[足式机器人]Part1 序言+简介Ch01——【Legged Robots that Balance 读书笔记】

本文仅供学习使用
本文结合个人理解体会作者的思路，也从个人科研角度出发，部分翻译参考由：QQ群（2群legged robot that balance）提供，感谢他们为本文英文版翻译所做的贡献（但有些部分阅读起来仍有困难），若有改进之处欢迎共同讨论！

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1. 序言

问题源于想象一个自行车轮从楼梯下落：

1. 由于辐条的刚度较大，车轮几乎不会转动，停留时间不够长——圆心（轮毂）几乎不会在车轮与地面接触时发生运动——缺少弹性；
2. 轮胎几乎一直在滚动的状态中，很难保持一种直立的状态——缺少平衡机制；

动物在运动过程中：弹性对应肌肉与腱，平衡机制则是对其的控制，从而才有作者后续对足式运动基本理解的第一步：弹簧棒单腿（a computer controlled pogostick）

2. 简介

2.1 足式机器人的研究意义

1. 足式机器人在复杂地形中具有更好的驱动性——自然界中动物们所能达到的地方比车轮或履带要多得多（需要连续性支撑路径）——足式移动的灵活性受限于可达地形上的最优支撑点，而轮式移动受限于最差地形——爬梯子。

Only about half the earth’s landmass is accessible to existing wheeled and tracked vehicles, whereas a much larger fraction can be reached by animals on foot. It should be possible to build legged vehicles that can go to the places that animals are already able to reach.

2. 足式机器人 机架质心的路径与末端接触点的路径是可以解耦的——足式移动系统的性能在很大程度上与地面的粗糙度无关。

Another advantage of legs is that they provide an active suspension that decouples the path of the body from the paths of the feet.

3. 了解人类和动物的运动行为——要想更多地了解动物运动的可能机制，一个方法是构建足式移动机构。动物和机构执行类似的运动任务时，它们的控制系统和机械结构必然会遇到类似的问题。通过制造机构模型，我们可以对这些问题有新的认知，并研究出可能的解决方案——具体的理论和算法可以通过提出具体的实验测试和验证模型来指导生物学研究。

A second reason for exploring machines that use legs for locomotion is to understand human and animal locomotion.

2.2 提高机动性——动力学与平衡性

速度和动能是运动的重要决定因素——能量变换——动力学
步态——平衡性——静平衡/动平衡’

主动平衡系统（actively balanced system）可以偏离静态平衡，这让腿支撑身体的方式更加灵活，从而提高机动性——在不连续且狭窄支撑区域上移动的能力，使得足式机器人可以适应更加广泛的地形

2.3 足式机器人的研究史——静平衡

书中BD应改为BC，且AB=1——CD=AD=DM=$\frac{3+\sqrt{7}}{2}$，BC=$\frac{4+\sqrt{7}}{3}$，AB=1

时间	姓名	姓名
1850	Chebyshev	设计用于早期行走机构的连杆
1872	Muybridge	使用定格摄影来记录奔跑的动物
1893	Rygg	专利：人力机械马
1945	Wallace	专利:跳跃反作用轮提供稳定性
1961	Space General	八足运动机械在室外地形中行走
1963	Cannon, Higdon & Schaefer	控制系统平衡单、双、立杆倒立摆
1968	Frank & McGhee	简单的数字逻辑控制步行的小马
1968	Mosher	通用电气的四足卡车在人类司机的控制下爬上铁路
1969	Bucyrus-Erie Co	大马斯基，一个15000吨的步行拖拽线是用于露天开采。可以在900英尺/小时的松软地形中移动(Sitek 1976)
1977	Mc Ghee	数字计算机协调六足步行机的腿部运动
1977	Gurfinkel	苏联的混合计算机控制六足步行机
1977	McMahon&Greene	人类在哈佛大学的调谐轨道（tuned track）上创造了新的速度记录。它的顺应性是根据人腿的力学来调整的
1980	Hirose & Umetani	四足机器人通过简单的传感器爬楼梯和越过障碍物，腿部机构简化了控制系统
1980	Kato	液压两足步行，具有准动态步态
1980	Matsuoka	用一条腿跳跃时，身体上的机械装置保持平衡
1981	Miura&Shimoyama	两足机器人在三维空间中主动平衡
1983	Sutherland	载人六足动物。计算机、液压力学和人力共享计算任务
1983	Odetics	自给式六角吊舱提升，移动皮卡车

2.4 主动平衡研究史——倒立摆（inverted pendulums）

如何使用单一驱动力来控制两个摆杆的角度以及小车的位置？考虑到机械系统的参数，如车上电机强度或摆杆的长度，系统在不可能恢复平衡之前最大偏离平衡的程度是多少？

为了研究最简单的跑步方式，像袋鼠一样跳跃，用一连串的跳跃来奔跑。单腿跳跃机器人无需考虑多条腿的协调问题，反而对主动平衡控制提出了更高的要求。主动平衡和动力学是单腿机器的核心问题，而步态和协调问题不是关键的。——步态轨迹一直主导着人们对腿部运动的思考，现在我们想知道步态是否重要。是否有独立于步态的步行和跑步算法，或对任何数量的腿都能正常工作的算法？也许只有一个步态的机器可以为这些问题提供答案。

研究单腿跳跃机器人时，所需要关注的只有两个部分：机架和腿。运行周期有两个阶段。在一个阶段，称为站姿或支撑相（stance or support），腿支撑身体的重量，足端保持在地面上的固定位置。在支撑相，系统像倒立摆一样倾斜。在另一个称为飞行相（flight）的阶段，质心在抛物线上移动，足端没有负载，可以自由移动。

2.5 运动控制的三部曲

跳跃（Hopping）：跳跃运动是由机体质量、腿的弹性和重力联合控制的振荡
前进速度（Forward Speed）——控制单腿跳跃机器人的前进速度和加速度；在着陆时，落足点相对于身体的位置对随后支撑相的行为有很大的影响。根据控制系统对落足点的选取，机器人在支撑相将加速或者减速运动。
姿态（Posture）——身体和腿在髋关节施加的力矩提供了机身扭转的加速度，前提是足端与地面之间有较大的摩擦力

2.6 三维空间运动

尽管动物是三维系统，但动物的运动主要是平面活动。这些活动发生的平面通常可以由前进速度矢量和重力矢量来定义，称之为运动平面（the plane of motion）；对于没有首选行进方向的腿足式系统，运动平面可能因迈步而异。

2.6 多足机器人的奔跑运动

• 研究单足机器人的主要目的还是在简化的机器上研究主动平衡与动力学。原则上，从单腿机器人上得出的结论，对任意数量的腿都有参考价值。

• 双足机器人由于双腿交替使用，一次只能有一条腿活动：一次只能有一条腿放在地上，一次只能有一条腿在地上推，一次只能有一条腿在身体上施加扭矩。我们称这种跑步为单腿步态（one-foot gait）——本质上还是单足

• 进一步，假设一次有多个支腿提供支撑（四足机器人），但所有支腿都被协调起来充当虚拟支腿（假设一个控制器同时协调共享支撑的支腿，使它们的作用效果像一个单独的等效支腿，virtual leg）。这样就可以将多足步态映射到两足机器人单足步态（ virtual biped one-foot gaits）中。

2.7 机器人与动物的对称性

为了以恒定的前进速度跑，在一个跨步中前进加速度必须积分为零。——奇函数——原则上，这种对称性可以用来简化任何腿数和各种步态的足式系统中的运动。

时间	事件
1982	平面单腿机器人在原地跳跃，以高达1.2 m/s（2.6 mph）的预设速度行驶，可承受外部机械干扰，并跳过小障碍物
1983	单脚跳机器人在开阔的地面上运行，在三维空间内保持平衡。最高速度约为2.2米/秒（4.5英里/小时）
1983	Murphy发现了模拟四足动物模型中被动稳定的跳跃步态(Murphy 1984)
1984	发现猫和人像机器人一样具有对称性
1984	四足机器人以对角小跑步态奔跑，证明了虚拟腿可以使用单腿控制算法
1985	平面两足动物以单足和两足步态奔跑，并能在跑步时改变步态。最高速度为4.3米/秒(9.5mph)

2.8 总结

• 平面单足机器人可以使用不同的跳跃频率、前进速度和姿态控制算法来实现主动平衡。
• 在三维空间中为跳跃提供控制和平衡并不比在二维中困难多少—控制三部曲仍然适用。
• 单腿控制算法对两足机器人奔跑仍然有效，只需要一些额外的记录（bookkeeping）。
• 如果控制系统有协调双腿的机制，那么四足机器人对角小跑就可以像两足机器人跑步一样实现。
• 对称性对于简化腿足式机器人的控制很重要，对于动物的运动也很重要。