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關(guān)于腿式機(jī)器人研究的討論

2018-11-10 08:08:28王剛
世界家苑 2018年10期
關(guān)鍵詞:立足點(diǎn)路面身體

王剛

我們?yōu)槭裁匆芯坑型认到y(tǒng)呢?除了創(chuàng)造能夠?qū)嶋H運(yùn)行的機(jī)器人的滿足感之外,還有兩個(gè)重要的原因促使我們探深入索用腿運(yùn)動這一課題。

首先是為了滿足可移動性這一需求,這就需要我們設(shè)計(jì)出一款能夠在現(xiàn)有車輛無法行駛的復(fù)雜地形中行駛的車輛。車輪在準(zhǔn)備好的路面(例如鐵軌和公路)上表現(xiàn)優(yōu)異,但在地形柔軟或不平整的地方表現(xiàn)不佳。由于這些限制,現(xiàn)有的輪式和履帶式車輛只能適應(yīng)一部分區(qū)域,而步行的動物可以到達(dá)更大的區(qū)域。因此我們可以設(shè)計(jì)一種有腿的車輛,腿在崎嶇地形中提供更好的移動性的,可以到達(dá)動物可以到達(dá)的地方。

其次是機(jī)械腿可以使用支撐和牽引力分離的立足點(diǎn),而車輪需要連續(xù)的支撐路徑。因此,有腿系統(tǒng)可以選擇可到達(dá)地形中最好的立足點(diǎn);輪式系統(tǒng)必須滿足最壞的地形。拿梯子進(jìn)行舉例:梯級提供了支撐腿系統(tǒng)的立足點(diǎn),但梯級之間的空間阻止了輪式系統(tǒng)的正常運(yùn)動。

再者是有腿系統(tǒng)提供了主動懸架,使主體的路徑與腳的路徑分離。盡管地形有明顯的變化,有效載荷仍可自由平穩(wěn)地行進(jìn)。有腿的系統(tǒng)也可以跨過障礙物。原則上,有腿車輛的性能在很大程度上與地面的粗糙程度無關(guān)。實(shí)用的有腿車輛的設(shè)計(jì)生產(chǎn)取決于工程科學(xué)的若干領(lǐng)域的發(fā)展,有腿的車輛將需要系統(tǒng)來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動,對腿的運(yùn)動進(jìn)行規(guī)劃,監(jiān)控和平衡,使用已知的立足點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)動,感知地形并找到下一個(gè)良好的立足點(diǎn),并計(jì)算可行的立足點(diǎn)序列。這些任務(wù)大多數(shù)尚未得到較好的理論支持。但研究正在進(jìn)行中,如果這項(xiàng)研究成功,腿式車輛便可在復(fù)雜地形高效,快速地行駛,且不受到地面柔軟程度和粗糙程度的影響。這種車輛可用于工業(yè),農(nóng)業(yè)和軍事應(yīng)用。

最后是為了更好地理解人類和動物的運(yùn)動。慢動作電視重播向我們展示了運(yùn)動員在空間中可以行走,跳躍,滑行以及以其他方式推動身體,這些動作具有多樣性和復(fù)雜性,但是我們依然能保持方向,平衡和速度,但是這種表現(xiàn)不僅限于職業(yè)運(yùn)動員。從機(jī)械、感知、運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)計(jì)算的角度來看,人類的各種運(yùn)動的協(xié)調(diào)性是多么不可思議。動物在運(yùn)動中也表現(xiàn)出出色的協(xié)調(diào)性和靈活性。它們可以利用腿快速安全穿過森林和沼澤。盡管我們可以很好使用自己的腿技能,但是對于運(yùn)動,我們?nèi)匀惶幱诶斫饪刂圃淼脑茧A段,這些原理是行走和跑步的基礎(chǔ)。那么動物使靠什么控制機(jī)制完成這么復(fù)雜的運(yùn)動的呢?機(jī)器人又將如何向這種高級的控制機(jī)制邁進(jìn)呢?

從靜態(tài)來說,首先得了解機(jī)器人的姿勢問題。控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的部分:確定合適的身體俯仰角以保持身體直立。假設(shè)我們把機(jī)器人分為上身,大腿,小腿三部分,那么我們以膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)為軸,兩處各設(shè)置一個(gè)動力系統(tǒng),將控制分區(qū)為這三個(gè)部分使得運(yùn)行更容易理解,簡化出一個(gè)相對簡單的控制系統(tǒng)。如果腳和地面之間有良好的牽引力,則圍繞髖部在身體和腿之間施加的扭矩使上身繞其俯仰軸線加速,在支撐期間,由于腿支撐身體的負(fù)荷,因此存在牽引力。同樣大小腿之間以膝關(guān)節(jié)為軸,也可存在類似性質(zhì)的力,通過兩個(gè)關(guān)節(jié)的完美配合,以使身體恢復(fù)到直立姿勢。為執(zhí)行控制任務(wù)的每個(gè)部分而實(shí)現(xiàn)的算法本身不難,各個(gè)控制算法的細(xì)節(jié)并不那么重要,因?yàn)榉纸馓峁┝藛为?dú)系統(tǒng)框架。但是小腿相對于大腿、大腿相對于身體的運(yùn)動控制系統(tǒng)的每個(gè)部分都表現(xiàn)得好像它只影響了行為的一個(gè)組成部分,但是其實(shí)是存在不完美的耦合的相互作用的。

從動態(tài)來說,跳躍是重要的腿式系統(tǒng)運(yùn)動形式之一,腿式系統(tǒng)必須在三維空間中自我平衡。我們認(rèn)識到動物運(yùn)動主要是平面的動作,盡管動物是三維系統(tǒng)。我們從在跑步機(jī)上跳躍的袋鼠首先認(rèn)識到這一點(diǎn)。

腿式系統(tǒng)的跳躍模型主要可以分為三種如圖1所示:垂直彈跳,雙腿垂直于地面,身體平行于地面,利用雙腿的伸縮完成彈跳動作;異步位移性彈跳:當(dāng)兩只腳都在地上時(shí),有一個(gè)蹺蹺板搖擺模式,其中腿保持垂直,但是一個(gè)變短,而另一個(gè)變長。在這種模式下,身體像蹺蹺板一樣搖晃。上腿交替做伸縮動作完成跳躍動作;同步位移性彈跳,這種模式有一個(gè)擺動運(yùn)動,系統(tǒng)類似倒立擺。在這個(gè)模式中,身體保持水平,而腿繞著腳轉(zhuǎn)動,雙腿同步向前彈跳。

行走也是重要的腿式系統(tǒng)運(yùn)動形式之一,對于像人類一樣運(yùn)行的兩足動物,具有交替的支持期和完全離開地面時(shí)期,。由于腿部交替使用,一次只有一條腿活動,另一條腿放在地上并轉(zhuǎn)移重心,一條腿可以在身體上施加扭矩。假設(shè)一條腿的行為不會被另一條腿干擾,跳躍,前進(jìn)行走和姿勢的單腿算法就會顯得簡單,但是實(shí)際上兩條腿之間依然存在耦合問題,所有研究機(jī)器人行走問題時(shí),除了步態(tài)規(guī)劃之外還有解耦這一難題。

腿式系統(tǒng)機(jī)器人在運(yùn)輸行業(yè)以及醫(yī)療衛(wèi)生方面作為人工助理的潛力不言而喻。傳統(tǒng)的運(yùn)輸機(jī)器人多為輪式,其對路面要求過高,坑洼不平地帶,以及路面小的障礙物,都會去其造成損壞,這自然增加了公司維修的成本以及路面養(yǎng)護(hù)的成本。而腿式機(jī)器人對路面要求低,靈活性強(qiáng),機(jī)動性高,更適合作為運(yùn)輸機(jī)器人來使用。在醫(yī)療方面,腿式機(jī)器人可以代替輪椅以及假肢的作用,實(shí)現(xiàn)日常行走,上下樓,下蹲起來等日常功能,并保持其平衡。在私人助理方面,腿式機(jī)器人可以同時(shí)滿足不同場景,不同身高的人群使用,穩(wěn)定性強(qiáng),平衡性可靠。

(作者單位:江蘇省鎮(zhèn)江市學(xué)府路301江蘇大學(xué))

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