雙足行走機器人發(fā)展現(xiàn)狀及展望

1、雙足行走機器人發(fā)展現(xiàn)狀及展望阮曉鋼 1， 仇忠臣 2， 關(guān)佳亮 1（1. 北京工業(yè)大學(xué) 人工智能與機器人研究所，北京 100022；2. 北京工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，北京 100022）摘 要： 文中介紹了雙足行走機器人的概念和特點， 簡要地闡述了國內(nèi)外雙足機器人的發(fā)展， 結(jié)合圖文詳述了雙足機器 人的最新研究領(lǐng)域和現(xiàn)狀， 并對雙足機器人的發(fā)展趨勢作了詳細的展望。關(guān)鍵詞： 雙足機器人； 發(fā)展； 被動式； 趨勢中圖分類號： TP

2、242 文獻標識碼： A 文章編號： 1002- 2333 （2007） 02- 0017- 03Development Status and Pr ospects of Biped RobotRuan Xiao- gang1, QIU Zhong- chen2, GUAN J ia- liang1（1. Institute of Artificial Intelligence and Robotics, Beijing Univer

3、sity of Technology, Beijing 100022, China；2. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology，Beijing 100022, China）Abstract: This paper introduces the concept a

4、nd characteristics of the biped walking robot, briefly describes the development of the biped robot, combining graphic detail the latest research, and the further development trend of biped robot is discussed

5、detailedly.Key words: biped walking robot; development; inactive mode; prospect1 前 言 機器人是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機器人的含義也在不斷地拓寬，一般是指機器人 化的技術(shù)或系統(tǒng)；現(xiàn)代的機器人已跨出了結(jié)構(gòu)化環(huán)境的 生產(chǎn)車間，向著人類生活的諸多方面滲透。雙足行走機器人屬于類人機器人，典型特點是機器 人的下肢以剛性構(gòu)件通過轉(zhuǎn)

6、動副聯(lián)接，模仿人類的腿及 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。并以執(zhí)行裝置代替肌肉，實現(xiàn) 對身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運動，各關(guān)節(jié)之間可以有一 定角度的相對轉(zhuǎn)動。與其它足式機器人相比，雙足機器人 還具有如下的優(yōu)點：（1）雙足機器人對步行環(huán)境要求很低，能適應(yīng)各種地 面且具有較高的逾越障礙的能力，不僅能夠在平面行走， 而且能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄 的路面，故它的移動“盲區(qū)”很小。（2）雙足機器人具有廣闊的工作空間，由于行走系 統(tǒng)占地面積

7、小，活動范圍很大，其上配置的機械手具有 更大的活動空間，也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊 湊。（3）雙足行走是生物界難度最大的步行動作，但其步 行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。此外，雙足行走機器人能夠在人類的生活和工作環(huán) 境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對環(huán)境進行大 規(guī)模改造。所以雙足行走機器人具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，特 別是作為殘疾人(下肢癱瘓者或截肢者)提供室內(nèi)和戶外 行走工具、極限環(huán)境下代替人工作業(yè)等方面更是具有不 可替代的作用

8、。2 雙足行走機器人的發(fā)展現(xiàn)狀2.1 傳統(tǒng)有動力驅(qū)動機器人2.1.1 國外研究歷史及現(xiàn)狀雙足機器人的研究始于 1960 年代，早在 1968 年 ， 美 國通用公司的 R.Smo- sher 試制了一臺名為“Rig”的操縱型雙足 步行機器人，揭開了雙足機器人研究的序幕。但該機器人只有 踝和髖兩個關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機器人的平衡。 1968～1969 年，南斯拉夫的著名科學(xué)家 M.Vukobratovi

9、c 提出了一種重要的研究雙足機器人的理論，即 MP 穩(wěn)定 判據(jù)，并研制出世界上第一臺真正意義的雙足機器人。隨 后各國的學(xué)者和研究機構(gòu)紛紛展開雙足機器人的研究工 作。據(jù)韓國的一個機器人網(wǎng)站統(tǒng)計，截至 2005 年 3 月 ， 世界上共有 76 個雙足機器人的項目正在進行中，其中日本36 個，由此不難看出日本在雙足機器人研究領(lǐng)域的突出 地位，其研究成果也是最為杰出的。在日本所有的研究機構(gòu)中，早稻田大學(xué)、東京工業(yè)大 學(xué)、本田公司、索尼公

10、司等研究機構(gòu)成為雙足機器人研究 的主力。早稻田大學(xué)的雙足機器人研究始于 1968 年 ， 該大學(xué)的加藤一郎教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組相繼研制了 WL 系 列、WABIAN 系列雙足機器人。最新的研究成果為 WL- 16 和 WABIAN- 2 機器人，WL- 16 腿部采用一對 6 自由 度的并聯(lián)機構(gòu)。由于并聯(lián)機構(gòu)剛度高，許多金屬部件用聚 乙樹脂代替，齒輪、電機等重量都得以減輕，可以在不平 的地面上穩(wěn)定行走。WABIAN- 2 不僅可以像真

11、人一般活 動頭部、軀干、四肢和手掌，而且還能夠通過面部表情傳 達多種人類特有的感受，例如快樂、憤怒、悲傷、驚訝和厭 惡等。最為重要的是它還可以彎曲膝蓋并且以多種方式圖 7 漢庫科技機器人 圖 8 哈工大 HIT- 3 機器人圖 9 BHR- 2 仿人型 圖 10 代爾夫特、 MIT、 康奈爾 機器人刀術(shù)表演 的被動動力行走機器人倍。于是 Mogeer 在 1989 年提出一個新的理論，完全不用 驅(qū)動

12、也不用控制的機器人也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的步行運動， 進而提出了“被動動力步行”概念。此后許多學(xué)者對被動 動力行走機器人進行了深入的研究，并且研制出被動動 力機器人樣機。2005 年 2 月 21 日召開的第 171 屆美國 科學(xué)促進會的年會上，由美國康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院 和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家分別組成的研究小 組，展示了他們研制出的能以人類步態(tài)直立行走的被動 動力行走機器人，被認為代表了當前被動動力機器人研 究的最新成果。被

13、動動力行走機器人內(nèi)置多個傳感器，使其能在 20min 內(nèi)學(xué)會像人一樣走路。傳感器能以每秒 200 次的 速度測量機器人每個動作的傾斜度和速度，然后向其它 電動機下達新指令來調(diào)節(jié)身體姿勢。傳感器還指示制動 器控制機器人腳踝上彈簧的壓力，使其整體平穩(wěn)向前。每 走一步，制動參數(shù)都會有所改變，所以機器人可以在任何 路面上走路，并調(diào)節(jié)走路的姿勢。被動動力步行機器人的最大優(yōu)點在于，能量消耗低 卻能夠?qū)崿F(xiàn)像人一樣自然的步態(tài)。已經(jīng)得到了國外眾多 學(xué)者的

14、深入研究，并取得了巨大的成果。但當前對被動動 力步行機器人的研究還不成熟，如穩(wěn)定性、倒行等還需要 進一步的深入研究。國內(nèi)對此開展的研究并不多，北京大學(xué)在 2006 年 10 月研制成功雙足機器人“Runbo- I”，Runbo- I 不僅能平 穩(wěn)行走，還能負重推車，在設(shè)計上的最大特點是每條機械 腿均只使用一個電機作為主動運動驅(qū)動，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān) 節(jié)采用仿生被動關(guān)節(jié)。整個運動通過彈性機構(gòu)實現(xiàn)運動 能量的存儲和釋放，在很大程度上模擬了人類運動

15、方式。 3 雙足行走機器人的發(fā)展趨勢雙足行走機器人研究雖然取得了很多的研究成果，但在穩(wěn)定性、人與機器人協(xié)調(diào)合作等方面還存在很大的 不足，這也是雙足行走機器人沒有走進我們生活的主要 原因。綜合研究現(xiàn)狀，雙足行走機器人具有以下幾個發(fā)展 趨勢，當然也是進一步研究的重點所在。（1）穩(wěn)定性與控制。穩(wěn)定性與控制策略是雙足行走機 器人技術(shù)的關(guān)鍵，也是各國學(xué)者研究的焦點。具體主要有 雙足運動的動態(tài)穩(wěn)定與控制機理、雙足步行運動的固有 魯棒性機理、實

16、時步態(tài)規(guī)劃與控制等幾個方面。只有解決 了這些問題，雙足機器人才能實現(xiàn)自然、順暢地行走，從 而更好地完成任務(wù)。2006 年 10 月在中國蘇州舉行的機 器人大賽上，所展出的雙足機器人已經(jīng)具有較好的穩(wěn)定 性，不但具有順暢的行走能力，而且在不慎摔倒時還能夠 獨立地站立起來繼續(xù)行走。（2）開發(fā)新型關(guān)節(jié)驅(qū)動器。雙足機器人的自由度是其 完成動作質(zhì)量的保證，自由度越多其動作越協(xié)調(diào)、順暢。 目前研制的雙足機器人自由度最少的也有十幾個，最多 的達到幾十

17、個。自由度的增多的同時對驅(qū)動器的要求也 越來越高，已不局限于傳統(tǒng)的幾種方式，形狀記憶合金驅(qū) 動、壓電陶瓷驅(qū)動等方式逐漸應(yīng)用到機器人領(lǐng)域，這些驅(qū) 動方式以驅(qū)動速度快、負載能力強等特點已經(jīng)逐漸取代 了傳統(tǒng)的驅(qū)動方式。（3）改進人機接口設(shè)計。機器人應(yīng)該要與人類共存并 合作，做人類做不到的事，開拓機動性的新領(lǐng)域，從而對人 類社會產(chǎn)生附加價值，而并不是完全取代人。目前，雙足機 器人還不能擺脫人的控制而獨立工作，因此，良好的人機 協(xié)調(diào)系統(tǒng)在機器人的

18、工作中將起到非常重要的作用。［參考文獻］［1］ Honda.Asimo- the Honda humanoid robot Asimo［EB/OI］.http:// wodd.honda.com/ASIMO/.［2］ Steve Collins，Andy Ruina，et a1.Efficient Bipedal Robots Basedon Passive - Dynamic Walkers［J］. Science Magazi

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20、erLinde R Q，Vander Helm F.C.T. How to Keep From Falling Forward: Elementary Swing Leg Action for Passive Dynamic Walker［ s J ］ . IEEE Transactions on Robotics，2005，99:1- 9.［5］ 付成龍，陳懇.雙足機器人穩(wěn)定性與控制策略研究進展［J］.高技 術(shù)通訊，2006（

21、3）:319- 324.［6］ 王勇，楊杰.基于被動動力式的兩足機器人研究現(xiàn)狀［J］.機械工 程師，2005（6）:31- 33.［7］ 周華平，馮金光.仿人步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.電測與儀表，2005（2）:9- 12.［8］ 張福學(xué).機器人技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.（編輯 立 明） !!!!!!!!!! 作者簡介：阮曉鋼（1958- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，北京工業(yè)大學(xué)人工 智能與機器人研究所所長，研