是骡子是狗拉出来溜溜---对比国内外四足机器人
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摘要:OFweek工控网:如果讲到四足机器人,波士顿动力一定是绕不过的典型,这家被认为是有着美国军方背景的公司以其多款行走机器人独步江湖。那么问题来了,中国也有众多的高校和科研

OFweek工控网:如果讲到四足机器人,波士顿动力一定是绕不过的典型,这家被认为是有着美国军方背景的公司以其多款行走机器人独步江湖。那么问题来了,中国也有众多的高校和科研机构,为啥就做不出像“大狗”这种水平的机器人呢?

波士顿动力的大狗机器人

很多人第一次知道波士顿动力这家牛到不行的机器人公司,是源于网上流传的一幅动图:一个人从侧面用脚踹一只长得像狗狗模样的机器人,机器人踉跄了一下却并没有摔倒!要知道能让机器人行走就不是简单的事情,而在强度较大的外部作用力下(拿脚踹)还能保持平衡更是难上加难。

来看看专业人士的分析,如果国内的高等院校和科研机构要做出媲美波士顿动力大狗那样的机器人,需要突破哪些技术难题。

四足机器人领域博士何玉东认为从BIGGOG底层控制技术来看需要突破三个核心难题:液压伺服控制、步态曲线生成和主被动柔顺性控制。

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波士顿动力大狗机器人的结构

1.液压伺服控制

首先是液压伺服控制。BigDog给看视频的观众带来的第一个震撼效果或许是它的协调性和适应性,因为毕竟目前机器人能像动物一样行走在各种路况下在这之前确实令人难以想象。但是,即使是作为研究人员的何玉东博士,看到BigDog的第一个疑问也是震惊:我靠,这得多大的驱动能力才能带得动这么大的负载?而这个问题的答案就是液压伺服控制。

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BigDog的液压系统详情

在这之前,几乎所有的机器人都是由电机驱动的,因为电机驱动易于实现,不需要考虑油源、油路等问题,接上电线就能转。但是,电机驱动的问题就是功率体积比太小。也就是说,同样大小的驱动机构,以电机与液压缸为对比,电机的输出功率相比液压缸而言非常的小。

比如,要带动同样100kg的负载,液压缸可能只需要一个铅笔盒大小,而采用电机的话或许已经快跟BigDog的躯干一样大了。所以,采用液压缸作为执行机构是增大负载能力的关键。由于液压伺服控制也算是老技术了,但多用于航空航天等领域,国内用液压伺服控制做成量产型机器人的暂时还没有,国内科研机构和高等院校有少量实验型样品。

2.步态曲线生成

看到这个词儿,大家可能会想,难道机器人需要跟模特一样走猫步玩曲线?步态曲线是机器人的一个顶层姿态规划问题。比如对BigDog侧面方向施加横向扰动,机器人仍旧能够保持平衡,所以而恰恰这部分是波士顿动力技术最为核心的地方。

这首先是一个顶层的姿态规划问题,这里只说说底层的控制问题,也就是步态的问题。步态的问题可以说是BigDog里面的技术难点,因此波士顿动力也从来没有向外透露过步态的任何细节。

到底它采用的是何种步态曲线(摆线?贝塞尔?),是否使用了中枢模式发生器(CPG),如何解决自由度冗余等等问题目前我们都不知道答案,只能靠自己的理解在自己的平台上进行试验以看效果。

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利用贝塞尔曲线设计的足端步态轨迹

当然,这还只是正常行走时的步态,在不同路况下,不同外力扰动(比如被踢一脚)下,不同行走速度下如何进行步态的切换,切换成何种步态更加是难点中的难点。这也是波士顿动力最引以为傲的核心技术。因此,在这个方面,可以说我们国内还没有任何一家机构做出的机器人能与之匹敌。

3.主被动柔顺控制

只要是学过初中的物理知识,不妨先问几个问题来辅助大家理解。

机器人要走路是不是脚首先要着地啊?脚着地了是不是就会产生力?产生力了机器人是不是就会受到反作用力?如果反作用力太大了是不是机器人就走不稳啊?

原理就这么简单。主被动柔顺控制的意思就是通过主动和被动的方式去减小接触力,以保证机器人的行走更加稳定。

其中被动柔顺意思就是这个力的减小是被动的,无法调节,那么怎么个被动法呢?其实就是足端安装的弹簧。绕了一圈,原来被动柔顺就是机器人脚底的一根破弹簧。哈哈,这么说是想让你们更好的理解什么是主动柔顺。

不难理解,主动柔顺其实通过主动的方式去调节接触力,所以就相当于一根可以变刚度的弹簧。当然实物并非是弹簧这么容易实现,可以简单的理解主动柔顺为可变刚度的弹簧,或者将其等效为了可变的弹簧阻尼系统。

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主动柔顺控制模型

因此,通过主动和被动的结合,整个机器人的腿就等价成了弹簧和阻尼,从而触地的过程吸收了接触力,使得机器人更加的稳定。那么这个技术难不难呢?答案是不难,因为我们目前已经实现了,但是又不简单,因为实现的还不是特别理想,还远远达不到波士顿动力大狗的水准。

当然,底层技术除了上面讲到的控制方法以外,还包括机器人的架构问题,比如机械结构问题、液压油路设计问题、传感器配置问题、能源供给问题、散热问题等等。实际上,一个四足机器人就是一项系统工程,其中的任何一项不合理或者不合格都将导致整体的失败。

看到这里,大家是不是迫切的想知道目前国内的四足机器人是一个怎样的发展水平呢?

在2010年国家的863计划先进制造领域发布的“高性能四足仿生机器人”主体项目指南,共有五所高校参与。一起来看看这些高校的作品。

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北京理工大学的四足机器人

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山东大学的四足机器人

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哈尔滨工业大学的四足机器人

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国防科技大学的四足机器人

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上海交通大学的四足机器人

总体来看,国内的高等院校和科研机构已经做出了四足机器人的成品,但要达到波士顿动力的技术水平还有一段距离,看来想要赶超欧美,国内机器人行业的同仁们还要继续努力啊。

鸣谢:感谢四足机器人领域博士何玉东先生的经验分享。

作者:admin 来源:未知 发布于2019-08-13 10:55
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