足式移动机器人专题

1、足式移动机器人是机器人领域中最活跃的一份子，足式移动机器人具有独特的优势和更高的灵活性，能够轻松的融进人类生活，与人类协同工作，从长远来看，足式移动机器人在诸如大众服务行业、教育、医疗、无人工厂、宇宙探索等都有着潜在而又广阔的应用前景。足式移动机器人分类 自然界中总存在着一些人类难以到达（如外太空、深海等）和危险、恶劣环境（如火灾现场、辐射地区），于是就开发利用能够自主运行的可移动机器人代替人类从事一些危险和难以触及的环境方面的作业。由于足式移动机器人比其它移动机器人有着更好的地形适应能力，并且更加灵活，因此在实际中得到了更加广泛的应用。足式移动机器人按照其“腿部”的数量不同可以分为单足式移动

2、机器人、双足式移动机器人和多足式移动机器人（包括四足式移动机器人、六足式移动机器人和八足式移动机器人等）。1. 单足式移动机器人单足式移动机器人一般做成弹跳式，1980年世界上最早的弹跳机器人在麻省理工学院机器人实验室研制成功，该机器人采用连续跳跃机构，可实现连续弹跳。单足机器人结构简单，做成弹跳式可以越过数倍自身尺寸的障碍物，比其它足式机器人更加适应多障碍物的环境，在考古探测、地形勘察等领域得到了大量的应用。如图为单足式弹跳机器人。 2. 双足式移动机器人双足式移动机器人几乎可以适应各种复杂地形，对步行环境要求很低，有教高的跨越障碍能力，不仅可以在平面上行走，而且能够方便地上下台阶及通过不平

3、整、不规则或较窄的路面，它是足式移动机器人中应用最多的。双足步行机器人能突显出科技水平个性化，可提高服务水平，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。这不仅仅是一个服务问题和节省人力的问题，更重要的是它可以提供各种全面特殊的服务，一人可在不同的场合充当不同的角色，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示。如图为一种双足式移动机器人。 3. 多足式移动机器人多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构足式机器人，多足步行机器人具有较强的机动性和更好适应不平地面的能力,能完成多种机器人工作。常见多足式移动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。如图为仿犬的四

4、足步行机器人。 下图为八足步行机器人。 单足步行机器人简介与其它类型的足式移动机器人相比，单足步行机器人虽然腿部结构较为简单，但其行平衡性较差、并且行走较难控制，在实际中的应用价值不大，常作为小型的教育型机器人。为了提升单足式移动机器人应用价值，常将单足式移动机器人的足部设计成弹跳式和球轮式特殊结构。单足弹跳机器人轮动与爬行都不能越过与自身大小相当的障碍，只有弹跳才能做到，弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物。弹跳结构与其它移动方式结合可以大大提高机器人的活动范围，而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。单足跳跃机器人虽然实际的应用能力有限，但其独特的越障性能使其仍具备

5、一定的研究价值。Raibert在1984年设计了世界上第一个以跳跃方式运动的单腿机器人，机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有气缸，作用相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆。其控制器分为3个相互独立的部分，分别控制高度、前向速度和姿态。之后，美国明尼阿波利斯明尼苏达大学的研究员尼古斯·古洛波洛斯和他的同事研制出一种可以跳上楼梯和搜查危险建筑物内部的微型机器人，这种机器人可以用于城市战争或帮助警察挫败处于包围之中的劫持人质的恐怖分子。单足球轮机器人传统的单足机器人由于受到腿部机械结构和运动控制的限制，很难在小范围内实现灵活的全方位移动，为解决这一问题，将足部末端的

6、机构设计成圆球体结构，从而出现了单球轮移动机器人。单足球轮移动机器人依靠圆球体在地面上移动，圆球体相当于不受方向限制的轮子，在小范围内可以灵活的全方位移动。单球轮移动机器人与地面的只有一个接触点，所以不能保持静态稳定，只能处于动态的平衡当中。单球轮机器人换向时不用转弯，当工作区域特别狭窄时，具有很强的实用性。总的来说，单球轮机器人具有以下几个优点：（1）转弯半径为零：机器人能绕本体中心旋转，不需要转弯便可以调整移动方向，可以在小空间内灵活移动； （2）无刹车系统：通过CPU控制电机提供正反转力矩，不需要减速器就能快速稳定的刹车； （3）功耗小：所需要的驱动功率较小，可延长电

7、池供电时间； （4）体积小：相比传统多轮机器人，单球轮机器人占地面积小得多。最早对单球轮移动机器人进行研究的是卡内基梅隆大学。2005年前后，卡内基梅隆大学的、GA.Kantor和在前人研究的基础上，推出了一个新型独轮自平衡机器人“Ballbot”，如图所示，研究该机器人的主要目的在于更好的与人进行人机交互。机器人的正身是一个高度为1.5m，直径为400mm，重量为45kg的圆柱。与一般的独轮自平衡机器人最大的不同是，“Ballbot”可以灵活的向任意方向运动。单足球轮式机器人Ballbot之后在2008年，日本东北大学在圆球机器人“BallBot”的研究之上先后发明了两种类型的单球

8、轮移动机器人，分别命名为“BallIP1”和“BallIP2”。第一种机器人“BallIP1”如图（a）所示，它的总高度约1300mm，无球时的重量为12kg，球重3.6kg。之后研究的第二个机器人“BallIP2”如图（b）所示，机器人“BallIP2”的预期研究目的是运输货物，它的设计比前者要小，高度大约为500mm，无球时重量约为11kg，每个机器人所用的球轮都是一个橡皮保龄球（使用液体橡胶喷涂层），直径约为200mm。机器人“BallIP1”（左）和“BallIP2”（右）双足步行机器人简介双足步行机器人是一种有着良好的自由度，并且灵活、稳定，能够适合各种不同的环境，集机械、电子、信息

9、、光检测为一体的具有“两条腿”可以类人直立行走的机器人。双足机器人的研究历史已有近40年,早在1968年,美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人,揭开了双足机器人研究的序幕。1972年，日本早稻田大学研制出第一台功能较全的两足步行机器人。接着，美国、南斯拉夫等学者也研制出各种两足走行机器人模型。到80年代国外的双足机器人研究进入热潮，并提出了很多非常系统的建模及控制的理论和方法。 目前双足机器人的研究已取得了一定的成果,尤其是近几年来随着驱动器、传感器、计算机软硬件等相关技术的发展,出现了大量的机器人样机,不仅实现了平地步行、上下楼梯和上下斜坡等步态,有的还能实现跑步、弹跳及跳

10、舞等动作。 双足步行机器人因其具有体积相对较小，对非结构性的复杂地面具有良好的适应性、自动化程度高，并且能耗较少、移动盲区小等优点，使其成为了机器人领域的一个重要发展方向。双足式移动机器人虽然研究难度较大，但其应用领域广泛，很多学者纷纷投入到双足机器人的研究中来，也不断研发出了适合不同工作环境的“专用”机器人，如在服务行业两足机器人可以担当导游、服务员、提供咨询等，在海洋开发方面两足机器人可以深入海底进行深海探索等。相对其它移动机器人双足步行机器人也有着一定的缺点使其应用受限，比如行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，不稳定等。 双足步行机器人按其行走方式的不同主要有静态步行、准动态步行和动态

11、步行三种类型。 静态步行 两足步行机器人靠地面反力和摩擦力来支撑，绕此合力作用点力矩为零的点称为零力矩点(ZMP)。在行走过程中，始终保持ZMP在脚的支撑面或支撑区域内。 准动态步行 把维持机器人的行走分为单脚支撑期和双脚支撑期，在单脚支撑期采用静态步行控制方式，将双脚支撑期视为倒立摆，控制重心由后脚支撑面滑到前脚支撑面。 动态步行 这是一种类人型的行走方式。在行走过程中，将整个驱体视为多连杆倒立摆，控制其姿态稳定性，并巧妙利用重力、蹬脚和摆动推动重心前移，实现两足步行。动态步行涉及机构控制和能源等难题，目前仍处于研究阶段，两足步行机器人可用于宇宙探测、排险及军事等方面。 双足步行机器人产品介

12、绍 双足机器人的研究始于1968年，经过半个世纪的发展，已取得了一定的成果，目前为止全球研究双足机器人的公司和组织有很多，也开发出了很多产品，并且部分产品也已经用于实践，进入到人们生活和工作中。下面列举一些比较好的双足机器人产品。2005年4月12日，ZMP公司开发出双脚步行机器人“NUVO”，该机器人具有语音识别功能，可由手机远程遥控。后来，ZMP公司又陆续开发了很多双脚步行机器人，如iPod周边机器人Miuro，说白了其实就是一款iPod音箱，不过它是第一个会自己走动的iPod音箱。该机器人通过“身体两侧”的圆形扬声器滚动行走，可连接iPod播放音乐，或通过无线接收电脑中的音乐播放。Miu

13、ro还装配了遥控器控制，通过内置摄像头和传感器自主行动，在屋子里随处跟着主人播放音乐。 “NUVO”机器人2009年，日本本田公司研制的双足机器人阿西莫(ASIMO)，可以称得上是世界上最先进的类人机器人，是当时全球唯一具备人类双足行走能力的机器人。阿西莫使用日本本田公司设计开发出一种新技术，通过识别大脑头皮电流变化和血液的流动信息，实现由人的大脑意念来控制机器人。这种新技术，可以实现比如打开汽车车门或者关闭家里的暖气这样简单的动作，也许不久以后就再也不需要亲自动手了，只用坐在舒服的沙发上静静地想象整个动作过程，与大脑相连接的机器人就能帮助完成。 机器人阿西莫 随着步行机器人的不断发展，其功能

14、、用途、种类也不断增多。比如2010年9月日本千叶工业大学研究人员制造出一个双脚步行的机器人“大力士”core，它能一次运载100公斤重的物品。“core”高约2米，重230公斤，通过两条腿步行前进，在运送重物时，其双腿能做出屈伸动作。“core”使用的单台发动机设计输出功率为1.2千瓦，最大可达3千瓦，相当于小型摩托车发动机输出功率的5倍，"core"的每条腿上各有6台这种发动机。设计人员还为“core”的腿部添加了特殊结构，当它的脚落在地面时，其腿部可吸收约80%的冲击力。 “大力士”机器人core 2011年8月，美国密歇根州大学的实验室研制出一款能够像人类一样奔跑的

15、机器人，让双腿机器人的敏捷性和效率达到一个新的高度。这款机器人名为“MABEL”，最高速度可达约每小时11公里，据信是世界上速度最快的双腿有膝机器人。MABEL重量分布方式与人类相似，它的躯干更重，腿部轻巧而灵活，装有充当肌腱的弹簧。MABEL每跨一步时在空中的停留时间占到40%，就像是一个真正的奔跑者。在穿行于复杂地形和进入建筑物内执行任务方面，具备出色奔跑能力的双腿机器人拥有优势。MABEL可以充当机器人士兵或者营救人员进入着火的房屋搜寻幸存者。 机器人“MABEL”多足步行机器人简介在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾

16、救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。以往的研究和实践经验表明，不管是轮式机器人、履带式机器人和单、双足式移动机器人都难以满足以上需求，由于多足步行机器人对崎岖和不规则地形的独特适应能力，使多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。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，模仿多足动物运动形式的特种机器人。国内外研究多足步行机器人最早可以追溯到我国的三国时期，蜀汉丞相诸葛亮发明的一种运输工具“木牛流马”。国外有据可查的记载是Rygg在1893年设计的机械马。此后多

17、足步行机器人历经一百多年的发展，取得了长足的进步，归纳起来主要经历了以下几个阶段：第一阶段，机械和液压控制实现运动的发展阶段。二十世纪六十年代，美国的 Shigley( 1960年)和Baldwin(1966年)就使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为灵活的步行机。这一阶段比较典型的是美国的 Mosher于1968年设计的四足车"Walking Truck"，步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。从步态规划及控制的角度来说，这种

18、要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。第二阶段，由于计算机大计算量的复杂数据处理能力的提高，机器人技术进入了全面发展的阶段。1987年，K. J. Waldron 等研制成功了ASV六足步行机器人；1989 年， W.Whittake 等成功研制了用于外星探测的六足机器人AMBLER；1993年1月，八足步行机器人 DANTE 用于对南极的埃里伯斯火山的考察，而后，其改进型DANTE-II也在实际中得到使用。在航空领域，美国NASA研制了爬行机器人“spider-bot”；英国在 1993 研制了六足步行机器人“MARV”，印度也于 2002 年

19、研制了六足行走式机器人“舞王”。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。由于许多危险工作可以由机器人来完成，这就要求机器人不但要具备完成各种任务的功能，还必须有自适应的运动规划和控制性能。所以，多足步行机器人的研究也进入了融合感知、规划和行动与交互的自主或与人共存的新一代机器人研究阶段。在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、 国防科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果。随着对多足步行机器人的研究的日益深入和发展，多足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能

20、都在不断提高。总的来说，多足步行机器人主要具有以下优点：第1、 多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破坏程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点以适应崎岖地形。第2、 多足步行机器人的腿部具有多个自由度，使运动灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体平衡，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，稳定性高，不易翻倒。第3、 多足步行机器人的身体与地面是分离的，这样可以使运动系统具有隔振能力，机器人的身体可以平稳地运动而不用考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。第4、 多足步行机器人在不平路面和松软路面上的运动速度较高，能耗少。 当然，多足

21、步行机器人也存在一些不足之处,当今多足步行机器人仍然面临很多亟待解决的问题：第一、有些多足步行机器人的体积和重量很大。在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现，并且为使腿部协调稳定运动，从机械结构设计到程序控制系统都比较复杂。从实用化角度出发，这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进。尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等，需要寻找体积更小、效率更高的替代品。第二、大多数多足步行机器人研究平台的承载能力不强，从而导致它们没有能力承载视觉设备。而且多足步行机器人的视觉研究也不太成熟，而视觉正是多足步行机器人实现自主化和智能化的关

22、键之一。要解决这个问题，首先还需改进现有多足步行机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载；其次是改进视觉图像处理的算法，增强图像处理的实时性、快速性和准确性。第三、步行敏捷性方面。多足步行机器人有很好的地面适应能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此多足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。随着计算机和智能化的不断进步和实现，使多足步行机器人具备更加广阔的应用前景，多足步行机器人将在更多场合和更加特殊环境中使用。纵览当前多足步行机器人的发展，多足步行机器人有以下几个值得关注的趋势： 1、 多足步行机

23、器人群体协作。 多个多足步行机器人协调合作共同完成某项任务。与单个多足步行机器人相比，多个多足步行机器人的总负荷更大，可以携带的仪器和工具更多，功能性更强。它们之间通过通信进行协调，也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人，从而按照一定的队形和顺序对目标进行不同的测量和操作。而当其中某一多足步行机器人出现故障时，其它机器人还可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性。2、 多足步行机器人的智能化。传统步态规划的方法是在机器人逆运动学的基础上，并且己知步行环境，来计算机器人各驱动关节转角的。这就提出了在机器人对未知环境的识别后，具有普遍实用意义的智能化的自主步态规划生成及控制的研究， 以及对机器人

24、实现步行空间精度定位问题的研究。3、 多足步行机器人的模块化和可重组。针对不同的工作环境，机器人需要根据环境的变化对自己的姿态进行调整。而模块化设计的多足步行机器人则可以根据环境的不同进行自重构。自重构多足步行机器人比起固定结构的多足步行机器人对地形的适应性更强，可应用的场合更多。因此，自重构机器人是多足步行机器人的发展方向之一。多足步行机器人的主要研究成果和产品 随着科学技术的快速发展，科学家研制出各种机器人，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人都已进入了实用化阶段。近些年来，由于资源短缺问题日益严重，很多国家和学者纷纷投入到海洋开发、星际探索等中去，由于多足步行机器人对复杂、未知

25、环境的独特适应能力，以及其灵活、全方位运动的特点，使其在海洋开发、星际探索等领域得到了广泛的应用。 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。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

26、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。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

27、一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。 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的研究。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。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，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

28、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。 国外多足步行机器人的研究成果国外对于多足仿生机器人的研究较早，技术比较成熟的主要有美国、德国、日本。其中美国所设计的多足机器人已经达到了实战的要求。近年来公布的资料显示美国国家航空和宇宙航行局（NASA）制作了一系列用于执行太空任务的多足机器人将研究其推向了很高的领域和高度。下面介绍一下国外做的一些技术相对完善的多足机器人，这也是在设计过程中主要参考的对象。为了尽量减少宇航员在恶劣的太空环境维护空间站受到的伤害，急需研制一个空间机器人代替人进行太空作业。

29、2005年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）下属的喷气推进实验室研制成功了能在空间站外面自动运行的名为Lemur六足步行机器人。该机器人主要完成辅助宇航员完成空间站外部设备的检修工作。Lemur是模仿螃蟹腿的结构和章鱼身体的外形特点设计的，它有六只复合的机械臂，如下图所示，机械臂上装有可折叠的工具，六只机械臂与机体相连如图所示。Lemur每只机械臂具有四个运动自由度和一个操作自由度，分别是肩部三个方向转动自由度，肘部一个俯仰自由度和机械手爪的抓取自由度。目前共研制了两个型号，按照Lemur的比例扩大的版本Lemur Iia，可以帮助宇航员在太空中建设较大的建筑物。 Lemur复合机械臂和L

30、emur六足步行机器人“大狗”是美国武器合约商波士顿动力公司（Boston Dynamics）研发的一款科技含量非常高的运输机器人，“大狗”高约1米，重75kg采用汽油发动机驱动。有四只强有力的腿，每条腿有三个靠传动装置提供动力的关节，并有一个“弹性”关节。这些关节由一个机载计算机处理器控制。它体内装有维持机身平衡的回转仪，内力传感器等，可探测到地势变化，根据情况做出调整。它的最高负载量可达340磅，以每小时4英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立体视觉系统或远程遥控器确认路径。还有惊人的平衡能力，即使是挨上重重的一脚，它也能马上恢复。视频中机器人在光滑的冰上行走时它数次几乎

31、摔倒，但最终都保持住了平衡状态。视频还显示了机器人应付不同地形的能力，它能沿着陡峭的山坡爬上去爬下来，在多石、泥泞和雪地上行走。视频的末尾显示了它的超强跳跃能力，可以跳跃脚下差不多1米宽的距离。 机器人“大狗”美国波士顿动力工程公司（Boston Dynamics）开发了一款世界上跑得最快的机器人“猎豹”，它能用四条腿以时速每小时18英里(约合每小时29公里)的速度奔跑，打破了有腿类机器人的速度记录。猎豹机器人高2英尺，长3英尺，装配着一系列高科技装备，其中包括：激光陀螺仪、照相机和随载计算机。这款四腿机械机器人具有灵活的脊椎和铰接式头部，能够冲刺，急转弯，并能突然急刹停止，运动方式完全以猎豹

32、等自然界奔跑迅速的动物为模本，设计原型已列入美国国防部高级研究计划局高级机器人兵工厂装备。 机器人“猎豹” 如图所示的是设在弗吉尼亚州的美国海军研究局开发的八足仿生机器龙虾，它能够像真龙虾一样适应不规则的海底，在不同的深度敏捷地行动，并且应付汹涌的波涛和变化的海流。从天线和体毛传感器获得的信号在它计算机化的“大脑”中进行处理，并且用来控制其仿生肌肉。机器人共有24个自由度，采用镍钛诺形状记忆合金材料制成的细棍作为线性驱动器驱动，通电加热时肌肉就缩短，使龙虾的腿向上运动，一旦冷却就可以恢复原来的形状，这样交替地加热及冷却就可以复制龙虾腿的运动，实现浮游爬行动作，头部装有的两个钳子可以起到液动控制

33、舵的作用，机器人由电池供电，以半自主方式工作，发现水雷会发出声纳警报，与尾部的水流动力控制平面一起可以使其在行走和作业过程中保持稳定。机器人头部的两个“触须”为灵敏度极高的防水天线，使其具备感知障碍物的功能。 八足仿生机器龙虾索尼公司犬型机器人爱宝（AIBO） “果酱”是一种形体可以改变的机器人。当需要时，它能够进行固体和液体转换，从门缝或小洞进入敌方室内执行任务。“果酱”有6条腿，是用一种特殊的“果酱”材料制成，身体各部分都是柔软的，能够根据需要变换体形。它的核心技术是兼有固体和液体性能的“果酱”技术。 一种类似鸵鸟的机器人。它有两条腿，能够在地面飞快地奔跑，能在15秒之内从静止加速到32千

34、米/小时，最大时速43千米，这个速度奥运会冠军也很难达到。之所以叫鸵鸟，是因为该项目的所有灵感都来自鸵鸟。按照计划，该机器人于2012年制造并测试。 四足式移动机器人简介 曾长期做为人类主要交通和运输工具的驴、马、牛、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，因而四足式机器人在移动机器人中占有很大比例，并且从运动稳定性、控制难易程度和制造成本等方面综合考虑，四足移动机器人是最佳的足式机器人。 20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作才开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开

35、展阶段。 世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但缺点是该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的运动受限制，只能呈现固定的运动形式。 20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。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，它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人。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。1981至1984年Hirose教授研制成功

36、脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。另一款有特点的机型是90年代研制的TITAN-VI，TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。 2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，它的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。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekke

37、n-IV能够实线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。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。 目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升斜坡可达35°。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环

38、境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。 国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。 上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，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，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h，另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。 清华大学所研制

39、的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。 综上所述，在四足机器人研究方面，美国，日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在不断提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪90年代以后才逐渐有了成果，研究水平距世界先进水平还有差距。经过几十年的发展，研究者们对四足步行机器人的关键技术做了大量的分析和实践，在一些基础理论上也取得了很大突破，四足步行机器人的技术水平不断提高，使四足机器人也从一些传统的

40、服务行业走向家居、医疗和特种（如排爆、反恐）领域。概括的来说，世界各国所研制的四足机器人主要有三种类型的应用：（1） 作为试验研究的开发使用，如各大学机器人实验室研究的步行机器人；（2） 应用到一些特殊场合，如水下探测、火山探测、星际探索等；（3） 作为商业用途，如AIBO机器狗。 随着计算机和机械设计制造技术的不断发展及在机器人研究方面的应用，四足机器人的研究也将步入新的发展阶段，观察国内外四足机器人的研究可以发现，对四足步行机器人的研究有以下趋势：（1） 实现腿机构的高能，高效性； （2）轮，足运动相结合； （3）步行机器人微型化；（4）增强四足步行机器人的负载能力；&

41、#160;（5）机器人仿生的进一步深化。双足步行机器人“行走”运动分析双足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心 移到双腿间，共分8个阶段。从以上机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动，要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的，如图为

42、三个自由度机器人运动简图，它的运动模型是平面的，没有侧向运动，不能保持动态平衡，属于完全动态机器人，只能在斜坡上行走。 三个自由度步行机器人运动示意图机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。在三个自由度的基础上再添加一个转体(roll)自由度，如图为四个自由度步行机器人运动示意图，它的运动模型也是平面的，也没有侧向运动，它只可以在水平面上沿直线行走几步，然后就会因为摆动腿着地时冲击过大而跌倒。 四个自由度步行机器人运动示意图要想使机器人能够侧向运动，需要在髋关节和膝关节分别再添加一个前向自由度和侧向旋转自由度，它的侧面运动是一个倒立摆动模型，侧向关节使它在行走时

43、保持侧向平衡。这种机器人可以在水平地面和斜坡上行走。如图为八个自由度步行机器人行走示意图。 八个自由度步行机器人运动示意图如果在膝关节处配置一个俯仰自由度以调整摆动腿的着地高度，使机器人能够上下台阶，实现不同的步态。这样在膝关节再加上2个俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，每条腿变成6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。如图为12自由度步行机器人运动示意图。 12自由度步行机器人运动示

44、意图下图为机器人的自由度具体配置示意图。 双足步行机器人自由度具体配置示意图双足步行机器人行走机构设计双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。虽然双足式步行机器人步态是足式机器人中最复杂、控制难度最大的动态系统，但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这

45、些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。 行走机构是足式机器人的关键技术，由于步行运动中普遍存在结构对称性，所以要求设计双足机器人的腿部机构必须是对称的，为保证传动精度和效率，在设计双足机器人腿部机构时，要求其关节轴系的结构必须紧凑，并且必须保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。 本文介绍一种双足机器人实现直线行走、静态转弯及上下楼梯运动的腿部结构设计，为使双足机器人达到设计目标，“腿部关节”必须满足以下要求：1

46、. 前向转动关节：关节轴线位于侧向平面内，可以使机器人在前向平面内运动；2. 左右侧摆关节：关节轴线位于前向平面内，可以使机器人在侧向平面内运动；3. 转弯关节：轴线为铅垂线，可以使机器人做左右转弯动作。 如图为机器人行走方向示意图，机器人可以完成前进、后退、平地侧行、转弯、爬斜坡和跨越障碍运动。 要使机器人满足以上运动要求，腿部机构必须要有12个自由度，如图为双足机器人的腿部自由度的配置。髋关节处要有3个自由度，分别可以实现前向、侧向和转弯动作；膝关节处只有一个自由度，完成前向运动；踝关节处有两个自由度，实现前向和侧向动作。 腿部自由度配置为减小机器人体积、减轻重量，并保证一定强度，整个行走

47、机构采用1mm的铝合金钣金框架结构，框架具体的设计要有效利用RC伺服电机的尺寸大小（机器人的各关节采用RC伺服电机驱动），使电机的活动范围尽量符合各关节的活动范围。如图为双足步行机器人腿部结构。腿部底端两个宽大的“脚掌”可以增加机器人的稳定性，但也不宜过大，否则会影响其灵活性。腿部结构单足弹跳式机器人弹跳机构设计当前，移动机器人的应用范围日益广泛，甚至已经深入至很多“特殊”领域，比如考古探测、星际探索、军事侦察和反恐行动等。足式移动机器人能够适应凸凹不平的地面环境，比其它移动机器人的应用更加普遍，但是遇到障碍物时，普通的足式机器人就无能为力了，必须将机器人做成弹跳式。弹跳机器人可以轻松越过障碍

48、物，特别适用于未知、崎岖地形，在星际探索、反恐等方面有着不可替代的作用。弹跳机构弹跳机器人的研究灵感来源于动物，比如青蛙的跳跃运动就是一个很好的参照模仿对象。青蛙的前脚比后脚短而细，它们不怎么走动或爬行，经常通过跳跃来移动。青蛙跳跃之前由前脚的移动来调整姿态，通过后腿发达的肌肉产生跳跃的能量。根据这样的启示，可以设计出弹跳模型如下图所视。 弹跳机构模型简图下图为弹跳腿原理图。机构的方向齿轮相当于青蛙的前脚，通过和底部齿盘的配合以调整机器人姿态。机构中弹簧代表用来储能和释放能量的弹性装置。 弹跳原理图 平衡机构弹跳机器人在弹跳过程中很可能“摔倒”，必须为机器人添加平衡设计，以保证弹跳能够持续进行

49、。机构的平衡方式有很多种，最简单的方法是降低机构重心，为降低机器人重心，可以减小单足弹跳机器人的高度或这在机器人底部添加重块，也可以将机器人底部设计成类似于不倒翁的圆形支撑足，这样就能使机器人在弹跳或者落地后修正姿态，保持平衡，准备下一次弹跳。单足弹跳式机器人如图为单足式弹跳式机器人弹跳过程示意图，中间弹性装置连接机器人上、下两部分结构，底部结构装有起着平衡稳定作用的质量块。跳起前弹性装置处于“放松”状态，当启动驱动机构时，弹性装置收紧并锁定，然后释放，在弹性体的作用下整个机构跳起，在重力作用下机构还会落回地面，落地后由于质量块的的平衡使机构保持稳定，准备再次跳起。 单足式弹跳式机器人弹跳过程

50、示意图多足移动机器人单步行组足结构设计目前机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航天航空、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，同时新的需求和任务也对机器人的性能提出了更高要求。通过对这些自主作业环境特点进行研究我们可以发现，不规则和不平坦的非结构环境成为这些作业任务的共同特点，这样就使轮式机器人和履带式机器人的应用受到极大的限制，多足仿生机器人也就应运而生。多足仿生机器人因其天生具有多关节、多冗余自由度、多种运动模式的特性，使其特别适合在复杂环境下完成搜救、侦查、排除爆炸物和星际探索等任务。多足步行机器人的腿部机构是机器

51、人的重要组成部分，是机械设计的关键之一，腿部性能的好坏直接决定着机器人功能的可行性。从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此,对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：1.实现运动的要求；2.满足承载能力的要求；3.结构实现和方便控制的要求。为了设计行走机构的结构，我们首先引入空间自由的的概念： 一个杆件（刚体） ，在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动， 还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。若在二维空间中有n个完全不受约束的物体

52、，选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第1个运动副的约束为i，如果所有n个物体之间的运动副数目为m，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和。一般地， 多足步行机器人能实现灵活的行走动作， 其腿机构至少必须有两个自由度， 即前后的摆动和上下的抬放运动。构成两个自由度地方法可以都采用回转副，或是采用 一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两个自由度腿上加一个

53、水平旋转自由度。如下图为昆虫一腿部模型图，昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成，为的是便于行走，在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。昆虫腿部有多个自由度，可以在前后和上下方向移动，也可以向任意方向转动。设计机器人足部结构时，可以模仿昆虫腿部模型，并将其简化为根节、腿节、胫节三部分。 昆虫腿部模型图本文介绍一种机器人的的重

54、量不多于20kg,在水平地面上以平均速度0.1m/s直线行走的步行机器人单步行足的结构设计。如图为一单步行足完成一次行走的示意图，行走机构由连接杆组成，腿与地面作用产生前进方向的运动力，踝关节可以实现行走所需的前后和上下方向摆动，膝关节可以实现腿的转动改变前进方向。 单步行足行走结构示意图当多足机器人行走时，足尖与地面接触会产生冲击，冲击力过大时会对整个机构的稳定性和结构刚性有很大影响。为减小足尖与地面的冲击对机体的影响，可以在足尖处添加一种双缓冲弹性结构，如图为双缓冲弹性足尖结构图。当足尖加速冲击地面时，首先起缓冲作用的是由聚氨酯（橡胶）制成的减震球1，它的减震效果十分明显，而且具有三维延迟复原的特点，特别适合做机器人足尖使用。第二道缓冲措施就是利用弹簧2缓冲，外力通过足尖传递给滑块4，然后由滑块4把力传递给弹簧，为了防止滑块4在滑槽内卡死使弹簧起不到缓冲的作用，把滑块4材料选择具有自润滑性能的聚四氟乙烯，它的摩擦系数非常的小所以在滑槽内滑动所受到的阻力也特别的小，基本不会出现卡死的现象。 1足尖滑槽 2弹簧 3聚四氟乙烯滑块 4螺纹连接柱 5减震足尖 弹性足尖结构图 下图为步行足结构图，材料采用密度较轻的铝合金，关节连接板的作用是连接各模块化关节，传递运动和动力。研究发现，三个关节的长度比例