机器人控制

哈尔滨工业大学（威海）2014学年秋季学期本科生课程考核（课程论文）本报告成绩占课程成绩30考核科目：机器人控制姓名：班级：学号：作业课程论文平时成绩课程总成绩得分图1美军大狗机器人大狗机器人摘要：现有的轮子或履带车辆能到达的陆地不到陆地面积总量的一半。但人或动物却可以使 用它们的腿到达几乎所有的地方。我们在波士顿动力学工程公司的使命是设计一种新的越野机器 人，它就像生物一样，具有自主决策能力、能快速行走及捕获流动物体。这种机器人能像传统车辆 一样在陡峭，岩石，车辙，湿地，泥泞与雪地里行走。也能够在有台阶、楼梯和家里杂乱的限制轮 子的城市家庭环境中行走，并且为能做家务和提供服务。一个机器人要达到这种目的需要有地形感 应器，复杂的计算器，动力系统，先进的动作器和动态控制中心。我们将给这样的越野机器人一个 实例报告一一大狗。1.大狗机器人简介大狗是在DARPA资助下由波士顿动力工程公 司开发出来的有足机器人。我们的目的是制造出一 种越野性能优于现有的轮式或履带式车辆的无人 驾驶有足交通工具。理想的系统能到达人或动物使 用它们的脚所能到达的所有地方。在背负其自身燃 料及有效负载情况下，一次能行走几个小时。它的 处理器能够判断地形、人的指导和干预。我们制造 的大狗机器人就是朝着这些目标方向发展的，尽管 还存在着很多的工作要做。有足实验机器人的良好表现证明了动态平衡 足系统的可行性，需要制造切实可行的有腿交通工 具有两个主要限制。一个是机器人需要有自身动力 使其能在没有软管或电线的户外活动。另一个是其 需要有自身的控制算法使其能在崎岖的地形提供 稳定与运动。现在我们把话题转到大狗，一个使用 了很多有足实验室机器人的想法和概念的四足智 能机器人，它既解决了自身动力问题也能在崎岖地 带提供稳定与运动。“大狗”的肌肉是分布于四肢和躯干的液压系 统，液压系统的动力来源于单缸二冲程汽油机。在 控制系统的控制下各部分液压系统和弹簧系统配 合，就可以实现个条腿的伸缩曲直，从而实现迈步， 瘦腿等动作。“大狗”机器人的内部安装有一台计算机，可 根据环境的变化调整行进姿态。而大量的传感器则 能够保障操作人员实时地跟踪“大狗”的位置并监 测其系统状况2.大狗机器人详细介绍2.1大狗机器人的组成部分大狗自身有动力系统，驱动系统，传感器系统， 控制系统和通信系统。动力源是由一个约15马力 的水冷二冲程内燃机提供的。内燃机驱动一个液 压泵，提供高压液压油，通过过滤器、歧管、蓄电 池等其他管道到达机器人的脚驱动器，执行器是通 过两个阶段调节航空伺服阀来调节低摩擦液压缸 工作的。每个执行器都有位置传感器和力传感器。 每条腿有四个连接了动力的执行器，故有5个自由 度。如图2所示：大狗身上安装有一个热交换器冷 却液压油和一个散热器冷却发动机以维持其连续 运行。图2大狗机器人组成部分2.2大狗机器人的具体功能一个自带的电脑控制大狗的行为，管理传感 器，远程通信及处理远程操作。控制电脑还记载了 大量可以用于性能分析、故障分析和业务支持的工 程信息。大狗有大约50个传感器。惯性传感器测量身 体的姿态和加速度，联合传感器测量关节处的运动 和力。自带电脑集成来自这些传感器的信息，为大 狗在空间移动提供信息估算。其他传感器检测大狗 的动态平衡：水压，流量，水温，引擎速度和温度 等等。自身电脑提供低层次控制功能和高层次控制 功能。低层次控制系统控制伺服系统的位置与关节 的力量。高层次控制系统控制运动中的动作行为， 包括腿的速度，姿态和身体的高度。控制系统还规 定了与地面的相互作用力，以维持支撑、推进和牵 引。大狗有大量的运动行为。它能站立，蹲下，一 次一条腿动的爬行，对角线脚一起动的慢跑，包括 有一个腾空过程的小跑，和像马一样飞驰。在实验 室测得爬行速度约0.2m/s，慢跑速度约1.6m/s，腾 空小跑速度约2m/s，飞驰速度约3.1m/s。大狗自 重约109kg，约1米高，1.1米长，0.3米宽。大狗通常是被操控员通过IP无线通信操控控 制单元(OCU )来控制的。操控员使用控制单元 (OCU)来为机器人提供高层次的沿途导向与速度 控制。操控员还可以命令机器人开始或者停止它的 引擎，站起来，蹲下，小跑或慢跑。一个视觉显 示器可以为操控员提供机器人运行情况及工程数 据。操控员只提供高层次的输入，让大狗自身的控 制系统控制它的脚，在崎岖的地带提供稳定和对外 部干扰做出反应。我们在泥泞、雪地和倾斜地面、也包括车辙、 岩石和松散碎石等环境中都测试过大狗。大狗能跳 1.1米高和携带各种负载。尽管大狗通常携带50kg 负载，但是在地势平坦的地方却可以携带154kg 负载。我们正在改进大狗使其能背负更大的负载。 大狗的最长连续运行记录是一个耗时2.5小时的 10km徒步旅行。我们正在不断发展大狗的可靠性， 使其平均无故障时间达到20小时。我们在大狗身上集成了立体视觉系统和激光 雷达。立体视觉系统是由Jet Propulsion Laboratory 开发的。它包括一对立体相机，一台电脑和相关的 视觉软件。立体视觉系统可以收集到机器人前方的 三维地形状况，并找到一条最适合的前进途径。激 光雷达可以使大狗能接受人的引导，而不需要操控 人员不断发出操控指令。大狗机器人的眼部含有立 体设想系统，能够行程三维地形模型，从而使大狗 机器人分辨出前方道路是否安全，计算出沟壑或者 洞穴跨度是否可以安全跳过，实验数据显示大狗在 满负荷时可以跨越1.1m的距离。大狗还可以通过 记录来测试地面的崎岖程度，并通过牵引力调节来 防滑，即使滑倒也能自行站立起来。图3上图：大狗爬35度的松散卵石斜坡， 下图：大狗在实验室中爬越虚拟废墟。2.3大狗机器人的控制为了以人步行一样的速度移动，大狗采用动 态平衡的小跑移动。它通过感觉脚的位置与受力情 况来决定自身的横向速度与加速度。大狗的控制系统通过运动学原理与地面的反 作用力，制定出基本的响应指令。合理分配各腿之 间的载荷以优化其承载能力。尽量平均分配垂直负 载到四条腿上，个别腿蹬地使臀部得到一个反作用 力，以减少关节力矩与执行器的作用。基本行走用的控制系统图如下。一个步态协调 算法负责个腿之间的沟通，及从腿的启动状态转换 到下一个稳定状态过程的相关计算。一个虚拟的腿 模型坐标。我们开发了斜坡与崎岖地带的四足行走算法， 并且在做物理机器人测试之前做了基于物理的模 拟测试。、它在倾斜或下降的时候做一个水平过渡， 能适应地形的不规则引起的高度变化，例如由于岩 石造成的高度变化。图4：控制图控制系统通过地形传感器与姿势控制来适应 地形变化。控制系统使用联合传感器的信息来决定 脚什么时候着地，每条腿上的理想负载和制动器的 控制。一个姿态算法通过协调腿的运动，控制地面 接触的反作用力大小来控制身体姿势。姿态算法实 现非平坦地形上的腿运动的计算。这种算法可以允 许控制身体侧倾，俯仰和相对地面的高度，从而使 大狗在没有高层次的地形遥感的情况下，适应地形 的变化。大狗以两个方法适应地形。它调整身体高度与 姿态来适应当地地形，通过踏步来调整自身身体的 方向和相对地面的重力。控制系统在爬坡时四足向 前倾斜，下坡时身体向后倾斜，和在等高线上时侧 身行走。控制系统在轻微的到中度的倾斜时通过轻 微的调整身体姿势，当倾斜度大于45度的陡峭时， 可以调整步态模式，使用较小的步距行走。许多这 样的结果都被复制到物理机器人一一大狗身上，除 了某些在物理世界里被限制的非常陡峭的攀爬外。图5：用来开发步行算法的物理模拟图2.5大狗机器人的未来这是一张大狗今天站着的快照。我们对大狗 目前所取得的进步很满意，更高的性能是有可能实 现的，但很多实际问题有待解决。我们当前的重点 是把目标放在一下四个方面：越野性能：尽管大狗在越野方面做得很好，但 它可能穿越更崎岖和更陡峭的地形，并且携带更大 的负载。这要求设计一个更强大的与肢体活动范围 更大的机械结构。先进的地形感知系统和新型运动 规划也将应用到大狗身上，使其能在更加崎岖地形 中行走。自我纠正：大狗有自我纠正能力，在崎岖的、 不规则的地形中移动或者受到外力干扰时能维持 自身平衡。但我们希望大狗在倒地时，能力能够自 己站立起来。我们计划增加这项能力到下一个版本 的大狗身上。更安静地运行：大狗是一个噪声机器人，听起 来像摩托车一样。我们计划分几步来使大狗更安 静地运行：做一个消声器；切换使用四冲程引擎; 封装发动机和液压泵;在有可能的情况下使用混合 动力。更加智能化：目前大狗依赖操控员引导它。未 来的版本将使用计算机视觉、激光雷达和全球定 位系统来使它更加智能化。图6实验给我们展示了 在大狗身上安装激光雷达后，它能在户外环境跟随 引导者运动，另外一个大狗在无人为干预下到达预 先采用全球定位系统定好的位置。图6.计算机视觉或激光雷达指导下，大狗无需人工干 预就可以完成自主越野。大狗在崎岖地形的控制与反 应将与地形传感结合起来以实现高度自治。参考文献：1 方菲，刘焕松，徐欣.现代超级“骡” “大狗”机器 人.2013年3月20期刊2 机械工程师新型大狗机器人“阿尔法狗”2012年 10月10日期刊.3 流体传动与控制.美国研制成功“大狗”四足机器 人2009年19月15日期刊.4 Berns, K. (2006) Walking Machine Catalogue,5 Kar, D. D., (2003) Design of Statically Stable Walking6 Robot: A Review, J. Robotic Systems, 20(11):671-686. 4Raibert, M.H., (1986) Legged robots that balance, MIT Press, Cambridge MA.