多足步行机器人概况

多足步行机器人概况

摘要：本文介绍了多足步行机器人的发展阶段，指出了其的优点，详细的介绍国内外多足机器人的发展状况，纵观国内外的发展成果，指出多足机器人的发展趋势及存在的问题。

关键词：多足步行机器人，趋势，问题

Overview of Multi-legged Walking Robots （School of Electrical Engineering and Automation , Shanghai University, Shanghai 200072, China）

Abstract：This article describes the development of multi-legged walking robots, points out the advantages, describs the development of domestic and foreign multi-legged robots’ situation in detail. looking at the fruits of development at home and abroad, we points out the development trends of multi-legged robots and existing problems.

Key words：Multi-legged Walking Robots, trends, problems

1.引言

多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构，是模仿多足

动物运动形式的特种机器人，是一种智能型机器人,它是涉及到生物科学、仿生学、机

构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技。所谓多足一般指四足及四足

其以上，常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机

器人等。

步行机器人历经百年的发展，取得了长足的进步，归纳起来主要经历以下几个阶

段:

第一阶段，以机械和液压控制实现运动的机器人。

第二阶段，以电子计算机技术控制的机器人。

第三阶段，多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。

与其他行走方式相比，足式行走机器人的优点[1]：

第一，足式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是

一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，

可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形

中已经不适用。而足式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对这种地形的适应性

较强，正因为如此，足式机器人对环境的破坏程度也较小。

第二，足式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通

过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此

不易翻倒，稳定性更高。

第三，足式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的

身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。当机器人需要携带

科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，

就可以达到对对象进行操作的目的。

2.研究主要成果

2.1国内多足步行机器人的研究成果：

1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列[2]四足步行机器人。JTUWM-III 是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM-III以对角步态行走，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JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/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。

2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR[3]，如图1所示。其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1mm/s。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。

图1 MDTWR双三足步行机器人

2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人[4]的研究，如图2所示。该步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。

图2 微型六足仿生机器人

2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究[5]，从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建，研究了多足步行机的单足周期运动规律，提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法，并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。

2.2 国外多足步行机器人的研究成果

1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER[6]，如图3所示。该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3，180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划。

图3 六足步行机器人AMBLER

1993年，美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE[7]，用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用，如图4所示。1994年，DANTE-II对距离安克雷奇145 km的斯伯火山进行了考察，传回了各种数据及图像。

图4 八足步行机器人DANTE-II

1996~2000年，美国罗克威尔公司在DARPA资助下，研制自主水下步行机ALUV[8](Autonomous Legged Underwater Vehicle)，如图5所示。该步行机模仿螃蟹的外形，每条腿有两个自由度，具有两栖运动性能，可以隐藏在海浪下面，在水中步行，当风浪太大时，将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器，用于探测岸边的地雷，当它遇到水雷时，自己爆炸同时引爆水雷。