国内外四足机器人发展及普及

摘要：对四足机器人研究应用的历史与现状做了介绍，列举出国内外主要研究机构及其主要研究成果，对四足机器人研究的热点和难点问题进行了归纳总结，并展望了四足机器人的发展趋势。

关键词：四足机器人；研究与应用；历史与现状；难点与热点；发展趋势

1. 引言

移动机器人按移动方式大体分为两大类；一是由现代车辆技术延伸发展成轮式移动机器人（包括履带式）；二是基于仿生技术的运动仿生机器人。运动仿生机器人按移动方式分为足式移动、蠕动、蛇行、游动及扑翼飞行等形式,其中足式机器人是研究最多的一类运动仿生机器人。

自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。

曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例。长期从事足式机器人研究的日本东京工业大学的広濑茂男等学者认为：从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式[1]，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。

2. 国内外四足机器人研究历史与现状

四足机器人的研究可分为早期探索和现代自主机器人研究两个阶段。

2.1 四足机器的早期探索

中国古代的“木牛流马”以及国外十九世纪由Rygg设计的“机械马”，是人类对足式行走行机器的早期探索。而Muybridge在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，则是人们研究足式机器人的开端。20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。美国学者Shigley（1960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车[2]。这一阶段的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“Walking Truck” [3]（图1）。

图1 Walking truck

80年代，随着计算机技术和机器人控制技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究阶段。

2.2 现代自主四足机器人研究现状

以微型计算机技术广泛应用为标志的现代四足机器人的研究和应用受到世界广泛的关注。现代四足机器人研究最系统和取得研究成果最多的是日本东京工业大学的広濑茂男等领导的広癞·福田机器人研究室（HIROSE·FUKUSHIMA ROBTICS LAB），该实验室从80年代开始四足机的研究，持续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。发表相关研究论文172篇[4]。其它如美国的MIT,卡耐基梅隆大学，加拿大，德国，法国，新加坡，韩国等国家均有四足机器人样机研制成功。国内也进行了四足机器人的基础研究和试验研究，如吉林工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学，哈尔滨工业大学，中国科技大学等单位。表1列出了国内外主要从事研究四足机的单位和其研制的典型样机型。

表1 国内外部分四足机器人研究机构和代表机器人一览表

2.3 国外研制的典型样机及主要技术特征

四足机器人研究的代表是日本东京工业大学的広濑·福田机器人研究实验室。从80年开始至今已研制出3个系列12款四足机器人。第一代四足移动机器人KUMO-I外形似长腿蜘蛛（图2），它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人[5]。随后研制成功世界上第一个能上下爬行楼梯的四足机器人PV-II（图3）。之后研制成功两款NINJA系列爬壁系列机器人和8款TITAN系列以野外探测和挖掘地雷为使用目标的机器人。其中最有代表性的是TITAN系列机器人TITAN—VIII[6]（图4）。该款机器人的软硬件齐全，功能比较完备，具有多种运动步态选择。在该上机配套先进而完整的专门针对四足移动机器人开发的操作系统VK-I，因而该机器人特别适合于教学研究用。整机售出约5O多套给日本的多个大学和研究所及世界很多研究机构作为基础研究和应用研究的平台。其基本参数：每足具有3个自由度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动，质量约4O kg，有效负载5～7 kg，行走速度决定于负载情况，一般在0.3～0.9m/s之间变化。另一款有特点的机型是9O年代研制成功TITAN－Ⅵ型,该步行机采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中腿间的干涉，并采用2段变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动，能以50 mm／s的速度，在倾角为3O°~4O°楼梯上步行。

9O年代広濑茂男等研制成功壁面全方位移动系列机器人NINJA-I（图5）及NINJA-II，NINJA-I的每条腿由3自由度的平行连杆机构构成，长、宽、高分别为：1800mm，500mm，400mm，质量45kg，各关节轴由12个4Ow 的直流电机驱动，每个脚底的吸盘被分为20个小吸盘，产生大约1500N的吸力，上升速度为48cm／min，横向移动速度为96cm／min．能在壁面及天花板上全方位移动。近年研制成功的典型四足机器人是TITAN-IX[7]（图6）。为适应如此复杂的任务，专门研制了更先进的机器人操作控制系统VK-II。截至目前，広濑·福田研究室已研制出第12款机器人TITAN-XI[8]。

表2 広濑·福田研究室研究的典型四足机器人

图2 KUMO-I 图3 PV-II 图4 TITAN-VIII

图5 NINJA-I 图6 TITAN-XI 图7 Patrush-II

图8 Tekken-IV 图9 BigDog 图10 LittleDog

另外，日本电气通信大学的木村浩(Hiroshi Kimura)等研制成功很有特点的两个系列四足步行机器人Patrush系列和Tekken系列。二代Patrush－II（图7），用两个微处理机控制，采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关。

最具有创新性的成果是采用基于神经振荡子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略[9，10]。而CPG是足式机器人近10年来在控制方面取得的最具突破性成果[11]。2000-2003年研制成功具有宠物狗外形的机器人Tekken系列的第四代，Tekken3和Tekken4采用了新颖的机构设计和激光导航系统[12],该系列继承了Patrush系列的优点。第四代Tekken-IV（图8）用一台PC机系统控制，瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。控制系统也采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的系统，其中基于CPG的控制器用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG的周期和相位输出。Tekken4 能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。Tekken 系列另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，成功的实现在封闭回廊中无碰快速行走，且可以辨别和避让前方存在的人和动物。

日本进行四足机器人研究的还有日本东北大学。1992年，日本东北大学的木村浩（Hiroshi Kimura）、中野泶二等研究开发出具有四腿和两轮分别独立移动的混合步行机器人Chariot-I，2004年，开发出腿轮移动机器人Chariot-III”，并对其进行步态及控制方面的研究。

2005年，他们开发供高龄人、残疾人等步行困难者使用的步行机器人Chariot-IV。该步行机具有较高机动性和不平地面步行的稳定性，可自如地上下台阶。另外还有日本的空气动力实验室（Kyoto Univ.Tsuchiya Lab）也在研究四足机[13]。

美国的MIT Leg Lab实验室早在1986年研制完成了一款四足机器人。美国的四足机的典型代表是卡耐基美隆大学的Boston dynamics实验室研制的BigDog（图9）和LittleDog（图10）。

BigDog是最像仿生对象的仿生机器人，外形和体特比例很像一头凶猛的猎犬，负载52KG 的重量能够在粗糙的瓦砾地面或泥泞地面以不同步态自如行走，野外行走能力很强。最大的特点是具有较强的机体平衡能力，在剧烈的侧面冲击作用下，能保持平衡而不倒。在卡耐基.梅隆大学2006.11.3 的机器人学术报告会上，Martin Buehler(Director of Robotics Boston Dynamics)称，已列入计划将BigDog的四足机器人深入研究，使其性能达到能走、跑、平衡、爬行等动态移动、运载货物、识别粗糙地形能力、自主控制能力等方面达到一个新的水

平[14]。

加拿大McGill 大学智能机器中心（Centre for intelligent Machines McGill University）Ambulatory 机器人技术实验室（Ambulatory Robotics Lab）研制了两代四足机器人Scout-I 和Scout-II[15]，Scout-I主要用来进行行走控制，每条腿只有l个自由度，且髋部只有1个驱动器．尽管其机械结构简单，动态稳定性却很令人满意；Scout-II是自主型奔跑机器人，每条腿的髋部仍只有1个驱动器，不同的是，每条腿具有两个自由度。控制器只需改变4个参数(前腿和后腿的触地力矩和触地角度)的设置就可以控制机器人的运动。

德国1998年开发的四足机器人BISAM。该机器人结构由主体、4条腿和头部组成。机器人总重14.5kg，内部装有微控制器、处理器、电池及立体摄像头。

法国的Bourges (France)大学也研制成功SILO4系列四足机器人。

韩国School of Mechanical Engineering Sungkyunkwan University设计完成一款四足爬墙机器人MRW ALLSPECT-III，并完成了从地面到墙壁的行走试验[16]。

2.4 国内四足机研究概况

我国四足移动机器人的研究从80年代开始，也取得了一系列的成果，积累了一定的研究经验，研制成功一批四足机器人样机。

吉林工业大学从2O世纪7O年代开始，由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领的两个研究小组，开始进行非常规行走机构的研究。1985年，陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车，在土槽试验中表现出较高的牵引效率，主要用于无硬底层的水田耕作[17]。

1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM 系列四足步行机器人。JTUMM—III(图11)，以马为仿生对象，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动各个关节的运动。该机器人采用两级分布式控制系统，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7 km／h 。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果[17，18]。

图11 JTUMM—III

图12 HIT-HYBTOR

另外，1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚性足步行机的研究，试制成功了一台四足步行机，并进行了步行实验。

清华大学机器人及智能自动化实验室正在研制QW-1四足全方位步行机器人[19]。

在对现有地面移动机器人结构形式及特点分析的基础上，哈尔滨工业大学提出了一种轮足式四足机器人概念模型HIT-HYBTOR[20]（图12），机器人由四个独立驱动的轮代替了四个足构成具有3个自由度的轮腿机构，其中髋关节具有2个自由度，膝关节具有1个自由度，可以根据环境需求在轮式机器人和足式移动之间切换。该模型结合轮式机器人和足式机器人的优点，根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式，期望达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一。

3. 四足机器人研究的关键技术及研究热点问题

3.1 运动稳定性研究和步态规划

行走稳定性和步态规划是研究足式机器人的不可分割两个基本问题。四足式机器人因满足三点支撑而容易保证静态稳定性,难点是如何实现动态稳定性。足式机器人的研究从稳定性和步态规划开始，首先是Muybridge 用动态摄影方法研究动物运动步态开始的开创性的工作[21]；60 年代末期McGhee 用数学方法系统的研究步态的描述和稳定性；70 年代进入广泛研究阶段，开始分类研究各类步态，并提出4、6 足周期步态的纵向稳定裕量最大的结论。

70年代末期提出了自由步态的概念（非周期步态）；80 年代广泛开展了足式机器人的样机研制。同时研究重点转向针对具体环境和应用目标进行步态设计，出现了考虑非落地足避让障碍的跟随步态，行走方向与纵轴呈任意角度的侧向步态，在步态周期中尽可能均布能耗的等相步态等一些著名步态。

四足机步态规划方面，目前研究较多的步态方式是模仿马等四足动物行走典型步态：如爬行（Crawl）,对角小跑（Trot）,溜蹄（Pace），跳跃（bounding），定点旋转（Rotation），转向（spinning）等。这几种步态在实验室条件下均有成功的试验记录。文献[22]称X-Crawl,Y-Crawl, O-Rotation及其相反方向的步态为标准步态。标准步态比较容易实现，现阶段大量的文献所研究的是这几种标准步态及其转换的规划和控制问题。如爬行步态（crawl）的规划与稳定性控制[23～28]；对角小跑稳定性步态规划控制（trot）[29～40] ；溜蹄（pace）步态规划控制的有[41]。

3.2 跳跃步态稳定性与步态规划是最具挑战性的研究课题

奔跑是足式机器人快速移动必不可少的一种步态,且机器人要想越过大于等于自身大小的障碍物，一般移动方式显得无能为力，而动物利用跳跃步态可轻易越过较大的障碍。另外在月球，火星等外太空微重力环境下，跳跃式前进的效率上具有明显的相对优势。目前对四足机步态研究，跳跃步态（bounding）的研究是最具挑战性的难点问题，原因是：

1）需要复杂的机体和腿机构的协调动作控制，同时腿机构的摆动惯性力对机体姿态的动力学性能影响明显增大，成为系统不可忽略的动力学因素。

2）腿机构的缓冲装置是必不可少的，否则机体的关节将受到很大的冲击力，有可能损坏关节和驱动元件。

3）跳跃步态需要更大的瞬时驱动力，现有的腿机构的驱动元件的功率密度还不能达到设计要求。解决跳跃步态的有效方法是仿生学的应用。

Raibert 和Murphy 等[44]，Berkemeier[45，Nanua 和Waldron[46] 等学者通过对红袋鼠跳跃运动机理的研究指出：袋鼠腿部腱肌能储存与释放运动过程中的能量，使得红袋鼠在匀高速奔跑和慢速奔跳时能量消耗相差并不大。2003 年Geyer[47]研究指出：在跳跃步态中，被动的柔性结构(腱和韧带)储存和释放部分跨越能量。这里，主动的肌肉必须提供所需要的力来克服变化的腱的应力和补偿不可避免的能量损失。根据仿生学的提示，要解决足式运动的跳跃步态规划和实用问题，首先要提高腿机构的能量利用率，解决能量利用的关键是采用高效的储能和冲击缓冲装置，将部分接触能储存并反馈给运动系统。

3.3 腿机构是四足机器人的关键部件和薄弱环节

腿机构是足式机器人的关键部件，腿机构的自由度数和工作空间是足式机器人能够实现的可能步态的几何基础；另外足的布局形式，腿的质量都对稳定性和步态也有较大的影响。

要适应野外环境的顺应行走，对腿机构提出了一些基本的要求概括为：

（1）实现运动的要求；

（2）承载负载的要求；

（3）机构实现和控制能力的要求。

而腿机构的设计准则是：

（1）腿机构应至少有3个自由度，足端具备一个立体的3维工作空间；

（2）处于支撑状态的足端相对于机体有直线轨迹，避免因机身上下波动消耗不必要的

能量；

（3）具有足够的刚性，且质量尽可能小；

从动物的腿可以明显看出，善于奔跑的动物如马，猎豹等均有质量小而结实有力的腿。动物给我们的启发就是说跳跃步态需要更大的腿动力密度。在所有的步态中，腿的质量对获得奔跑的动力学特性是最重要的[48]。

3.4 行走效率及便携式能源是四足机走出实验室的主要障碍

带线行走不可能使足式机器人真正进入实际应用，影响四足机器人走出实验室的一个主要问题是行走机械效率。由于腿机构是多关节串联机构，整体的四足机器人却是一个串并联混合机构。运动过程中各关节的关节角在不断的变化中，力或力矩的传递效率平均值较低。

目前研制成功的行走稳定性能相对比较好的TITAN-VIII 的负载能力只有5～7Kg，且行走速度与负载有很大的关系。腿机构的效率和能量利用率目前还很低。高效的动物腿机构给研究提供了很好的借鉴，但机器人各关节的驱动方式与动物存在很大的不同，动物的肌腱肌肉均是具有弹性的储能元件。机器人的腿机构和关节均为刚性连接，不但不能储能，且因触地的冲击，要消耗掉许多能量。许多学者正在研究这一问题，如卡耐基美隆大学的STEFANO Stramigioli 研究两足机器人的能量利用率问题[49]。

如何实现能量的供给是仿动物奔跑机器人面向实用设计的重点。目前，在仿生领域中这方面的技术仍处于探索和理论提出的阶段。腱、肌和韧带被许多科学家认为是奔跑动物的储存和释放能量的机构，也称为弹性储能元件。当红袋鼠在水平地面上快速跳跃时，氧气的消耗比例几乎保持不变[50]。这已经被认为是腿的长而柔性的腱储存和释放惊人的弹性能量的结果，或者是红袋鼠有着特别高效率的肌肉[51～56]。1998年Biewener通过记录地面反作用力和腿的运动学性能，得出作用在肌腱单元和马的前后腿韧带上的应力由速度和步态的变化范围决定的结论。总之，要实现足式运动的实用性，腿机构的能量利用率是一个不能不解决的问题，目前还没有得到有效的解决。