雙足行走機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及展望

1、雙足行走機(jī)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(jī)器人研究所，北京 100022；2. 北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100022）摘 要： 文中介紹了雙足行走機(jī)器人的概念和特點(diǎn)， 簡(jiǎn)要地闡述了國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的發(fā)展， 結(jié)合圖文詳述了雙足機(jī)器 人的最新研究領(lǐng)域和現(xiàn)狀， 并對(duì)雙足機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)作了詳細(xì)的展望。關(guān)鍵詞： 雙足機(jī)器人； 發(fā)展； 被動(dòng)式； 趨勢(shì)中圖分類號(hào)： TP

2、242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)器人是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人的含義也在不斷地拓寬，一般是指機(jī)器人 化的技術(shù)或系統(tǒng)；現(xiàn)代的機(jī)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(jī)器人屬于類人機(jī)器人，典型特點(diǎn)是機(jī)器 人的下肢以剛性構(gòu)件通過(guò)轉(zhuǎn)

6、動(dòng)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(shí)現(xiàn) 對(duì)身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，各關(guān)節(jié)之間可以有一 定角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人 還具有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）雙足機(jī)器人對(duì)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(tái)階及通過(guò)不平整、不規(guī)則或較窄 的路面，故它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。（2）雙足機(jī)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(dòng)范圍很大，其上配置的機(jī)械手具有 更大的活動(dòng)空間，也可使機(jī)械手臂設(shè)計(jì)得較為短小緊 湊。（3）雙足行走是生物界難度最大的步行動(dòng)作，但其步 行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的。此外，雙足行走機(jī)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(duì)環(huán)境進(jìn)行大 規(guī)模改造。所以雙足行走機(jī)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(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀2.1 傳統(tǒng)有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人2.1.1 國(guó)外研究歷史及現(xiàn)狀雙足機(jī)器人的研究始于 1960 年代，早在 1968 年 ， 美 國(guó)通用公司的 R.Smo- sher 試制了一臺(tái)名為“Rig”的操縱型雙足 步行機(jī)器人，揭開(kāi)了雙足機(jī)器人研究的序幕。但該機(jī)器人只有 踝和髖兩個(gè)關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺(jué)來(lái)保持機(jī)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(jī)器人的理論，即 MP 穩(wěn)定 判據(jù)，并研制出世界上第一臺(tái)真正意義的雙足機(jī)器人。隨 后各國(guó)的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)紛紛展開(kāi)雙足機(jī)器人的研究工 作。據(jù)韓國(guó)的一個(gè)機(jī)器人網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，截至 2005 年 3 月 ， 世界上共有 76 個(gè)雙足機(jī)器人的項(xiàng)目正在進(jìn)行中，其中日本36 個(gè)，由此不難看出日本在雙足機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)成為雙足機(jī)器人研究 的主力。早稻田大學(xué)的雙足機(jī)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(jī)器人。最新的研究成果為 WL- 16 和 WABIAN- 2 機(jī)器人，WL- 16 腿部采用一對(duì) 6 自由 度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度高，許多金屬部件用聚 乙樹(shù)脂代替，齒輪、電機(jī)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(dòng)頭部、軀干、四肢和手掌，而且還能夠通過(guò)面部表情傳 達(dá)多種人類特有的感受，例如快樂(lè)、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(kù)科技機(jī)器人 圖 8 哈工大 HIT- 3 機(jī)器人圖 9 BHR- 2 仿人型 圖 10 代爾夫特、 MIT、 康奈爾 機(jī)器人刀術(shù)表演 的被動(dòng)動(dòng)力行走機(jī)器人倍。于是 Mogeer 在 1989 年提出一個(gè)新的理論，完全不用 驅(qū)動(dòng)

12、也不用控制的機(jī)器人也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的步行運(yùn)動(dòng)， 進(jìn)而提出了“被動(dòng)動(dòng)力步行”概念。此后許多學(xué)者對(duì)被動(dòng) 動(dòng)力行走機(jī)器人進(jìn)行了深入的研究，并且研制出被動(dòng)動(dòng) 力機(jī)器人樣機(jī)。2005 年 2 月 21 日召開(kāi)的第 171 屆美國(guó) 科學(xué)促進(jìn)會(huì)的年會(huì)上，由美國(guó)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(dòng) 動(dòng)力行走機(jī)器人，被認(rèn)為代表了當(dāng)前被動(dòng)動(dòng)力機(jī)器人研 究的最新成果。被

13、動(dòng)動(dòng)力行走機(jī)器人內(nèi)置多個(gè)傳感器，使其能在 20min 內(nèi)學(xué)會(huì)像人一樣走路。傳感器能以每秒 200 次的 速度測(cè)量機(jī)器人每個(gè)動(dòng)作的傾斜度和速度，然后向其它 電動(dòng)機(jī)下達(dá)新指令來(lái)調(diào)節(jié)身體姿勢(shì)。傳感器還指示制動(dòng) 器控制機(jī)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(dòng)參數(shù)都會(huì)有所改變，所以機(jī)器人可以在任何 路面上走路，并調(diào)節(jié)走路的姿勢(shì)。被動(dòng)動(dòng)力步行機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)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(guó)外眾多 學(xué)者的

14、深入研究，并取得了巨大的成果。但當(dāng)前對(duì)被動(dòng)動(dòng) 力步行機(jī)器人的研究還不成熟，如穩(wěn)定性、倒行等還需要 進(jìn)一步的深入研究。國(guó)內(nèi)對(duì)此開(kāi)展的研究并不多，北京大學(xué)在 2006 年 10 月研制成功雙足機(jī)器人“Runbo- I”，Runbo- I 不僅能平 穩(wěn)行走，還能負(fù)重推車，在設(shè)計(jì)上的最大特點(diǎn)是每條機(jī)械 腿均只使用一個(gè)電機(jī)作為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān) 節(jié)采用仿生被動(dòng)關(guān)節(jié)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)通過(guò)彈性機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng) 能量的存儲(chǔ)和釋放，在很大程度上模擬了人類運(yùn)動(dòng)

15、方式。 3 雙足行走機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)雙足行走機(jī)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(jī)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(jī)器人沒(méi)有走進(jìn)我們生活的主要 原因。綜合研究現(xiàn)狀，雙足行走機(jī)器人具有以下幾個(gè)發(fā)展 趨勢(shì)，當(dāng)然也是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)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(jī) 器人技術(shù)的關(guān)鍵，也是各國(guó)學(xué)者研究的焦點(diǎn)。具體主要有 雙足運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定與控制機(jī)理、雙足步行運(yùn)動(dòng)的固有 魯棒性機(jī)理、實(shí)

16、時(shí)步態(tài)規(guī)劃與控制等幾個(gè)方面。只有解決 了這些問(wèn)題，雙足機(jī)器人才能實(shí)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(guó)蘇州舉行的機(jī) 器人大賽上，所展出的雙足機(jī)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(shí)還能夠 獨(dú)立地站立起來(lái)繼續(xù)行走。（2）開(kāi)發(fā)新型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。雙足機(jī)器人的自由度是其 完成動(dòng)作質(zhì)量的保證，自由度越多其動(dòng)作越協(xié)調(diào)、順暢。 目前研制的雙足機(jī)器人自由度最少的也有十幾個(gè)，最多 的達(dá)到幾十

17、個(gè)。自由度的增多的同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求也 越來(lái)越高，已不局限于傳統(tǒng)的幾種方式，形狀記憶合金驅(qū) 動(dòng)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)等方式逐漸應(yīng)用到機(jī)器人領(lǐng)域，這些驅(qū) 動(dòng)方式以驅(qū)動(dòng)速度快、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)已經(jīng)逐漸取代 了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。（3）改進(jìn)人機(jī)接口設(shè)計(jì)。機(jī)器人應(yīng)該要與人類共存并 合作，做人類做不到的事，開(kāi)拓機(jī)動(dòng)性的新領(lǐng)域，從而對(duì)人 類社會(huì)產(chǎn)生附加價(jià)值，而并不是完全取代人。目前，雙足機(jī) 器人還不能擺脫人的控制而獨(dú)立工作，因此，良好的人機(jī) 協(xié)調(diào)系統(tǒng)在機(jī)器人的

18、工作中將起到非常重要的作用。［參考文獻(xiàn)］［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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