足式移動(dòng)機(jī)器人專題

1、足式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域中最活躍的一份子，足式移動(dòng)機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和更高的靈活性，能夠輕松的融進(jìn)人類生活，與人類協(xié)同工作，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，足式移動(dòng)機(jī)器人在諸如大眾服務(wù)行業(yè)、教育、醫(yī)療、無人工廠、宇宙探索等都有著潛在而又廣闊的應(yīng)用前景。足式移動(dòng)機(jī)器人分類 自然界中總存在著一些人類難以到達(dá)（如外太空、深海等）和危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境（如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、輻射地區(qū)），于是就開發(fā)利用能夠自主運(yùn)行的可移動(dòng)機(jī)器人代替人類從事一些危險(xiǎn)和難以觸及的環(huán)境方面的作業(yè)。由于足式移動(dòng)機(jī)器人比其它移動(dòng)機(jī)器人有著更好的地形適應(yīng)能力，并且更加靈活，因此在實(shí)際中得到了更加廣泛的應(yīng)用。足式移動(dòng)機(jī)器人按照其“腿部”的數(shù)量不同可以分為單足式移動(dòng)

2、機(jī)器人、雙足式移動(dòng)機(jī)器人和多足式移動(dòng)機(jī)器人（包括四足式移動(dòng)機(jī)器人、六足式移動(dòng)機(jī)器人和八足式移動(dòng)機(jī)器人等）。1. 單足式移動(dòng)機(jī)器人單足式移動(dòng)機(jī)器人一般做成彈跳式，1980年世界上最早的彈跳機(jī)器人在麻省理工學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制成功，該機(jī)器人采用連續(xù)跳躍機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)彈跳。單足機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，做成彈跳式可以越過數(shù)倍自身尺寸的障礙物，比其它足式機(jī)器人更加適應(yīng)多障礙物的環(huán)境，在考古探測(cè)、地形勘察等領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。如圖為單足式彈跳機(jī)器人。 2. 雙足式移動(dòng)機(jī)器人雙足式移動(dòng)機(jī)器人幾乎可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形，對(duì)步行環(huán)境要求很低，有教高的跨越障礙能力，不僅可以在平面上行走，而且能夠方便地上下臺(tái)階及通過不平

3、整、不規(guī)則或較窄的路面，它是足式移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用最多的。雙足步行機(jī)器人能突顯出科技水平個(gè)性化，可提高服務(wù)水平，擔(dān)當(dāng)導(dǎo)游、服務(wù)、咨詢、信息查詢等角色。這不僅僅是一個(gè)服務(wù)問題和節(jié)省人力的問題，更重要的是它可以提供各種全面特殊的服務(wù)，一人可在不同的場(chǎng)合充當(dāng)不同的角色，可以自動(dòng)識(shí)別行走過程中碰到的障礙物，并做語(yǔ)音提示。如圖為一種雙足式移動(dòng)機(jī)器人。 3. 多足式移動(dòng)機(jī)器人多足步行機(jī)器人是一種具有冗余驅(qū)動(dòng)、多支鏈、時(shí)變拓?fù)溥\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)足式機(jī)器人，多足步行機(jī)器人具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和更好適應(yīng)不平地面的能力,能完成多種機(jī)器人工作。常見多足式移動(dòng)機(jī)器人包括四足步行機(jī)器人、六足步行機(jī)器人、八足步行機(jī)器人等。如圖為仿犬的四

4、足步行機(jī)器人。 下圖為八足步行機(jī)器人。 單足步行機(jī)器人簡(jiǎn)介與其它類型的足式移動(dòng)機(jī)器人相比，單足步行機(jī)器人雖然腿部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其行平衡性較差、并且行走較難控制，在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值不大，常作為小型的教育型機(jī)器人。為了提升單足式移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用價(jià)值，常將單足式移動(dòng)機(jī)器人的足部設(shè)計(jì)成彈跳式和球輪式特殊結(jié)構(gòu)。單足彈跳機(jī)器人輪動(dòng)與爬行都不能越過與自身大小相當(dāng)?shù)恼系K，只有彈跳才能做到，彈跳機(jī)器人可以越過數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙物。彈跳結(jié)構(gòu)與其它移動(dòng)方式結(jié)合可以大大提高機(jī)器人的活動(dòng)范圍，而且彈跳運(yùn)動(dòng)的突然性與爆發(fā)性有助于機(jī)器人躲避危險(xiǎn)。單足跳躍機(jī)器人雖然實(shí)際的應(yīng)用能力有限，但其獨(dú)特的越障性能使其仍具備

5、一定的研究?jī)r(jià)值。Raibert在1984年設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)以跳躍方式運(yùn)動(dòng)的單腿機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面內(nèi)，腿部裝有氣缸，作用相當(dāng)于彈簧，因此它在地面上的運(yùn)動(dòng)類似于一個(gè)帶彈簧的倒立擺。其控制器分為3個(gè)相互獨(dú)立的部分，分別控制高度、前向速度和姿態(tài)。之后，美國(guó)明尼阿波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究員尼古斯·古洛波洛斯和他的同事研制出一種可以跳上樓梯和搜查危險(xiǎn)建筑物內(nèi)部的微型機(jī)器人，這種機(jī)器人可以用于城市戰(zhàn)爭(zhēng)或幫助警察挫敗處于包圍之中的劫持人質(zhì)的恐怖分子。單足球輪機(jī)器人傳統(tǒng)的單足機(jī)器人由于受到腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制的限制，很難在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活的全方位移動(dòng)，為解決這一問題，將足部末端的

6、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成圓球體結(jié)構(gòu)，從而出現(xiàn)了單球輪移動(dòng)機(jī)器人。單足球輪移動(dòng)機(jī)器人依靠圓球體在地面上移動(dòng)，圓球體相當(dāng)于不受方向限制的輪子，在小范圍內(nèi)可以靈活的全方位移動(dòng)。單球輪移動(dòng)機(jī)器人與地面的只有一個(gè)接觸點(diǎn)，所以不能保持靜態(tài)穩(wěn)定，只能處于動(dòng)態(tài)的平衡當(dāng)中。單球輪機(jī)器人換向時(shí)不用轉(zhuǎn)彎，當(dāng)工作區(qū)域特別狹窄時(shí)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性?？偟膩碚f，單球輪機(jī)器人具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)彎半徑為零：機(jī)器人能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，不需要轉(zhuǎn)彎便可以調(diào)整移動(dòng)方向，可以在小空間內(nèi)靈活移動(dòng)； （2）無剎車系統(tǒng)：通過CPU控制電機(jī)提供正反轉(zhuǎn)力矩，不需要減速器就能快速穩(wěn)定的剎車； （3）功耗?。核枰尿?qū)動(dòng)功率較小，可延長(zhǎng)電

7、池供電時(shí)間； （4）體積小：相比傳統(tǒng)多輪機(jī)器人，單球輪機(jī)器人占地面積小得多。最早對(duì)單球輪移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行研究的是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)。2005年前后，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的、GA.Kantor和在前人研究的基礎(chǔ)上，推出了一個(gè)新型獨(dú)輪自平衡機(jī)器人“Ballbot”，如圖所示，研究該機(jī)器人的主要目的在于更好的與人進(jìn)行人機(jī)交互。機(jī)器人的正身是一個(gè)高度為1.5m，直徑為400mm，重量為45kg的圓柱。與一般的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人最大的不同是，“Ballbot”可以靈活的向任意方向運(yùn)動(dòng)。單足球輪式機(jī)器人Ballbot之后在2008年，日本東北大學(xué)在圓球機(jī)器人“BallBot”的研究之上先后發(fā)明了兩種類型的單球

8、輪移動(dòng)機(jī)器人，分別命名為“BallIP1”和“BallIP2”。第一種機(jī)器人“BallIP1”如圖（a）所示，它的總高度約1300mm，無球時(shí)的重量為12kg，球重3.6kg。之后研究的第二個(gè)機(jī)器人“BallIP2”如圖（b）所示，機(jī)器人“BallIP2”的預(yù)期研究目的是運(yùn)輸貨物，它的設(shè)計(jì)比前者要小，高度大約為500mm，無球時(shí)重量約為11kg，每個(gè)機(jī)器人所用的球輪都是一個(gè)橡皮保齡球（使用液體橡膠噴涂層），直徑約為200mm。機(jī)器人“BallIP1”（左）和“BallIP2”（右）雙足步行機(jī)器人簡(jiǎn)介雙足步行機(jī)器人是一種有著良好的自由度，并且靈活、穩(wěn)定，能夠適合各種不同的環(huán)境，集機(jī)械、電子、信息

9、、光檢測(cè)為一體的具有“兩條腿”可以類人直立行走的機(jī)器人。雙足機(jī)器人的研究歷史已有近40年,早在1968年,美國(guó)通用公司試制了一臺(tái)名為“Rig”的操縱型雙足機(jī)器人,揭開了雙足機(jī)器人研究的序幕。1972年，日本早稻田大學(xué)研制出第一臺(tái)功能較全的兩足步行機(jī)器人。接著，美國(guó)、南斯拉夫等學(xué)者也研制出各種兩足走行機(jī)器人模型。到80年代國(guó)外的雙足機(jī)器人研究進(jìn)入熱潮，并提出了很多非常系統(tǒng)的建模及控制的理論和方法。 目前雙足機(jī)器人的研究已取得了一定的成果,尤其是近幾年來隨著驅(qū)動(dòng)器、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的機(jī)器人樣機(jī),不僅實(shí)現(xiàn)了平地步行、上下樓梯和上下斜坡等步態(tài),有的還能實(shí)現(xiàn)跑步、彈跳及跳

10、舞等動(dòng)作。 雙足步行機(jī)器人因其具有體積相對(duì)較小，對(duì)非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面具有良好的適應(yīng)性、自動(dòng)化程度高，并且能耗較少、移動(dòng)盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，使其成為了機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。雙足式移動(dòng)機(jī)器人雖然研究難度較大，但其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，很多學(xué)者紛紛投入到雙足機(jī)器人的研究中來，也不斷研發(fā)出了適合不同工作環(huán)境的“專用”機(jī)器人，如在服務(wù)行業(yè)兩足機(jī)器人可以擔(dān)當(dāng)導(dǎo)游、服務(wù)員、提供咨詢等，在海洋開發(fā)方面兩足機(jī)器人可以深入海底進(jìn)行深海探索等。相對(duì)其它移動(dòng)機(jī)器人雙足步行機(jī)器人也有著一定的缺點(diǎn)使其應(yīng)用受限，比如行進(jìn)速度較低，且由于重心原因容易側(cè)翻，不穩(wěn)定等。 雙足步行機(jī)器人按其行走方式的不同主要有靜態(tài)步行、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行和動(dòng)態(tài)

11、步行三種類型。 靜態(tài)步行 兩足步行機(jī)器人靠地面反力和摩擦力來支撐，繞此合力作用點(diǎn)力矩為零的點(diǎn)稱為零力矩點(diǎn)(ZMP)。在行走過程中，始終保持ZMP在腳的支撐面或支撐區(qū)域內(nèi)。 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行 把維持機(jī)器人的行走分為單腳支撐期和雙腳支撐期，在單腳支撐期采用靜態(tài)步行控制方式，將雙腳支撐期視為倒立擺，控制重心由后腳支撐面滑到前腳支撐面。 動(dòng)態(tài)步行 這是一種類人型的行走方式。在行走過程中，將整個(gè)驅(qū)體視為多連桿倒立擺，控制其姿態(tài)穩(wěn)定性，并巧妙利用重力、蹬腳和擺動(dòng)推動(dòng)重心前移，實(shí)現(xiàn)兩足步行。動(dòng)態(tài)步行涉及機(jī)構(gòu)控制和能源等難題，目前仍處于研究階段，兩足步行機(jī)器人可用于宇宙探測(cè)、排險(xiǎn)及軍事等方面。 雙足步行機(jī)器人產(chǎn)品介

12、紹 雙足機(jī)器人的研究始于1968年，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已取得了一定的成果，目前為止全球研究雙足機(jī)器人的公司和組織有很多，也開發(fā)出了很多產(chǎn)品，并且部分產(chǎn)品也已經(jīng)用于實(shí)踐，進(jìn)入到人們生活和工作中。下面列舉一些比較好的雙足機(jī)器人產(chǎn)品。2005年4月12日，ZMP公司開發(fā)出雙腳步行機(jī)器人“NUVO”，該機(jī)器人具有語(yǔ)音識(shí)別功能，可由手機(jī)遠(yuǎn)程遙控。后來，ZMP公司又陸續(xù)開發(fā)了很多雙腳步行機(jī)器人，如iPod周邊機(jī)器人Miuro，說白了其實(shí)就是一款iPod音箱，不過它是第一個(gè)會(huì)自己走動(dòng)的iPod音箱。該機(jī)器人通過“身體兩側(cè)”的圓形揚(yáng)聲器滾動(dòng)行走，可連接iPod播放音樂，或通過無線接收電腦中的音樂播放。Miu

13、ro還裝配了遙控器控制，通過內(nèi)置攝像頭和傳感器自主行動(dòng)，在屋子里隨處跟著主人播放音樂。 “NUVO”機(jī)器人2009年，日本本田公司研制的雙足機(jī)器人阿西莫(ASIMO)，可以稱得上是世界上最先進(jìn)的類人機(jī)器人，是當(dāng)時(shí)全球唯一具備人類雙足行走能力的機(jī)器人。阿西莫使用日本本田公司設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新技術(shù)，通過識(shí)別大腦頭皮電流變化和血液的流動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)由人的大腦意念來控制機(jī)器人。這種新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)比如打開汽車車門或者關(guān)閉家里的暖氣這樣簡(jiǎn)單的動(dòng)作，也許不久以后就再也不需要親自動(dòng)手了，只用坐在舒服的沙發(fā)上靜靜地想象整個(gè)動(dòng)作過程，與大腦相連接的機(jī)器人就能幫助完成。 機(jī)器人阿西莫 隨著步行機(jī)器人的不斷發(fā)展，其功能

14、、用途、種類也不斷增多。比如2010年9月日本千葉工業(yè)大學(xué)研究人員制造出一個(gè)雙腳步行的機(jī)器人“大力士”core，它能一次運(yùn)載100公斤重的物品?！癱ore”高約2米，重230公斤，通過兩條腿步行前進(jìn)，在運(yùn)送重物時(shí)，其雙腿能做出屈伸動(dòng)作。“core”使用的單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)輸出功率為1.2千瓦，最大可達(dá)3千瓦，相當(dāng)于小型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的5倍，"core"的每條腿上各有6臺(tái)這種發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)人員還為“core”的腿部添加了特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)它的腳落在地面時(shí)，其腿部可吸收約80%的沖擊力。 “大力士”機(jī)器人core 2011年8月，美國(guó)密歇根州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研制出一款能夠像人類一樣奔跑的

15、機(jī)器人，讓雙腿機(jī)器人的敏捷性和效率達(dá)到一個(gè)新的高度。這款機(jī)器人名為“MABEL”，最高速度可達(dá)約每小時(shí)11公里，據(jù)信是世界上速度最快的雙腿有膝機(jī)器人。MABEL重量分布方式與人類相似，它的軀干更重，腿部輕巧而靈活，裝有充當(dāng)肌腱的彈簧。MABEL每跨一步時(shí)在空中的停留時(shí)間占到40%，就像是一個(gè)真正的奔跑者。在穿行于復(fù)雜地形和進(jìn)入建筑物內(nèi)執(zhí)行任務(wù)方面，具備出色奔跑能力的雙腿機(jī)器人擁有優(yōu)勢(shì)。MABEL可以充當(dāng)機(jī)器人士兵或者營(yíng)救人員進(jìn)入著火的房屋搜尋幸存者。 機(jī)器人“MABEL”多足步行機(jī)器人簡(jiǎn)介在自然界和人類社會(huì)中存在一些人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合。如行星表面、災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)

16、救援和反恐斗爭(zhēng)等，對(duì)這些危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。地形不規(guī)則和崎嶇不平是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)。以往的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，不管是輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和單、雙足式移動(dòng)機(jī)器人都難以滿足以上需求，由于多足步行機(jī)器人對(duì)崎嶇和不規(guī)則地形的獨(dú)特適應(yīng)能力，使多足步行機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來。多足步行機(jī)器人是一種具有冗余驅(qū)動(dòng)、多支鏈、時(shí)變拓?fù)溥\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，模仿多足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形式的特種機(jī)器人。國(guó)內(nèi)外研究多足步行機(jī)器人最早可以追溯到我國(guó)的三國(guó)時(shí)期，蜀漢丞相諸葛亮發(fā)明的一種運(yùn)輸工具“木牛流馬”。國(guó)外有據(jù)可查的記載是Rygg在1893年設(shè)計(jì)的機(jī)械馬。此后多

17、足步行機(jī)器人歷經(jīng)一百多年的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，歸納起來主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：第一階段，機(jī)械和液壓控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展階段。二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)的 Shigley( 1960年)和Baldwin(1966年)就使用凸輪連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出比輪式車或履帶車更為靈活的步行機(jī)。這一階段比較典型的是美國(guó)的 Mosher于1968年設(shè)計(jì)的四足車"Walking Truck"，步行車的四條腿由液壓伺服馬達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，安裝在駕駛員手臂和腳上的位置傳感器完成位置檢測(cè)功能。雖然整機(jī)操作比較費(fèi)力，但實(shí)現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種

18、要人跟隨操縱的步行機(jī)并沒有體現(xiàn)步行機(jī)器人的實(shí)質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機(jī)械移動(dòng)裝置。第二階段，由于計(jì)算機(jī)大計(jì)算量的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力的提高，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了全面發(fā)展的階段。1987年，K. J. Waldron 等研制成功了ASV六足步行機(jī)器人；1989 年， W.Whittake 等成功研制了用于外星探測(cè)的六足機(jī)器人AMBLER；1993年1月，八足步行機(jī)器人 DANTE 用于對(duì)南極的埃里伯斯火山的考察，而后，其改進(jìn)型DANTE-II也在實(shí)際中得到使用。在航空領(lǐng)域，美國(guó)NASA研制了爬行機(jī)器人“spider-bot”；英國(guó)在 1993 研制了六足步行機(jī)器人“MARV”，印度也于 2002 年

19、研制了六足行走式機(jī)器人“舞王”。第三階段，多功能性和自主性的要求使得機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。由于許多危險(xiǎn)工作可以由機(jī)器人來完成，這就要求機(jī)器人不但要具備完成各種任務(wù)的功能，還必須有自適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制性能。所以，多足步行機(jī)器人的研究也進(jìn)入了融合感知、規(guī)劃和行動(dòng)與交互的自主或與人共存的新一代機(jī)器人研究階段。在國(guó)內(nèi)，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、 國(guó)防科技大學(xué)等單位和院校都先后開展了機(jī)器人技術(shù)的研究，并在多足步行機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展上也取得了較大的成果。隨著對(duì)多足步行機(jī)器人的研究的日益深入和發(fā)展，多足步行機(jī)器人在速度、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和對(duì)地面的適應(yīng)能力等方面的性能

20、都在不斷提高。總的來說，多足步行機(jī)器人主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：第1、 多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸地面，對(duì)環(huán)境的破壞程度也較小，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)以適應(yīng)崎嶇地形。第2、 多足步行機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，使運(yùn)動(dòng)靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體平衡，也可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心位置，穩(wěn)定性高，不易翻倒。第3、 多足步行機(jī)器人的身體與地面是分離的，這樣可以使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有隔振能力，機(jī)器人的身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不用考慮地面的粗糙程度和腿的放置位置。第4、 多足步行機(jī)器人在不平路面和松軟路面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗少。 當(dāng)然，多足

21、步行機(jī)器人也存在一些不足之處,當(dāng)今多足步行機(jī)器人仍然面臨很多亟待解決的問題：第一、有些多足步行機(jī)器人的體積和重量很大。在實(shí)際應(yīng)用中未必有足夠大的空間能夠容納它們或者根本不允許體積較大的機(jī)器人出現(xiàn)，并且為使腿部協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到程序控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜。從實(shí)用化角度出發(fā)，這類多足步行機(jī)器人在小型化方面還需要進(jìn)行更深入的研究和改進(jìn)。尤其是機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件電路、電源系統(tǒng)、傳感器等，需要尋找體積更小、效率更高的替代品。第二、大多數(shù)多足步行機(jī)器人研究平臺(tái)的承載能力不強(qiáng)，從而導(dǎo)致它們沒有能力承載視覺設(shè)備。而且多足步行機(jī)器人的視覺研究也不太成熟，而視覺正是多足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主化和智能化的關(guān)

22、鍵之一。要解決這個(gè)問題，首先還需改進(jìn)現(xiàn)有多足步行機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠承受更大的負(fù)載；其次是改進(jìn)視覺圖像處理的算法，增強(qiáng)圖像處理的實(shí)時(shí)性、快速性和準(zhǔn)確性。第三、步行敏捷性方面。多足步行機(jī)器人有很好的地面適應(yīng)能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在機(jī)器人動(dòng)步態(tài)步行方面的研究比較缺乏。這就提出機(jī)器人動(dòng)步行步態(tài)規(guī)劃問題。因此多足步行機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性需要進(jìn)一步提高。隨著計(jì)算機(jī)和智能化的不斷進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)，使多足步行機(jī)器人具備更加廣闊的應(yīng)用前景，多足步行機(jī)器人將在更多場(chǎng)合和更加特殊環(huán)境中使用?？v覽當(dāng)前多足步行機(jī)器人的發(fā)展，多足步行機(jī)器人有以下幾個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)： 1、 多足步行機(jī)

23、器人群體協(xié)作。 多個(gè)多足步行機(jī)器人協(xié)調(diào)合作共同完成某項(xiàng)任務(wù)。與單個(gè)多足步行機(jī)器人相比，多個(gè)多足步行機(jī)器人的總負(fù)荷更大，可以攜帶的儀器和工具更多，功能性更強(qiáng)。它們之間通過通信進(jìn)行協(xié)調(diào)，也可以按照某種規(guī)則指定主機(jī)器人和從機(jī)器人，從而按照一定的隊(duì)形和順序?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行不同的測(cè)量和操作。而當(dāng)其中某一多足步行機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，其它機(jī)器人還可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性。2、 多足步行機(jī)器人的智能化。傳統(tǒng)步態(tài)規(guī)劃的方法是在機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，并且己知步行環(huán)境，來計(jì)算機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的。這就提出了在機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的識(shí)別后，具有普遍實(shí)用意義的智能化的自主步態(tài)規(guī)劃生成及控制的研究， 以及對(duì)機(jī)器人

24、實(shí)現(xiàn)步行空間精度定位問題的研究。3、 多足步行機(jī)器人的模塊化和可重組。針對(duì)不同的工作環(huán)境，機(jī)器人需要根據(jù)環(huán)境的變化對(duì)自己的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。而模塊化設(shè)計(jì)的多足步行機(jī)器人則可以根據(jù)環(huán)境的不同進(jìn)行自重構(gòu)。自重構(gòu)多足步行機(jī)器人比起固定結(jié)構(gòu)的多足步行機(jī)器人對(duì)地形的適應(yīng)性更強(qiáng)，可應(yīng)用的場(chǎng)合更多。因此，自重構(gòu)機(jī)器人是多足步行機(jī)器人的發(fā)展方向之一。多足步行機(jī)器人的主要研究成果和產(chǎn)品 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)家研制出各種機(jī)器人，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人都已進(jìn)入了實(shí)用化階段。近些年來，由于資源短缺問題日益嚴(yán)重，很多國(guó)家和學(xué)者紛紛投入到海洋開發(fā)、星際探索等中去，由于多足步行機(jī)器人對(duì)復(fù)雜、未知

25、環(huán)境的獨(dú)特適應(yīng)能力，以及其靈活、全方位運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使其在海洋開發(fā)、星際探索等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 所謂多足一般指四足及四足其以上，常見的多足步行機(jī)器人包括四足步行機(jī)器人、六足步行機(jī)器人、八足步行機(jī)器人等。國(guó)內(nèi)多足步行機(jī)器人的研究成果 1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人。JTUWM-III是模仿馬等四足哺乳動(dòng)物的腿外形制成，每條腿有3個(gè)自由度，由直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。在進(jìn)行步態(tài)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)3個(gè)自由度的協(xié)調(diào)控制，可完成單腿在空間的移動(dòng)。該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)模擬電路兩級(jí)分布式控制系統(tǒng)，JTUWM-III以對(duì)角步態(tài)行走，腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)

26、絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，采用力和位置混合控制，實(shí)現(xiàn)了四足步行機(jī)器人JTUWM-III的慢速動(dòng)態(tài)行走，極限步速為1.7km/h。為了提高步行速度，將彈性步行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于該四足步行機(jī)器人，產(chǎn)生緩沖和儲(chǔ)能效果。  2000年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對(duì)第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動(dòng)的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。其第一代的每條腿只有2個(gè)自由度，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，只能進(jìn)行直線式靜態(tài)步行，平均行走速度為1mm/s。將機(jī)體的主體部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，由上下兩層相互平行的三叉支架組成，將六足改進(jìn)為雙三足，引入身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用新型的組合偏動(dòng)SMA驅(qū)動(dòng)器，使新

27、一代的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR具有全方位運(yùn)動(dòng)能力。 2002年，上海交通大學(xué)的顏國(guó)正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究。該步行機(jī)器人外形尺寸為：長(zhǎng)30mm，寬40mm，高20mm，質(zhì)量?jī)H為6.3kg，步行速度為3mm/s。他們?cè)诜治隽憷ハx運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用連桿曲線圖譜確定行走機(jī)構(gòu)的尺寸，采用微型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人具有較好的機(jī)動(dòng)性。2003年哈爾濱工程大學(xué)的孟慶鑫、袁鵬等進(jìn)行了兩棲仿生機(jī)器蟹的研究，從兩棲仿生機(jī)器蟹的方案設(shè)計(jì)到控制框架構(gòu)建，研究了多足步行機(jī)的單足周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提

28、出適合于兩棲仿生機(jī)器蟹的單足運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃方法，并從仿生學(xué)角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運(yùn)動(dòng)的控制問題，建立了生成周期運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)振蕩子模型。 國(guó)外多足步行機(jī)器人的研究成果國(guó)外對(duì)于多足仿生機(jī)器人的研究較早，技術(shù)比較成熟的主要有美國(guó)、德國(guó)、日本。其中美國(guó)所設(shè)計(jì)的多足機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到了實(shí)戰(zhàn)的要求。近年來公布的資料顯示美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）制作了一系列用于執(zhí)行太空任務(wù)的多足機(jī)器人將研究其推向了很高的領(lǐng)域和高度。下面介紹一下國(guó)外做的一些技術(shù)相對(duì)完善的多足機(jī)器人，這也是在設(shè)計(jì)過程中主要參考的對(duì)象。為了盡量減少宇航員在惡劣的太空環(huán)境維護(hù)空間站受到的傷害，急需研制一個(gè)空間機(jī)器人代替人進(jìn)行太空作業(yè)。

29、2005年，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制成功了能在空間站外面自動(dòng)運(yùn)行的名為L(zhǎng)emur六足步行機(jī)器人。該機(jī)器人主要完成輔助宇航員完成空間站外部設(shè)備的檢修工作。Lemur是模仿螃蟹腿的結(jié)構(gòu)和章魚身體的外形特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，它有六只復(fù)合的機(jī)械臂，如下圖所示，機(jī)械臂上裝有可折疊的工具，六只機(jī)械臂與機(jī)體相連如圖所示。Lemur每只機(jī)械臂具有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度和一個(gè)操作自由度，分別是肩部三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，肘部一個(gè)俯仰自由度和機(jī)械手爪的抓取自由度。目前共研制了兩個(gè)型號(hào)，按照Lemur的比例擴(kuò)大的版本Lemur Iia，可以幫助宇航員在太空中建設(shè)較大的建筑物。 Lemur復(fù)合機(jī)械臂和L

30、emur六足步行機(jī)器人“大狗”是美國(guó)武器合約商波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics）研發(fā)的一款科技含量非常高的運(yùn)輸機(jī)器人，“大狗”高約1米，重75kg采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。有四只強(qiáng)有力的腿，每條腿有三個(gè)靠傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力的關(guān)節(jié)，并有一個(gè)“彈性”關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)由一個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)處理器控制。它體內(nèi)裝有維持機(jī)身平衡的回轉(zhuǎn)儀，內(nèi)力傳感器等，可探測(cè)到地勢(shì)變化，根據(jù)情況做出調(diào)整。它的最高負(fù)載量可達(dá)340磅，以每小時(shí)4英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立體視覺系統(tǒng)或遠(yuǎn)程遙控器確認(rèn)路徑。還有驚人的平衡能力，即使是挨上重重的一腳，它也能馬上恢復(fù)。視頻中機(jī)器人在光滑的冰上行走時(shí)它數(shù)次幾乎

31、摔倒，但最終都保持住了平衡狀態(tài)。視頻還顯示了機(jī)器人應(yīng)付不同地形的能力，它能沿著陡峭的山坡爬上去爬下來，在多石、泥濘和雪地上行走。視頻的末尾顯示了它的超強(qiáng)跳躍能力，可以跳躍腳下差不多1米寬的距離。 機(jī)器人“大狗”美國(guó)波士頓動(dòng)力工程公司（Boston Dynamics）開發(fā)了一款世界上跑得最快的機(jī)器人“獵豹”，它能用四條腿以時(shí)速每小時(shí)18英里(約合每小時(shí)29公里)的速度奔跑，打破了有腿類機(jī)器人的速度記錄。獵豹機(jī)器人高2英尺，長(zhǎng)3英尺，裝配著一系列高科技裝備，其中包括：激光陀螺儀、照相機(jī)和隨載計(jì)算機(jī)。這款四腿機(jī)械機(jī)器人具有靈活的脊椎和鉸接式頭部，能夠沖刺，急轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止，運(yùn)動(dòng)方式完全以獵豹

32、等自然界奔跑迅速的動(dòng)物為模本，設(shè)計(jì)原型已列入美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局高級(jí)機(jī)器人兵工廠裝備。 機(jī)器人“獵豹” 如圖所示的是設(shè)在弗吉尼亞州的美國(guó)海軍研究局開發(fā)的八足仿生機(jī)器龍蝦，它能夠像真龍蝦一樣適應(yīng)不規(guī)則的海底，在不同的深度敏捷地行動(dòng)，并且應(yīng)付洶涌的波濤和變化的海流。從天線和體毛傳感器獲得的信號(hào)在它計(jì)算機(jī)化的“大腦”中進(jìn)行處理，并且用來控制其仿生肌肉。機(jī)器人共有24個(gè)自由度，采用鎳鈦諾形狀記憶合金材料制成的細(xì)棍作為線性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，通電加熱時(shí)肌肉就縮短，使龍蝦的腿向上運(yùn)動(dòng)，一旦冷卻就可以恢復(fù)原來的形狀，這樣交替地加熱及冷卻就可以復(fù)制龍蝦腿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)浮游爬行動(dòng)作，頭部裝有的兩個(gè)鉗子可以起到液動(dòng)控制

33、舵的作用，機(jī)器人由電池供電，以半自主方式工作，發(fā)現(xiàn)水雷會(huì)發(fā)出聲納警報(bào)，與尾部的水流動(dòng)力控制平面一起可以使其在行走和作業(yè)過程中保持穩(wěn)定。機(jī)器人頭部的兩個(gè)“觸須”為靈敏度極高的防水天線，使其具備感知障礙物的功能。 八足仿生機(jī)器龍蝦索尼公司犬型機(jī)器人愛寶（AIBO） “果醬”是一種形體可以改變的機(jī)器人。當(dāng)需要時(shí)，它能夠進(jìn)行固體和液體轉(zhuǎn)換，從門縫或小洞進(jìn)入敵方室內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。“果醬”有6條腿，是用一種特殊的“果醬”材料制成，身體各部分都是柔軟的，能夠根據(jù)需要變換體形。它的核心技術(shù)是兼有固體和液體性能的“果醬”技術(shù)。 一種類似鴕鳥的機(jī)器人。它有兩條腿，能夠在地面飛快地奔跑，能在15秒之內(nèi)從靜止加速到32千

34、米/小時(shí)，最大時(shí)速43千米，這個(gè)速度奧運(yùn)會(huì)冠軍也很難達(dá)到。之所以叫鴕鳥，是因?yàn)樵擁?xiàng)目的所有靈感都來自鴕鳥。按照計(jì)劃，該機(jī)器人于2012年制造并測(cè)試。 四足式移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)介 曾長(zhǎng)期做為人類主要交通和運(yùn)輸工具的驢、馬、牛、駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能力和負(fù)載能力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象，因而四足式機(jī)器人在移動(dòng)機(jī)器人中占有很大比例，并且從運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、控制難易程度和制造成本等方面綜合考慮，四足移動(dòng)機(jī)器人是最佳的足式機(jī)器人。 20世紀(jì)60年代，四足步行機(jī)器人的研究工作才開始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研制工作進(jìn)入了廣泛開

35、展階段。 世界上第一臺(tái)真正意義的四組步行機(jī)器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受限制，只能呈現(xiàn)固定的運(yùn)動(dòng)形式。 20世紀(jì)80、90年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本Shigeo Hirose實(shí)驗(yàn)室研制的TITAN系列。從80年開始至今已研制出3個(gè)系列12款四足機(jī)器人。第一代四足移動(dòng)機(jī)器人KUMO-I外形似長(zhǎng)腿蜘蛛，它是世界上第一個(gè)具有自主行走的現(xiàn)代足式機(jī)器人。隨后研制成功世界上第一個(gè)能上下爬行樓梯的四足機(jī)器人PV-II。1981至1984年Hirose教授研制成功

36、腳步裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。另一款有特點(diǎn)的機(jī)型是90年代研制的TITAN-VI，TITAN-VI機(jī)器人采用新型的直動(dòng)性腿機(jī)構(gòu)，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)腿的支撐相和擺動(dòng)相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2000-2003年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器人Tekken-IV，它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺傳感器。系統(tǒng)控制是由基于CPG的控制器通過反射機(jī)制來完成的。Tekke

37、n-IV能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。它的另一特點(diǎn)是利用了激光和CCD攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無碰撞快速行走。 目前最具代表性的四組步行機(jī)器人是美國(guó)Boston dynamics實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG的重量，爬升斜坡可達(dá)35°。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)

38、境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。 國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從20世紀(jì)80年代起步，取得一定成果的有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。 上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于1991年開展了JTUWM系列四足步行機(jī)器人的研究。1996年該研究所研制成功了JTUWM-III，該機(jī)器人采用開式鏈腿機(jī)構(gòu)，每個(gè)腿有3個(gè)自由度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)線了對(duì)角動(dòng)態(tài)行走。但行走速度極慢，極限步速僅為1.7KM/h，另外其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。 清華大學(xué)所研制

39、的一款四足步行機(jī)器人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)機(jī)構(gòu)，通過模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。 綜上所述，在四足機(jī)器人研究方面，美國(guó)，日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進(jìn)，實(shí)用化程度也在不斷提高。國(guó)內(nèi)四足步行機(jī)器的研究起步比較晚，在上個(gè)世紀(jì)90年代以后才逐漸有了成果，研究水平距世界先進(jìn)水平還有差距。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，研究者們對(duì)四足步行機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)做了大量的分析和實(shí)踐，在一些基礎(chǔ)理論上也取得了很大突破，四足步行機(jī)器人的技術(shù)水平不斷提高，使四足機(jī)器人也從一些傳統(tǒng)的

40、服務(wù)行業(yè)走向家居、醫(yī)療和特種（如排爆、反恐）領(lǐng)域。概括的來說，世界各國(guó)所研制的四足機(jī)器人主要有三種類型的應(yīng)用：（1） 作為試驗(yàn)研究的開發(fā)使用，如各大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研究的步行機(jī)器人；（2） 應(yīng)用到一些特殊場(chǎng)合，如水下探測(cè)、火山探測(cè)、星際探索等；（3） 作為商業(yè)用途，如AIBO機(jī)器狗。 隨著計(jì)算機(jī)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷發(fā)展及在機(jī)器人研究方面的應(yīng)用，四足機(jī)器人的研究也將步入新的發(fā)展階段，觀察國(guó)內(nèi)外四足機(jī)器人的研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)四足步行機(jī)器人的研究有以下趨勢(shì)：（1） 實(shí)現(xiàn)腿機(jī)構(gòu)的高能，高效性； （2）輪，足運(yùn)動(dòng)相結(jié)合； （3）步行機(jī)器人微型化；（4）增強(qiáng)四足步行機(jī)器人的負(fù)載能力；&

41、#160;（5）機(jī)器人仿生的進(jìn)一步深化。雙足步行機(jī)器人“行走”運(yùn)動(dòng)分析雙足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人最基本的和首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理。首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程(前向)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心 移到雙腿間，共分8個(gè)階段。從以上機(jī)器人步行過程可以看出:機(jī)器人向前邁步時(shí)，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個(gè)俯仰自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的，如圖為

42、三個(gè)自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，它的運(yùn)動(dòng)模型是平面的，沒有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，不能保持動(dòng)態(tài)平衡，屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，只能在斜坡上行走。 三個(gè)自由度步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖機(jī)器人要達(dá)到目標(biāo)位置，有時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。在三個(gè)自由度的基礎(chǔ)上再添加一個(gè)轉(zhuǎn)體(roll)自由度，如圖為四個(gè)自由度步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖，它的運(yùn)動(dòng)模型也是平面的，也沒有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，它只可以在水平面上沿直線行走幾步，然后就會(huì)因?yàn)閿[動(dòng)腿著地時(shí)沖擊過大而跌倒。 四個(gè)自由度步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖要想使機(jī)器人能夠側(cè)向運(yùn)動(dòng)，需要在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別再添加一個(gè)前向自由度和側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度，它的側(cè)面運(yùn)動(dòng)是一個(gè)倒立擺動(dòng)模型，側(cè)向關(guān)節(jié)使它在行走時(shí)

43、保持側(cè)向平衡。這種機(jī)器人可以在水平地面和斜坡上行走。如圖為八個(gè)自由度步行機(jī)器人行走示意圖。 八個(gè)自由度步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖如果在膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)俯仰自由度以調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，使機(jī)器人能夠上下臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣在膝關(guān)節(jié)再加上2個(gè)俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，每條腿變成6個(gè)自由度，兩條腿共12個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。如圖為12自由度步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖。 12自由度步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示

44、意圖下圖為機(jī)器人的自由度具體配置示意圖。 雙足步行機(jī)器人自由度具體配置示意圖雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)雙足步行是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對(duì)位置高的特點(diǎn)。雖然雙足式步行機(jī)器人步態(tài)是足式機(jī)器人中最復(fù)雜、控制難度最大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，但由于雙足機(jī)器人比其它足式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對(duì)這

45、些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。例如代替危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運(yùn)貨物等等。此外將來社會(huì)環(huán)境的變化使得雙足機(jī)器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。 行走機(jī)構(gòu)是足式機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，由于步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，所以要求設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)必須是對(duì)稱的，為保證傳動(dòng)精度和效率，在設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)時(shí)，要求其關(guān)節(jié)軸系的結(jié)構(gòu)必須緊湊，并且必須保證提供必要的輸出力矩和輸出速度，以滿足機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)速度和承載能力。 本文介紹一種雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎及上下樓梯運(yùn)動(dòng)的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為使雙足機(jī)器人達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，“腿部關(guān)節(jié)”必須滿足以下要求：1

46、. 前向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)：關(guān)節(jié)軸線位于側(cè)向平面內(nèi)，可以使機(jī)器人在前向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；2. 左右側(cè)擺關(guān)節(jié)：關(guān)節(jié)軸線位于前向平面內(nèi)，可以使機(jī)器人在側(cè)向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；3. 轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)：軸線為鉛垂線，可以使機(jī)器人做左右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。 如圖為機(jī)器人行走方向示意圖，機(jī)器人可以完成前進(jìn)、后退、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、爬斜坡和跨越障礙運(yùn)動(dòng)。 要使機(jī)器人滿足以上運(yùn)動(dòng)要求，腿部機(jī)構(gòu)必須要有12個(gè)自由度，如圖為雙足機(jī)器人的腿部自由度的配置。髖關(guān)節(jié)處要有3個(gè)自由度，分別可以實(shí)現(xiàn)前向、側(cè)向和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作；膝關(guān)節(jié)處只有一個(gè)自由度，完成前向運(yùn)動(dòng)；踝關(guān)節(jié)處有兩個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)前向和側(cè)向動(dòng)作。 腿部自由度配置為減小機(jī)器人體積、減輕重量，并保證一定強(qiáng)度，整個(gè)行走

47、機(jī)構(gòu)采用1mm的鋁合金鈑金框架結(jié)構(gòu)，框架具體的設(shè)計(jì)要有效利用RC伺服電機(jī)的尺寸大?。C(jī)器人的各關(guān)節(jié)采用RC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)），使電機(jī)的活動(dòng)范圍盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。如圖為雙足步行機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)。腿部底端兩個(gè)寬大的“腳掌”可以增加機(jī)器人的穩(wěn)定性，但也不宜過大，否則會(huì)影響其靈活性。腿部結(jié)構(gòu)單足彈跳式機(jī)器人彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)前，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍日益廣泛，甚至已經(jīng)深入至很多“特殊”領(lǐng)域，比如考古探測(cè)、星際探索、軍事偵察和反恐行動(dòng)等。足式移動(dòng)機(jī)器人能夠適應(yīng)凸凹不平的地面環(huán)境，比其它移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用更加普遍，但是遇到障礙物時(shí)，普通的足式機(jī)器人就無能為力了，必須將機(jī)器人做成彈跳式。彈跳機(jī)器人可以輕松越過障礙

48、物，特別適用于未知、崎嶇地形，在星際探索、反恐等方面有著不可替代的作用。彈跳機(jī)構(gòu)彈跳機(jī)器人的研究靈感來源于動(dòng)物，比如青蛙的跳躍運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)很好的參照模仿對(duì)象。青蛙的前腳比后腳短而細(xì)，它們不怎么走動(dòng)或爬行，經(jīng)常通過跳躍來移動(dòng)。青蛙跳躍之前由前腳的移動(dòng)來調(diào)整姿態(tài)，通過后腿發(fā)達(dá)的肌肉產(chǎn)生跳躍的能量。根據(jù)這樣的啟示，可以設(shè)計(jì)出彈跳模型如下圖所視。 彈跳機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖下圖為彈跳腿原理圖。機(jī)構(gòu)的方向齒輪相當(dāng)于青蛙的前腳，通過和底部齒盤的配合以調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)。機(jī)構(gòu)中彈簧代表用來儲(chǔ)能和釋放能量的彈性裝置。 彈跳原理圖 平衡機(jī)構(gòu)彈跳機(jī)器人在彈跳過程中很可能“摔倒”，必須為機(jī)器人添加平衡設(shè)計(jì)，以保證彈跳能夠持續(xù)進(jìn)行

49、。機(jī)構(gòu)的平衡方式有很多種，最簡(jiǎn)單的方法是降低機(jī)構(gòu)重心，為降低機(jī)器人重心，可以減小單足彈跳機(jī)器人的高度或這在機(jī)器人底部添加重塊，也可以將機(jī)器人底部設(shè)計(jì)成類似于不倒翁的圓形支撐足，這樣就能使機(jī)器人在彈跳或者落地后修正姿態(tài)，保持平衡，準(zhǔn)備下一次彈跳。單足彈跳式機(jī)器人如圖為單足式彈跳式機(jī)器人彈跳過程示意圖，中間彈性裝置連接機(jī)器人上、下兩部分結(jié)構(gòu)，底部結(jié)構(gòu)裝有起著平衡穩(wěn)定作用的質(zhì)量塊。跳起前彈性裝置處于“放松”狀態(tài)，當(dāng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，彈性裝置收緊并鎖定，然后釋放，在彈性體的作用下整個(gè)機(jī)構(gòu)跳起，在重力作用下機(jī)構(gòu)還會(huì)落回地面，落地后由于質(zhì)量塊的的平衡使機(jī)構(gòu)保持穩(wěn)定，準(zhǔn)備再次跳起。 單足式彈跳式機(jī)器人彈跳過程

50、示意圖多足移動(dòng)機(jī)器人單步行組足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前機(jī)器人研究的領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來，向航天航空、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查治療、搶險(xiǎn)救災(zāi)等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展，同時(shí)新的需求和任務(wù)也對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高要求。通過對(duì)這些自主作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行研究我們可以發(fā)現(xiàn)，不規(guī)則和不平坦的非結(jié)構(gòu)環(huán)境成為這些作業(yè)任務(wù)的共同特點(diǎn)，這樣就使輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到極大的限制，多足仿生機(jī)器人也就應(yīng)運(yùn)而生。多足仿生機(jī)器人因其天生具有多關(guān)節(jié)、多冗余自由度、多種運(yùn)動(dòng)模式的特性，使其特別適合在復(fù)雜環(huán)境下完成搜救、偵查、排除爆炸物和星際探索等任務(wù)。多足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)是機(jī)器

51、人的重要組成部分，是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，腿部性能的好壞直接決定著機(jī)器人功能的可行性。從某種意義上說，對(duì)多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析主要集中在對(duì)其腿機(jī)構(gòu)的分析。一般地，從機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求看，腿機(jī)構(gòu)不能過于復(fù)雜，桿件過多的腿機(jī)構(gòu)形式會(huì)引起結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此,對(duì)多足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的基本要求可以歸納為：1.實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求；2.滿足承載能力的要求；3.結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和方便控制的要求。為了設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，我們首先引入空間自由的的概念： 一個(gè)桿件（剛體） ，在空間上完全沒有約束，那么它可以在3個(gè)正交方向上平動(dòng)， 還可以有三個(gè)正交方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就有6個(gè)自由度。若在二維空間中有n個(gè)完全不受約束的物體

52、，選其中的一個(gè)為固定參照物，因每個(gè)物體相對(duì)參照物都有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，則n個(gè)物體相對(duì)參照物共有6(n-1)個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，若在所有的物體之間用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接起來，設(shè)第1個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束為i，如果所有n個(gè)物體之間的運(yùn)動(dòng)副數(shù)目為m，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)自由度應(yīng)減去所有的約束數(shù)的總和。一般地， 多足步行機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)靈活的行走動(dòng)作， 其腿機(jī)構(gòu)至少必須有兩個(gè)自由度， 即前后的擺動(dòng)和上下的抬放運(yùn)動(dòng)。構(gòu)成兩個(gè)自由度地方法可以都采用回轉(zhuǎn)副，或是采用 一個(gè)回轉(zhuǎn)副和一個(gè)可伸縮的移動(dòng)副，還有就是采用兩個(gè)移動(dòng)副，將前后的擺動(dòng)變?yōu)榍昂蠡啤５窍肜猛鹊霓D(zhuǎn)動(dòng)改變前進(jìn)方向，或是在原地旋轉(zhuǎn)，那腿部機(jī)構(gòu)就至少三個(gè)自由度，即在兩個(gè)自由度腿上加一個(gè)

53、水平旋轉(zhuǎn)自由度。如下圖為昆蟲一腿部模型圖，昆蟲有3對(duì)足，在前胸、中胸和后胸各有一對(duì)，我們相應(yīng)地稱為前足、中足和后足。每個(gè)足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成。基節(jié)是足最基部的一節(jié)，多粗短。轉(zhuǎn)節(jié)常與腿節(jié)緊密相連而不活動(dòng)。腿節(jié)是最長(zhǎng)最粗的一節(jié)。第四節(jié)叫脛節(jié)，一般比較細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)著成排的刺。第五節(jié)叫跗節(jié)，一般由2-5個(gè)亞節(jié)組成，為的是便于行走，在最末節(jié)的端部還長(zhǎng)著兩個(gè)又硬又尖的爪，可以用它們來抓住物體。昆蟲腿部有多個(gè)自由度，可以在前后和上下方向移動(dòng)，也可以向任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)時(shí)，可以模仿昆蟲腿部模型，并將其簡(jiǎn)化為根節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)三部分。 昆蟲腿部模型圖本文介紹一種機(jī)器人的的重

54、量不多于20kg,在水平地面上以平均速度0.1m/s直線行走的步行機(jī)器人單步行足的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖為一單步行足完成一次行走的示意圖，行走機(jī)構(gòu)由連接桿組成，腿與地面作用產(chǎn)生前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)力，踝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)行走所需的前后和上下方向擺動(dòng)，膝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)腿的轉(zhuǎn)動(dòng)改變前進(jìn)方向。 單步行足行走結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)多足機(jī)器人行走時(shí)，足尖與地面接觸會(huì)產(chǎn)生沖擊，沖擊力過大時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)剛性有很大影響。為減小足尖與地面的沖擊對(duì)機(jī)體的影響，可以在足尖處添加一種雙緩沖彈性結(jié)構(gòu)，如圖為雙緩沖彈性足尖結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)足尖加速?zèng)_擊地面時(shí)，首先起緩沖作用的是由聚氨酯（橡膠）制成的減震球1，它的減震效果十分明顯，而且具有三維延遲復(fù)原的特點(diǎn)，特別適合做機(jī)器人足尖使用。第二道緩沖措施就是利用彈簧2緩沖，外力通過足尖傳遞給滑塊4，然后由滑塊4把力傳遞給彈簧，為了防止滑塊4在滑槽內(nèi)卡死使彈簧起不到緩沖的作用，把滑塊4材料選擇具有自潤(rùn)滑性能的聚四氟乙烯，它的摩擦系數(shù)非常的小所以在滑槽內(nèi)滑動(dòng)所受到的阻力也特別的小，基本不會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。 1足尖滑槽 2彈簧 3聚四氟乙烯滑塊 4螺紋連接柱 5減震足尖 彈性足尖結(jié)構(gòu)圖 下圖為步行足結(jié)構(gòu)圖，材料采用密度較輕的鋁合金，關(guān)節(jié)連接板的作用是連接各模塊化關(guān)節(jié)，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。研究發(fā)現(xiàn)，三個(gè)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度比例