A Novel Locomotion Controller Based on Coordination Between Leg and Spine for a Quadruped Salamander-Like Robot

Stability motion control and locomotion strategy of a crawling quadruped robot in the narrow space

“…机器人广泛用于人所不能、人所不敢和人所不愿的场景，狭小空间内的作业是典型的人所不能的场景，现有不 少装备的内部或者进入通道，往往根据人体进入的可行性设计，增加了设计难度，并往往影响产品性能，同时在狭 小空间内作业困难和成本较高。采用机器人代替人工可显著提高效率和降低成本，对装备设计、使用维护具有重要 意义。为应对狭小空间运动的需求复杂环境，已开展了多种机器人的研究和研制，如蛇形机器人、轮式机器人、腿 式机器人(图 1) 。美国卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)研制的蛇形机器人可识别并灵活地绕过障碍 物(图 1(a)) [1] 。意大利工业技术与自动化研究所(Institute of Industrial Technologies and Automation)为适应管道空 间设计了细长身体的轮式机器人，用于航空结构件狭小管道的检测和维修任务(图 1(b)) [2] 。瑞士苏黎世联邦理工 学院(Swiss Federal Institute of Technology in Zurich)设计了一种六足机器人，能自主规划调整姿态以通过 0.25 m 宽的开口，跨过 0.7 m 长的沟槽，越过 0.22 m 高的障碍物(图 1(c)) [3] Kitano 等人 [4] 研制的 TITAN-XIII 四足机器人采用绳驱动关节，通过改进传动装置和优化机械结构，使得 TITAN-XIII 的速度和能效有较大的提高，其对角步态运动的最大速度达到 0.7 m/s。Garcia 等人 [5] 研制了 SILO4 四足 机器人，研究了立足点优化和步态自适应方法以保持机器人稳定性，使 SILO4 能在崎岖地形、受到外部干扰时依然 保持稳定。Horvat 等人 [6] 研制了仿蝾螈机器人 Pleurobot 单腿有 4 个主动关节，采用弹性球状足端，脊柱有 11 个主 动关节，实现了整体的柔性。Pleurobot 使用爬行步态能在楼梯、台阶和颠簸地形中稳定运动，最近采用模型预测控 制(Model Predictive Control，MPC)优化了 Pleurobot 的步行稳定性 [7] 。Zhang 等人 [8] 优化了仿蝾螈机器人的结构， 把脊柱关节数减少到 3 个，并提出一种协调脊柱和腿部关节保证机器人本体平衡的控制方法。Bandyopadhyay 等人 [9] 研制的四足机器人 Magneto 单腿有 3 个主动关节，磁吸附脚掌有 3 个被动自由度，本体和小腿的结构优化设计使 Magneto 能通过 23cm 宽的狭小窗口，在钢铁管道内攀爬运动。Chen 等人 [10] 设计了一种新结构的匍匐四足机器人， 每条腿有 3 个关节，机身有 6 个关节使身体可在六边形构态、矩形构态和扭腰构态间变换，机器人扭腰构态能适应 狭窄弯道的过渡运动。戴振东 [11] 和汪中原等人 [12] 面向微重力空间站环境研制了一款仿壁虎机器人，实现了机器人在 失重情况下的稳定黏附运动，同时提出仿壁虎机器人在狭小空间内的稳定运动是亟待突破的课题。 对于狭小空间环境， 运动稳定性是四足机器人的重要性能指标。McGhee 和 Frank [13] 提出了静态稳定裕度 (stable stability margin, SSM)的概念。Messuri 和 Klein [14] 提出了能量稳定裕度(energy stability margin, ESM)的概念。Song 和 Kenneth [15] 提出了纵向稳定裕度(longitudinal stability margin, LSM)的概念，LSM 方法简化了静态稳定裕度的运 算过程。Hirose [16] 提出对角线原理，利用机器人的两条对角支撑足连线判别稳定性。王等人 [17] 1.2 静态稳定性算法 匍匐四足机器人用三角步态在平坦地面上的稳定性，需根据静态稳定要求规划重心轨迹。张等人 [18] 提出了一种 三角步态规划方法：四足机器人在行走中通过躯干摆动增加稳定裕度, 重心运动轨迹用五次曲线拟合,保证运动的连…”