四足步行机器人文献综述

四足步行机器人文献综述

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进展成轮式移动机

器人（包括履带式）；二是基于仿生技术的运动仿生气器人。运动仿生气器人按移动方式分

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

仿生气器人。

自然环境中有约50％的地势，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地点如森林，草地

湿地，山林地等地域中拥有庞大的资源，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究，

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足的研究专门少。曾长期作为人类要紧交通工具的马，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

占有专门大的比例。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

稳固性和操纵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有用价值。

四足机器人的研究可分为早期探究和现代自主机器人研究两个

时期。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究。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操纵实现运动的进展时期。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]。这一时期的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于19 68 年设计的四足车“Walking Truck”[3]（图1）。

80年代，随着运算机技术和机器人操纵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时期。

2、现代自主机器人的研究状况

以微型运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 L AB），该实验室从80年代

开始四足机的研究，连续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。发表有关研

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列出了国内外要紧从事研究四足机的单位和其研制的典型样机型。

3、国外研制的典型样机和要紧特点

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K UMO-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，因而该机器人专门适合于教学研究用。整机售出约5O多套给日本的多个大学和研究所及世界专门多研究机构作为基础研究和应用研究的平台。其差不多参数：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。采纳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形，一样在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,该步行机采纳新型的直动型腿机构，幸免了上楼梯过程中腿间的干涉，并采纳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N INJA-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2O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）。为习惯如此复杂的任务，专门研制了更先进的机器人操作操纵系统VK-II。截至目前，広濑·福田研究室已研制出第12款机器人TITAN-X I[8]。

另外，日本电气通信大学的木村浩(Hiroshi Kimura)等研制成功专门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），用两个微处理机操纵，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纳基于神经振荡子模型CPG(Central Pattern Generator)的操纵策略[9，10]。而

CPG是足式机器人近10年来在操纵方面取得的最具突破性成果[11]。2 000-2003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Te kken4采纳了新颖的机构

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机系统操纵，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。操纵系统也采纳基于神经振荡子模型的CPG操纵器和反射机制构成的系

统，其中基于CPG的操纵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