,可能會發生變形。C 形足可以看成一類特殊的曲面足,如圖11(d)所示,該構型的腿部和足部合并為一個整體,在支撐軀體和水平牽引性能上均有良好的表現,在材料的彈性變形范圍內承受沖擊和跨越障礙的能力較強,且能量的利用率較高,但采用C 形足方案的機器人單腿只有1個自由度,靈活性欠佳。

圖11 常規足端構型方案Fig.11 Conventional foot configuration

輪腿式是一類特殊的足式機器人,可以歸為足端構型的一種。現有的輪足組合方式主要有3種:①輪為足式。將車輪直接安裝在機器人腿的末端,如圖12(a)所示的ATHLETE 機器足,車輪鎖定時可直接當作機器人的足。在月面平坦地形下,此類機器人可有效利用輪式滾動的高速特性;在陡坡、溝壑等地形下,鎖定輪軸將輪部作為輸出力矩的轉動關節,采用步行模式可以大大提高地形適應性,但在步行模式下,車輪的某一局部長時間與地面摩擦,會造成車輪表面不規則的磨損。②輪足可變形式。如圖12(b)所示的LEON 機器人[31],該機器人通過重構方式實現輪腿切換,當其伸展開來是普通的串聯腿,當其折疊時變成環形結構,以輪式滾動。這種特殊的輪足配置對加工制造的精度要求很高,且地形適應性相對有限。③輪足切換式。如圖12(c)所示的NOROS 機器人,該機器人將車輪安裝在機器人的膝關節位置,當機器人站立步行時,輪子不會與地面接觸,當機器人小腿折疊時,輪子與地面接觸,便可以實現輪行。

圖12 輪式足構型方案Fig.12 Wheel foot configuration

以上所述的足端構型都是非奇異的,然而也有少部分機器人受仿生學啟發,采用仿生的奇異型足端。仿猩猩機器人Charlie 的后肢采用跖行足結構(圖13(a)),足趾、足弓以及足跟周圍安裝了高密度陣列傳感器,設計較為復雜[32]。仿壁虎爬行機器人 StickyBot 的足部具有四趾(圖13(b)),足體材料為帶有剛毛和匙突結構的柔性聚合物薄板[33]。在不同的落地階段,足掌、足趾與硬質地面產生分層的粘附作用。值得注意的是,不同于常規足端構型與地面的平動接觸,采用奇異型足端構型的移動機器人與地面的接觸以不同姿態的旋轉接觸為主,其穩定性一般優于常規足,但結構復雜,可靠性偏低。

圖13 仿生足構型方案Fig.13 Bionic foot configuration

3.3 多足布局方式

目前,月面六足機器人的多足布局有2 類主流形式。早期研究人員受仿生原理啟發,模仿蜘蛛、竹節蟲、螳螂、蝎子等爬行類昆蟲的特征,將根關節與機身豎直安裝,采用類昆蟲的爬行步態行進。這種形式下的布局方式有六腿均勻分布和左右軸對稱分布2 種。

六腿均勻分布如圖14(a)所示,機器人的6 條腿間隔60°均勻分布在本體周圍,本體為六邊形或圓形。這種布局具有各向同性和對稱性,這種對稱優勢使六足機器人可以擁有更多的前進方向,具有較好的轉向能力,可實現零半徑轉彎;其缺點是每條腿自身所處的運動平面都不平行,要實現協調運動步態,每條腿的運動姿態和參數都不相同,控制函數相對復雜[34]。典型的六腿均勻分布機器人有北航NOROS 系列機器人和哈工大ELSpider 機器人等。另一種布局方式如圖14(b)所示,將6 條腿分為2 組,安裝在機器人本體的兩側,每側3 條腿。該布局下機體的中軸線多為優勢前進方向,當機器人沿該方向行走時,各腿可以利用最大的工作空間。此布局的優點是每條腿自身所處的運動平面相互平行或對稱,較易實現6 條腿之間協調運動,缺點是機器人轉向性能較差,需要先通過步態調整軀干方位,增加了步態規劃的難度。

圖14 仿昆蟲式布局Fig.14 Insect layout configuration

近年來,仿生四足機器人展現了優越的動態性能,受此影響,部分研究人員不再將六足機器人局限在模擬昆蟲的行為上,而是試圖在六足機器人平臺模擬四足動物的運動特性,青騅機器人是其中的代表。研究人員將單腿的根關節水平安裝,形成一個側擺自由度,從而模擬四足哺乳動物單腿構型。這種設計下,機器人的六足分布產生了多種可能性,包括“222”布局(圖15(a))、“前3后3”布局等,后者按照四足機器人領域一貫的定義,可以進一步分為內膝肘式(圖15(b))、全肘式(圖15(c))、外膝肘式(圖15(d))等。在四足機器人領域,研究人員對內膝肘式、全肘式、外膝肘式等構型布局進行了多方面的對比研究,三者在能耗、穩定性、關節力矩等方面各有不同。然而,六足機器人學界關于此類布局間的對比研究卻不多,需要進一步加以探索。一般來說,外膝肘式和內膝肘式的支撐面比較大,機器人的穩定性比較好;全肘式由于具有統一的關節形式,控制相對簡單。

圖15 仿哺乳動物式布局Fig.15 Mammalian layout configuration

4 月面六足機器人行走控制現狀

月球重力僅為地球的1/6,表層松軟的月壤與常規路面的力學特性存在很大差異,導致月面六足機器人的足地接觸力模型與地面機器人大相徑庭,可能會發生足端打滑和沖擊過大等問題。此外,月球表面遍布巖洞、陡坡、溝壑及隕石坑等極端地形,六足機器人極易發生傾覆,這對其行走控制提出了更高的要求。因此,不同工況下的步態規劃與切換、低重力環境下足力的分配與柔順,是決定六足機器人能否在月面環境下穩定行走的關鍵和核心技術。

4.1 步態規劃與切換

機器人運動時的腿間協調由步態保證,因而步態規劃對機器人運動的穩定性具有重要影響。目前研究人員對六足機器人的步態規劃問題進行了大量研究。McGhee 等[35]系統地給出了描述足式機器人步態的數學定義,現有六足機器人的數學描述大多由此而來。Gao 等[36]采用三角、對角和波浪3 種行走步態解決六足機器人的低能耗運動要求,圖16 為3 種步態的時序圖。另有研究人員 討 論 了 爬 坡、越 溝、爬 梯 等 特 殊 步 態[37],Furusho 等[38]、Estremera 等[39]以及Papadopoulos等[40]通過啟發式方法設計奔跑、爬坡等步態。在這些研究中,機器人均采用固定步態進行運動。其中,三角步態應用最廣泛,此步態下機器人始終有3 條腿處于支撐相,占空比為0.5,控制簡單且高效,因此現有的月面六足機器人大多將此設置為基礎步態或平坦地形下的常用步態。

圖16 六足機器人步態時序圖[36]Fig.16 Gait sequence diagram of hexapod robot[36]

然而,僅依靠某一種或幾種規劃好的規則周期步態無法滿足月面行走需求,研究人員提出了自由步態的概念以適應崎嶇地形。現有的自由步態規劃方法包括基于局部規則的步態規劃、CPG網絡、強化學習[41]等。Cruse 等[42]通過對竹節蟲的研究,提出了作用在腿間的6 條基本規則,生成適合于機器人行走的自由步態,并滿足了六足機器人的穩定性。Fukuoka 等[43]采用Matsuoka 神經振蕩器模擬CPG 信號,將控制算法成功地應用于Tekken 機器人上,實現了在崎嶇地形中的行走。Hwangbo 等[44]提出了一種神經網絡的訓練和移植方法(圖17),使四足機器人ANYmal 獲得了比以往更快的奔跑速度和更有效的防跌倒的能力,同時兼具了計算的高效性和高能效性。然而,目前的自由步態規劃方法大多存在參數相互耦合、不易調節、難收斂、仿真移植性差等問題,在月面六足機器人實物樣機中的應用并不多。

圖17 ANYmal 機器人訓練過程[44]Fig.17 Training process of ANYmal robot[44]

針對不同月面地形,研究人員提出了步態切換的概念,即在不同路況選用相應步態以提高效率。與步態規劃相比,步態切換方面的研究相對較少。目前六足機器人的步態切換策略主要是先對不同的場景建立多種控制模型,然后基于時序和向量表對步態模式進行選擇。

Yu 等[45]利用多尺度法對系統方程進行求解,利用收縮理論和梯度理論設計了CPG 步態生成器,實現了六足機器人的步態生成和切換。Mao 等[46]提出一種基于穩定性和干擾準則的六足機器人在連續不可微地形上的步態切換方法,并在Hexa-XIII 機器人上進行了仿真和實驗,如圖18 所示,實現了45°以上高難度樓梯上的步態切換。通過生成不同的步態模式,六足機器人的穩定性比僅使用三角步態時更高,其生成的爬樓梯步態拓撲包括3-3 步態、2-4 步態和1-5步態。

圖18 Hexa-XIII 機器人爬樓梯的步態切換過程[46]Fig.18 Gait switching of Hexa-XIII when climbing stairs[46]

此外,對于機器人可能發生的傾覆問題,研究人員提出了傾覆恢復步態的概念。北京航空航天大學的NOROS 機器人規劃了一種傾倒恢復步態,利用其機身關于水平面對稱的特性,直接改變機身的上下面,實現傾倒恢復,如圖19 所示。這種步態切換策略極大地提高了機器人在極端地形行走的恢復能力。總的來說,目前的步態切換策略大多控制模型復雜,步態切換需要停下或者切入點固定,難以實現自由、平滑的切換,需要進一步探究。

圖19 NOROS 傾覆恢復過程Fig.19 Overturn recovery process of NOROS robot

4.2 足力分配與柔順

六足機器人實際的足端接觸力在不加控制時呈現出不規則、不合理的力分布,最直觀的表現是位于支撐相的足端相互之間存在內力對抗,很容易導致個別腿的關節力矩過大,造成結構破壞以及足端打滑等問題。為了有效控制足端接觸力,首先要將地形環境約束、驅動力約束及運動約束等作為輸入條件,對足端目標進行牽引力的分配;然后在足力分配的基礎上,結合關節力矩和位置等信息,進行足端力的柔順控制。整個流程如圖20 所示。

圖20 足端力控制流程圖Fig.20 Flow chart of foot-end force control

對于機器人足力分配優化的研究已開展多年,最初研究人員以足力的平方和最小為優化目標,如1986 年Waldron 等[47]在ASV 機器人的研發中將足間內力最小化作為目標函數,并取得了不錯的效果。然而,在足式機器人中,內力最小的需求并不像類似機械手抓取操作中那樣重要,因此此類目標函數足力分配方案并不常見,研究人員逐漸將重點放在如何節約機器人的能耗方面。如Vidoni 等[48]通過對足式機器人腿部構型的分析,得知通過足端力及關節力矩的合理分配可以最小化站立姿態的能耗。羅慶生等[49]通過簡化的足力分配模型對能耗問題進行探討,并應用于仿生蟹的研究。從機器人的設計角度來看,這些目標函數的選取更加具備現實意義。

在足力的解算方法方面,逆偽法是最早使用的一種足力分配算法,解算速度快,但最大的問題是僅僅考慮了等式約束,無法對不等式約束進行處理,因此無法保證解的有效性。后來,研究人員使用線性規劃法進行足力解算,將目標函數及約束都轉化成線性求解方式,但此種方法求解不等式約束時求解不連續,有很大局限性。目前,二次規劃法是最主流的足力分配算法,將目標函數定義為二次函數,可以添加等式和不等式約束,從而滿足足力分配的復雜性要求。如Marhefka 等[50]建立了足式機器人的直流電動機模型,通過二次規劃法求解以減小機器人能耗為目標函數的優化問題。哈爾濱工業大學王冠宇等[51]提出一種分步二次規劃算法,該算法以足端法向力約束、關節力矩約束和摩擦錐約束為約束模型,以減小最大牽引系數為目標函數,提高了ELSpider 六足機器人的爬坡能力,圖21 為該機器人的爬坡試驗。

圖21 ELSpider 爬坡試驗[51]Fig.21 Climbing test of ELSpider robot[51]

在機器人柔順控制領域,力/位混合控制和阻抗控制是經典的柔順控制方法,最早應用與機械臂領域。其中,力/位混合控制是一種直接力控制,適用于同時分別在不同方向實施力控制和位置控制,例如切削、拋光等操作場景。

與力/位混合控制不同,阻抗控制被認為是一種間接力控制策略,通過調節機器人末端的剛度、阻尼和慣量,使力與位置滿足期望的動力學關系,這一特點與足式機器人落足過程相適應,所以在四/六足機器人柔順控制中應用尤為廣泛。阻抗控制按照不同的內環控制方式,可以分為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制2 種。

基于力的阻抗控制的思路為通過機器人腿部裝配的位移傳感器檢測足端位置,結合足力分配環節得到的足端期望力,利用力控制信號進行修正,進而模擬期望阻抗效果,因此這種控制策略特別適用于機器人足端位置變化比較明顯的場合,如液壓機器人、裝配了可伸縮式彈簧腿桿的機器人。這類機器腿具有一定彈性,在足地交互過程中,落地瞬間產生的接觸力會使機器腿反彈,利用模擬出的期望剛度和阻尼可以有效緩解整個系統的沖擊力。如BDI 的LittleDog 機器人以逆動力學模型為基礎,采用基于力的阻抗控制,實現了機器人斜坡、有裂縫的巖石、圓形巖石和圓木等各種未知地形下的穩定行走,具有強大的地形適應能力[52]。意大利技術研究所(Italian Institute of Technology,IIT)的電液混動四足機器人HyQ 在阻抗控制的基礎上引入動力學補償環節,減小機器人腿部重力和慣性力對阻抗控制的影響,實現了小跑、諧振跳、蹲跳著陸等步態,其控制框圖如圖22 所示[53]。

圖22 HyQ 阻抗控制框圖[53]Fig.22 Impedance control diagram of HyQ[53]

另一種阻抗控制方法為基于位置的阻抗控制,也稱為導納控制,主要思路為通過機器人腿部安裝的力傳感器獲取足端力,結合期望位置,利用位置控制信號進行補償,從而模擬期望的阻抗效果,因此該方法需要實時檢測機器人受力情況,通過所受外力來調整位置的變化,特別適應于足端受力變化明顯的高剛度系統。如DLR-Crawler 機器人足端配備了六維力傳感器,通過位置阻抗控制有效降低了足端沖擊力。日本千葉大學Irawan等[54]針對六足機器人COMET-IV 提出了單腿阻抗控制和基于質心的阻抗控制方法,實時調整機器人質心和身體姿態,如圖23 所示,實現了在柔軟地形上的行走。此外,研究人員還將魯棒控制、自適應控制及模糊控制等先進控制方法與阻抗控制相結合,應用到六足機器人的足力柔順控制之中。Galvez等[55]將位置阻抗控制與PID 控制相結合,應用于SILO4 電驅動步行機器人中,在沒有摩擦力補償的情況下依然得到了較好的位置跟蹤和足力響應特性。Palis 等[56]首次提出了一種基于環境參數估計的方法,對阻抗控制參數進行調整,實現了機器人在不同剛度地面的穩定行走。朱雅光[57]提出一種自適應-模糊的柔順控制算法,通過模糊控制器對自適應控制器的參數進行在線修正,以減少外部環境對足端接觸力的影響,從而提高六足機器人對不同環境的適應性。

圖23 COMET-IV 在草地上行走[54]Fig.23 COMET-IV walking on the grass[54]

5 結束語

世界各研究機構設計了多種應用于月球探測的六足機器人,目前多停留在概念設計或原理樣機試驗階段。針對工程應用的推進需在以下方面加大研究:

1)提高機構的可靠性。六足機器人的強地形適應能力依賴大量的自由度,在機構復雜程度上高于輪式機器人和履帶式機器人,這無疑造成了六足探測機器人可靠性偏低,工作性能不穩定等問題,成為限制其在月球探測工程中實際應用的一個重要原因。因此,在滿足探測任務需求的前提下,盡可能簡化六足機器人的機構復雜度,做好月面環境下多自由度機構的防護,提高機器人的硬件可靠性,是未來進一步研究的重要方向。

2)提高控制的穩定性。現有月面六足機器人的連續穩定運動大多基于離線的步態規劃,即按照預先設定好的步態模式進行運動,缺乏自主性和智能性,無法自主地解決足端沉陷、傾倒恢復等問題。此外,六足機器人特有的步態規劃、足端接觸力、主動柔順等控制環節比傳統的輪式、履帶式探測器復雜得多,這對整個控制系統的設計提出了更高的要求。因此,探索更多高效、智能的步態規劃與切換、足力分配與柔順等行走控制方法,是亟需解決的關鍵問題。