控制理论的发展—四足仿生机器人

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控制理论的发展—四足仿生机器人

一、发展背景

控制系统作为四足仿生机器人最重要也是最基础的组成部分，其性能的好坏直接对四足仿生机器人运动控制效果产生巨大的影响。在机器人研究的早期，控制系统一般采用单级处理器的集中控制模式，利用一台运算速度快、处理能力强的计算机实现对机器人所有数据的处理以及控制算法的全部运算求解，这种控制系统平台由于需要处理繁琐的数据和算法，其控制频率会明显降低，系统实时性能不佳。

随着机器人研究技术的发展和计算机技术的成熟，机器人需要实现的功能任务越来越复杂，控制系统一般采用多级处理器的分布式控制模式，一级处理器主要负责整个机器人的运动控制与规划，控制算法策略选择与运算，而二级处理器则主要负责机器人单个自由度或者单个腿单元的运动控制，两级处理器之间通过高速总线的方式进行数据的传递和信息的交互。这种架构的控制系统其控制实时性与效果有了较大幅度的提升。

因此如何设计用于高性能四足仿生机器人的控制系统以及如何在控制系统的基础上进行相关控制方法与策略的研究成为亟待解决的关键基础问题之一。

二、四足机器人及其控制系统的研究现状

从1920年，“机器人”一词诞生；到1962年，真正意义上的工业机器人出现；再到1980年，工业机器人广泛的应用于工业现场；直至二十一世纪的今天，与人类发展的漫长历史相比，机器人的发展历了近百年的时间，但对人类的影响却超乎人类历史上的任何一个百年。随着机器人技术的逐步完善，适于特殊作业的机器人种类也日益增多。

针对不同的应用领域、不同的操作需要，就足式机器人仿生原型来看，足式机器人主要有二足、四足、六足三种主流型号。而四足机器人由于其既有超于二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余和复杂性，在整个步行机器中占有很大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。

1.国外

四足移动机械的研究最早可以追溯到四世纪，人们设计了一个四条腿的木制机构来帮助运载沉重的货物。从那时起，很多设计研究相继出版，但一直仅停留在设计阶段。早期的步行机器人限于当时的计算机发展水平控制系统由逻辑电路组成。后来才有计算机作为控制器进行变更步行模式的控制。国外主要的在步行机器人技术发展过程中的重要里程碑（部分），如表1所示。

表1 国外在步行机器人技术发展过程中的重要里程碑（部分）

时间	机器人名称	研究成果（控制系统）
1968年	G.E四足步行机	控制系统由简单的数字逻辑电路搭建而成，但是其控制指令是由大脑发出的，并非控制系统自主计算得到，所有的动作均是由操作者完成的
1986 年	Raibert	扩展了原有单腿弹跳机器人步态控制方法并将其应用于四足机器人系统中，实现了四足机器人快速运动的三种方式即trot、pace和bound步态，该四足机器人的每条腿具有三个主动自由度。
1998 年	德国团队研制开发的四足机器人BISAM	该机器人通过递阶分层式控制结构对控制任务进行了相对应的处理，其中最底层由单片机C167负责关节位移信息和足底力传感器信息采集以及单腿运动伺服控制，中间层由嵌入式系统PC104（166MHz）负责运动控制算法和各腿单元之间的协调控制，里面运行的是RT-Linux操作系统，中间层和最底层之间通过CAN总线进行通讯，最上层由PC机负责人机接口交互以及运动数据的记录与保存。
2004 年	斯坦福大学研制开发的四足机器人KOLT	机器人每条腿配置了位移传感器和足底力传感器，用来检测关节旋转的角度和机器人足底所受到的力，机身配备了红外位移传感器用于检测和估计机身实时高度，同时采用陀螺仪和加速度计进行融合的组合惯性导航系统，用于检测机身姿态角。
2010 年	意大利理工学院研制了电液混合动力四足机器人HyQ	该机器人重约91千克，机器人本体拥有8个液压驱动自由度和4个电驱动自由度。传感器主要有相对和绝对编码器，脚力传感器，压力传感器，惯性测量单元(IMU)。控制系统主要由1块奔腾处理器的PC104,1块CAN卡，5块传感器处理板，1块电源转换板组成，在PC104上运行一种采用双内核机制的Linux内核的强实时扩展操作系统，控制频率可达1KHz。实验中行进速度可达4m/s，原地起跳高度可达0.15m。
2008 年	波士顿动力公司研制出来的BigDog大狗机器人	主机部分采用PC104配以QNX嵌入式实时操作系统进行姿态解算与运动控制。大狗腿部有四个关节，上面装有负责测量力和位置的传感器头部装有一个立体摄像头和一部激光扫描仪。BigDog利用陀螺仪和若干传感器，让它能够依靠“感觉”来保持平衡，其利用自主开发的高速总线进行多传感信息的交互。
2012 年底	AlphaDog（LS3）是波士顿动力公司研制的四足仿生机器人	LS3通过计算机视觉进行运动引导或者在GPS与传感器的协调作用下自主规划行走路径到达目标位置，通过视频资料可以看到，其样机已经户 外进行了对角行走实验测试，对于复杂地形有较好的适应性。

2.国内

四足机器人的研究最早可以追溯到中国古代三国时期的“木牛流马”，自此关于足式机器人的机械设计和研究工作相继出现，但仅仅只停留在设计阶段。

2011年以来在国家高技术研究发展计划（863计划）主题项目“高性能四足仿生机器人”的大力支持下，国内涌现了一大批具有先进水平的四足仿生机器人，如哈尔滨工业大学、华中科技大学、沈阳自动化研究所等单位研制的四足机器人“MBBOT”，如图1所示；山东大学等单位研制的液压四足机器人，如图2所示；国防科学技术大学等单位研制的四足机器人，如图3所示；上海交通大学等单位研制的四足机器人，如图4所示；北京理工大学等单位研制的四足机器人，如图5所示。这些四足机器人在2013年1月份举行的第一期考核中都能够实现50kg负载下上下起蹲、单腿轮换站立、平地上对角步态行走、40min原地踏步、10°斜坡对角行走等基本动作，有些还能够完成在外力侧向扰动下自恢复平衡、负重跨越越障物、在砂砾地面上对角行走、在跑步机上进行对角行走加速与减速等复杂任务。虽然与国目前先进机器人存在一定的差距，但是相信随着后续二期项目的进一步推进会逐步缩小这种差距。

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file:///C:\Users\lenovo\AppData\Local\Temp\ksohtml1648\wps3.jpg图1 哈尔滨工业大学MBBOT          图2 国防科技大学四足机器人                图3 山东大学四足机器人

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图4 上海交通大学四足机器人                                        图5 北京理工大学四足机器人三、四足机器人运动规划与控制的研究现状

自1960年代第一个可进行控制的四足机器人诞生以来，许多研究学者就致力于机器人运动规划与控制问题的研究，并取得了一定的进展。现今的四足机器人运动控制方法主要有基于ZMP的控制方法、基于阻抗的控制方法、基于CPG的控制方法以及基于SLIP的控制方法。

1.基于ZMP的控制方法

1968年前南斯拉夫学者M.Vukobratovic在其步行机器人动态平衡理论中提出了“零矩点（ZMP-ZeroMomentPoint）”的概念，这一概念在后来机器人中得到广泛的应用。为了使ZMP理论应用于高速动步态行走，东京工业大学Kurazume等人利用ZMP理论来对机身质心轨迹进行相应的规划与分析，实现了基于ZMP控制的trot动步态动的行进。Hirai等人提出一种通过实时调整机器人的实际ZMP轨迹来趋近于设计的理想ZMP轨迹，从而保持机器人的步态平衡方法。

2.基于阻抗的控制方法

足式机器人属于仿生机器人范畴，区别于绝大多数常规工业机器人,更着眼于解决机器人与环境的交互作用问题。而阻抗控制是通过控制足端三维力和关节位置之间的实时关系来实现机器人的柔顺控制，这种关系比较接近于电子电路中的阻抗概念，因此而得名。阻抗控制把力偏差信号加至位置伺服环，以实现力和位置的混合控制，这样很好解决了单纯位置控制方法未考虑与外界环境作用力的问题。

Hogan在1985年提出利用Norton等效网络概念，把外部环境等效为导纳，而将机器人等效为阻抗，这样有效地将机器人的位置与末端作用力联系在一起。Ikeura则提出变阻抗参数控制方法，通过选择最优的环境交互参数调整机器人的阻抗参数来满足不同任务的需求。Buchli提出一种增强学习的算法来实现变阻抗控制。阻抗控制目前也逐渐应用在四足机器人身上，取得了较好的控制效果。

3.基于CPG的控制方法

随着神经生物学的深入研究以及交叉学科的快速发展，模仿低等生物中枢神经结构的CPG仿生控制为解决低速条件下多关节运动耦合的多足机器人运动控制提供了新思路。Hiroshi Kimura等人将融合了传感器信息的CPG模型应用在四足机器人Tekken的控制上，通过关节处传感器提供给CPG的回馈信号来调节一个完整步态的占空比，实现了四足机器人在复杂环境下的行走。他在2010年提出的改进CPG算法实现了“Kotetsu”低速和中速的动态行走。也有其他日本学者，在“TITAN-VIII”机器人平台上开展CPG控制相关研究。有多家大学和研究机构参与了LittleDog项目，提出了基于不同智能学习算法的机器人行走控制策略，实现了LittleDog在极端复杂地形下的行走。

4.基于SLIP的控制方法

动物在与环境交互过程中所表现出的超强灵活性与稳定性为仿生机器人的动态行走控制提供了全新的思路。由大量实验结果总结出的弹簧负载倒立摆模型（SpringLoadedInvertedPendulum，SLIP）也渐渐开始应用于四足仿生机器人的控制研究。MITLegLaboratory于上世纪80年代开始了基于SLIP模型的弹跳机器人动态平衡控制研究，并实现了单足、双足和四足机器人的动平衡运动（单足跳跃、双足跳跃和四足对角小跑等步态），由Raibert所提出的“弹跳高度—前进速度—机身姿态”三分控制法被认为是工程技术与理论分析的完美结合，是足式机器人动平衡控制的最有效手段之一，后续的研究学者在机器人高速运动控制领域的研究产生了深远的影响。

四、参考文献

[1]胡寿松. 自动控制原理. 北京：国防工业出版社，1984.
[2]张大为. 控制理论发展历程的简要回顾[J]. 控制工程，2006.

[3]张岳,白霞,孙晓红.自动控制原理.北京:清华大学出版社,2006.