四足机器人仿生关节的研究现状综述

《机械传动》2019年 第43卷 第1期

DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2019.01.032

引用格式：朱雅乔, 陈国松, 王姣姣,等. 四足机器人仿生关节的研究现状综述[J]. 机械传动, 2019, 43(1):159-164.

ZHU Yaqiao，CHEN Guosong，WANG Jiaojiao，et al.Summarization of the research status of quadruped robot bionic joint[J].Journal of Mechanical Transmission， 2019, 43(1): 159-164.

四足机器人仿生关节的研究现状综述

朱雅乔 1陈国松 2王姣姣 3范广宏 2

(1 天津中德应用技术大学 航天航空学院, 天津 300350)

(2 先进成形技术与装备国家重点实验室, 北京 100083)

(3 天津中德应用技术大学 校企合作处, 天津 300350)

摘要兼具高速度、高机动和高适应性已成为四足机器人发展的必然趋势,仿生关节作为重要的基础运动部件,对四足机器人的运动学和动力学研究具有重要的作用。从气动柔性的仿生关节、液压减震的仿生关节、串联弹性驱动器的仿生关节和变刚度柔性的仿生关节4方面出发,对四足机器人关节仿生的研究现状进行了全面综述,并准确分析各种类型的仿生关节缺陷,最后对四足机器人仿生关节的未来发展趋势进行概述。随着研究的深入,四足机器人的仿生关节必然会在生产服务、科学探索、未来战争等多个领域中发挥广泛的应用。

关键词四足机器人 仿生关节 气动柔性 液压减震 弹性驱动 器

0 引言

四足机器人是目前移动机器人的研究热点,其离散支撑方式具有非结构化环境的高适应性,兼具轮式和履带式机器人的运动特性。各国陆续开展了四足机器人深入研究,例如美国波士顿动力公司相继推出的 BigDog、Wild Cat、Spot [1]四足机器人。2011年,我国863计划启动“高性能四足仿生机器人”主题项目 [2],以期突破仿生柔顺机构、移动感知能力、平衡性和动态运动能力等核心技术,使我国四足仿生机器人实现跨越式发展。

仿生关节作为基础运动部件,对四足机器人的运动学和动力学相关研究具有重要作用,而仿生关节的设计研究也已成为影响机器人平衡性和动态运动能力的重要因素。犬类等奔跑型动物因为腿系肌肉-筋腱的柔性特征,在奔跑运动过程中,不仅能够实现小腿和足尖位置鲁棒控制,同时可以将存储奔跑过程中35%的机械能,用于后续运动能量循环 [3]。进一步的生物力学研究表明 [4],动物腿关节的弹性刚度是随着不同的运动方式和地形而变化的,通过腿关节弹性刚度的调整,可迅速实现动物位姿、运动步幅及运动频率的调整,成功躲避岩石或凹凸不平的路面,表现出优越的生物特性。

1 四足机器人仿生关节研究现状

四足机器人机构研究的关键在于仿生关节的生物功能模拟能力,主要是对刚性仿生关节进行改造,加入气动肌腱、液压减震元件等柔性仿生关节,使机器人关节具有一定的柔性。采用不同的驱动方式,对应的关节结构、布置方式和控制方法等相差较大,整机仿生柔性的效果也会存在差异。具体对四足机器人仿生关节研究现状的总结如下所述。

1.1 气动柔性的仿生关节

图1 Pneuborn-7 II和Pneuborn-13机器人

气动肌腱本身结构简单,具有一定的柔性,且属于完全主动柔性,适用于承载力较小、运动速度较低的固定型柔性机械臂或灵巧手的柔性关节,但是其用于奔跑型足类机器人存在一定的局限性。首先,管状的气动肌腱要灵活实现足类动物关节的1个旋转自由度,至少需要布置两根气动肌腱,导致多自由度、多足机器人的关节布置结构复杂、体积庞大;其次,气动肌腱驱动能量密度较低,能量放大效果不理想,承载能力不能满足大型足类机器人的要求;再有,利用气动肌腱驱动实现关节的精确旋转,需要控制多根相关的气动肌腱伸缩不同的程度,动力学模型建立复杂,控制难度较大,很难实现多足机器人的快速运动。

1.2 液压减震的仿生关节

目前大多四足机器人通过配置液压减震器加弹簧的方式实现被动关节柔性功能,而主动关节通过液压驱动方式实现机器人的运动。BigDog [12]每条腿都采用液压驱动方式且配置液压减震器,为了进一步提高机器人系统的柔性,4个踝关节以下部分安装了被动弹簧减震系统,可以提高腿部对地形的适应性。Tekken是由Hiroshi Kimura等 [13]研制的具有柔性关节的四足移动机器人,如图2所示。该机器人的每条腿都具有1个被动自适应的柔性关节,关节由薄的金属片机构组成。该关节在运动过程中具有一定柔性,具有更好的结构适应性。意大利技术研究院 [14]的HyQ电液混合驱动四足机器人以及韩国工业技术研究院和Rotem公司 [15]研制的液压驱动四足机器人也都考虑了类似的柔性功能。目前国内最具代表性的四足机器人为山东大学李贻斌教授 [16-17]仿照骡马的骨骼结构设计的液压驱动四足仿生机器人SCalf,如图3所示,该机器人每条腿具有3个主自由度和1个被动缓冲机构,该机构由直线弹簧构成,能有效提高关节柔性,简化骨骼外形。上海交通大学高峰教授 [18]提出了3自由度混联腿构型用于高速、高承载四足仿生机器人的研究,并研制了电液混合驱动的样机,进行了负重对角步态稳定行走实验。另外,哈尔滨工业大学 [19-20]、国防科技大学 [21]均研制出了具有液压减震的仿生关节,兼具平衡性和动态运动能力的液压驱动腿足式移动机器人平台。

图2 Tekken四足机器人

图3 液压四足机器人

液压驱动系统具有较好的动态特性、较大的输出力矩和功率密度比、较高的带宽及一定程度柔顺特性,其体现出来的特性适合作为机器人的驱动方式,尤其是有了BigDog的成功范例。但是前提是要克服传统液压系统存在的缺点,如冲击载荷易导致漏油问题、活塞杆受冲击变形而引起的往复精度问题等。四足机器人在运动过程中受地面冲击载荷的大小和方向都始终呈现无规律的变化,这种工作状态对于传统液压系统而言是极为不利的。此类机器人的柔性仍主要依靠被动弹簧或液压减震器件实现,柔性性能受所选器件限制,不能根据机器人运动情况适时调整。通过控制主动关节的液压驱动元件实现机器人的柔顺控制则需要精确的液压伺服系统和压力分配系统,目前只有BigDog达到了较好的效果。

1.3 串联弹性驱动器(SEA)的仿生关节

图4 scarlETH 关节转动型驱动机构

图5 COMAN机器人

初步研究结果表明,串联弹性驱动器类型的机器人柔性关节可较好地模拟动物关节的生物力学特性,同时兼具生物柔性关节的主动柔性和被动柔性,是一种较好的足类机器人关节实现形式,但要达到动物腿部的结构协调、刚度可变、力学性能优良的程度,仍需突破机构设计、稳定性控制等关键技术。

1.4 变刚度柔性的仿生关节

随着对奔跑动物关节的变刚度柔性特性的研究不断深入,国内外学者已经开始进行仿生变刚度柔性关节的研究,并取得了一定的突破。Wolf等 [28]研制了一种基于犬类等动物的变刚度柔性关节,如图6所示,关节旋转时,滚子受外形轮廓的形状的影响,改变柔性系统的变量,实现系统刚度改变。不过该机构承受负载能力较弱,还处于研究阶段。

图6 变刚度关节VS-Joint

Wolf [29]对第一代产品进行升级改造,加入了更多的柔性单元,其结构如图7所示,该机构每个凹槽处由原来的1个凸轮滚子增加为2个,从而实现了低摩擦、低耗能,增大了承受负载的能力。弹簧部分由原来的4个弹簧变为1个模具弹簧,使该机构结构更加紧凑,方便与伺服电机减速器集成。

图7 柔性关节FSJ

Jafari等 [30]人研制了一款变刚度驱动器,如图8所示,该机构利用齿轮齿条传动改变凸轮形状杠杆臂旋转轴心所在的位置,凸轮通过滚子与弹簧作用,从而改变机构的输出刚度。

图8 变刚度驱动器CompAct-VSA

Nikos G.Tsagarakis最新设计的一种变刚度机构 [31],如图9所示,该机构中,输出轴通过滑块与两个弹簧相接触,当下肢受到冲击力时,压缩弹簧实现柔性输出,同时利用滚珠丝杆改变弹簧的作用位置,达到主动变刚度的目的。

哈尔滨工业大学李满天等 [32]研发的面向足式机器人的可调刚度柔性关节就是利用被动改变连接机构的方法设计实现的。该柔性关节依据杠杆原理通过改变杠杆机构作用点位置的方式改变其刚度输出,利用多圆盘相对转动实现基于杠杆原理的刚度调节。如图10所示。

图9 新型变刚度机构

图10 面向足式机器人的可调刚度柔性关节

通常可通过变弹性元件特性和连接机构实现刚度的变化,根据柔性关节中刚度调节的方式又可分为主动刚度调节和被动刚度调节。主动刚度调节一种是通过柔性关节系统内部驱动元件,主动改变弹性元件特性 (如作用长度、平衡位置)来实现关节的变刚度柔性特性;一种是改变与弹性元件连接的机械传动结构 (传动比)实现改变柔性关节的等效输出刚度。完全采用主动调节方法实现关节变刚度柔性的缺点是系统性能受到控制器、驱动器控制响应速率限制,且调节弹簧输出特性需要添加额外的驱动器,增加了关节体积和能量消耗。被动变刚度柔性关节则是借助外力作用,当关节发生旋转式或直线运动时,利用机构相对位置发生变化来实现系统刚度调整。被动变刚度的方式虽然减少了驱动源,但往往结构较复杂,柔性关节的刚度特性输出范围较窄,结构参数设计难度较大。

2 未来的发展趋势

综上所述,国内外在四足机器人仿生关节方面的研究已经取得了一些突破性的成果,依据犬类动物解剖学结构原理,研制多种驱动方式的具有柔性腿关节的四足机器人机构,具有较好的运动性能,但与犬类动物相比,仍未充分体现出机器人柔性关节的优良性能,主要原因包括缺乏对犬类动物跑跳运动的缓冲作用及能量运用机理的深入研究,未从动物运动的本质机理进行仿生研究,导致其仿生性能较弱。四足机器人变刚度柔性关节机构设计、稳定性控制等关键技术尚未突破,未将犬类动物腿部关节变刚度特性对运动姿态、速度、能量消耗等动态参数的影响考虑到四足机器人机构设计及稳定性控制中。

因此,亟需深入研究犬腿部柔性关节的变刚度特性在运动缓冲、能量运用方面的作用机理,并提出将其应用于四足机器人研究中的新思路,为设计高运动性能、低功耗的四足机器人提供理论依据和技术支撑。具体拟研究的方向应包括：四足机器人变刚度柔性关节机构设计优化;四足机器人主-被动复合式变刚度柔性关节的变刚度特性研究;基于主-被动复合式变刚度柔性关节的四足机器人运动稳定性及其控制研究等。

3 结论

参考文献

[1]Boston Dynamics.BigDog overview[EB/OL].[2011-03-10].http：∥www.bostondynamics.com/img/BigDog_Over-view.pdf.bigdog.

[3]ALEXANDER R M.The maximum forces exerted by animals[J].Journal of Experimental Biology,1985,115(1)：231-238.

[4]ROBERTST J,MARSH R L,WEYAND PG,etal.Muscular force in running turkeys：the economy of mini-mizing work[J].Science,1997,275：1113-1115.

[5]陶国良,谢建蔚,周洪.气动人工肌肉的发展趋势与研究现状[J].机械工程学 ,2009,45(10)：75-83.

[6]ASCHENBECK K S,KERNN I,BACHMANNR J,etal.Design of a quadruped robot driven by air muscles[C]∥Proceedings of the First IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics,February 20-22,2006,Pisa,Italy.New York：IEEE Press,2006：875-880.

[7]NARIOKA Kenichi,HOSODA Koh.Motor development of an pneumatic musculoskeletal infant robot[C]∥Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation.Anchorage,May 9-13,2011,Shanghai,China.New York：IEEE Press,2011：963-968.

[8]毛勇,王家廞,庄新彦,等.基于气动人工肌肉的双足机器人关节设计[J].电子技术应用,2006,21(3)：78-80.

[9]雷静桃,俞煌颖.四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析[J].上海交通大学学 ,2014,48(12)：1693-1699.

[10]于海涛,郭伟,谭宏伟,等.基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节设计与控制[J].机械工程学 ,2012,48(17)：2-9.

[11]彭光正,余麟,刘昊.气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计[J].北京理工大学学 ,2006,26(7)：593-597.

[13]KIMURA H,FUKUOKA Y,COHEN A H.Adaptive dynamic walking of a quadruped robot on natural ground based on biological concepts[J].International Journal of Robotics Research,2007,26(5)：475-490.

[14]SEMINIC.HyQ-design and development of a hydraulically actuated quadruped robot[M].Genoa Italy：Italian Institute of Technology and University of Genoa,2010.

[16]李贻斌,李彬,荣学文,等.液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划[J].山东大学学 (工学版),2011,41(5)：32-45.

[17]柴汇,孟健,荣学文,等.高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J].机器人,2014,36(4)：385-391.

[18]田兴华,高峰,陈先宝,等.四足仿生机器人混联腿构型设计及比较[J].机械工程学 ,2013,49(6)：81-88.

[19]李满天,郭一澎,蒋振宇,等.四足机器人Trot步态简化模型控制方法[J].机械与电子,2012,22(10)：3-7.

[20]LI Mantian,JIANG Zhenyu,WANG Pengfei,et al.Control of a quadruped robotwith bionic springy legs in trotting gait[J].Journal of Bionic Engineering,2014,11(2)：188-198.

[21]谢惠祥,尚建忠,罗自荣,等.四足机器人对角小跑中机体翻转分析与姿态控制[J].机器人,2014,36(6)：676-682.

[22]HAM R Van,SUGAR TG,VANDERBORGHT B,etal.Compliant actuator designs[J].IEEE Robotics and Automation Magazine,2009,16(3)：81-94.

[23]HUTTER M,REMY CD,HOEPFLINGER Met al.High compliant series elastic actuation for the robotic leg Scarl ETH[C].Proceedings of the International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines.Paris：UPMC University,2011：1-8.

[24]TSAGARAKISN G,MORFEY S,CERDA G M,et al.Compliant humanoid coman：Optimal joint stiffness tuning formodal frequency control[C]∥Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation,May 6-10,2013,Karlsruhe,Germany.New York：IEEE Press,2013：673-678.

[25]马洪文,赵朋,王立权,等.刚度和等效质量对SEA能量放大特性的影响[J].机器人,2012,34(3)：275-281.

[26]王润孝,李军,冯华山,等.四足机器人前小腿系弹性牵拉驱动机构设计[J].机器人,2013,35(4)：476-483.

[27]张雪峰,秦现生,冯华山,等.面向奔跑运动的刚–柔复合四足机器人单腿设计与实验研究[J].机器人,2013,35(5)：582-588.

[28]WOLF S,HIRZINGERG.A new variable stiffness design：matching requirements of the next robot generation[C]∥Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation,May 19-23,2008,Pasadena,CA.New York：IEEE Press,2008：1741-1746.

[32]尹鹏,李满天,郭伟,等.面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试[J].机器人,2014,36(3)：322-329.

Summarization of the Research Status of Quadruped Robot Bionic Joint

AbstractHigh speed,high mobility and high adaptability become the inevitable developing trend of quadruped robot,bionic joints as an important basis of moving parts,plays an important role about the kinematics and dynamics research of quadruped robot.Specific from four aspects of flexible pneumatic bionic joints,hydraulic damping bionic joints,series-wound elastic drive bionic joints and flexible variable stiffness bionic joints,the research status of quadruped robot bionic joints is summarized,and the various types of bionic joint defects are accurately analyzed.Finally,the future develop trend of quadruped bionic robot joints is described.With the deepening of the research,the quadruped robot bionic joint will have widely application prospect in production services,human exploration,future war and other special fields inevitably.

Key wordsQuadruped robot Bionic joint Flexible pneumatic Hydraulic damping Elastic drive

收稿日期：2018-04-16

收修改稿日期：2018-04-23

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2015AA033802)

专家点评：

论文具体从气动柔性的仿生关节、液压减震的仿生关节、串联弹性驱动器的仿生关节和变刚度柔性的仿生关节四方面出发，对四足机器人关节仿生的研究现状进行全面综述, 并准确分析各种类型的仿生关节缺陷，最后对四足机器人仿生关节的未来发展趋势进行概述。对于从事四足机器人仿生关节的研究人员来讲，具有重要的参考价值。

END