BigDog四足机器人关键技术分析

第51卷第7期2015年4月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.51No.7Apr.2015DOI：10.3901/JME.2015.07.001BigDog四足机器人关键技术分析*丁良宏(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016)摘要：对BigDog四足机器人的核心技术进行分析，适应复杂地形是BigDog的设计主线。提高横、纵自由度联动能力是BigDog结构设计主要突破点。机体重心颠簸起伏、机体重心自扰动等不良运动特性是四足机器人控制难度大的主要原因。液压动力系统的构成和优点将被剖析，解决腿类移动装置的驱动问题是液压系统研发的根本目的。支撑腿打滑及俯仰和横滚角度是否过大作为监测机体运动安全状态的参数。惯导和关节编码器可检测机身与肢体的状态，借助压力传感器可还原落足点地形，三者合一可构建虚拟模型。借助虚拟模型可求算机体重心等关键控制处理中间参数，运动控制系统可实施粗略的动作预演及精确的运动学和动力学规划。规划模型与样机模型的偏差作为反馈值实施闭环控制。建立以三维激光扫描仪和双目视觉为主的导航系统，视觉地形还原功能可帮助LS3安全跨越岩石地形，软件系统将各种基本功能整合为有机的整体。机器人的自主性与智能性被讨论，利用BigDog/LS3与好奇号火星探测器作对比并加以分析。BigDog目前存在的几个主要问题：液压系统无法瞬时大幅增压、机械传动各种损伤、仿生设计的不彻底性。LS3机器人针对BigDog的不足，多个改进环节被分析。猎豹、野猫、Petman等机器人被简要分析。阿特拉斯双足机器人借助虚拟模型可实现机械臂碰撞保护功能，遭受外力撞击可迅速恢复平衡状态。关键词：BigDog四足机器人；运动控制地形还原；虚拟模型；自主性；智能性；LS3机器人；阿特拉斯机器人中图分类号：TP242KeyTechnologyAnalysisofBigDogQuadrupedRobotDINGLianghong(StateKeyLibratoryofRobotics,ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016)Abstract：ThecoretechnologyoftheBigDogquadrupedrobotisanalyzed.AdaptingtotheroughterrainisthemaindesigncluesoftheBigDog.Improvinghorizontalandverticaldegreesoffreedomlinkageabilityisthemaininnovationofstructuredesign.Notgoodmotioncharacteristics,suchasrobot’scenterofgravityupsanddownsandselfdisturbancearethemainreasonsforbeingdifficulttocontrol.Thecomponentsandadvantageofthehydraulicpowersystemareanalyzed.Solvingthedriverproblemofleggedvehiclesisthefundamentalgoalofthehydraulicsystemdevelopment.Supportinglegslippingornot,pitchandrollangleofthebodytoolargeornotarethemainparametersasmonitoringrobot’smovementcondition.IMUandjointencodercandetectthestateparametersofthebodyandlimbs.Terrainoffootplacementcanberestoredbypressuresensor.Three-in-onecanbuildavirtualmodel.Bythevirtualmodel,robot’scenterofgravityandotherkeycontrolprocessparameterscanbecalculated.Atthesametime,locomotioncontrolsystemcandoactiondrillroughlyandaccurateplanningofkinematicsordynamics.Thedeviationofplanningandprototypemodelistakenasthefeedbackforclosed-loopcontrol.LS3constructsthenavigationsystemofthree-dimensionallaserscannerandbinocularvisionasthemain.LS3canstrideacrossrockyterrainbyvisualterrainreconstruction.Softwaresystemcanintegrateallthebasicfunctionsasanorganicwhole.Autonomyandintelligenceofrobotarediscussed.BigDog/LS3andCuriosityMarsRoverarecomparedandanalyzed.BigDoghasthreebigproblemscurrently:instantaneouslyunabletoincreasehydraulicvaluesignificantly,allkindsofdamageinmechanicaltransmission,bionicdesignnotthoroughness.FortheinadequaciesofBigDog,severalimprovementsareanalyzedontheLS3.Petman,CheetahandWildcatrobotarebrieflyanalyzed.Atlasbipedrobothascrashprotectionfunctionandcanrecoveryequilibriumstatusquicklyafterexternalforcehittingbyvirtualmodel.Keywords：BigDogquadrupedrobot；groundplaneestimationoflocomotioncontrol；virtualmodel；autonomy；intelligence；LS3robot；Atlasrobot*∗国家高技术研究发展计划(863计划，2011AA041001)和中科院博士后基金资助项目。20140406收到初稿，20141225收到修改稿机械工程学报第51卷第7期期20前言BigDog四足机器人自问世之后，受到了广泛的关注，凭借卓越的性能，成为国际四足机器人领域的翘楚[1-7]。主制造商美国谷歌波士顿动力公司自2005年起，先后推出12自由度BigDog、16自由度BigDog、Petman双足、LS3四足、猎豹四足，2013年昀新的带有强力机械臂的BigDog(图1)、Atlas双足双臂、野猫奔跑等机器人。以上系列机器人虽然外形各异、功能不同，但是都是在BigDog原型机基础之上所改进而成的。因此，分析BigDog四足机器人的核心技术是洞穿其系列机器人设计思想的主要渠道。图1带有强力机械臂的BigDog国内较成规模的四足机器人研究，主要是2011年国家高技术研究发展计划(863计划)，所设立的“高性能四足仿生机器人”主题项目，意欲打造具有BigDog水准的国产先进四足仿生机器人。以山东大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学[8-13]为主的几个团队，分别设计了不同外形的四足机器人。初步具备了在较为复杂环境条件下的运动能力，包括坡面、碎石子路面、土路、跨越砖头障碍物等。鉴于BigDog研究历时二十余年，国内能在两年多的时间内达到这一高度，已属不易。未来的重点仍是提高机器人的各种运动性能和感知导航能力。意大利所设计的四足机器人也是采用液压作为动力系统，可以在跑步机上快速行走，并能适应脚下各种障碍物所造成的地形起伏变化[14]。此外，韩国[15]和美国的麻省理工学院也陆续推出了几种四足机器人系统。然而以上各种四足机器人在性能方面，与BigDog系列机器人比较仍然存在一定的差距。BigDog机器人昀显著的优势就是能够自如行走于复杂的非结构化地形中。这也是四足超越轮式、履带式机器人的主要特性。由于复杂的地形具有未知和不可准确预测的特点。因此BigDog设计的核心思想，就是如何克服崎岖不平的复杂地形，使得机器人能够安全平稳的运行。BigDog四足机器人可如下简单概括。主要以四足哺乳动物结构为仿生参考，采用纯机械方法设计和制造，拥有12或16个主动自由度的腿类移动装置；以液压为驱动系统对主动自由度实施动力输出，机载运动控制系统可对机体姿态和落足地形实施检测，利用虚拟模型可测算机体重心位置等关键参数，再借助虚拟模型实施正确和安全的运动规划，根据肢体实际载荷大小动力学实施准确的规划和输出，并根据机体状态的变化同步调整输出，使得机器人具有对复杂地形很强的适应能力。BigDog具有很高的运动自主性，同时还有较高的导航智能性，独立对环境实施感知和自主规划路径，很少需要人工的干预。BigDog属于典型的具有全自主运动能力，较强全自主导航能力的非结构化环境四足移动机器人，是当前机器人领域较难实现的一种陆地移动机器人。本文将在前文[16]的基础之上，继续对BigDog系列机器人做深入分析。论文结构安排如下：第1节结构与运动特性；第2节液压动力系统；第3节运动控制系统，是本文分析的重点；第4节导航和软件系统；第5节自主性和智能性的讨论；第6节BigDog的主要问题；第7节LS3、猎豹和野猫机器人；第8节Atlas机器人；第9节结论与展望。1结构与运动特性1.1机体结构特点BigDog机体结构主要包括机身及12或16段肢体。机身是一个大刚体，是整个装置结构设计与装配的基准。BigDog结构设计的主要特点：仿造四足哺乳动物的肢体结构；拥有多个主动自由度；腿部具有较强的可伸缩性；纵向自由度数量多，利于纵向运动；横向自由度数量少，不利于横向运动；结构紧凑、布局合理；设计、加工、装配精度高；无法实现多轴性髋关节。BigDog首先是一套工艺精良的机械装置。BigDog肢体的设计侧重于机体的纵向运动。纵、横自由度数量比为3:1或2:1。纵向自由度位置更靠近地面，对地形干扰的适应能力更强；而髋部横向自由度，在昀上端远离地面，灵活性较差，如图2所示。从数量对比和位置分布来看，机体纵向的运动灵活性、调整能力要明显强过横向。BigDog月2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析3作为移动载体，持续的纵向运动是设计的目的，而横向运动由于与纵向运动成正交关系，横向运动会增加移动距离和多次调整偏航角，所以四足机器人持续纵向运动时要尽量避免横向运动。图2结构图BigDog各段肢体都采用销孔配合链接，能够保证机械本体的结构精度。BigDog所有肢体都属于严格的单轴性关节，只能绕着对应转轴旋转。每段肢体在各自液压执行器的驱动下做往复加减速旋转运动，构成了BigDog肢体的基本运动常态。BigDog任何情况下的运动都是由12或16段肢体的运动所拟合而成的。1.2运动特性机体支撑倒立摆运动、重心颠簸起伏、机体重心自扰动、肢体往复加减速运动构成了四足机器人的基本运动特性。机体运动特性不良是造成四足机器人控制难度大的主要原因。四足的运动控制难度通常大于各种轮式、履带式机器人或者其它移动装置。从运动状态上来看，即使在光滑水平路面条件下，四足也不存在任何理论意义上的匀速直线运动。机体所有质点都没有直线运动状态，而