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仿生六足爬壁机器人

摘要

本文提出了一种集成的、系统级的几个与仿生，六足相关的新的设计和控制特性的RISE机器人。RiSE是第一款能够在地面和各种垂直建筑物表面（包括砖，灰泥和碎石）上运动的腿式机器，速度能达到4 cm/s，噪音小，并且不使用吸力，磁力或粘附力。它通过仿生和传统设计相结合的方法来实现这些功能。本文阐述了设计的过程，特地描述了身体形态、腿部和脚部的分层顺应性，以及感知和控制系统，这些使其能在艰难表面上稳健可靠地攀爬。实验结果表明了各种行为对爬坡性能的影响，并展示了机器人长距离可靠爬攀的能力。

1引言

腿式机器人的一个重要研究领域是在富有挑战性的地形上行走和奔跑，包括能够穿越水平和垂直表面的机器人。与在粗糙但基本平坦的地面移动相比，垂直攀登带来的挑战要大得多。机器人在克服重力推进时，必须不断地把自己推向墙壁。即使是在放置脚的位置或控制脚上力时的短暂失误也可能是灾难性的。

以往用于攀登垂直表面的机器人通常依靠磁铁、吸力、或者它们可以获得牢固抓附的特定抓握装置。然而，一个更普遍和更实用的机器人将能够攀登各种各样的外部建筑物表面，包括那些灰尘多且粗糙的地方。在这些环境中特殊的附着机制例如磁铁吸附和抽吸无法奏效。这种机器人可用于监视，危险清除，维护和救灾应用。

目前，有少数机器能够在这些现实世界的表面上操作，还没有报道出一种能够在不同的非结构化和垂直地形上运行的机器。一种常见的爬壁方法是使用传统的撬转轮式小车，加上产生涡流或负压的装置。这些机器在砖和玻璃上都已经成功运行；然而，它们噪音大，需要持续的能量来保持与墙壁的接触，限制了它们进行短距离任务作业。第一个爬上建筑外表面的机器人Spinybot成功地表现出必要附着机理，但它不能越过障碍物，也没有能力在水平地面上移动。Spinybot引领了专用的、高机动性、被动柔性脚趾的发展和实现，使其能附着在粗糙的墙壁上。本文提出的机器人RISE首次被报道在Koditschek et al.，2005上。它是一个多面手，能够适应多种附着物和攀爬情况，包括为了攀爬平坦外墙spinybot技术的适应（图1，插图）。脚趾被修改，占据了RISE相当大的重量（3.8公斤对0.4公斤）和额外的自由度，这是RISE拥有更出色的行为多功能性和更大的有效载荷能力的必然结果。

RISE是一种既能行走又可攀登的六足机器人。本文提出了第一个系统层面的观点，说明机器人的攀爬能力是如何从对动物运动的生物学理解的适当解释以及它们在一个完整的身体和行为计划中的有效执行中得出的。具体关注的是有关身体形态和动作策略相互依存的设计参数，sect;2；调整分层次的腿和脚的顺应性，sect;3；和控制架构，sect;4。更详细的关于机器人的控制架构，包括用于生成各种攀爬步态的方法，控制脚上的力，以及从如一只脚上在攀爬表面抓附失败这样的事件中恢复。在sect;5，我们讨论了这个集成设计的有效性和机器人的结果行为的证据，表现为成功攀上各种垂直建筑物表面包括砖、灰泥、煤渣块和石材外表面。我们记录了控制方案的变化对爬坡性能的影响。最后，对实用爬壁机器的前景作了简要的评估。

图1：显示RISE正在用嵌入了微爪刺结构的柔性足片攀登碎石墙。腿部编号如图所示。

插图：左上脚（# 1）附着在墙的表面。

2攀爬机器人设计

2.1登爬动物的启示

大自然提供了许多可以作为攀登灵感来源的例子。在爬非曲面（即墙，不是树或杆）时，动物利用一些共同原则：

bull;扁平或躺的姿势，保持重心接近表面，以尽量减小俯仰力矩；

bull;前肢的力，朝向墙壁，把身体向内拉，后肢的力（正作用于表面的正向力）把身体向外推，以抵消俯仰力矩；

bull;一个长长的身体，或许是一条尾巴，以减少前肢所需的拉力大小；

bull;重要的侧向力作用于身体的中心轴;

bull;柔性的腿、脚踝和脚趾，有助于分配接触力，使足部中受到的小扰动不会对力产生大的扰动。

在早期的设计阶段中，平面动态模拟在二维工作模型中被建立，以此来评价不同的步态和腿的数量的作用（桑德斯et al.，2006）。结果表明，昆虫所采取的方法特别适合于机器人的实现。在有六条腿的情况下，如果一只脚失去控制，任然会有安全的边际供其它脚抓附。此外，如果前肢体不能获得良好的抓附点，中间的腿可以提供必要的拉力。昆虫也有各种各样的步态，从快速交替的三角步态到保守的五脚爬行。五脚爬行指在某一个时间只有一只脚从表面上抬起的行走方式。RISE还采用了一个静态的尾巴。这个尾巴压在墙壁上，以此来降低在前肢所要求的向墙壁牵引的力。

2.2肢体设计

图2：RISE的模块化设计可以方便地重新配置不同的腿段。每个模块包含四个马达，一个四轴马达放大器和一个电池组。

在这个平台的概念建立过程期间，许多生物学上的观察中以四腿的壁虎最为出名，但收集的是与六腿的蟑螂有关的数据。因此，决定设计一个模块化系统，如图1和图2所示，由三对腿组成，各部分之间有间隔，以调整整体的长度和每个腿可用的工作空间。每条腿是一个独立的模块，有两个自由度，由微处理器控制。这种模块化在重量方面会带来最小的成本，但提供了重要的配置灵活性。例如，在一些实验中，为了测试四足的配置，中间的双腿被取下。

一些动物，例如松鼠频繁地在奔跑和攀爬之间切换。它们通常采用一种蹲伏的结构，即腿在身体下面来奔跑，而以一种伸展的结构来攀爬。这种身体姿势的区别对于较大的动物（gt;1公斤）可能是有利的，如果RiSE在水平地面上使用的是一种伸展的姿势，那么鉴于其直流电机不能提供足够的扭矩来支撑体重并向前移动，所以同时这对于RiSE是必要的。在RISE身上的这种适应性是通过用外展/内收或者是“翼”自由度来实现的，如图三所示。为了提高攀爬性能，如电池和电机这样的重型部件（占了机器人55 %的质量）被放置在尽可能靠近机器人的底部的地方，这样质量中心就只距墙表面几厘米了。

对于一个给定的机器人质量，需要权衡腿的数目、自由度和机器人的可操作性。对机器人的重量限制随着攀爬基体强度和分配机器人质量到基体上面的能力的变化而变化。（第三章会讲到）。为了确定每个腿的驱动自由度的可用数量，我们必须首先估计所需的力量，以克服重力，由

给出。在这里，eta;是传动效率，假定为50%，基于以往的同样大小机器人的经验。机器人的目标质量m为2Kg，目标速度v为0.25m/s。假定一种最糟情景，只有两条腿与墙接触：Nl＝2。因此，每条腿上至少需要5W的机械功率。然而，在脚放置与攀爬过程中还有额外的损失。例如，（秋等人，2006b）测量了垂直攀爬的壁虎克服重力的有效加速度，并且观察到他们所产生的总机械能超过势能的变化高达15%。考虑到每条腿需要大约6W的机械能；然而，这种额定功率电机没有提供足够的堵转转矩来施加足够的侧向力去抓表面或者调整身体的姿态。由于每条腿需要一个以上的自由度来产生所需的地面反作用力，所以每条腿用两个功率为4.5W的MAXON re16电机，在垂直攀爬时有足够的结合力夹紧表面。MAXON的额定功率作为选择指标，而实际的有效机械功率是一个关于几个参数函数，包括齿轮机构的传动效率、热损失和占空比。

在2kg的初始目标重量和一个六足配置的选择下，重量预算只允许每条腿有两个执行器。其结果是，用同样的欠驱动腿机构在垂直和水平地形上运动的关键是利用一个四杆曲柄摇杆机构与被动腿顺应性相结合产生的脚路径。图4显示了一条腿的平面视图，以及连杆的相应轨迹。

这种连杆的一个有趣的特点是，曲柄在相反的方向上旋转，用于水平地面运动和攀爬。这项设计特点是发现跑步动物总是用腿向外推的结果，这样地面反作用力矢量会沿着腿向后。四足动物在水平面就能跳来跳去（陈等人，2006）。当四足动物攀爬时，这些力反向，这样腿就总是朝里拉了。

图3：在“翼”自由度中，RISE有很大的运动范围。这让机器人行走时腿保持在它的身体下面，在攀爬的时候以一种伸展的姿势。

当在地面上运动时，脚沿逆时针方向行进，轨迹的外侧弯曲部分表示地面接触阶段。与沿着下肢的被动顺应性相结合，这导致在许多动物中看到的适度快速（0.25m / s）的交替三脚架步态。为了攀爬，曲柄的旋转反过来，路径的内部几乎笔直的部分被用来拉动机器人沿着墙壁向上。 直线路径有助于防止脚和墙之间的接触力的过度变化。 但请注意，尽管腿的尖端几乎是直线，但它也会旋转。 因此，脚踝需要旋转顺从，以便脚可以施加脚轮，我们将在在3.2节中讨论。

腿部顺应性是通过使用易使用的小型无线电控制车辆的减震器来实现的。图5显示了一条腿的正面视图。减震器相对安装并连接到被动平行连杆上，该连杆伸展或缩回以增加或减小腿部的径向长度。由于没有与这种径向自由度相关联的电动机，因此能够调整腿部顺应性以匹配机器人的重量是很重要的。如果顺应性太低，会造成过度的侧向力，导致脚失去抓地力; 如果太高，机器人就会向外垂下，从墙上向后仰。

六个腿机构中的每一个都由两个齿轮伺服电机驱动。差动髋关节机构使致动器能够驱动两个自由度的腿机构，同时使腿部质量（小于身体质量的2.5％）最小化。 这种配置保持远端腿部质量低，这减少了脚部冲击力和惯性效应。

差速器允许两个执行器独立或同时控制两个腿的自由度。当两个电机以相同的速度在相同的方向上被驱动时，机翼或外展/内收，自由度被驱动（图3）。 当马达以相同的速度在相反的方向驱动时，四杆机构的曲柄被驱动，使得脚沿着图4所示的路径。任何其他方向和速度的组合都同时致动两个自由度。

图4： RiSE单腿的图片以及相应的示意图，示意图详细描述了“曲柄”自由度的连杆连接和脚部路径。

此外，由于这种耦合的结果，两个电机可以共享任一自由度的负载。 这有助于减少执行机构所需的总质量，因为每个电机不需要根据每个自由度的最坏情况负载进行调整。 这在通常依次使用两个自由度的平坦表面特别有用。 但是，在高度弯曲的表面如柱子或小树上，两个自由度可能同时需要相当大的功率，从而降低差速器的优势。

图5：腿的伸展和压缩由两个独立的减震器组成。 上面的减震器控制了腿部伸展的弹簧和阻尼参数，因此在攀爬时它是最重要的。这时RiSE必须产生有助于稳定机器人的地面反作用力。 下面的减震器在压缩中起作用，并被调整用于步行。

2.3传感和计算

机载电子控制腿部运动，管理通信，并为各种传感器提供服务。 该平台是计算自主的; 与操作控制单元（OCU）的通信是通过无线802.11链路实现的，允许机器人被远程引导。 由于RiSE平台体积小，设计了一种定制的电子套件，集成了小尺寸PC、存储器和固态惯性测量单元。类似的限制导致开发一种紧凑的高频放大器来驱动低电感无芯直流齿轮电动机。

分布式信号处理能够实现传感器与机械结构的更好集成，并降低布线复杂性。 每条腿的处理器都是一个Cygnal C8051F021微处理器，同时用C8051F330处理器监测每条腿处的力传感器。 其他传感器包括每个腿的关节位置传感器，测量的电机电流，用于关节限制的霍尔效应传感器以及惯性测量单元。通过在I2C和ISA总线组件之上构建的称为RiSEBus的定制，基于串行的分布式通信协议实现平台间的通信和控制。用于将传感器和电机控制板连接到CPU模块。主控制器在实时Unix操作系统下运行，更新周期为4毫秒。

图6：应变计被结合到小腿中用于在致动自由度下的力感测。 FN对应于内收/外展方向; FT对应于前后方向。

随着腿式的机器人从平地升到越来越陡峭的斜坡，对脚部力量的控制变得越来越重要。就RISE而言，力量控制确保没有哪只脚负载太重，否则这可能导致其失去抓地力或产生不可弥补的损害。力传感器也可用于指示脚与爬升表面是否接触。在4章中讨论了在控制算法中结合力感测。前后和内收/外展方向的力感应是通过内置于下腿的应变式荷重传感器完成的（图6），其测量的是脚的正向力和切向力。测量的力精确到0.25N以内。一个不太精确的系统，由于减震器滞后，提供了一个精确到大约0.5N的第三轴力测量值。它由一个用来测量沿着腿轴线的被动柔性偏转（图5）的霍尔效应传感器组成。来自这些传感器的模拟信号由每条腿的相关微处理器进行调节和读取，该微处理器将校准的力测量值传送给中央处理器。

2.4平台功能

该平台目前重量超过3.8公斤，有效载荷为1.5公斤。 三个板载锂聚合物电池为控制和电机电路供电，并提供超过45分钟的运行时间。 控制和数据记录是通过标准的802.11b到100英尺的视线来实现的。

机器人能够穿越各种垂直和水平的地形（图7）。全系列的表面使用三种样式的脚。 在水平面上行走时，可以安装球形橡胶支脚，速度可达0.25 m / s。 在下一节中，我们将描述用于攀登软、硬垂直表面的脚和附着机制。

图7：RiSE平台能够攀爬各种各样的真实世界地表，并且保持有地面运动的能力。从左上方顺时针方向依次是：RiSE爬树，爬砖墙，走过高高的草地。

3多爪刺的攀登脚

RiSE攀爬的机制受到攀爬动物的启发，攀爬动物开发了一系列方法来保持与各种表面的接触（Spagna et al。，2007）。这些策略可以分为两类：互锁机制和粘合机制（Cartmill，1985）。互锁方案如爪子或爪刺通过穿透表面或锁定表面上的小凹凸（凸点或凹坑），产生吸引力和推进力的组合来克服重力。大部分较大的攀爬动物，如猫和熊，都使用穿透爪。相反，粘合机制通过吸力，化学物质，毛细作用力或范德华力产生附着力。一般来说，蜥蜴，青蛙，昆虫等较小的动物使用粘合; 然而，许多这些动物使用这两种方法的组合。

RiSE同时使用互锁机制（爪刺和爪）和粘合机制（光滑的粘合片），因此能够攀登粗糙和光滑的表面（Spenko et al。，2006）。 然而，RiSE当前在光滑表面上的性能仅限于65度的倾斜，因此本文着重于使用互锁结构爬上粗糙的90度表面。

图8 :(左）

资料编号：[3450]