冯鹏凌
（北方工业大学机械与材料工程学院 北京100144）
摘 要：本文对轮式腿型移动机器人的研究背景和意义进行了讨论，分析了国内外研究现状，主要对单腿跳跃机器人和两足奔跑机器人的动力学和控制进行了研究，并对六腿滚动式奔跑机器人的关键技术、研究重点和难点进行了阐述，最后总结了机器人的研究方向。
关键词：六腿滚动式奔跑机器人，动力学，控制，研究重点
分类号 TP242
1.引言
移动机器人在机器人领域具有十分重要的地位，可以代替人类从事危险工作，如太空探测和救援抢险等。轮式移动机器人具有速度快、稳定性好和控制方便等优点，但对复杂地形等非平坦环境的适应能力较差。腿式机器人的运动是离散运动，对复杂崎岖的地形适应性较强，但其行驶速度较低，且结构设计及控制算法复杂。轮腿复合式移动机器人因具备轮式机器人稳定性和腿式机器人越障能力的优点而受到国内外学者的广泛关注 [1]。
本文所研究的欠驱动六腿滚动式奔跑机器人在滚动动力学方面是不连续系统，可视作两足机器人奔跑运动，而研究跳跃机器人有助于深入理解步行机器人的动态平衡和稳定原理，为机器人的动态步行或跑步控制奠定基础，故主要对欠驱动单腿跳跃机器人和两足奔跑机器人的动力学和控制进行了研究。
2.国内外研究现状
单腿跳跃机器人是研究动态机器人运动的典型系统，Raibert在1982年研制了二维弹跳机器人，将模型分为垂直跳跃和水平前进，垂直控制通过对系统总能量的分析计算可用于调节机器人跳跃高度，在水平前进部分探讨了腿部扫描算法和姿态控制算法用于控制机器人的平衡 [2]；基于Raibert的研究，Martin Buehler研究了欠驱动单腿跳跃机器人ARL Monopod Ⅱ，该机器人采用了自适应控制策略并设计有弹性腿部结构；Spong研究了欠驱动系统Acrobot，它是一种具有单个驱动器的二自由度平面连杆机器人，通过将系统线性化可以运用基于LQR方法的控制器进行系统的控制，但是需要进一步提高系统的鲁棒性[3]；J.Hurst研制了欠驱动双足奔跑机器人Mabel，通过拉格朗日法对其动力学方程进行了推导，并采用了柔顺零动态的控制策略以达到控制要求[4]。
国内，国防科技大学的侯文琦等人进行了接触力控制的Acrobot单腿机器人姿态控制的研究，其在直立姿态处进行了模型的线性化，并设计了小腿姿态角的多环控制系统[5]；吉林大学对双足式机器人的被动动力学进行了研究，分析了行走步态规律及稳定性；清华大学对欠驱动步行机器人的被动动力学方法、半被动双足机器人的控制算法等进行了研究[1]。
3.研究重点和难点
3.1机器人的动力学
六腿机器人在奔跑过程中是交替支撑和弹跳式前进的，可以将其视作双足仿生奔跑机器人。本课题采用基于倒立摆模型的步态设计方法，从筒化其模型入手得到的一种规划方法。假设六腿机器人的质量集中于一个质点，机器人的腿部筒化成一个没有质量、能够伸缩的连杆，连杆的一端与质点连接，另一端置于地面。
倒立摆模型的质心在运动速度与腿部连杆伸缩力的共同作用下，模拟机器人行走时单脚支撑状态。在规划机器人行走步态时，可以设计步长等运动参数，然后根据倒立摆模型进行求解计算，可以得到机器人质心的运动轨迹，便可以规划出机器人的关节角度轨迹。
采用拉格朗日法进行动力学分析。通过计算系统的动能、势能和广义力之间的关系以建立起系统的动力学方程，在计算过程中，只需要计算系统的动能和势能得到拉格朗日算子，再利用微分对算子进行求导就可以得到系统的动力学方程，这种计算方法可以很好地避免系统内力项所带来的复杂性，其求解过程简单。
3.2机器人的控制
本课题所研究的机器人是具有非线性、时变强耦合特性的系统，若要实现机器人理想的奔跑切向速度和侧向平衡稳定需要合适的控制算法。
PID作为最为常见的经典控制算法，在机器人的控制中应用较广泛。该算法主要是将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，通过这种方法所设计的控制器是一种线性控制器，但是PID控制是一种单输入单输出控制，对于欠驱动控制的机器人具有一定的局限性，且其需要采用实验的方法不断地对参数进行调整。
现代控制理论中发展最早也最为成熟的LQR控制方法可以进行多输入多输出控制，其控制对象是以状态空间方程形式给出的线性系统，其目标函数是对象状态和控制输入的二次型函数。在本课题中，通过对动力学模型在平衡点处进行线性化处理，可以得到相应的状态空间方程，因此这种控制方法恰好可以应用于本课题所研究的机器人。
4.结论
目前国内对轮式腿型移动机器人已经有了一定的研究，但是在六腿滚动式奔跑机器人的研究上与国外相比，仍有一定的距离。由于其在地形适应能力、越障能力和高速性上具有一定的优势，为使其成为真正实用的奔跑机器人，理论上应进一步研究模型的精确建立，在控制算法上应作出进一步突破。工程上应根据理论研究成果，对实际设计过程进行简化，通过理论与实验得出具有工程指导意义的结论，最终设计出可靠、稳定运动的六腿滚动式奔跑机器人。
参考文献
[1] 田润,宋轶民,孙涛,向旭. 一种新型轮腿式移动机器人的参数设计与实验研究[J]. 机器人,2015,3705:538-545.
[2]Raibert M H. Hopping in legged systems — Modeling and simulation for the two-dimensional one-legged case[J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics, 2012, SMC-14(3):451-463.
[3]Spong M W. The swing up control problem for the Acrobot[J]. IEEE Control Systems, 1995, 15(1):49-55.
[4]Chevallereau C, Westervelt E R, Grizzle J W. Asymptotically Stable Running for a Five-Link, Four-Actuator, Planar Bipedal Robot[M]. Sage Publications, Inc. 2005.
[5]侯文琦, 王剑, 韦庆,等. 接触力控制的单腿机器人姿态控制[J]. 国防科技大学学报, 2015, 37(2):112-116.