双足行走机器人发展现状及展望_阮晓钢

倍。于是 Ｍｏｇｅｅｒ 在 １９８９ 年提出一个新的理论，完全不用 动方式以驱动速度快、负载能力强等特点已经逐渐取代
驱动也不用控制的机器人也能够实现稳定的步行运动， 了传统的驱动方式。
进而提出了“被动动力步行”概念。此后许多学者对被动
（３）改进人机接口设计。机器人应该要与人类共存并
动力行走机器人进行了深入的研究，并且研制出被动动 合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人
２ 双足行走机器人的发展现状 ２．１ 传统有动力驱动机器人 ２．１．１ 国外研究历史及现状
双足机器人的研究始于 １９６０ 年代，早在 １９６８ 年，美国 通用公司的 Ｒ．Ｓｍｏ－ ｓｈｅｒ 试制了一台名为“Ｒｉｇ”的操纵型双足 步行机器人，揭开了双足机器人研究的序幕。但该机器人只有 踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人的平衡。
在日本所有的研究机构中，早稻田大学、东京工业大 学、本田公司、索尼公司等研究机构成为双足机器人研究 的主力。早稻田大学的双足机器人研究始于 １９６８ 年，该 大学的加藤一郎教授所领导的课题组相继研制了 ＷＬ 系 列、ＷＡＢＩＡＮ 系列双足机器人。最新的研究成果为 ＷＬ－ １６ 和 ＷＡＢＩＡＮ－ ２ 机器人，ＷＬ－ １６ 腿部采用一对 ６ 自由 度的并联机构。由于并联机构刚度高，许多金属部件用聚 乙树脂代替，齿轮、电机等重量都得以减轻，可以在不平 的地面上稳定行走。ＷＡＢＩＡＮ－ ２ 不仅可以像真人一般活 动头部、躯干、四肢和手掌，而且还能够通过面部表情传 达多种人类特有的感受，例如快乐、愤怒、悲伤、惊讶和厌 恶等。最为重要的是它还可以弯曲膝盖并且以多种方式
了与人配合的行动能力，而且增加了利用手推车、搬运物
品的功能。此外，新开发出的对这些功能进行统一控制的
综合控制系统，使 ＡＳＩＭＯ 可以自行从事接待、向导、递送
等服务，极大地提高了移动能力，实现了时速 ６ｋｍ 的奔跑
和迂回行走。新 ＡＳＩＭＯ 的性能参数如下表。 新 ＡＳＩＭＯ 的性能参数表
奔跑速度
时速 ６ｋｍ（以往时速 ３ ｋｍ）
图 １ ＷＡＢＩＡＮ－ ２ 机器人 图 ２ ＷＡＢＩＡＮ－ ２ 腰部关节 日本本田公司从 １９８６ 年至今已经推出了 Ｐ 系列 １、
２、３ 型双足机器人。本田公司的设计计划着重于一般家
可以跳跃。在跳跃状态下不接触地面的时间可达 ４０ｍｓ， 行走速度为 １４ｍ／ｍｉｎ。如果假设其大小与人相同，换算过 来相当于时速 ２．５ｋｍ，给人以缓缓慢跑的印象。
跳跃时间
跳跃时间 ０．０８ｓ、跳跃时两脚离地前进距离为 ５０ｍｍ
正常行走速度 时速 ２．７ ｋｍ（以往时速 ２．５ ｋｍ）
转弯奔跑速度 时速 ５ｋｍ（转弯半径 ２．５ｍ）
搬运行走速度 时速 １．６ ｋｍ（搬运重量 １ｋｇ）
身高
１３００ｍｍ
能够实现机器人 ＱＲＩＯ 可以跑的关键在于，首先是 将电机和控制电路一体化的调节器 ＩＳＡ 转矩提高 ３０％。 此前的 ＩＳＡ 也可以通过外力使输出轴旋转，也就是提高 了所谓的反向运转性能，有助于减缓着地时的冲击力；此 外，设计 ＱＲＩＯ 的过程中，在此前的用于步行的算法（ＺＭＰ 稳定步行控制） 中增加了可即时控制机器人的跳跃方向 和在空中时可保持平衡状态的姿势控制等的算法。 ２．１．２ 国内研究历史及现状
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双足行走机器人发展现状及展望
阮晓钢 １， 仇忠臣 ２， 关佳亮 １ （１． 北京工业大学 人工智能与机器人研究所，北京 １０００２２；２． 北京工业大学 机电学院，北京 １０００２２）
摘 要：文中介绍了双足行走机器人的概念和特点，简要地阐述了国内外双足机器人的发展，结合图文详述了双足机器
上述各种双足行走机器人属于动力驱动机器人，因
体重
５４ｋｇ
此设计中能量消耗大的问题一直是设计者考虑的重点。
关节自由度 ３４ 个
据估计，本田公司的 ＡＳＩＭＯ 耗用的能量至少比人大 １０
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但在稳定性、人与机器人协调合作等方面还存在很大的wenku.baidu.com
个人电脑或便携式控制器操作步行方向和关节及手的动
图 ５ 索尼公司的 ＱＲＩＯ 图 ６ 索尼公司 ＱＲＩＯ（侧）
作。并且采用 Ｉ－ ＷＡＬＫ 技术，可更加自由地步行，Ｉ－ ＷＡＬＫ
技术是在过去的双脚步行技术的基础上组合了新的“预
测运动控制”功能。它可以实时预测以后的动作，并且据
此事先移动重心来改变步调。过去由于不能进行预测运
（３）双足行走是生物界难度最大的步行动作，但其步 行性能却是其它步行结构所无法比拟的。
此外，双足行走机器人能够在人类的生活和工作环 境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大 规模改造。所以双足行走机器人具有广阔的应用领域，特 别是作为残疾人（下肢瘫痪者或截肢者）提供室内和户外 行走工具、极限环境下代替人工作业等方面更是具有不 可替代的作用。
（１． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２２， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２２， Ｃｈｉｎａ）
图 ３ 新 ＡＳＩＭＯ 机器人 图 ４ 新 ＡＳＩＭＯ 在转弯行走
索尼公司开发出了世界首台会跑的双足机器人
“ＱＲＩＯ”。索尼公司定义的“跑”是指机器人行走时双足处
于离开地面的非接触状态，并不是那种一定要某只脚接
触地面的快步行走（类似于竞走运动）。ＱＲＩＯ 在行走时可
以有约 ２０ｍｓ 的不接触地面的时间，不仅可以行走，而且
国内双足行走机器人的研究起步较晚，开始于 １９８８ 年国防科技大学的六关节平面运动型双足步行器。国防 科技大学的“先行者”是国内第一台仿人机器人，高 １４００ｍｍ， 重 ２０ｋｇ，可以以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差 的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。随后清华 大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、中科院沈阳自动 化所等单位都开展了双足机器人的研究，并取得了很多 的成果，如哈尔滨工业大学的 ＨＩＴ 系列、北京理工大学的 ＢＨＲ 系 列 双 足 机 器 人 ，其 最 新 成 果 分 别 为 ＨＩＴ－ ４ 和 ＢＨＲ－ ２ 型。另据报道，北京中关村的一家名为汉库科技 的企业在 ２００６ 年初成功推出一款双足行走机器人，称是 目前中国最先进的双足行走机器人。 ２．２ 被动式行走机器人的研究现状
人的最新研究领域和现状，并对双足机器人的发展趋势作了详细的展望。
关键词：双足机器人；发展；被动式；趋势
中图分类号：ＴＰ２４２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－ ２３３３（２００７）０２－ ００１７－ ０３
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｐｒ ｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ Ｂｉｐｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ｒｕａｎ Ｘｉａｏ－ ｇａｎｇ１， ＱＩＵ Ｚｈｏｎｇ－ ｃｈｅｎ２， ＧＵＡＮ Ｊ ｉａ－ ｌｉａｎｇ１
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活动它的脚掌，通过机器人的模拟运动，人们便可以得到 许多观测真人时所不可能得到的定量数据。所以，借助 ＷＡＢＩＡＮ－ ２ 对人类行走方式进行最大限度地模仿，研究 人员将可以获得对人类病理学的更深层次的了解，从而 可以得到对开发新型医疗和康复设备极有助益的信息。
图 ７ 汉库科技机器人 图 ８ 哈工大 ＨＩＴ－ ３ 机器人 了这些问题，双足机器人才能实现自然、顺畅地行走，从
而更好地完成任务。２００６ 年 １０ 月在中国苏州举行的机
器人大赛上，所展出的双足机器人已经具有较好的稳定
性，不但具有顺畅的行走能力，而且在不慎摔倒时还能够
独立地站立起来继续行走。
（２）开发新型关节驱动器。双足机器人的自由度是其
１９６８～１９６９ 年，南斯拉夫的著名科学家 Ｍ．Ｖｕｋｏｂｒａｔｏｖｉｃ 提出了一种重要的研究双足机器人的理论，即 ＭＰ 稳定 判据，并研制出世界上第一台真正意义的双足机器人。随 后各国的学者和研究机构纷纷展开双足机器人的研究工 作。据韩国的一个机器人网站统计，截至 ２００５ 年 ３ 月，世 界上共有 ７６ 个双足机器人的项目正在进行中，其中日本 ３６ 个，由此不难看出日本在双足机器人研究领域的突出 地位，其研究成果也是最为杰出的。
（１）双足机器人对步行环境要求很低，能适应各种地 面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走， 而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄 的路面，故它的移动“盲区”很小。
（２）双 足 机 器 人 具 有 广 阔 的 工 作 空 间 ，由 于 行 走 系 统 占 地 面 积 小 ，活 动 范 围 很 大 ，其 上 配 置 的 机 械 手 具 有 更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧 凑。
１前言 机器人是近年来发展起来的综合学科，随着科学技
术发展，机器人的含义也在不断地拓宽，一般是指机器人 化的技术或系统；现代的机器人已跨出了结构化环境的 生产车间，向着人类生活的诸多方面渗透。
双足行走机器人属于类人机器人，典型特点是机器 人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及 髋关节、膝关节和踝关节。并以执行装置代替肌肉，实现 对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一 定角度的相对转动。与其它足式机器人相比，双足机器人 还具有如下的优点：
用的机器人，而并不是针对特殊任务。所以这种设计的最
大挑战是要让机器人在布满家具的房间中来去自如，而
且还要能自由上下楼梯。本田公司于 ２０００ 年 ｌ１ 月 ２０ 日
推出了双脚步行机器人“ＡＳＩＭＯ”。ＡＳＩＭＯ 与 Ｐ３ 相比，实
现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，更接
近人类的步行方式。ＡＳＩＭＯ 高 １２００ｍｍ，体重 ４３ｋｇ，使用
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ， ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔ， ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｇｒａｐｈｉｃ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ； ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ； ｉｎａｃｔｉｖｅ ｍｏｄｅ； ｐｒｏｓｐｅｃｔ
完成动作质量的保证，自由度越多其动作越协调、顺畅。
目前研制的双足机器人自由度最少的也有十几个，最多
图 ９ ＢＨＲ－ ２ 仿人型 图 １０ 代尔夫特、ＭＩＴ、康奈尔
机器人刀术表演
的被动动力行走机器人
的达到几十个。自由度的增多的同时对驱动器的要求也 越来越高，已不局限于传统的几种方式，形状记忆合金驱 动、压电陶瓷驱动等方式逐渐应用到机器人领域，这些驱
动控制，因此当从直行改为转弯时，必须先停止直线行动
作后才可以转弯；而 ＡＳＩＭＯ 通过事先预测到下肢转弯以
后重心向外侧倾斜多少等重心变化，可以使得从直行改
为转弯时的步行动作变得连续流畅。
本田公司在 ２００５ 年 １２ 月发布了新一代“ＡＳＩＭＯ”，
它可以在办公室等现实环境中工作，具有很高的运动能
力。和以往相比，新 ＡＳＩＭＯ 可以和人手拉手走路等，强化
不足，这也是双足行走机器人没有走进我们生活的主要
原因。综合研究现状，双足行走机器人具有以下几个发展
趋势，当然也是进一步研究的重点所在。
（１）稳定性与控制。稳定性与控制策略是双足行走机
器人技术的关键，也是各国学者研究的焦点。具体主要有
双足运动的动态稳定与控制机理、双足步行运动的固有
鲁棒性机理、实时步态规划与控制等几个方面。只有解决