混合式機(jī)器人

左良 李卓誠

摘要：隨著電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的算力得到了質(zhì)的提升，一方面以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的足式機(jī)器人控制算法得到廣泛應(yīng)用，仿生足式機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段，足式機(jī)器人可以像現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)物一樣，完成后空翻、爬樓梯甚至是跑酷這類的復(fù)雜動(dòng)作。另一方面視覺識別等傳感器的發(fā)展使機(jī)器人的感知能力大大提升，機(jī)器人可以對身邊復(fù)雜環(huán)境做出更深刻的認(rèn)識和判斷，使機(jī)器人獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)成為了可能。足式機(jī)器人比傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)器人更加靈活，對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，成為完成在復(fù)雜環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù)的首選，而四足機(jī)器人作為最合理的足式機(jī)器人之一，具有比六足或八足機(jī)器人結(jié)構(gòu)上更簡單，比兩足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性更好等優(yōu)點(diǎn)，成為了仿生足式機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。但足式機(jī)器人本身也存在一些問題，比如在平坦的城市路面，由于四足機(jī)器人本身的剛性結(jié)構(gòu)，足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中沖擊較大，加速了自身零部件的磨損，在運(yùn)動(dòng)速度和效率上比不上輪式或者履帶式機(jī)器人，因此，近些年來混合式四足機(jī)器人得到了人們重視。本文主要向各位讀者介紹國內(nèi)外混合式四足機(jī)器人，并比較分析其中的優(yōu)缺點(diǎn)。

足部輪式混合機(jī)器人

目前，最流行的混合式機(jī)器人就是在足部安裝有獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的四足機(jī)器人， 這種機(jī)器人在輪子制動(dòng)時(shí)可以同普通的四足機(jī)器人一樣完成各種躍障動(dòng)作，而當(dāng)機(jī)器人的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可以像高級越野車一樣在城市的路面行駛，機(jī)器人四肢安裝的關(guān)節(jié)電機(jī)可以根據(jù)路面進(jìn)行調(diào)整，始終保持機(jī)器人的平穩(wěn)行駛。但是這種機(jī)器人本身也存在一些缺陷，安裝在足部的輪子如果過小會影響整體機(jī)器人的平穩(wěn)性，產(chǎn)生的震動(dòng)會加速機(jī)械零部件的磨損，也會影響機(jī)器人的行駛速度，而如果機(jī)器人足部的輪子過大則會影響機(jī)器人的靈活性，影響機(jī)器人在通道中上下樓梯。

美國NASA曾經(jīng)研制了一款六足混合式機(jī)器人，打算用于其它行星的地表勘測，這種機(jī)器人更多情況下適用于在四面相對平坦的野外地形，相信在不久的未來，這樣的機(jī)器人將成為人類探索其他行星的好幫手。

可變形的混合式機(jī)器人

如圖2所示，這是一款國外創(chuàng)新公司設(shè)計(jì)的一種具有兩種模式的六足機(jī)器人，設(shè)計(jì)人員從沙漠中一種蜘蛛的運(yùn)動(dòng)中得到了靈感，這種蜘蛛在遇到緊急情況時(shí)會利用利用自己的腿來做后空翻，從而使自己在沙漠中快速運(yùn)動(dòng)。這種翻滾式混合機(jī)器人在一般情況下僅用四條腿運(yùn)動(dòng)，而有快速運(yùn)動(dòng)需要時(shí)，機(jī)器人的四條腿會拼合成兩個(gè)圓圈，而另外的兩條腿會像船槳一樣撥動(dòng)地面，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前滾動(dòng)。這種機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方式上極具創(chuàng)新，但是也存在這兩個(gè)很嚴(yán)重的缺陷，首先是機(jī)器人在翻滾運(yùn)動(dòng)中并非是完全可控的，無法完成對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制，另一方面機(jī)器人在翻滾過程中大量的傳感器都將不能被使用，例如如果激光雷達(dá)和深度相機(jī)這樣的傳感器固定在機(jī)器人的軀干上，傳感器將會隨機(jī)器人一起翻滾，最終導(dǎo)致無法完成其正常功能。但是這種機(jī)器人在能耗上卻表現(xiàn)非常突出，噪音也非常小，可以在野外執(zhí)行較為特殊的任務(wù)。

如圖3所示，這是一款來自我國臺灣一所高校設(shè)計(jì)研發(fā)的一款折疊式混合四足機(jī)器人。這種機(jī)器人通過腿部的電機(jī)可以將輪子折疊起來，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輪足兩種模式的轉(zhuǎn)換。這種機(jī)器人核心要解決一個(gè)問題，那就是負(fù)責(zé)折疊輪子的電機(jī)將隨輪子一同轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制電路的布置需要做特別的設(shè)計(jì)，以保證電機(jī)的線路不會纏繞在機(jī)器人腿部。

從圖中我們也可以看到這類機(jī)器人也存在一些顯著的缺陷，那就是機(jī)器人半圓形的腿部形狀非常不利于機(jī)器人的躍障，在躍障過程中，機(jī)器人的腹部將會與臺階發(fā)生碰撞，從而降低了機(jī)器人的越障能力。

如圖4所示，這是一款來腿部可以展開的混合式機(jī)器人模型，機(jī)器人腿部的舵機(jī)可以將輪子展開從而將機(jī)器人轉(zhuǎn)化為足式機(jī)器人，這種機(jī)器人同樣也存在這兩個(gè)缺陷，第一個(gè)缺陷同圖3所示的機(jī)器人一樣，機(jī)器人的腿部電機(jī)隨輪子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，也需要設(shè)計(jì)特殊的電路傳導(dǎo)裝置，第二個(gè)缺陷是機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)比較臃腫，機(jī)器人在處于足式模式下，不具有較好的靈活性。

混合是四足機(jī)器人的控制

在混合是四足機(jī)器人的控制方面，一般情況下?lián)碛袃商撞煌哪Ｊ?，分別針對于足式和輪式這兩種模式，通過機(jī)器人本身搭載的激光雷達(dá)和深度相機(jī)來感知周邊環(huán)境，并判斷機(jī)器人應(yīng)該轉(zhuǎn)換為何種模式，目前隨著人工智能技術(shù)的不斷提升，機(jī)器人已經(jīng)可以具備自我感知周邊環(huán)境并做出自己判斷的能力了。在處于足式模式下，機(jī)器人一般采用中樞神經(jīng)控制器CPG（Central pattern generators）產(chǎn)生相位互鎖的節(jié)律信號來控制機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)，其中融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)控制。而處于輪式模式的機(jī)器人在控制方面相對傳統(tǒng)，對于腿部自由度較少的機(jī)器人可以采用差速轉(zhuǎn)向，對于腿部自由度高的機(jī)器人可以采用更為靈活的控制方式。

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